第十二章 實驗十五　利用傳感器制作簡單的自動控制裝置-2025高三總復(fù)習(xí) 物理（新高考）

實驗十五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。四、實驗過程1．研究熱敏電阻的熱敏特性(1)將熱敏電阻放入燒杯中的水中，測量水溫和熱敏電阻的阻值(如圖甲所示)。(2)準(zhǔn)備好記錄電阻與溫度關(guān)系的表格(如下表)。次數(shù)待測量123456溫度/℃電阻/Ω(3)改變水的溫度，多次測量水的溫度和熱敏電阻的阻值，記錄在表格中，把記錄的數(shù)據(jù)畫在R-t圖像中，得到的圖像如圖乙所示。學(xué)生用書第282頁結(jié)論：熱敏電阻的阻值隨溫度發(fā)生變化，溫度升高時電阻變小，溫度降低時電阻變大。2．研究光敏電阻的光敏特性(1)將光電傳感器、多用電表、燈泡、滑動變阻器按如圖丙所示電路連接好，其中多用電表置于“×100”擋。丙(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)小燈泡的亮度使之逐漸變亮，觀察表盤指針顯示電阻阻值的變化情況，并記錄。(4)用手掌(或黑紙)遮光時電阻值又是多少，并記錄。把記錄的結(jié)果填入下表中，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結(jié)論：光敏電阻的阻值被光照射時發(fā)生變化，光照增強(qiáng)時電阻變小，光照減弱時電阻變大。五、誤差分析1．溫度計讀數(shù)帶來誤差。2．多用電表讀數(shù)帶來誤差。3．作R-t圖像時的不規(guī)范造成誤差。六、注意事項1．在研究熱敏電阻的熱敏特性實驗時，加開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。2．在研究光敏電阻的光敏特性實驗時，如果效果不明顯，可將光敏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多少。3．歐姆表每次換擋后都要重新歐姆調(diào)零。類型一教材原型實驗一、用溫度傳感器制作控制電路純電動汽車的蓄電池的安全性，主要體現(xiàn)在對其溫度的控制上，當(dāng)電池溫度過高時，必須立即啟動制冷系統(tǒng)進(jìn)行降溫。如圖甲是小明設(shè)計的模擬控溫裝置示意圖，電磁繼電器與熱敏電阻Rt、滑動變阻器RP串聯(lián)接在電壓為5V的電源兩端。當(dāng)電磁鐵線圈(電阻不計)中的電流I大于或等于20mA時，銜鐵被吸合，熱敏電阻置于溫度監(jiān)測區(qū)域，其阻值Rt與溫度t的關(guān)系如圖乙所示，滑動變阻器的最大阻值為200Ω。則：(1)圖甲中應(yīng)將b端與________(選填“a”或“c”)端相連；(2)若設(shè)置電池溫度為50℃時啟動制冷系統(tǒng)，則滑動變阻器阻值應(yīng)為________Ω；(3)該電路可設(shè)置啟動制冷系統(tǒng)的最高溫度是________℃。答案：(1)c(2)150(3)74解析：(1)由題意可知，當(dāng)控制電路電流達(dá)到20mA時銜鐵被吸合，制冷系統(tǒng)工作，所以題圖甲中，應(yīng)將b端與c端相連。(2)若設(shè)置電池溫度為50℃啟動制冷系統(tǒng)，由題圖乙可知，當(dāng)溫度為50℃時，Rt的阻值為100Ω，此時控制電路的總電阻R＝eq\f(U,I)＝eq\f(5,20×10－3)Ω＝250Ω由串聯(lián)電路的電阻規(guī)律，可知滑動變阻器接入的電阻為RP＝R－Rt＝250Ω－100Ω＝150Ω。(3)當(dāng)滑動變阻器的最大阻值為200Ω時，熱敏電阻的阻值Rt′＝R－RP′＝250Ω－200Ω＝50Ω由題圖乙可知此時對應(yīng)的溫度為74℃，所以此時該電路可設(shè)置啟動制冷系統(tǒng)的最高溫度是74℃。二、用光敏電阻制作控制電路(2023·廣東茂名聯(lián)考)如圖甲為一利用光敏電阻測量儲液罐中液面高度的裝置的示意圖。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)學(xué)生用書第283頁有一列光強(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?，F(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、下端和中央；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)如圖乙為某次電壓表的示數(shù)，其大小為________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)開_______kΩ，便可達(dá)到題目要求。(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)答案：(1)1.40(2)見解析圖(3)0.43(4)1.8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eq\f(Rx,3R′＋Rx)＝eq\f(U,E)，得Rx＝1.5kΩ，故Rx為電阻R6，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＝eq\f(E,3R＋R6)·R6≈0.43V。(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3V＝eq\f(ERx′,Rx′＋3×1.2kΩ)解得Rx′＝1.8kΩ。對點練1.(2023·湖北黃岡模擬)體溫監(jiān)測是進(jìn)行疾病診療的基本手段之一。某同學(xué)在老師指導(dǎo)下利用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)設(shè)計制作一個簡易溫度計。(1)該同學(xué)通過查找資料，發(fā)現(xiàn)該熱敏電阻的阻值Rt隨溫度t變化的圖像如圖甲所示，則該熱敏電阻的阻值Rt隨溫度t變化的函數(shù)關(guān)系式為________________________________________________________________________。(2)該同學(xué)使用直流電源、毫安表、保護(hù)電阻R0、熱敏電阻(NTC)、開關(guān)S、導(dǎo)線若干設(shè)計組裝的熱敏溫度計的電路圖如圖乙所示。若電源的電動勢為E、內(nèi)阻為r，保護(hù)電阻的阻值為R0，熱敏電阻的阻值為Rt，毫安表的內(nèi)阻為Rg，則毫安表示數(shù)I＝___________；若電源的電動勢E＝3V、內(nèi)阻不計，毫安表的量程為15mA、內(nèi)阻為5Ω，要求該溫度計測量的量程為45℃，則保護(hù)電阻R0＝___________Ω。(3)當(dāng)該溫度計使用一段時間后，其所用電源會有一定程度老化。電動勢E基本不變，內(nèi)阻逐漸增大，則使用一段時間后該溫度計所測溫度會比實際溫度___________(選填“偏低”“偏高”或“相同”)。答案：(1)Rt＝－5t＋385(Ω)(2)eq\f(E,r＋R0＋Rg＋Rt)35Ω(3)偏低解析：(1)設(shè)熱敏電阻Rt的阻值隨溫度t變化的函數(shù)關(guān)系為Rt＝kt＋b由題圖甲可得斜率k＝eq\f(1.60×102－2.60×102,45－25)Ω/℃＝－5Ω/℃則k＝eq\f(1.60×102－b,45－0)Ω/℃解得b＝385Ω因此可得Rt＝－5t＋385(Ω)。(2)根據(jù)閉合電路的歐姆定律有E＝I(r＋R0＋Rg＋Rt)解得I＝eq\f(E,r＋R0＋Rg＋Rt)根據(jù)題意，當(dāng)溫度計的測量值達(dá)到最大值時，電流達(dá)到最大值，根據(jù)閉合電路的歐姆定律有E＝I(R0＋Rg＋Rt)此時Rt＝－5t＋385(Ω)＝－5×45＋385(Ω)＝160Ω代入已知數(shù)據(jù)可得R0＝eq\f(E,Im)－Rg－Rt＝35Ω。(3)根據(jù)閉合電路的歐姆定律有I＝eq\f(E,r＋R0＋Rg＋Rt)當(dāng)該溫度計使用一段時間老化后，電動勢E基本不變，內(nèi)阻逐漸增大，則當(dāng)電流表滿偏時，熱敏電阻Rt的實際值要比測量值偏小，根據(jù)熱敏電阻隨溫度變化的關(guān)系Rt＝－5t＋385(Ω)可知，測量溫度要比實際溫度偏低。對點練2.攝影中常用測光表來測定光的強(qiáng)度以便確定合適的曝光時間。光的強(qiáng)弱可以用照度來計量，光越強(qiáng)，照度越大，照度單位為lx。如圖1為某光敏電阻Rp在不同照度下阻值的變化情況。某同學(xué)按照圖2所示的電路圖連成電路，測出不同照度下對應(yīng)的電流值，然后將照度值標(biāo)在電流表表盤對應(yīng)的刻度線上，這樣就將電流表改裝成一個簡易的測光表?，F(xiàn)有的器材及規(guī)格如下：學(xué)生用書第284頁A．光敏電阻RpB．微安表μA(量程0～500μA，內(nèi)阻rA＝500Ω)C．電源E(電動勢3.0V，內(nèi)阻不計)D．滑動變阻器RE．開關(guān)K(1)此簡易測光表上較大的照度值對應(yīng)________(選填“較大”或“較小”)的電流值；(2)此簡易測光表上相鄰刻線對應(yīng)的照度值之差是否恒定？________(選填“是”或“否”)；(3)若此簡易測光表的最大照度值為800lx，則圖2中滑動變阻器的阻值應(yīng)調(diào)節(jié)到R＝________Ω；(4)一段時間后，電源的電動勢不變，內(nèi)阻變大為某一值而不能忽略，調(diào)節(jié)滑動變阻器使測光表能測的最大照度依然為800lx。則照度的測量值________真實值。A．大于B．等于C．小于答案：(1)較大(2)否(3)2500(4)B解析：(1)根據(jù)題圖1可知，照度值越大，光敏電阻Rp的阻值越小，題圖2中的總電阻越小，電流越大，故此簡易測光表上較大的照度值對應(yīng)較大的電流值。(2)根據(jù)題圖1可知，光敏電阻Rp與照度不是正比關(guān)系，題圖2中的電流與總電阻成反比，故照度與電流之間不是線性關(guān)系，所以此簡易測光表上相鄰刻線對應(yīng)的照度值之差不是恒定的。(3)照度值最大時，電流表的示數(shù)最大，此時回路中的電流為500μA，則有I＝eq\f(E,R＋Rp＋rA)根據(jù)題圖1可知照度值為800lx時，光敏電阻Rp的阻值為3000Ω，可得滑動變阻器的阻值為R＝eq\f(E,I)－Rp－rA＝eq\f(3,500×10－6)Ω－3000Ω－500Ω＝2500Ω。(4)由于最大照度依然為800lx，電源的電動勢不變，所以最大電流對應(yīng)的電路總電阻不變，即滑動變阻器的阻值與電源內(nèi)阻的和等于原來滑動變阻器的阻值2500Ω，則照度的測量值等于真實值，B正確，A、C錯誤。故選B。類型二拓展創(chuàng)新實驗(2023·山東濱州高三期末)半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器是一種常用的傳感器，其阻值會隨壓力變化而改變?，F(xiàn)有一壓力傳感器：(1)利用圖甲所示的電路測量該傳感器在不同壓力下的阻值RN，其阻值約幾十千歐，實驗室提供以下器材：電源電動勢為3V電流表A(量程250μA，內(nèi)阻約為50Ω)電壓表V(量程3V，內(nèi)阻約為20kΩ)滑動變阻器R(阻值0～100Ω)為了提高測量的準(zhǔn)確性，開關(guān)S1應(yīng)該接________(選填“1”或“2”)，開關(guān)S2應(yīng)該接________(選填“3”或“4”)；(2)通過多次實驗測得其阻值RN隨壓力F變化的關(guān)系圖像如圖乙所示：(3)由圖乙可知，壓力越大，阻值________(選填“越大”或“越小”)，且壓力小于2.0N時的靈敏度比壓力大于2.0N時的靈敏度(靈敏度指電阻值隨壓力的變化率)________(選填“高”或“低”)；(4)利用該壓力傳感器設(shè)計了如圖丙所示的自動分揀裝置，可以將質(zhì)量不同的物體進(jìn)行分揀，圖中RN為壓力傳感器，R′為滑動變阻器，電源電壓為6V(內(nèi)阻不計)。分揀時將質(zhì)量大小不同的物體用傳送帶運送到托盤上，OB為一個可繞O轉(zhuǎn)動的杠桿，下端有彈簧，控制電路兩端電壓小于3V時，杠桿OB水平，物體水平通過杠桿進(jìn)入通道1，當(dāng)控制電路兩端電壓大于3V時，杠桿的B端就會被吸下，物體下滑通過杠桿進(jìn)入通道2，從而實現(xiàn)分揀功能。若R′調(diào)為30kΩ，取重力加速度g＝10m/s2，該分揀裝置可以實現(xiàn)將質(zhì)量超過________kg的物體進(jìn)行分揀(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)，若要將質(zhì)量超過0.20kg的貨物實現(xiàn)分揀，應(yīng)該將R′調(diào)成________kΩ(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。答案：(1)23(3)越小高(4)0.1426.0解析：(1)RN的阻值約幾十千歐，因此有RN＞eq\r(RARV)＝eq\r(50×20×103)Ω＝1000Ω為了提高測量的準(zhǔn)確性，采用電流表內(nèi)接法，開關(guān)S1應(yīng)該接2。實驗需要測量多組數(shù)據(jù)，且電壓從零開始變化，實驗時滑動變阻器要用分壓式接入電路，因此開關(guān)S2應(yīng)該接3。(3)由題圖乙可知，壓力越大，阻值越小。由靈敏度指電阻值隨壓力的變化率可知，壓力小于2.0N時的靈敏度比壓力大于2.0N時的靈敏度高。(4)由題意可知，當(dāng)控制電壓等于3V時，控制電路的電流為I＝eq\f(UR′,R′)＝eq\f(3,30×103)A＝1×10－4A壓力傳感器上的電壓為3V，壓力傳感器的電阻值為RN＝eq\f(URN,I)＝eq\f(3,1×10－4)Ω＝3×104Ω由題圖乙可知此時傳感器上的壓力為1.40N，則物體質(zhì)量為0.14kg，因此由壓力傳感器的特點可知，該分揀裝置可以實現(xiàn)將質(zhì)量超過0.14kg的物體分揀。若要將質(zhì)量超過0.20kg的貨物實現(xiàn)分揀，由以上計算分析可知，當(dāng)物體質(zhì)量為0.20kg即傳感器上的壓力為2.0N時，由題圖乙可知，壓力傳感器的電阻值為26.0kΩ，因此應(yīng)該將R′調(diào)成26.0kΩ，當(dāng)質(zhì)量超過0.20kg的貨物時，壓力傳感器的電阻值小于26.0kΩ，控制電路兩端電壓大于3V，貨物實現(xiàn)分揀。課時測評61利用傳感器制作簡單的自動控制裝置eq\f(對應(yīng)學(xué)生,用書P474)(時間：30分鐘滿分：30分)(本欄目內(nèi)容，在學(xué)生用書中以獨立形式分冊裝訂！)1．(15分)傳感器在現(xiàn)代生活、生產(chǎn)中有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。一個測量溫度的傳感器設(shè)計電路如圖甲所示，要求從溫度t＝0℃時開始測量，并能從表盤上直接讀出溫度值(電流表滿偏時指針?biāo)缚潭葹?℃)。其中R1是保護(hù)電阻，R2是調(diào)零電阻(總電阻100Ω)，理想電流表量程為6mA，電源電動勢E＝3V(內(nèi)阻不計)，金屬熱電阻的阻值R與溫度t的對應(yīng)關(guān)系如圖乙所示。(1)現(xiàn)有三種規(guī)格的保護(hù)電阻，R1應(yīng)選擇________。A．30ΩB．300ΩC．420Ω(2)選取、安裝好保護(hù)電阻后，要對溫度傳感器進(jìn)行調(diào)零，調(diào)零電阻R2應(yīng)調(diào)為________Ω。(3)現(xiàn)對表盤進(jìn)行重新賦值，原3mA刻度線應(yīng)標(biāo)注________℃。(4)由于電池老化，電動勢降為2.8V，傳感器溫度讀數(shù)會出現(xiàn)偏差。如果某次使用時，先調(diào)零、后測量，讀出t＝240℃，此時電流大小為________mA，實際溫度為________℃。(結(jié)果均保留1位小數(shù))答案：(1)C(2)40(3)600(4)4.3221.4解析：(1)因為電流表的量程為6mA，由歐姆定律可得，電路中的總電阻至少為R總＝eq\f(E,Ig)＝500Ω由于調(diào)零電阻R2最大為100Ω，由題圖乙可知，金屬熱電阻在t＝0℃的電阻阻值為40Ω，故R1阻值的最小值為R1min＝360Ω，故選C。(2)根據(jù)題意可知，當(dāng)金屬熱電阻的溫度為0℃時，電流表滿偏，此時電路中的電阻為R1＋R2＋R＝500Ω結(jié)合(1)分析解得R2＝40Ω即調(diào)零電阻R2應(yīng)調(diào)為40Ω。(3)根據(jù)題意，由閉合回路歐姆定律可知，當(dāng)電流表示數(shù)為3mA時，金屬熱電阻的阻值為R＝eq\f(E,I)－R1－R2＝540Ω由題圖乙可得，金屬熱電阻R與溫度t的關(guān)系式為R＝eq\f(5,6)t＋40解得t＝600℃。(4)根據(jù)題意可知，先調(diào)零，則電路總電阻為R總′＝eq\f(E′,Ig)≈466.7Ω則調(diào)零電阻R2接入電路的電阻R2′＝R總′－R1－R0＝6.7Ω根據(jù)R與t之間的關(guān)系式R＝eq\f(5,6)t＋40，可知，當(dāng)t＝240℃時R＝240Ω電池老化前，可得t＝240℃對應(yīng)的電流I1＝eq\f(E,R總)≈4.3mA即此時電路中電流為4.3mA。因為電池老化，電動勢E＝2.8V，電路中實際總電阻為R總實＝eq\f(E′,I1)≈651.2Ω則R的實際阻值R實＝R總實－R1－R2′＝224.5Ω由R與t之間的關(guān)系式可得t＝221.4℃。2．(15分)(2023·四川遂寧模擬)高速路入口都安裝有稱量汽車重量的地磅，如圖甲是某工廠生產(chǎn)的小型地磅結(jié)構(gòu)圖和電路圖，其中R是壓敏電阻，質(zhì)量m0＝500kg的秤臺平放在壓敏電阻上，被稱汽車停放在秤臺上。已知電路中電源電動勢為26V、內(nèi)電阻r＝10Ω，電流表量程為0.