實驗十六　利用傳感器制作簡單的自動控制裝置-2025屆高中物理

第十三章交變電流電磁振蕩與電磁波傳感器實驗十六利用傳感器制作簡單的自動控制裝置1.實驗一：門窗防盜報警裝置（1）實驗?zāi)康呐c要求當(dāng)門窗緊閉時，蜂鳴器不響，指示燈亮；當(dāng)門窗被打開時，蜂鳴器發(fā)出警報聲，指示燈滅.（2）電路圖（3）實驗器材和裝置干簧管SA、繼電器（虛線框部分）、發(fā)光二極管LED、電阻R、蜂鳴器H、電源、小磁體、開關(guān).（4）電路工作原理閉合電路開關(guān)S，系統(tǒng)處于防盜狀態(tài).當(dāng)門窗緊閉時，磁體M靠近干簧管SA，干簧管兩個簧片被磁化相吸而接通繼電器線圈K，使繼電器工作.繼電器的動觸點c與常開觸點a接通，發(fā)光二極管LED發(fā)光，顯示電路處于正常工作狀態(tài).當(dāng)門窗開啟時，磁體離開干簧管，干簧管失磁斷開，繼電器被斷電.繼電器的動觸點c與常閉觸點b接通，蜂鳴器H發(fā)聲報警.干簧管在電路中起傳感器和控制開關(guān)的作用，繼電器則相當(dāng)于一個自動的雙向開關(guān).（5）實驗操作a.連接電路前，要先判斷一下干簧管是否可以正常工作.用磁體直接靠近干簧管，觀察簧片能否正常動作.b.確定各元件可以正常工作后，按照電路圖連接電路.c.接通電源后，將磁體靠近和離開干簧管，分別觀察實驗現(xiàn)象.2.實驗二：光控開關(guān)（1）實驗?zāi)康呐c要求模擬光控路燈根據(jù)光照的變化自動開啟或關(guān)閉.（2）電路圖（3）實驗器材和裝置發(fā)光二極管LED、三極管VT、可調(diào)電阻R1、繼電器K、限流電阻R2、光敏電阻RG、二極管D、電源、小燈泡L.（4）電路工作原理當(dāng)環(huán)境光比較強(qiáng)時，光敏電阻RG的阻值很小，三極管不導(dǎo)通，發(fā)光二極管或繼電器所在的回路相當(dāng)于斷路，即發(fā)光二極管不工作；繼電器處于常開狀態(tài)，小燈泡L不亮.當(dāng)環(huán)境光比較弱時，光敏電阻RG的阻值變大，三極管導(dǎo)通，且獲得足夠的基極電流，產(chǎn)生較大的集電極電流，點亮發(fā)光二極管或驅(qū)動繼電器吸合而點亮小燈泡L.（5）實驗操作a.按照電路圖連接電路，檢查無誤后，接通電源.b.讓光敏電阻RG受到白天較強(qiáng)的自然光照射，調(diào)節(jié)電阻R1使發(fā)光二極管LED或小燈泡L剛好不發(fā)光.c.遮擋RG，當(dāng)光照減弱到某種程度時，就會看到發(fā)光二極管LED或小燈泡L發(fā)光.d.讓光照加強(qiáng)，當(dāng)光照強(qiáng)到某種程度時，發(fā)光二極管LED或小燈泡L熄滅.如果實驗現(xiàn)象不明顯，可用手電筒加強(qiáng)光照，或遮蓋光敏電阻，再進(jìn)行觀察.命題點1教材基礎(chǔ)實驗1.[教材原型實驗/2021廣東]某小組研究熱敏電阻阻值隨溫度的變化規(guī)律.根據(jù)實驗需要已選用了規(guī)格和量程合適的器材.（1）先用多用電表預(yù)判熱敏電阻阻值隨溫度的變化趨勢.選擇適當(dāng)倍率的歐姆擋，將兩表筆短接，調(diào)節(jié)歐姆調(diào)零旋鈕，使指針指向右邊“0Ω”處.測量時觀察到熱敏電阻溫度越高，相同倍率下多用電表指針向右偏轉(zhuǎn)角度越大，由此可判斷熱敏電阻阻值隨溫度的升高而減小.（2）再按下圖連接好電路進(jìn)行測量.①閉合開關(guān)S前，將滑動變阻器R1的滑片滑到b端（選填“a”或“b”）.將溫控室的溫度設(shè)置為T，電阻箱R0調(diào)為某一阻值R01.閉合開關(guān)S，調(diào)節(jié)滑動變阻器R1，使電壓表和電流表的指針偏轉(zhuǎn)到某一位置.記錄此時電壓表和電流表的示數(shù)、T和R01.斷開開關(guān)S.再將電壓表與熱敏電阻C端間的導(dǎo)線改接到D端，閉合開關(guān)S.反復(fù)調(diào)節(jié)R0和R1，使電壓表和電流表的示數(shù)與上述記錄的示數(shù)相同.記錄此時電阻箱的阻值R02.斷開開關(guān)S.②實驗中記錄的阻值R01大于R02（選填“大于”“小于”或“等于”）.此時熱敏電阻阻值RT＝R01－R02.（3）改變溫控室的溫度，測量不同溫度時的熱敏電阻阻值，可以得到熱敏電阻阻值隨溫度的變化規(guī)律.解析（1）用多用電表歐姆擋測量電阻時，在選擇適當(dāng)倍率后，需要先將兩表筆短接，調(diào)節(jié)歐姆調(diào)零旋鈕進(jìn)行調(diào)零.熱敏電阻溫度越高，相同倍率下多用電表指針向右偏轉(zhuǎn)角度越大，說明熱敏電阻阻值隨溫度的升高而減小.（2）①閉合開關(guān)S前，為保護(hù)電路，應(yīng)將滑動變阻器R1的阻值調(diào)到最大，因此應(yīng)將滑動變阻器R1的滑片滑動到b端.②溫度為T時，R01＝R02＋RT，顯然R01大于R02，此時熱敏電阻阻值RT＝R01－R02.命題點2創(chuàng)新設(shè)計實驗2.[壓敏電阻]材料的電阻隨壓力的變化而變化的現(xiàn)象稱為“壓阻效應(yīng)”，利用這種效應(yīng)可以測量壓力大小.若圖甲為某壓敏電阻在室溫下的電阻—壓力特性曲線，其中RF、R0分別表示有、無壓力時壓敏電阻的阻值.為了測量壓力F，需先測量壓敏電阻處于壓力中的阻值RF.請按要求完成下列實驗.（1）設(shè)計一個可以測量處于壓力中的該壓敏電阻阻值的電路，在圖乙的虛線框中畫出實驗電路原理圖（壓敏電阻及所給壓力已給出，待測壓力大小約為0.4×102～0.8×102N，不考慮壓力對電路其他部分的影響），要求誤差較小，提供的器材如下：A.壓敏電阻，無壓力時阻值R0＝6000ΩB.滑動變阻器R，最大阻值為200ΩC.電流表A，量程2.5mA，內(nèi)阻約30ΩD.電壓表V，量程3V，內(nèi)阻約3kΩE.直流電源E，電動勢3V，內(nèi)阻很小F.開關(guān)S，導(dǎo)線若干（2）正確接線后，將壓敏電阻置于待測壓力下，通過壓敏電阻的電流是1.33mA，電壓表的示數(shù)如圖丙所示，則電壓表的讀數(shù)為2.00V.（3）此時壓敏電阻的阻值為1.5×103Ω；結(jié)合圖甲可知待測壓力的大小F＝60N.（計算結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字）解析（1）根據(jù)題述對實驗電路的要求，應(yīng)該采用分壓式接法、電流表內(nèi)接的電路，如圖所示.（2）根據(jù)電壓表讀數(shù)規(guī)則知，電壓表讀數(shù)為2.00V.（3）由歐姆定律知，此時壓敏電阻的阻值為RF＝UI－RA≈1.5×103Ω，R0RF＝60001.1.某學(xué)校的科技小組在一次創(chuàng)新大賽中利用所學(xué)物理知識設(shè)計了一種“闖紅燈違規(guī)記錄儀”，其工作原理如圖甲所示，當(dāng)光控開關(guān)接收到某種顏色的光時，開關(guān)自動閉合，車輛經(jīng)過的路面下的壓敏電阻受到車的壓力，其阻值隨壓力變化如圖乙所示，當(dāng)壓力變化引起電流變化達(dá)到一定值時，繼電器的銜鐵就被吸下，電路中的電控照相機(jī)就啟動，記錄下違規(guī)車輛實況.光控開關(guān)未受到該種光照射就自動斷開，銜鐵不被吸引，工作電路中的指示燈發(fā)光.圖甲圖乙（1）要記錄車輛違規(guī)闖紅燈的情境，光控開關(guān)應(yīng)在接收到紅（選填“紅”“綠”或“黃”）光時自動閉合.（2）已知控制電路電源電動勢為6V，內(nèi)阻為2Ω，繼電器電阻為8Ω，當(dāng)控制電路中電流大于0.06A時，銜鐵會被吸引.則只有質(zhì)量超過400kg的車輛違規(guī)時才會被記錄.（重力加速度g取10m/s2）解析（1）因是闖紅燈違規(guī)證據(jù)模擬記錄器，故光控開關(guān)應(yīng)在接收到紅光時自動閉合.（2）由閉合電路歐姆定律可得I＝ER＋r＋R繼，解得R＝90Ω，再由R－F圖像可讀出當(dāng)R＝90Ω時F＝4000N，由G＝mg可求出m2.[液位報警器/2024山東青島調(diào)研檢測]液位報警器是一種用于監(jiān)測、維護(hù)和測量液面位置的傳感器，它會將感知到的液位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號.某實驗小組通過研究熱敏電阻的特性制作了一個汽車低油位報警裝置，過程如下.圖甲圖乙（1）已知常溫下某熱敏電阻的阻值約為1.4kΩ，若用圖甲所示的多用電表測量該電阻的阻值，需將選擇開關(guān)旋轉(zhuǎn)到歐姆擋×100（選填“×10”“×100”或“×1k”）位置.（2）設(shè)計圖乙電路探究該熱敏電阻的阻值Rt隨溫度t變化的關(guān)系，開關(guān)閉合前，滑片P應(yīng)位于滑動變阻器最左端（選填“左”或“右”），已知定值電阻R0＝1.5kΩ，某次測量中電流表A1的示數(shù)為3.20mA，A2的示數(shù)為2.40mA，兩電流表均可視為理想電表，則此時熱敏電阻的阻值Rt＝2kΩ.圖丙圖丁（3）該實驗小組經(jīng)過多次測量，繪出了Rt－t圖像如圖丙所示，圖丁是他們根據(jù)此熱敏電阻設(shè)計的汽車低油位報警器.其中電源的電動勢E＝6.6V，定值電阻R＝1.5kΩ，長為l＝60cm的熱敏電阻下端緊靠油箱底部，不計報警器和電源內(nèi)阻.已知流過報警器的電流I＞3.0mA時報警器開始報警，若測得報警器報警時油液（油液內(nèi)熱敏電阻）的溫度為15℃，油液外熱敏電阻溫度為50℃，由此可知油液的警戒液面到油箱底部的距離約為10.0（9.2～10.8均可）cm（結(jié)果保留1位小數(shù)）.（4）若保持油液的溫度為15℃，油液外熱敏電阻的溫度為50℃，隨著油箱中液面逐漸降低，按照（3）中測量方法，實驗小組根據(jù)圖丙將電流表上“電流”刻度改為“液面距油箱底部的距離”刻度，改裝后表盤上的刻度是非均勻（選填“均勻”或“非均勻”）的.解析（1）多用電表在測電阻時，指針越接近中間位置，讀數(shù)越準(zhǔn)確，又讀數(shù)＝刻度×倍率，待測電阻約為1.4kΩ，則應(yīng)選×100倍率的擋位.（2）滑動變阻器以分壓式接入電路，則測量電路的電壓和電流應(yīng)從零開始變化，即開關(guān)閉合前，滑片P應(yīng)置于最左端；根據(jù)并聯(lián)分流規(guī)律可得Rt＝I1I2R（3）設(shè)警戒液面到油箱底部的距離為h，根據(jù)題圖丙可知，溫度為15℃時，熱敏電阻的阻值約為Rt1＝1.7kΩ，溫度為50℃時，熱敏電阻的阻值約為Rt2＝0.5kΩ，根據(jù)閉合電路歐姆定律結(jié)合電阻定律可得Rt1lh＋Rt2l（l－h(huán)）＋R（4）根據(jù)（3）問分析可知，改裝后表盤上的刻度是非均勻的.3.磁敏電阻是一種對磁敏感，具有磁阻效應(yīng)的電阻元件.磁敏電阻在磁場中阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng).某同學(xué)利用伏安法測量一磁敏電阻的阻值（幾千歐）隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化關(guān)系.所用器材：電源E，滑動變阻器R（最大阻值為20Ω），電壓表（內(nèi)阻約為3000Ω），毫安表（可視為理想電表），開關(guān)S及導(dǎo)線若干.（1）在圖甲所給的器材符號之間畫出連線，組成測量電路圖.圖甲圖乙（2）實驗時，將磁敏電阻置于待測磁場中，記錄不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下電壓表和毫安表的示數(shù)，計算出相應(yīng)的磁敏電阻阻值.若某次測量中電壓表和毫安表的示數(shù)分別為6.2V和2.8mA，則此時磁敏電阻的阻值為2.2kΩ（保留兩位有效數(shù)字）.（3）實驗中得到的該磁敏電阻阻值R隨磁感應(yīng)強(qiáng)度B變化的曲線如圖乙所示.某次測量中，測得磁敏電阻的阻值為10.0kΩ，此時磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.4×10－4T（保留兩位有效數(shù)字）.（4）太陽風(fēng)是指從太陽上層大氣射出的超聲速帶電粒子流，當(dāng)太陽風(fēng)激烈爆發(fā)時，可能會給地球帶來無法預(yù)計的磁暴災(zāi)難.某同學(xué)利用實驗中的磁敏電阻制作了一種搭載在人造衛(wèi)星上的探測磁感應(yīng)強(qiáng)度的報警器，其電路的一部分如圖丙所示.圖中E為直流電源（電動勢為9.0V，內(nèi)阻可忽略），當(dāng)圖中的輸出電壓達(dá)到或超過3.0V時，便觸發(fā)報警器（圖中未畫出）報警.若要求開始報警時磁感應(yīng)強(qiáng)度為10－4T，則圖中R2（選填“R1”或“R2”）應(yīng)使用磁敏電阻，另一固定電阻的阻值應(yīng)為10kΩ（保留兩位有效數(shù)字）；如果要提高此裝置的靈敏度（即在磁感應(yīng)強(qiáng)度更小時就能觸發(fā)報警），應(yīng)該減?。ㄟx填“增大”或“減小”）R1.解析（1）因毫安表可視為理想電表，則可以采用電流表內(nèi)接法；滑動變阻器的總阻值為20Ω，待測磁敏電阻為幾千歐，屬于小電阻控制大電阻，則用滑動變阻器的分壓式接法便于操作和多測數(shù)據(jù).電路圖如圖所示.（2）根據(jù)部分電路的歐姆定律可得磁敏電阻的阻值為R＝UI＝6.2（3）根據(jù)R－B圖像可知，當(dāng)R＝10.0kΩ時，磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝1.4×10－4T.（4）根據(jù)閉合電路歐姆定律可得輸出電壓為U＝ER2R1＋R2，要求輸出電壓達(dá)到或超過3.0V時報警，即要求磁感應(yīng)強(qiáng)度增大時（電阻的阻值增大），輸出電壓增大，故需要R2的阻值增大才能實現(xiàn)此功能，故R2為磁敏電阻；已知報警電壓為U＝3V，而B＝10－4T時，R2＝5kΩ，解得R1＝ER2U－R2＝10kΩ，在磁感應(yīng)強(qiáng)度更小時R2的阻值較小，根據(jù)串聯(lián)分壓原理可知應(yīng)將R14.（1）利用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻制作的熱傳感器，一般體積很小，可以用來測量很小范圍內(nèi)的溫度變化，反應(yīng)快，而且精確度高.①如果將負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻與電源、電流表和其他元件串聯(lián)成一個電路，其他因素不變，只要熱敏電阻所處區(qū)域的溫度降低，電路中電流將變?。ㄟx填“大”或“小”）.②上述電路中，我們將電流表中的電流刻度換成相應(yīng)的溫度刻度，就能直接顯示出熱敏電阻附近的溫度.如果刻度盤正中的溫度為20℃（如圖甲所示），則25℃的刻度應(yīng)在20℃的刻度的右（選填“左”或“右”）側(cè).③為了將熱敏電阻放置在某蔬菜大棚內(nèi)檢測大棚內(nèi)溫度變化，請在圖乙中用圖中的器材（可增加元器件）設(shè)計一個電路.（2）圖丙為一測量硫化鎘光敏電阻特性的實驗電路，電源電壓恒定，內(nèi)阻不計，開關(guān)閉合后，調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片，使小燈泡發(fā)光逐漸增強(qiáng)，測得流過電阻的電流和光強(qiáng)的關(guān)系圖線如圖丁所示，試根據(jù)這一特性，在圖戊中用筆畫線連接給定的器材設(shè)計一個自動光控電路.解析（1）①因為溫度降低時，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的阻值增大，故電路中電流會減小.②由①的分析知，溫度越高，電流越大，25℃的刻度應(yīng)對應(yīng)較大電流，故在20℃的刻度的右側(cè).③電路如圖所示.（2）由光敏電阻的特性曲線可以看出，當(dāng)入射光增強(qiáng)時，流過光敏電阻的電流增大，光敏電阻的阻值減小.根據(jù)題意設(shè)計一個自動光控電路，如圖所示.控制過程是：當(dāng)有光照時，放大器輸出一個較大的電流，驅(qū)動電磁繼電器吸引銜鐵使兩個觸點斷開；當(dāng)無光照時，放大器輸出電流減小，電磁繼電器釋放銜鐵，使兩個觸點閉合，工作電路接通，電燈開始工作.5.[蘋果自動分揀裝置/2023重慶高二期末]如圖甲所示為蘋果自動分揀裝置的示意圖.該裝置的托盤秤壓在以O(shè)1為轉(zhuǎn)動軸的杠桿上，杠桿左端壓在壓敏電阻R上，R的阻值隨壓力變化的曲線如圖乙所示.當(dāng)質(zhì)量等于分揀標(biāo)準(zhǔn)（0.15kg）的蘋果經(jīng)過托盤秤時，杠桿對R的壓力為2N，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R0，使它兩端電壓恰好能使放大電路中的電磁鐵吸動分揀開關(guān)的銜鐵，此電壓叫作放大電路的激勵電壓.放大電路中有保持電路，能夠確保蘋果在銜鐵上運(yùn)動時，電磁鐵始終保持該蘋果在經(jīng)過托盤秤時的狀態(tài).圖甲圖乙（1）當(dāng)較大的蘋果通過托盤秤時，R所受的壓力較大，則電阻較小（選填“較大”或“較小”）.（2）自動分揀裝置正常工作時，大于0.15kg的蘋果通過通道B（選填“通道A”或“通道B”）.（3）若電源電動勢為5V，內(nèi)阻不計，激勵電壓為2V.①為使該裝置達(dá)到上述分揀目的，R0的阻值應(yīng)等于16kΩ（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）.②某同學(xué)想利用一塊電壓表測出每個蘋果的質(zhì)量，電壓表的示數(shù)隨蘋果質(zhì)量的增大而增大，則電壓表應(yīng)該并聯(lián)在電阻R0（選填“R”“R0”或“電源”）兩端.③已知壓敏電阻受到的壓力與蘋果的質(zhì)量成正比.若要將分揀標(biāo)準(zhǔn)提高到0.33kg，僅將R0的阻值調(diào)為12kΩ即可實現(xiàn)（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）.解析（1）由題圖乙可知當(dāng)較大的蘋果通過托盤秤時，R所受的壓力較大，電阻較小.（2）大于0.15kg的蘋果通過托盤秤時，R0兩端的電壓達(dá)到放大電路的激勵電壓，使放大電路中的電磁鐵吸動分揀開關(guān)的銜鐵，大蘋果進(jìn)入下面的通道B.（3）①杠桿對R的壓力為2N時R阻值為24kΩ，為使該裝置達(dá)到上述分揀目的，R0的阻值需滿足RR0＝（5－2②隨著蘋果質(zhì)量增大，R阻值減小，分壓減小，電源電動勢不變，R0分壓增大，為了滿足電壓表的示數(shù)隨蘋果質(zhì)量的增大而增大，需要將電壓表并聯(lián)在R0兩端.③根據(jù)m1m2＝F1F2可知分揀標(biāo)準(zhǔn)到0.33kg時，壓力為4.4N，此時R的阻值為18kΩ，根據(jù)6.[酒精檢測儀]交警在某次攔截進(jìn)行例行檢查過程中，用酒精檢測儀進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示駕駛?cè)诵⊥躐{駛小型轎車，酒精含量為48mg/100mL，屬于“酒駕”；而另一位小李駕駛二輪摩托車，酒精含量為110mg/100mL，屬于“醉駕”.現(xiàn)代社會，喝酒不開車已經(jīng)成為基本行為準(zhǔn)則.某款酒精檢測儀如圖甲所示，核心部件為酒精氣體傳感器，其電阻R與酒精氣體濃度c的關(guān)系如圖乙所示.某同學(xué)想利用該酒精氣體傳感器設(shè)計一款酒精檢測儀，除酒精氣體傳感器外，在實驗室中找到了如下器材.A.蓄電池（電動勢E＝2V，內(nèi)阻r＝0.6Ω）；B.表頭G（滿偏電流6.0mA，內(nèi)阻未知）；C.電流表A（滿偏電流10mA，內(nèi)阻未知）；D.電阻箱R1（最大阻值999.9Ω）；E.電阻箱R2（最大阻值999.9Ω）；F.開關(guān)及導(dǎo)線若干.圖甲圖乙（1）該同學(xué)設(shè)計的測量電路如圖丙所示，為將表頭G的量程擴(kuò)大為原來的10倍，他進(jìn)行了如下操作：先斷開開關(guān)S1、S2、S3，將R1、R2調(diào)到最大值.合上開關(guān)S1，將S3撥到2處，調(diào)節(jié)R2，使表頭G滿偏，電流表A示數(shù)為I.此時合上開關(guān)S2，調(diào)節(jié)R1和R2，當(dāng)電流表A示數(shù)仍為I時，表頭G示數(shù)如圖丁所示，此時R1為108.0Ω，則改裝電表時應(yīng)將R1調(diào)為