高考物理一轮复习讲义第74课时　实验16：利用传感器制作简单的自动控制装置（教师版）

第74课时实验16：利用传感器制作简单的自动控制装置【复习定位】1.掌握制作传感器的常用元件(光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、电阻应变片、霍尔元件)的基本特性及工作原理。2.探究传感器的工作原理及传感器应用的一般模式。3.能利用传感器制作简单的自动控制装置。技能储备基础落实对应学生用书P252一、原理与操作装置及原理传感器能够将感受到的物理量(力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)实验过程(1)研究热敏电阻的热敏特性①将热敏电阻放入烧杯中的水中，测量水温和热敏电阻的阻值；②改变水的温度，多次测量水的温度和热敏电阻的阻值，记录在表格中，把记录的数据画在R­t图中，得图像如图所示(2)研究光敏电阻的光敏特性①将光电传感器、多用电表、灯泡、滑动变阻器连接好，其中多用电表置于欧姆“×100”挡；②先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值，并记录数据；③打开电源，让小灯泡发光，调节小灯泡的亮度使之逐渐变亮，观察表盘指针显示电阻阻值的变化情况，并记录；④用手掌(或黑纸)遮光时电阻值又是多少，并记录操作要领(1)在做热敏实验时，加开水后要等一会儿再测其阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温；(2)光敏实验中，如果效果不明显，可将光敏电阻部分电路放入带盖的纸盒中，并通过盖上小孔改变射到光敏电阻上的光的多少；(3)欧姆表每次换挡后都要重新欧姆调零二、自动控制装置设计与制作示例1．门窗防盗报警装置的设计(1)电路如图所示。(2)实验操作①连接电路前，要先判断干簧管是否正常工作。用磁体直接靠近干簧管，观察簧片的动作。②连接电路，接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，观察实验现象。2．光控开关的设计(1)电路如图所示。(2)实验操作①按照如图所示连接电路，检查无误后，接通电源。②让光敏电阻RG受到白天较强的自然光照射，调节电阻R1使发光二极管LED或小灯泡L刚好不发光。③遮挡RG，当光照减弱到某种程度时，就会看到发光二极管LED或小灯泡L发光。④让光照加强，当光照强到某种程度时，则发光二极管LED或小灯泡L熄灭。(3)注意事项①安装前，对实验器材进行测试，确保各元件性能良好后，再进行安装。②光控开关实验中，二极管连入电路的极性不能反接。③如果实验现象不明显，可用手电筒加强光照，或遮盖光敏电阻，再进行观察。关键能力阶梯突破对应学生用书P253考点一教材原型实验【例1】(2024·浙江1月选考)在探究热敏电阻的特性及其应用的实验中，测得热敏电阻Rt在不同温度时的阻值如表：温度/℃4.19.014.320.028.038.245.560.4电阻/(102Ω)2201601006045302515某同学利用上述热敏电阻Rt、电动势E＝3V(内阻不计)的电源、定值电阻R(阻值有3kΩ、5kΩ、12kΩ三种可供选择)、控制开关和加热系统，设计了A、B、C三种电路。因环境温度低于20℃，现要求将室内温度控制在20～28℃范围，且1、2两端电压大于2V，控制开关开启加热系统加热，则应选择的电路是C，定值电阻R的阻值应选3kΩ，1、2两端的电压小于1.8V时，自动关闭加热系统(不考虑控制开关对电路的影响)。解析依题知电路要满足：当温度升高，热敏电阻Rt的阻值减小，热敏电阻分压减小，控制开关断开；当温度降低，热敏电阻Rt的阻值增大，热敏电阻分压增大，只有C选项符合条件，C正确。当温度为20℃时，热敏电阻Rt的阻值为6000Ω，1、2两端的电压为2V，此时定值电阻两端电压为1V，根据串联电路中电压与电阻成正比可知，定值电阻的阻值为3kΩ；当温度为28℃时，热敏电阻R1的阻值为4.5kΩ，根据串联分压与电阻成正比可知，1、2两端的电压为eq\f(4.5,3＋4.5)×3V＝1.8V。【例2】为了节能环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统。光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值R随光的照度I变化而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱，光越强，照度越大，照度单位为lx)。(1)某光敏电阻在不同照度下的阻值R如表所示，根据表中的数据，请在图甲的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线，并判断光敏电阻的阻值R与照度I是否成反比关系。答：否(填“是”或“否”)。照度I/lx0.20.40.60.81.01.2阻值R/kΩ5.83.72.72.32.01.8答案见解析图解析如图所示若光敏电阻的阻值R与照度I成反比关系，则有RI为定值，由图像中的点的数据可得5.8×0.2<3.7×0.4<2.7×0.6<2.3×0.8<2.0×1.0<1.8×1.2，可知光敏电阻的阻值R与照度I不是反比关系。(2)图乙为街道路灯自动控制电路，利用直流电源E为电磁铁供电，利用照明电源为路灯供电。为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果，路灯应接在A、B(填“A、B”或“C、D”)之间。解析由于天亮时照度较大，光敏电阻的阻值较小，电路中的电流较大，衔铁被吸下，A、B间断开，C、D间接通，故路灯应接在A、B间。(3)已知线圈的电阻为140Ω，直流电源E的电动势E＝36V，内阻忽略不计。当线圈中的电流大于10mA时，继电器的衔铁将被吸合，滑动变阻器R′的阻值应调为1460Ω时，才能使天色渐暗照度低于1.0lx时点亮路灯。解析由题意可知，当照度降到1.0lx时，电路电流降低到10mA，此时电路中的总电阻为R总＝eq\f(E,I)＝eq\f(36,10×10-3)Ω＝3600Ω，此时光敏电阻的阻值为R＝2000Ω，则滑动变阻器R′的阻值应调为R′＝R总－R－R线＝3600Ω－2000Ω－140Ω＝1460Ω。(4)使用一段时间后发现，路灯在天色更亮时就已点亮了，为了使路灯能按设计要求点亮和熄灭，变阻器R′的阻值应适当调小(选填“大”或“小”)些。解析使用一段时间后发现，路灯在天色更亮时就已点亮了，说明在天色更亮时电路电流就降到了10mA，为了使路灯能按设计要求点亮和熄灭，应使天色更亮时电路电流大于10mA，应使电路的总电阻适当减小，故变阻器R′的阻值应适当调小些。考点二实验拓展与创新【例3】(2024·河北卷)某种花卉喜光，但阳光太强时易受损伤。某兴趣小组决定制作简易光强报警器，以便在光照过强时提醒花农。该实验用到的主要器材如下：学生电源、多用电表、数字电压表(0～20V)、数字电流表(0～20mA)、滑动变阻器R(最大阻值50Ω，1.5A)、白炽灯、可调电阻R1(0～50kΩ)、发光二极管LED、光敏电阻RG、NPN型三极管VT、开关和若干导线等。(1)判断发光二极管的极性使用多用电表的“×10k”欧姆挡测量二极管的电阻。如图1所示，当黑表笔与接线端M接触、红表笔与接线端N接触时，多用电表指针位于表盘中a位置(见图2)；对调红、黑表笔后指针位于表盘中b位置(见图2)，由此判断M端为二极管的负极(填“正极”或“负极”)。解析多用电表使用欧姆挡时，黑表笔与内部电源正极相连，当黑表笔与接线端M接触，红表笔与接线端N接触时，由题图2可知，其阻值无穷大；对调两表笔接触位置，电阻变小，根据二极管单向导电性可知，接线端M为二极管的负极。(2)研究光敏电阻在不同光照条件下的伏安特性①采用图3中的器材进行实验，部分实物连接已完成。要求闭合开关后电压表和电流表的读数从0开始。导线L1、L2和L3的另一端应分别连接滑动变阻器的A、A、C(或D)接线柱(以上三空选填接线柱标号“A”“B”“C”或“D”)。②图4为不同光照强度下得到的光敏电阻伏安特性曲线，图中曲线Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ对应光敏电阻受到的光照由弱到强。由图像可知，光敏电阻的阻值随其表面受到光照的增强而减小(填“增大”或“减小”)。解析①实验要求闭合开关后电压表和电流表的读数从0开始，所以滑动变阻器采用分压式接法，即导线L1连接滑动变阻器的A端，L3连接滑动变阻器的C端(或D端)，导线L2连接滑动变阻器的A端；②I­U图线的斜率为电阻的倒数，结合题图4图线可知，光敏电阻的阻值随其表面受到光照的增强而减小。(3)组装光强报警器电路并测试其功能图5为利用光敏电阻、发光二极管、三极管(当b、e间电压达到一定程度后，三极管被导通)等元件设计的电路。组装好光强报警器后，在测试过程中发现，当照射到光敏电阻表面的光强达到报警值时，发光二极管并不发光，为使报警器正常工作，应增大(填“增大”或“减小”)可调电阻R1的阻值，直至发光二极管发光。解析当照射光敏电阻表面的光强达到报警值时，由于光敏电阻阻值减小，电阻R1两端电压增大，为了使三极管b、e端电压增大，需要增大R1阻值。【例4】(2024·江西卷)某小组欲设计一种电热水器防触电装置，其原理是：当电热管漏电时，利用自来水自身的电阻，可使漏电电流降至人体安全电流以下。为此，需先测量水的电阻率，再进行合理设计。(1)如图(a)所示，在绝缘长方体容器左右两侧安装可移动的薄金属板电极，将自来水倒入其中，测得水的截面宽d＝0.07m和高h＝0.03m。(2)现有实验器材：电流表(量程300μA，内阻RA＝2500Ω)、电压表(量程3V或15V，内阻未知)、直流电源(3V)、滑动变阻器、开关和导线。请在图(a)中画线完成电路实物连接。答案图见解析解析电源电动势为3V，故电压表量程选择3V；由于电流表的内阻已知，故采用电流表内接时，可以消除系统误差，故电流表采用内接法，实物图如图。(3)连接好电路，测量26℃的水在不同长度l时的电阻值Rx。将水温升到65℃，重复测量。绘出26℃和65℃水的Rx­l图线，分别如图(b)中甲、乙所示。(4)若Rx­l图线的斜率为k，则水的电阻率表达式为ρ＝kdh(用k、d、h表示)。实验结果表明，温度高(填“高”或“低”)的水更容易导电。解析根据电阻定律有Rx＝ρeq\f(l,dh)＝eq\f(ρ,dh)·l，故可得k＝eq\f(ρ,dh)，得ρ＝kdh，电阻率越小越容易导电，根据题图(b)可知65℃的水的电阻率更小，故可知温度高的水更容易导电。(5)测出电阻率后，拟将一段塑料水管安装于热水器出水口作为防触电装置。为保证出水量不变，选用内直径为8.0×10-3m的水管。若人体的安全电流为1.0×10-3A，热水器出水温度最高为65℃，忽略其他电阻的影响(相当于热水器220V的工作电压直接加在水管两端)，则该水管的长度至少应设计为0.46m。(保留两位有效数字)解析根据前面分析可知65℃的水的电阻率为ρ＝kdh＝eq\f(8×103,0.7)×0.07×0.03Ω·m＝24Ω·m，故当选用内直径为d0＝8.0×10-3m的水管。若人体的安全电流为I0＝1.0×10-3A，接入电压U＝220V时，得eq\f(U,R)＝I0,R＝ρeq\f(lm,π·(\f(d0,2))2)，解得水管的长度至少应设计为lm＝0.46m。课时作业对应学生用书P4591．(多选)(2023·浙江1月选考)下列说法正确的是(ABC)A．利用电容传感器可制成麦克风B．物体受合外力越大，则动量变化越快C．利用红外传感器可制成商场的自动门D．牛顿运动定律不适用，则动量守恒定律也不适用解析声音使振动膜片振动，改变两极板间距离，使声音信号转换成电信号，则利用电容传感器可制成麦克风，故A正确；由动量定理有F合t＝Δp，可得eq\f(Δp,t)＝F合，可知物体受合外力越大，则动量变化越快，故B正确；人体可以向外界释放红外线，感应装置接收到红外线后，可以开门，则利用红外传感器可制成商场的自动门，故C正确；牛顿运动定律只适用于宏观低速问题，不适用于微观高速问题，而动量守恒定律既适用于低速宏观问题，也适用于高速微观问题，故D错误。2．(2022·北京卷)某同学利用压力传感器设计水库水位预警系统。如图所示，电路中的R1和R2，其中一个是定值电阻，另一个是压力传感器(可等效为可变电阻)。水位越高，对压力传感器的压力越大，压力传感器的电阻值越小。当a、b两端的电压大于U1时，控制开关自动开启低水位预警；当a、b两端的电压小于U2(U1、U2为定值)时，控制开关自动开启高水位预警。下列说法正确的是(C)A．U1<U2B．R2为压力传感器C．若定值电阻的阻值越大，开启高水位预警时的水位越低D．若定值电阻的阻值越大，开启低水位预警时的水位越高解析由题意可知水位越高，对压力传感器的压力越大，压力传感器的电阻值越小。控制开关自动开启低水位预警，此时水位较低，压力传感器的电阻值较大，由于a、b两端此时的电压大于U1，根据串联电路电压分布特点可知，R1为压力传感器，故高水位时压力传感器的电阻值变小，压力传感器R1两端电压变小，U1>U2，A、B错误。根据闭合电路欧姆定律可知，a、b两端的电压为U＝eq\f(E,R1＋R2)R1＝eq\f(E,1＋\f(R2,R1))，定值电阻的阻值越大，当开启低水位预警a、b两端的电压大于U1时，压力传感器阻值R1越大，水位越低；当a、b两端的电压小于U2开启高水位预警时，压力传感器阻值R1越大，水位越低，C正确，D错误。3．(2024·湖南卷)某实验小组要探究一金属丝的阻值随气压变化的规律，搭建了如图(a)所示的装置。电阻测量原理如图(b)所示，E是电源，为电压表，为电流表。(1)保持玻璃管内压强为1个标准大气压，电流表示数为100mA，电压表量程为3V，表盘如图(c)所示，示数为1.23V，此时金属丝阻值的测量值R为12.3Ω(保留3位有效数字)；解析电压表量程为3V，分度值为0.1V，则电压表读数需估读一位，读数为1.23V，根据欧姆定律可知，金属丝的测量值R＝eq\f(U,I)＝12.3Ω。(2)打开抽气泵，降低玻璃管内气压p，保持电流I不变，读出电压表示数U，计算出对应的金属丝阻值；(3)根据测量数据绘制R­p关系图线，如图(d)所示；(4)如果玻璃管内气压是0.5个标准大气压，保持电流为100mA，电压表指针应该在图(c)指针位置的右(填“左”或“右”)侧；解析根据题图(d)可知气压越小电阻越大，再根据U＝IR可知压强p减小，则电阻R增大，电压增大，电压表的指针位置应该在题图(c)中指针位置的右侧。(5)若电压表是非理想电压表，则金属丝电阻的测量值小于(填“大于”“小于”或“等于”)真实值。解析电流表采用外接法会导致电压表分流，即R测＝eq\f(U,I测)，I测＝I真＋eq\f(U,RV)，即I测偏大，故R测<R真。4．(2022·重庆卷)某兴趣小组研究热敏电阻在通以恒定电流时，其阻值随温度的变化关系。实验电路如图甲所示，实验设定恒定电流为50.0μA，主要实验器材有：恒压直流电源E、加热器、测温仪、热敏电阻RT、可变电阻R1、电流表A、电压表V。(1)用加热器调节RT的温度后，为使电流表的示数仍为50.0μA，需调节可变电阻R1(选填一种给定的实验器材)。当RT两端未连接电压表时，电流表示数为50.0μA；连接电压表后，电流表示数显著增大，需将原电压表更换为内阻远大于(选填“远大于”“接近”“远小于”)RT阻值的电压表。解析由题知恒压直流电源E的电动势不变，而用加热器调节RT的温度后，导致整个回路的总电阻改变。而要确保电流表的示数仍为50.0μA，则需控制整个回路的总电阻不变，故需调节可变电阻R1。连接电压表后，电流表示数显著增大，则说明电压表与RT并联后R总减小，则根据并联电阻的关系有R总＝eq\f(RTRV,RT＋RV)＝eq\f(RT,\f(RT,RV)＋1)，则要保证R总不变，需将原电压表更换为内阻远大于RT阻值的电压表。(2)测得RT两端的电压随温度的变化如图乙所示，由图可得温度从35.0℃变化到40.0℃的过程中，RT的阻值随温度的平均变化率大小是1.0(0.8～1.2均可)kΩ·℃-1(保留2位有效数字)。解析实验设定恒定电流为50.0μA，由题图乙可得，温度为35.0℃时电压表的示数为1.50V，则根据欧姆定律可知此时热敏电阻RT1＝30kΩ；温度为40.0℃时电压表的示数为1.25V，则根据欧姆定律可知此时热敏电阻RT2＝25kΩ，则温度从35.0℃变化到40.0℃的过程中，RT的阻值随温度的平均变化率大小是k＝eq\f(|ΔRT|,Δt)＝1.0kΩ·℃-1。5．(2024·全国甲卷)电阻型氧气传感器的阻值会随所处环境中的氧气含量发生变化。在保持流过传感器的电流(即工作电流)恒定的条件下，通过测量不同氧气含量下传感器两端的电压，建立电压与氧气含量之间的对应关系，这一过程称为定标。一同学用图(a)所示电路对他制作的一个氧气传感器定标。实验器材有：装在气室内的氧气传感器(工作电流1mA)、毫安表(内阻可忽略)、电压表、电源、滑动变阻器、开关、导线若干、5个气瓶(氧气含量分别为1%、5%、10%、15%、20%)。完成下列实验步骤并填空：(1)将图(a)中的实验器材间的连线补充完整，使其能对传感器定标；答案见解析图1解析为了保持流过传感器的电流恒定，电阻型氧气传感器两端的电压调节范围较大，所以滑动变阻器采用分压式接法，由于毫安表内阻可忽略，所以电流表采用内接法，实物连接图如图1所示。(2)连接好实验器材，把氧气含量为1%的气瓶接到气体入口；(3)把滑动变阻器的滑片滑到a(填“a”或“b”)端，闭合开关；解析为了保护电路，闭合开关前，需要电阻型氧气传感器两端的电压为零，故滑动变阻器的滑片滑到a端。(4)缓慢调整滑动变阻器的滑片位置，使毫安表的示数为1mA，记录电压表的示数U；(5)断开开关，更换气瓶，重复步骤(3)和(4)；(6)获得的氧气含量分别为1%、5%、10%和15%的数据已标在图(b)中；氧气含量为20%时电压表的示数如图(c)，该示数为1.40V(结果保留2位小数)。现测量一瓶待测氧气含量的气体，将气瓶接到气体入口，调整滑动变阻器滑片位置使毫安表的示数为1mA，此时电压表的示数为1.50V，则此瓶气体的氧气含量为17%(结果保留整数)。解析由题图(c)可知，电压表的分度值为0.1V，需要估读到分度值下一位，其读数为1.40V；当气瓶的氧气含量为20%时，电压为1.40V，在题图(b)中描出该点，用平滑的曲线将各点连接起来，如图2所示，可知电压表的示数为1.50V时，此瓶气体的氧气含量为17%。6．某科技兴趣小组对具有自动加水功能的家用电热壶的原理十分感兴趣，于是自行设计了一个简化的装置示意图和电路图，如图甲所示。该装置可以实现在壶中的水量不足时自动加水，而在达到“预设水量”时，又能够自动停止加水的目的。底座可以承受水壶和水的全部重量，底座压在一个以O点为固定转轴的L形杠杆上。杠杆ABO段水平，另一端与压力传感器R1接触，R1的阻