一輪復(fù)習(xí)新人教版實驗16利用傳感器制作簡單的自動控制裝置學(xué)案

實驗16利用傳感器制作簡單的自動控制裝置一、實驗?zāi)康?.認(rèn)識熱敏電阻、光敏電阻等傳感器中的敏感元件。2.學(xué)會利用傳感器制作簡單的自動控制裝置。二、實驗原理1.傳感器能夠?qū)⒏惺艿降奈锢砹?力、熱、光、聲等)轉(zhuǎn)換成便于測量的量(一般是電學(xué)量)。2.工作過程。三、實驗器材熱敏電阻、光敏電阻、多用電表、鐵架臺、燒杯、冷水、熱水、小燈泡、學(xué)生電源、繼電器、滑動變阻器、開關(guān)、導(dǎo)線等。實驗(一)研究熱敏電阻的熱敏特性(1)按如圖所示連接好電路,將熱敏電阻絕緣處理。(2)把多用電表置于“歐姆”擋,并選擇適當(dāng)?shù)牧砍虦y出燒杯中沒有水時熱敏電阻的阻值,并記下溫度計的示數(shù)。(3)向燒杯中注入少量的冷水,使熱敏電阻浸沒在冷水中,記下溫度計的示數(shù)和多用電表測量的熱敏電阻的阻值。(4)將不同溫度的熱水分幾次注入燒杯中,測出不同溫度下熱敏電阻的阻值,并記錄。(1)根據(jù)記錄數(shù)據(jù),把測量到的溫度、電阻值填入表中,分析熱敏電阻的特性。溫度/℃電阻/Ω(2)在坐標(biāo)系中,粗略畫出熱敏電阻的阻值隨溫度變化的圖線。(3)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和R-t圖線,得出結(jié)論。在做本實驗時,加水后要等一會兒再測其阻值,以使電阻溫度與水的溫度相同,并同時讀出水溫。實驗(二)研究光敏電阻的光敏特性(1)將光敏電阻、多用電表、小燈泡、滑動變阻器、學(xué)生電源按如圖所示電路連接好,其中多用電表置于“×100”擋。(2)先測出在室內(nèi)自然光的照射下光敏電阻的阻值,并記錄數(shù)據(jù)。(3)打開電源,讓小燈泡發(fā)光,調(diào)節(jié)滑動變阻器使小燈泡逐漸變亮,觀察表盤指針顯示光敏電阻阻值的情況,并記錄。(4)用手掌(或黑紙)遮光時,觀察表盤指針顯示光敏電阻阻值的情況,并記錄。將數(shù)據(jù)記入表中,根據(jù)記錄數(shù)據(jù)分析光敏電阻的特性。光照強(qiáng)度弱中強(qiáng)無光照射阻值/Ω本實驗中,如果效果不明顯,可將電阻部分電路放入帶蓋的紙盒中,并通過蓋上小孔改變射到光敏電阻上的光的強(qiáng)度?？键c一基礎(chǔ)性實驗[例1][溫度傳感器]圖甲是某同學(xué)研究熱敏電阻阻值隨溫度的變化規(guī)律時設(shè)計的電路圖。(1)根據(jù)電路圖,在圖乙的實物圖上連線。(2)通過實驗,他得到了該熱敏電阻的伏安特性曲線如圖丙所示,由圖可知,熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而(選填“增大”或“減小”)。

(3)他將這個熱敏電阻接入如圖丁所示的電路中,已知電源電壓為9V,R1=300Ω,毫安表讀數(shù)為60mA,則R2的阻值為Ω。

解析:(1)根據(jù)實驗原理圖,依次連接如圖所示。(2)由題圖丙所示圖像可知,電壓增大,通過熱敏電阻的電流增大,電壓與電流的比值減小,即電阻阻值減小。(3)R1的電流為I1=UR1=R2的電流I2=0.06A-0.03A=0.03A。由圖線可知熱敏電阻的電壓是5V,R2兩端的電壓為4V,則R2=40答案:(1)圖見解析(2)減小(3)133[例2][光電傳感器]某小組研究光敏電阻阻值隨光照強(qiáng)度的變化規(guī)律。實驗已選用了規(guī)格和量程合適的器材。(1)用多用電表粗測光敏電阻在實驗室正常光照條件下的阻值。選擇“×1k”倍率的歐姆擋,將兩表筆短接,調(diào)節(jié)旋鈕,使指針指在“0Ω”處。將兩表筆與光敏電阻連接,測量的示數(shù)如圖甲,則其電阻為Ω。

(2)按圖乙連接好電路進(jìn)行測量。①閉合開關(guān)S前,將電阻箱調(diào)至(選填“最大值”或“最小值”)。將一光源對準(zhǔn)光敏電阻的透光窗口,利用手機(jī)軟件測量光敏電阻所處位置的光照強(qiáng)度。閉合開關(guān)S,調(diào)節(jié)電阻箱,使電壓表(可視為理想電表)的指針偏轉(zhuǎn)到某一位置。待示數(shù)穩(wěn)定后記錄此時的光照強(qiáng)度,測出電壓表的示數(shù)U和電阻箱阻值R0,斷開開關(guān)S。已知電源電動勢為E,內(nèi)阻可以忽略不計,則此時光敏電阻阻值RL=。

②改變光敏電阻處的光照強(qiáng)度,測量不同光照強(qiáng)度下的光敏電阻阻值,并據(jù)此繪出如圖丙的關(guān)系圖線,可以大致得到光敏電阻阻值隨光照強(qiáng)度的變大而(選填“變大”“變小”或“不變”)。

解析:(1)選擇“×1k”倍率的歐姆擋,將兩表筆短接,調(diào)節(jié)歐姆調(diào)零旋鈕,使指針指在“0Ω”處;如題圖甲所示,指針恰好指在16刻度上,所選倍率“××104Ω。(2)①為了保護(hù)電路,電阻箱的阻值應(yīng)先調(diào)到最大值,使得回路總阻值最大,回路電流最小,因此電壓表的電壓值最小,避免電壓表的指針超過電壓表的量程。由閉合電路歐姆定律可知E=U+URLR0,整理可得RL=R0②由題圖丙可知橫坐標(biāo)為光照強(qiáng)度,縱坐標(biāo)為光敏電阻阻值,隨著光照強(qiáng)度的變大,光敏電阻的阻值變小,但二者不是線性關(guān)系。答案:×104(2)①最大值R0UE考點二創(chuàng)新性實驗[例3][實驗器材的創(chuàng)新]如圖甲所示為一利用光敏電阻測量儲液罐中液面高度裝置的示意圖。當(dāng)罐中裝滿液體時,液面與出液口高度差為h,罐外有一豎直放置的管,管內(nèi)一側(cè)有沿豎直線排列的多個光敏電阻,另一側(cè)有一列光強(qiáng)穩(wěn)定的光源。液面上一浮塊與一塊遮光板通過定滑輪相連,遮光板可隨浮塊的升降在管內(nèi)上下運動,光敏電阻的總長度和遮光板的總長度都為h。當(dāng)儲液罐內(nèi)裝滿液體時,遮光板的上沿與最下面的光敏電阻的下邊緣等高,管內(nèi)的光均勻地照射在光敏電阻上,光敏電阻和儀表相連。現(xiàn)要求設(shè)計一電路以利用上述裝置測量液面的高度。為將問題簡化,假設(shè)管內(nèi)只有3個光敏電阻R1、R2、R3,分別位于管的上端、中央和下端;它們的暗電阻均為R=10kΩ,被管內(nèi)光源照亮?xí)r電阻均為R′=1.0kΩ。給定的儀器還有:直流電源E(電動勢為9V,電阻不計),3個定值電阻,阻值分別為R4=2.5kΩ,R5=1.8kΩ,R6=1.5kΩ;電壓表V(量程為0～3V,內(nèi)阻可視為無窮大),開關(guān)一個,導(dǎo)線若干。要求:當(dāng)罐內(nèi)裝滿液體時,電壓表恰好為滿量程。(1)如圖乙所示為某次電壓表的示數(shù)為V。

(2)選擇合適的定值電阻,在如圖丙所示虛線框內(nèi)畫出電路圖,并用題中給定的符號標(biāo)明圖中各元件。(3)液面與出液口等高時電壓表的示數(shù)為V。(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)

(4)若管內(nèi)的光強(qiáng)變暗,使得光敏電阻被照亮?xí)r的阻值變?yōu)?.2kΩ,則定值電阻的阻值應(yīng)變?yōu)閗Ω,便可達(dá)到題目要求。

解析:(1)電壓表量程為0～3V,每小格表示0.1V,指針示數(shù)為1.40V。(2)當(dāng)罐內(nèi)裝滿液體時,3個光敏電阻均受到光照射,電阻均為1.0kΩ,可把三個光敏電阻串聯(lián)后再與定值電阻Rx串聯(lián),接在直流電源兩端,把電壓表接在定值電阻兩端,則有Rx3R'+電壓表應(yīng)與電阻R6并聯(lián)構(gòu)成電路,當(dāng)罐內(nèi)裝滿液體時,電壓表恰好為滿量程。電路圖如圖所示。(3)當(dāng)液面與出液口等高時,光源完全被遮光板遮住,此時三個光敏電阻的阻值均為10kΩ,則電壓表的示數(shù)為U′=E3R+R(4)若光敏電阻被照亮?xí)r的阻值變?yōu)?.2kΩ,為使電壓表滿量程,則定值電阻的阻值變?yōu)镽x′,Rx′滿足U=ERx'答案:[例4][實驗原理的創(chuàng)新](2023·廣東廣州模擬)某同學(xué)要探究光敏電阻阻值隨光照強(qiáng)度變化的規(guī)律,提供的器材有:待測光敏電阻Rx(日光下阻值約幾千歐)一個,干電池2節(jié)(每節(jié)電動勢1.5V,內(nèi)阻小于1Ω),電壓表(量程0～3V,內(nèi)阻約2kΩ),電流表(量程0～1mA,內(nèi)阻約10Ω),滑動變阻器R(最大阻值20Ω),開關(guān)一個,導(dǎo)線若干。(1)該同學(xué)根據(jù)實驗室提供的器材設(shè)計電路并連接了部分電路,請將圖甲中器材連接完整。(2)實驗時,用一定強(qiáng)度的光照射光敏電阻,閉合開關(guān)前,將滑動變阻器的滑片移到最(選填“左”或“右”)端;閉合開關(guān)后,多次調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片,測得多組電壓表和電流表的示數(shù)U、I作出的U-I圖像如圖乙中Ⅰ所示,測得此時光敏電阻的阻值大小為Ω,增大光照強(qiáng)度后,再次實驗,得到的U-I圖線如圖乙中的Ⅱ所示,由此可見,光強(qiáng)增大,光敏電阻的阻值(選填“增大”或“減小”)。

(3)該同學(xué)找到該光敏電阻的阻值與光照強(qiáng)度的關(guān)系圖像如圖丙所示,則上述實驗中,第一次實驗時的光照強(qiáng)度為cd。

解析:(1)由于光敏電阻的阻值遠(yuǎn)大于滑動變阻器的最大阻值,因此采用分壓式,由于電流表的電阻遠(yuǎn)小于光敏電阻的阻值,因此電流表采用內(nèi)接法。電路連接如圖所示。(2)閉合開關(guān)前,應(yīng)將滑動變阻器的滑片移到最左端,保證開關(guān)閉合后滑動電阻器的輸出電壓為零,保護(hù)用電器;圖線Ⅰ對應(yīng)的電阻阻值為R1=2.40.2×10-3×104(3)結(jié)合題圖丙可知,第一次實驗時的光照強(qiáng)度為1.0cd。答案:×104[例5][實驗情境的創(chuàng)新](2022·河北石家莊練習(xí))熱敏電阻有很多的應(yīng)用領(lǐng)域,如家電、開關(guān)電源、新能源汽車等。某實驗小組的同學(xué)為了研究某保溫式自動電飯鍋中用于監(jiān)測溫度的熱敏電阻RT的特性設(shè)計了以下實驗。(1)首先利用多用電表粗略測量與電飯鍋中型號相同的熱敏電阻常溫狀態(tài)下的阻值,多用電表的選擇開關(guān)置于“×100”的擋位時示數(shù)如圖甲所示,則該熱敏電阻的阻值為Ω。

(2)該實驗小組的同學(xué)為了進(jìn)一步探究熱敏電阻的特性,設(shè)計了圖乙所示的電路,電路中的電壓表均可看成理想電壓表,定值電阻R0的阻值為2kΩ。①開關(guān)閉合前,滑動變阻器的滑動觸頭應(yīng)置于最(選填“左”或“右”)端。

②某次實驗時,電壓表V1、V2的示數(shù)分別為3.0V、4.5V,則熱敏電阻的阻值應(yīng)為kΩ。

(3)通過多次實驗,得出熱敏電阻的阻值隨溫度變化的規(guī)律如圖丙所示,當(dāng)熱敏電阻的阻值為RT=2kΩ時,熱敏電阻所處環(huán)境的溫度約為℃。

(4)該種保溫式自動電飯鍋,采用感溫磁控元件(可視為用熱敏電阻控制的電磁開關(guān),通過的電流大于某一值時開關(guān)斷開)控制電路閉合與斷開,從而控制加熱電路,鍋內(nèi)米飯溫度低于60℃后,加熱電路開始工作,則下列電路圖可能是該電飯鍋中加熱電路的是(多選)。

解析:(1)由多用電表的讀數(shù)規(guī)則可知,該熱敏電阻的阻值為32××103Ω。(2)①為了保護(hù)實驗器材,開關(guān)閉合后應(yīng)使兩電壓表的讀數(shù)均為零,所以滑動變阻器的滑動觸頭應(yīng)置于最左端。②由電路圖乙可知,熱敏電阻的阻值應(yīng)為RT=U2U1R0(3)由題圖丙可知,熱敏電阻的阻值為RT=2kΩ時,熱敏電阻所處環(huán)境的溫度約為38℃。(4)當(dāng)電飯鍋內(nèi)溫度降低時,熱敏電阻的阻值增大,根據(jù)串并聯(lián)電路的規(guī)律可知A、B滿足要求。答案:×103(2)①左②3(3)38(4)AB[例6][實驗方法的創(chuàng)新](2022·廣東廣州練習(xí))某同學(xué)利用如圖甲所示的電路探究了熱敏電阻R3的特性。實驗時:(1)該同學(xué)將開關(guān)S1閉合,單刀雙擲開關(guān)S2扳到1,移動滑動變阻器的滑片,讀出電壓表的示數(shù)U;保持滑片的位置不變,將單刀雙擲開關(guān)S2扳到2,調(diào)節(jié)電阻箱R2,使電壓表的示數(shù)仍為U,電阻箱的示數(shù)如圖乙所示,則熱敏電阻R3的阻值為Ω。

(2)該同學(xué)通過查閱資料了解到,該規(guī)格熱敏電阻的阻值隨溫度的變化規(guī)律為RT=144000t+200(Ω),其中t為環(huán)境的攝氏溫度,則第(1)問中,熱敏電阻R3(3)該同學(xué)了解熱敏電阻的特性后,設(shè)計了如圖丙所示的報警電路。電源電動勢為30V,內(nèi)阻可忽略,電阻箱Rx的最大阻值為5kΩ,電路中的電流達(dá)到4mA,報警裝置開啟;當(dāng)電阻箱Rx的阻值調(diào)為0,環(huán)境溫度達(dá)到80℃時電路中的電流為6mA,則保護(hù)電阻R0的阻值為Ω;若要報警裝置在環(huán)境溫度為50℃時開啟,電阻箱Rx的阻值應(yīng)該設(shè)為Ω;如果要求報警裝置開啟的溫度降低,則電阻箱Rx的阻值應(yīng)(選填“增大”“不變”或“減小”)。

解析:(1)由題意知,兩種情況下的電壓表示數(shù)相等,所以電阻箱與熱敏電阻的阻值相等,由題圖乙知,電阻箱阻值為R2=2×100Ω+6×1000Ω=6200Ω,即熱敏電阻R3的阻值為6200Ω。(2)由題意得6200Ω=144解得t=24.0℃。(3)由題意得,環(huán)境溫度為80℃時熱敏電阻的阻值為RT=144因此時電路中