高考物理总复习第十二章交变电流传感器实验十六利用传感器制作简单的自动控制装置

实验十六利用传感器制作简单的自动控制装置五种敏感元件的作用和特点敏感元件作用特点热敏电阻将温度这个热学量转换为电阻这个电学量一般情况下，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，随温度的降低而增大金属热电阻将温度这个热学量转换为电阻这个电学量一般情况下，金属热电阻的阻值随温度的升高而增大，随温度的降低而减小光敏电阻将光照强度这个光学量转换为电阻这个电学量一般情况下，光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，随光照强度的减弱而增大霍尔元件将磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量对于某个确定的霍尔元件，它的厚度d、霍尔系数k为定值，如果保持电流I恒定，则霍尔电压UH就与磁感应强度B成正比(UH＝keq\f(IB,d))压敏电阻将压力这个力学量转换为电阻这个电学量压敏电阻的阻值随力的变化而变化实验1门窗防盗报警装置(1)电路如图1所示。图1(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。实验2光控开关(1)电路如图2所示。图2(2)实验操作①按照图所示连接电路，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。命题点一光电传感器的应用【例1(2021·辽宁适应性测试)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3(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。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/cm8.5010.0012.0013.5015.0017.00U/mV271.0220.0180.0156.7144.9114.0d/cm18.5020.0022.0023.5025.00U/mV94.889.578.672.565.0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U－d的非线性曲线；(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________(填“增大”或“减小”)；(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________(填“R1”或“R2”)为光敏电阻，另一个为定值电阻。图3答案(1)eq\f(E,U)R－R－r(2)见解析图(3)增大(4)R2解析(1)由闭合电路欧姆定律得E＝eq\f(U,R)(R＋r＋RG)故RG＝eq\f(E,U)R－R－r。(2)作出第二组数据点，用平滑的曲线连起来。(3)由题知，当d增大，光照强度减小，U减小，由RG＝eq\f(E,U)R－R－r可得RG增大。(4)若R1为光敏电阻，因为光照强度变大，R1电阻减小，由“串反并同”可知灯泡变暗；若R2为光敏电阻，光照强度变大，R2电阻减小，通过灯泡的电流增大，灯泡变亮，故R2为光敏电阻。命题点二温度传感器的应用【真题示例2(2021·广东卷，12)某小组研究热敏电阻阻值随温度的变化规律。根据实验需要已选用了规格和量程合适的器材。(1)先用多用电表预判热敏电阻阻值随温度的变化趋势。选择适当倍率的欧姆挡，将两表笔________，调节欧姆调零旋钮，使指针指向右边“0Ω”处。测量时观察到热敏电阻温度越高，相同倍率下多用电表指针向右偏转角度越大，由此可判断热敏电阻阻值随温度的升高而________。(2)再按图4所示连接好电路进行测量。图4①闭合开关S前，将滑动变阻器R1的滑片滑到________端(填“a”或“b”)。将温控室的温度设置为T，电阻箱R0调为某一阻值R01。闭合开关S，调节滑动变阻器R1，使电压表和电流表的指针偏转到某一位置。记录此时电压表和电流表的示数、T和R01。断开开关S。再将电压表与热敏电阻C端间的导线改接到D端，闭合开关S。反复调节R0和R1，使电压表和电流表的示数与上述记录的示数相同。记录此时电阻箱的阻值R02。断开开关S。②实验中记录的阻值R01________R02(填“大于”“小于”或“等于”)。此时热敏电阻阻值RT＝________。(3)改变温控室的温度，测量不同温度时的热敏电阻阻值，可以得到热敏电阻阻值随温度的变化规律。答案(1)短接减小(2)①b②大于R01－R02解析(1)使用多用电表的欧姆挡前应先欧姆调零，即将两表笔短接。温度越高，相同倍率下多用电表的指针向右偏转的角度越大，则电阻阻值越小，故热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。(2)①闭合开关前，为了保护电路，应该将滑动变阻器的滑片移到b端。②将电压表与热敏电阻C端间的导线改接到D，调节滑动变阻器和电阻箱，使电压表和电流表的示数与改接前一致，则R01＝R02＋RT，所以R01＞R02，RT＝R01－R02。命题点三应用传感器的自动控制电路【例3(2021·辽宁丹东市一模)某同学用热敏电阻制作了一个简易自动报警器，热敏电阻的阻值R随温度t变化的图像如图5甲所示，简易自动报警器的电路图如图丙所示，请回答以下问题：(1)用多用电表欧姆挡测继电器线圈ed(图乙所示)的电阻时，将选择开关旋至“×100”位置，欧姆调零，测线圈ed电阻发现指针偏转角度过大，则应把选择开关旋至________(填“×10”或“×1k”)进行测量，经正确操作，多用表示数如图丁所示，则所测继电器的阻值为________Ω；丙丁图5(2)为使温度在达到报警温度时，简易报警器响起，单刀双掷开关c应该接________(选填“a”或“b”)；(3)流过继电器线圈ed的电流I0＝10mA时才会报警，若直流电源电动势E1为18V(内阻不计)，欲实现温度达到或超过60℃报警器响起，则滑动变阻器规格应该选择________。A．0～200ΩB．0～500ΩC．0～1500Ω答案(1)×10220(2)a(3)C解析(1)测电阻时指针偏转过大，则读数太小误差较大，需要选择小量程让读数变大点才能减小误差，所以应把选择开关旋至×10挡进行测量。所测继电器的阻值为：表盘刻度读数×倍率＝22×10Ω＝220Ω。(2)由于温度升高热敏电阻阻值减小，通过继电器的电流增大，其产生的磁场磁感应强度增大，把铁片向左吸引，所以要让报警器响起，则单刀双掷开关c应该接a。(3)流过继电器线圈ed的电流I0＝10mA时才会报警，若直流电源电动势E1为18V，则回路的总电阻的最小阻值为Rmin＝eq\f(E1,I0)＝eq\f(18,10×10－3)Ω＝1.8×103Ω，所以滑动变阻器规格应该选择C。【针对训练】(2021·北京西城区5月统测)为了节能和环保，一些公共场所用光敏电阻制作光控开关来控制照明系统，如图6为电路原理图。图中，直流电源电动势为3V，内阻可不计，R为可变电阻，RG为光敏电阻，其在不同照度下的阻值如下表(照度是描述光的强弱的物理量，光越强照度越大，lx是它的单位)。若控制开关两端电压升至2V时将自动开启照明系统，则以下说法正确的是()照度/lx0.20.40.60.81.01.2电阻RG/kΩ754028232018图6A.若将R接入电路的阻值调整为20kΩ,则当照度降低到1.0lx时启动照明系统B．若要使照明系统在照度降低到0.8lx时启动，则要将R接入电路的阻值调整为46kΩC．R接入电路的阻值不变时，照度越大，控制开关两端的电压越大D．若要在光照更暗时启动照明系统，应将R接入电路的阻值调大答案D解析将R接入电路的阻值调整为20kΩ,则当照度降低到1.0lx时RG为20kΩ，此时控制开关两端电压升为总电压一半1.5V，还未启动照明系统，故A错误；使照明系统在照度降低到0.8lx时启动，根据串联电路特点，将R接入电路的阻值调整为eq\f(23kΩ,23kΩ＋R)＝eq\f(2V,3V)，解得R＝11.5kΩ，故B错误；R接入电路的阻值不变时，照度越大，光敏电阻阻值变小，分压变小，故C错误；若要在光照更暗，光敏电阻更大时启动照明系统，根据串联电路特点可知，应将R接入电路的阻值调大，故D正确。一台臭氧发生器P的电阻为10kΩ，当供电电压等于24V时能正常工作，否则不产生臭氧。现要用这种臭氧发生器制成自动消毒装置，要求它在有光照时能产生臭氧，在黑暗时不产生臭氧，拟用一个光敏电阻R1对它进行控制，R1的阻值在有光照时为100Ω，黑暗时为1000Ω，允许通过的最大电流为3mA；电源E的电动势为36V，内阻不计；另有一个滑动变阻器R2，阻值为0～100Ω，允许通过的最大电流为0.4A；还有一个开关S和导线若干。臭氧发生器P和光敏电阻R1的符号如图7所示。图7设计一个满足上述要求的电路图，图中各元件要标上字母代号，其中滑动变阻器两固定接线柱端分别标上字母A、B(电路图画在虚线框内)。答案如图所示解析因滑动变阻器最大阻值100Ω远小于臭氧发生器P的电阻10kΩ，应该采用滑动变阻器的分压式接法，有光照时P能正常工作，无光照时P不工作。2．(2021·湖北选择考模拟)由半导体材料制成的热敏电阻阻值是温度的函数。基于热敏电阻对温度敏感原理制作一个火灾报警系统，要求热敏电阻温度升高至50℃时，系统开始自动报警。所用器材有：直流电源E(36V，内阻不计)；电流表(量程250mA，内阻约0.1Ω)；电压表(量程50V，内阻约1MΩ)；热敏电阻RT；报警器(内阻很小，流过的电流超过10mA时就会报警，超过30mA时就会损伤)；滑动变阻器R1(最大阻值4000Ω)；电阻箱R2(最大阻值9999.9Ω)；单刀单掷开关S1；单刀双掷开关S2；导线若干。(1)用图8a所示电路测量热敏电阻RT的阻值。当温度为27℃时，电压表读数为30.0V，电流表读数为15.0mA；当温度为50℃时，调节R1，使电压表读数仍为30.0V，电流表指针位置如图b所示。温度为50℃时，热敏电阻的阻值为______Ω。从实验原理上看，该方法测得的阻值比真实值略微________(填“偏大”或“偏小”)。如果热敏电阻阻值随温度升高而变大，则其为正温度系数热敏电阻，反之为负温度系数热敏电阻。基于以上实验数据可知，该热敏电阻RT为________(填“正”或“负”)温度系数热敏电阻。(2)某同学搭建一套基于该热敏电阻的火灾报警系统，实物图连线如图c所示，其中有一个器件的导线连接有误，该器件为________(填器件名称)。正确连接后，先使用电阻箱R2进行调试，其阻值设置为________Ω，滑动变阻器R1阻值从最大逐渐减小，直至报警器开始报警，此时滑动变阻器R1连入电路的阻值为________Ω。调试完毕后，再利用单刀双掷开关S2的选择性开关功能，把热敏电阻RT接入电路，可方便实现调试系统和工作系统的切换。c图8答案(1)600偏大负(2)R16003000解析(1)温度为50℃时，由图b可知，电流表示数为50mA，根据欧姆定律可得，热敏电阻的阻值RT＝eq\f(U,I)＝eq\f(30.