实验十三　利用传感器制作简单的自动控制装置

实验十三利用传感器制作简单的自动控制装置1.现代智能手机中大都配置有气压传感器,当传感器所处环境气压变化时,其电阻也随之发生变化.已知某气压传感器的阻值变化范围为几十欧姆到几百欧姆,某实验小组在室温下用伏安法探究其阻值Rx,随气压p变化的规律,实验室提供了如下器材可供选择:A.气压传感器(一个标准大气压下阻值约为300Ω)B.直流电源(电动势6V,内阻不计)C.电流表A(量程为0~60mA,内阻不计)D.电压表V(量程为0~3V,内阻为3kΩ)E.定值电阻R1=3kΩF.滑动变阻器R(最大电阻阻值约为50Ω)G.开关S与导线若干(1)小明同学设计了图甲实验电路原理图,请在图乙中将实物连线图补充完整.[答案]如图所示 (2)某次测量时,电压表示数如图丙所示,电压表示数为2.30(2.28~2.32)V.

(3)当气压传感器所处环境气压为p时,闭合开关S,测得两个电表的读数分别为U和I,则气压传感器的阻值Rx=

2UI(4)改变环境压强p的大小,测得不同的Rx值,绘成图像如图丁所示,由图可得Rx阻值和压强p的函数关系式为Rx=540-0.012pΩ.

[解析](1)根据电路图连接实物图,如图所示.(2)电压表读数为2.30V,由于估读有误差,在2.28~2.32V即可.(3)根据欧姆定律得Rx=Ux(4)根据图像可知Rx阻值和压强p的函数关系式为一次函数,纵截距为540,斜率为540-60(0.8-1.2)×1052.酒驾严重危害了公共交通安全,打击酒驾现象已成为日常.如题图甲为交警使用的某种酒精检测仪,核心部件为酒精气体传感器,其电阻R1与酒精气体浓度x的关系如图乙所示.(1)某同学自行设计了简易酒精检测仪,如图丙所示,用到的器材有酒精气体传感器R1、电源(电动势为9.0V,内阻未知)、电流表(满偏电流为100mA,内阻为8.5Ω),闭合开关,周围无酒精气体,发现电流表刚好满偏,则电源内阻为1.5Ω;用该仪器不能(选填“能”“不能”)检测酒驾.

驾驶员状态非酒驾酒驾酒精气体浓度标准(mg/mL)小于0.2大于或者等于0.2检测器状态只有绿灯亮绿灯红灯都亮(2)另一位同学查阅酒精检测仪说明书时看到题表,他根据自己的理解将酒精检测仪的内部电路简化为题图丁.只有绿灯亮表示被测试者非酒驾,红绿灯一起亮表示被测试者酒驾.图丁中电源电动势为6V,内阻不计,R2为定值电阻,R1为酒精气体传感器,L1、L2是彩色小灯泡,颜色一红一绿,小灯泡电压达到0.7V才会发光,则L1为红(选填“红”“绿”)灯,当红灯刚亮时通过其的电流为0.18A(保留两位有效数字).

[解析](1)电流表刚好满偏,则电流表两端电压为UA=IRA=0.85V,此时周围无酒精气体,则R1取80Ω,其两端电压为U1=IR1=8V,则电源内阻为r=E-U1-UAI=1.5Ω.当无酒精气体时,R1电阻最大,此时电流表刚好满偏,若有酒精气体时,R1电阻变小(2)颜色一红一绿,小灯泡电压达到0.7V才会发光,所以亮绿灯的小灯泡需要保证两端的电压一直大于或等于0.7V,如果与R1接在一起,R1在测量酒驾的时候电阻会发生改变,初始电阻大时应当不让小灯泡亮,等电阻变小让小灯泡亮,这样才可以查出酒驾,所以一直亮绿灯的小灯泡应当与定值电阻接在一起,这样无论R1如何变化,都不会影响亮绿灯的小灯泡是否亮,且与定值电阻接在一起也会保证绿灯一直亮,所以L2是绿灯,L1是红灯.当酒精气体浓度达到0.2mg/mL时,L1会变亮,此时L1两端电压为0.7V,已知电源电动势为6V,则R1两端电压为5.3V,根据图乙可知R1的电阻为30Ω,则当红灯刚亮时,通过其电流为I1=UR1R1=53.[2022·河北卷]某物理兴趣小组利用废弃电饭煲的部分器材自制简易电饭煲,设计电路如图甲所示,选用的器材有:限温开关S1(手动将其按下,开始持续加热煮饭,当锅内温度高于103℃时自动断开,之后不能自动闭合);保温开关S2(当锅内温度高于80℃时自动断开,温度低于70℃时自动闭合);电饭煲的框架(结构如图乙所示).自备元件有:加热电阻丝R(阻值为60Ω,用于加热煮饭);限流电阻R1和R2(阻值均为1kΩ);指示灯L1和L2(2.5V,0.6W,当电流低于30mA时可视为熄灭);保险丝T.(1)按照兴趣小组设计的电路,下列说法正确的是CD(填选项前的字母).

A.按下S1,L1和L2均发光B.当锅内温度高于103℃时,S1自动断开,L1和L2均发光C.保温过程中,S2自动在闭合、断开状态之间交替切换D.当锅内温度低于70℃时,S2自动闭合,L1发光,L2熄灭(2)简易电饭煲制作完成后,试用时L1始终不亮,但加热和保温功能均正常.在不拆卸元件的前提下,断开电源,使用多用电表判断发生故障的元件.下列操作步骤的正确顺序是CABDE(填写各步骤前的字母).

A.将选择开关旋转到“×100”位置B.将两支表笔直接接触,调节“欧姆调零旋钮”,使指针指向欧姆零点C.调整“指针定位螺丝”,使指针指到零刻度D.测量指示灯L1两端的阻值E.将选择开关置于OFF位置或交流电压最高挡操作时,将多用电表两表笔与L1两端接触,若指针如图丙所示,可判断是L1断路损坏;若指针如图丁所示,可判断是R1断路损坏.(用电路中的元件符号表示)

[解析]按下S1后L2所在支路被短路,则L2不会发光,A错误;当锅内温度高于103℃时,S1断开,S2也是断开的,此时R1先与L1串联,再与R并联,并联的整体再和L2、R2串联,则回路中并联的整体电阻R并=56.64Ω,则回路总电阻R总=1067.06Ω,则回路总电流I总=220VR总=0.21A,则L2一定发光,此时并联的整体的电压为U并=I总R并=11.89V,则流过L1的电流为IL1=U并RL1+R1=11.891000+10.42A=0.012A,则流过L1的电流小于30mA,则L1熄灭,B错误;由题知,S2在锅内温度高于80℃时自动断开,锅内温度降到70℃以下时S2自动闭合,C正确;当锅内温度低于70℃时,S2自动闭合,L2支路被短路,则L2不会发光,此时流过L1的电流为I'L1=ERL1(2)多用电表的操作步骤为:调整“指针定位螺丝”,使指针指到零刻度——机械调零;将选择开关旋转到“×100”位置——选挡;将两支表笔直接接触,调节“欧姆调零旋钮”,使指针指向欧姆零点——欧姆调零;测量指示灯L1两端的阻值——测量;将选择开关置于OFF位置或交流电压最高挡——关闭多用电表.故正确顺序为CABDE.由于使用时L1始终不亮,但加热和保温功能均正常,则说明R、T均正常,图丙可看出多用电表示数为1.10×103Ω,则说明L1始终不亮的原因是L1断路损坏.图丁可看出多用电表的示数几乎为零,但由于RL=10.42Ω,此时选用的是多用电表的“×100”挡说明灯泡L1正常,则L1始终不亮的原因是R1断路损坏.4.[2021·山东卷]热敏电阻是传感器中经常使用的元件,某学习小组要探究一热敏电阻的阻值随温度变化的规律.可供选择的器材有:待测热敏电阻RT(实验温度范围内,阻值约几百欧到几千欧);电源E(电动势1.5V,内阻r约为0.5Ω);电阻箱R(阻值范围0~9999.99Ω);滑动变阻器R1(最大阻值20Ω);滑动变阻器R2(最大阻值2000Ω)微安表(量程0~100μA,内阻等于2500Ω);开关两个,温控装置一套,导线若干.同学们设计了如图甲所示的测量电路,主要实验步骤如下:①按图示连接电路;②闭合S1、S2,调节滑动变阻器滑片P的位置,使微安表指针满偏;③保持滑动变阻器滑片P的位置不变,断开S2,调节电阻箱,使微安表指针半偏;④记录此时的温度和电阻箱的阻值.回答下列问题:(1)为了更准确地测量热敏电阻的阻值,滑动变阻器应选用R1(选填“R1”或“R2”).

(2)请用笔画线代替导线,在图乙上将实物图(不含温控装置)连接成完整电路.[答案]如图所示 (3)某温度下微安表半偏时,电阻箱的读数为6000.00Ω,该温度下热敏电阻的测量值为3500Ω(结果保留到个位).该测量值大于(选填“大于”或“小于”)真实值.

(4)多次实验后,学习小组绘制了如图丙所示的图像.由图像可知,该热敏电阻的阻值随温度的升高逐渐减小(选填“增大”或“减小”).

[解析](1)用半偏法测量热敏电阻的阻值,尽可能让该支路的电压在S2闭合前、后保持不变,由于该支路与滑动变阻器左半部分并联,滑动变阻器的阻值越小,S2闭合前、后该部分电阻值变化越小,从而电压的值变化越小,故滑动变阻器应选R1.(2)电路连接图如图所示.(3)微安表半偏时,该支路的总电阻为原来的2倍,即RT+R