江苏版2023版高三一轮总复习物理第11章实验16利用传感器制作简单的自动控制装置

利用传感器制作简单的自动控制装置→教材原型实验1．利用负温度系数热敏电阻制作的热传感器，一般体积很小，可以用来测量很小范围内的温度变化，反应快，而且精确度高。(1)如果将负温度系数热敏电阻与电源、电流表和其他元件串联成一个电路，其他因素不变，只要热敏电阻所处区域的温度降低，电路中电流将变________(选填“大”或“小”)。(2)上述电路中，我们将电流表中的电流刻度换成相应的温度刻度，就能直接显示出热敏电阻附近的温度。如果刻度盘正中的温度为20℃(如图1所示)，则25℃的刻度应在20℃的刻度的________(选填“左”或“右图1图2(3)为了将热敏电阻放置在某蔬菜大棚内检测大棚内温度变化，请用图2中的器材(可增加元器件)设计一个电路。[解析](1)因为温度降低时，负温度系数热敏电阻的阻值增大，故电路中电流会减小。(2)由(1)的分析知，温度越高，电流越大，25℃的刻度应对应较大电流，故在20(3)电路如图所示。[答案](1)小(2)右(3)见解析图2．某同学利用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路”，如图甲所示。将热敏电阻R安装在需要探测温度的地方，当环境温度正常时，继电器的上触点接触，下触点分离，指示灯亮；当环境温度超过某一值时，继电器的下触点接触，上触点分离，警铃响。图甲中给继电器供电的电源电压U1＝4V，内阻不计，继电器线圈用漆包线绕成，其电阻R0为30Ω。当线圈中的电流大于等于40mA时，继电器的衔铁将被吸合，警铃响。图乙是热敏电阻的阻值随温度变化的图像。甲乙(1)图甲中警铃的接线柱C应与接线柱________相连，指示灯的接线柱D应与接线柱________相连(均选填“A”或“B”)；(2)当环境温度升高时，继电器的磁性将________(选填“增大”“减小”或“不变”)，当环境温度达到________℃时，警铃报警；(3)如果要使报警电路在更高的温度报警，下列方案可行的是()A．适当减小U1 B．适当增大U1C．适当减小U2 D．适当增大U2[解析](1)由于B接通时警铃响，A接通时指示灯亮，因此C接B，D接A。(2)由于热敏电阻随温度升高，阻值减小，回路的电流强度增大，因此继电器的磁性增强。当电流等于40mA时，回路的总电阻R＝eq\f(U,I)＝eq\f(4V,40mA)＝100Ω而继电器电阻R0为30Ω，因此当热敏电阻等于70Ω时，由题图乙可知对应温度为40℃(3)温度更高时，热敏电阻阻值更小，而报警电流为40mA不变，因此应适当降低U1值，因此A正确。[答案](1)BA(2)增大40(3)A3．电控调光玻璃能根据光照强度自动调节玻璃的透明度，将光敏电阻Rx和定值电阻R0接在9V的电源上，光敏电阻阻值随光强变化关系如表所示：光强E/cd12345电阻值/Ω18963.6[“光强”表示光强弱程度的物理量，符号为E，单位坎德拉(cd)](1)当光照强度为4坎德拉(cd)时光敏电阻Rx的大小为________Ω。(2)其原理是光照增强，光敏电阻Rx阻值变小，施加于玻璃两端的电压降低，玻璃透明度下降，反之则玻璃透明度上升。若电源电压不变，R0是定值电阻，则下列电路图中符合要求的是________(填序号)。ABCD[解析](1)由表格数据可知，光敏电阻Rx与光强E的乘积均为18Ω·cd不变，则当E＝4cd时，光敏电阻的阻值Rx＝eq\f(18Ω·cd,4cd)＝4.5Ω。(2)由题意可知，光敏电阻Rx与定值电阻R0串联连接，光照增强时，光敏电阻Rx阻值减小，电路中的总电阻减小，由I＝eq\f(U,R)可知，电路中的电流增大，由U＝IR可知，R0两端的电压增大，因串联电路中总电压等于各分电压之和，所以Rx两端的电压减小，反之，光照减弱时，光敏电阻Rx阻值增大，R0两端的电压减小，Rx两端的电压增大，则玻璃并联在R0两端时不符合，玻璃并联在Rx两端时符合，A项错误，C项正确；若玻璃与电源并联，光照变化时，玻璃两端的电压不变，B、D两项错误。[答案](1)4.5(2)C4．(2021·辽宁8省市模考)某同学为定性探究光敏电阻阻值随光照强度变化的关系，设计了如图(a)所示的电路。所用器材有：置于暗箱(图中虚线区域)中的光敏电阻RG、小灯泡和刻度尺；阻值为R的定值电阻；理想电压表；电动势为E、内阻为r的电源；开关S；导线若干。图(a)实验时，先按图(a)连接好电路，然后改变暗箱中光源到光敏电阻的距离d，记录电压表的示数U，获得多组数据如下表。d/cm8.5010.0012.0013.5015.0017.0018.5020.0022.0023.5025.00U/mV271.0220.0180.0156.7114.9114.094.889.578.672.565.0回答下列问题：(1)光敏电阻阻值RG与电压表示数U的关系式为RG＝________(用E、r、R、U表示)；(2)在图(b)的坐标纸上补齐数据表中所给的第二组数据点，并作出U­d的非线性曲线；图(b)(3)依据实验结果可推断：光敏电阻的阻值随着光照强度的减小而________(选填“增大”或“减小”)。图(c)(4)该同学注意到智能手机有自动调节屏幕亮度的功能，光照强度大时屏幕变亮，反之变暗。他设想利用光敏电阻的特性，实现“有光照射光敏电阻时，小灯泡变亮；反之变暗”的功能，设计了如图(c)所示电路，则电路中________(选填“R1”或“R2”)为光敏电阻，[解析](1)根据闭合电路欧姆定律，可得eq\f(E,r＋R＋RG)R＝U，解得RG＝eq\f(E,U)R－r－R。(2)描点、连线如图所示。(3)当光源距离光敏电阻越远时，光照强度越小，电压表示数越小，根据RG＝eq\f(E,U)R－r－R可知，光敏电阻的阻值RG越大。(4)如果R1为光敏电阻，有光照射光敏电阻时，外电路总电阻变小，路端电压降低，灯泡变暗；当R2为光敏电阻时，有光照射光敏电阻时，外电路总电阻变小，整个电路电流强度增大，内电压升高，路端电压降低，流过R1的电流减小，因此流过灯泡的电流增大，灯泡变亮，R2为光敏电阻。[答案](1)eq\f(E,U)R－r－R(2)见解析图(3)增大(4)R2实验拓展与创新高考实验题是在教材实验的基础上创设新情境，通过改变实验条件、实验仪器设置题目，不脱离教材而又不拘泥于教材，体现开放性、探究性、设计性等特点，本实验创新点体现在以下几方面：实验设计创新1．通过继电器和热敏电阻控制电路制作一个简易的控温电路。2．用衔铁的被吸合和弹开来控制电源对加热器的供电。实验原理创新1．利用热敏电阻来控制电路，使之成为温度报警系统，在设置报警温度时，借助于电阻箱进行电阻设置，使之达到报警的温度进行报警。2．可以设计成可调温度的报警器。实验器材创新1．本题将电压传感器和电流传感器代替电压表和电流表设计描绘小灯泡的U­I曲线电路原理图。2．描绘等效电源的U­I图线，结合小灯泡的U­I特性曲线求出小灯泡的实际功率。甲乙丙[题组训练]1．(实验设计创新)某同学通过实验制作一个简易的温控装置，实验电路图如图甲所示，继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端，当继电器的电流超过15mA时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控。继电器的电阻约20Ω，热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如下表所示。t/℃30.040.050.060.070.080.0Rt/Ω199.5145.4108.181.862.949.1(1)提供的实验器材有：电源E1(3V，内阻不计)、电源E2(6V，内阻不计)、滑动变阻器R1(0～200Ω)、滑动变阻器R2(0～500Ω)、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱(0～999.9Ω)、开关S、导线若干。为使该装置实现对30～80℃之间任一温度的控制，电源E应选用________(选填“E1”或“E2”)，滑动变阻器R应选用________(选填“R1”或“R2”)。甲乙(2)实验发现电路不工作。某同学为排查电路故障，用多用电表测量各接点间的电压，则应将如图乙所示的选择开关旋至________(选填“A”“B”“C”或“D”)。(3)闭合开关S，用调节好的多用电表进行排查。在图甲中，若只有b、c间断路，则表笔接入a、b时指针________(选填“偏转”或“不偏转”)，接入a、c时指针________(选填“偏转”或“不偏转”)。(4)排除故障后，欲使衔铁在热敏电阻为50℃时被吸合，下列操作步骤的正确顺序是________。①将热敏电阻接入电路②观察到继电器的衔铁被吸合③断开开关，将电阻箱从电路中移除④闭合开关，调节滑动变阻器的阻值⑤断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，将阻值调至108.1Ω[解析](1)若实现对30℃温度的控制，继电器和Rt的电压U1＝0.015×(20＋199.5)V≈3.29V，因此符合要求的电源应选E2。若实现对80℃温度的控制，对全电路有：U＝I(R继＋Rt＋R)，即6V＝0.015A×(20Ω＋49.1Ω＋R)，解得R＝330.9Ω，因此滑动变阻器应选R(2)用多用电表测量直流电压时，选择开关应旋至C(直流电压挡)。(3)表笔接入a、b时，a、b间电压为0，指针不偏转；接入a、c时，多用电表与电源等构成回路，指针偏转。(4)连接电路时，先用电阻箱代替热敏电阻，调节滑动变阻器阻值，衔铁被吸合时，调节完毕，移除电阻箱换为热敏电阻即可，正确的顺序为⑤④②③①。[答案](1)E2R2(2)C(3)不偏转偏转(4)⑤④②③①2．(实验原理创新)现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60℃时，系统报警。提供的器材有：热敏电阻，报警器(内阻很小，流过的电流超过Ic时就会报警)，电阻箱(最大阻值为999.9Ω)，直流电源(输出电压为U，内阻不计)，滑动变阻器R1(最大阻值为1000Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值为2000Ω)，单刀双掷开关一个，导线若干。在室温下对系统进行调节。已知U约为18V，Ic约为10mA；流过报警器的电流超过20mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60℃(1)完成待调节的报警系统原理电路图的连线。(2)电路中应选用滑动变阻器________(填“R1”或“R2”(3)按照下列步骤调节此报警系统：①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为________Ω；滑动变阻器的滑片应置于________(填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是_______________。②将开关向________(填“c”或“d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至____________________________________。(4)保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用。[解析](1)电路图连接如图所示。(2)报警器开始报警时，对整个回路有U＝Ic(R滑＋R热)，代入数据可得R滑＝1150.0Ω，因此滑动变阻器应选择R2。(3)①在调节过程中，电阻箱起到等效替代热敏电阻的作用，电阻箱的阻值应为报警器报警时热敏电阻的阻值，即为650.0Ω。滑动变阻器在电路中为限流接法，滑片应置于b端附近，若置于另一端a时，闭合开关，则电路中的电流I＝eq\f(18,650.0)A≈27.7mA，超过报警器最大电流20mA，报警器可能损坏。②开关应先向c端闭合，移动滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警为止。[答案](1)见解析图(2)R2(3)①650.0b接通电源后，流过报警器的电流会超过20mA，报警器可能损坏②c报警器开始报警3．(实验器材创新)实验室备有以下器材：电压传感器、电流传感器、滑动变阻器R1(阻值变化范围0～20Ω)、滑动变阻器R2(阻值变化范围0～1000Ω)、电动势适当的电源、小灯泡(4V2W)、开关、导线若干。(1)要完整地描绘小灯泡的U­I曲线，请在方框中画出实验电路图，并标出所用滑动变阻器的符号。甲(2)实验中描绘出的小灯泡U­I曲线如图甲所示，由图可知，小灯泡灯丝电阻随温度升高而________(选填“增大”“减小”或“不变”)。(3)如果用上述器材测量所给电源的电动势和内电阻，实验电路如图乙所示，图中R0是阻值为9.0Ω的保护电阻，实验中测得多组数据记录在下表中，试在同一坐标系中画出等效电源的U­I图像，由图像可求出电源自身内阻约为________Ω。序号123456U/V4.003.402.802.001.500.80I/A0.200.260.330.400.460.52乙丙(4)若将上述小灯泡直接与电源和保护电阻组成串联电路，如图丙所示，此时小灯泡消耗的电功率约为______W(保留两位有效数字)。[解析](1)描绘小灯泡的伏安特性曲线，电压与电流应从零开始变化，滑动变压器要采用分压接法，由于灯泡的阻值较小，电流表应用外接法，电路图