2025年高考物理复习讲义第十一章实验十二　利用传感器制作简单的自动控制装置（含解析）

实验十二利用传感器制作简单的自动控制装置一、研究热敏电阻的热敏特性二、研究光敏电阻的光敏特性●注意事项1．在做热敏实验时，加热水后要等一会儿再测其阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温．2．在光敏实验中，如果效果不明显，可将电阻部分电路放入带盖的纸盒中，并通过盖上小孔改变照射到光敏电阻上的光的多少．3．欧姆表每次换挡后都要重新调零．考点教材原型实验典例1(2021·广东卷)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)再按图连接好电路进行测量．①闭合开关S前，将滑动变阻器R1的滑片滑到________(填“a”或“b”)端．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________(填“大于”“小于”或“等于”)R02.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．变式1(2024·湖北高三专题练习)传感器担负着信息的采集任务，在自动控制中发挥着重要作用，能够将感受到的物理量(如温度、光、声等)转换成便于测量的量(通常是电学量)，传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段．回答下面传感器的应用实验中的两个问题：(1)光传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，如图甲所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中S为发光仪器，小圆柱是传送带上的物品，R1为光敏电阻，其阻值在有光照时比没有光照时要小得多，R2为定值电阻．当有光照射R1时，信号处理系统获得________(填“高”或“低”)电压，信号处理系统每获得一次________(填“高”或“低”)电压就记数一次．(2)热敏传感器利用由半导体材料制成的热敏电阻将热学量转换为电学量．热敏电阻的阻值随温度变化的图像如图乙所示，图丙是由热敏电阻R1作为传感器的简单自动报警器的线路图．为了使温度过高时报警器报警，c应接在________(填“a”或“b”)处．若要使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器的滑片P向________(填“左”或“右”)移动．考点实验的创新与改进典例2(2023·湖南卷节选)某探究小组利用半导体薄膜压力传感器等元件设计了一个测量微小压力的装置，其电路如图(a)所示，R1、R2、R3为电阻箱，RF为半导体薄膜压力传感器，C、D间连接电压传感器(内阻无穷大)．eq\a\vs4\al(图a)eq\a\vs4\al(图b)(1)先用欧姆表“×100”挡粗测RF的阻值，示数如图(b)所示，对应的读数是________Ω.(2)适当调节R1、R2、R3，使电压传感器示数为0，此时，RF的阻值为________(用R1、R2、R3表示)．(3)依次将0.5g的标准砝码加载到压力传感器上(压力传感器上所受压力大小等于砝码重力大小)，读出电压传感器示数U，所测数据如下表所示：次数123砝码质量m/g0.00.51.0电压U/mV057115次数456砝码质量m/g1.52.02.5电压U/mV168220280根据表中数据在图(c)上描点，绘制U－m关系图线．eq\a\vs4\al(图c)(4)完成前面三步的实验工作后，该测量微小压力的装置即可投入使用．在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力F0，电压传感器示数为200mV，则F0大小是________N(重力加速度取g＝9.8m/s2，保留2位有效数字)．变式2利用霍尔效应制作的霍尔元件，被广泛应用于测量、自动控制等领域．某同学想设计一个研究霍尔电压与通过某霍尔元件电流关系的实验，查阅资料得知该霍尔元件(导电微粒带负电)的工作电流在0～500mA之间，C、D间产生的霍尔电压在0～5V之间．可供选择的器材如下：A．电流表A1(量程0.6A，内阻约为0.15Ω)B．电流表A2(量程20mA，内阻约为40Ω)C．电压表V1(量程6.0V，内阻约为20kΩ)D．电压表V2(量程15V，内阻约为20kΩ)E．保护电阻F．滑动变阻器(最大阻值为50Ω，允许通过的最大电流为1.5A)G．电源、单刀单掷开关各一个，导线若干实验时将该霍尔元件放在磁铁S极的正上方，要求多测量几组数据，且霍尔电压从零开始变化．(1)为了完成实验，电流表应选用________(填“A1”或“A2”)，电压表应选用________(填“V1”或“V2”)．(2)请结合(1)中所选的器材和实验要求将图甲中的实物图连线补充完整．(3)该同学将记录的实验数据描绘在U­I坐标系中，如图乙所示，请将图像补充完整，结合所作图像可得，在误差允许范围内霍尔电压U与电流大小I的关系为________(填“U＝kI”“U＝kI2”或“U＝keq\r(I)”)．答案及解析考点教材原型实验典例1(2021·广东卷)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)再按图连接好电路进行测量．①闭合开关S前，将滑动变阻器R1的滑片滑到________(填“a”或“b”)端．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________(填“大于”“小于”或“等于”)R02.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．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阻值最大处，即b端．②将电压表与热敏电阻C端间的导线改接到D端，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.答案：(1)短接减小(2)①b②大于R01－R02变式1(2024·湖北高三专题练习)传感器担负着信息的采集任务，在自动控制中发挥着重要作用，能够将感受到的物理量(如温度、光、声等)转换成便于测量的量(通常是电学量)，传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段．回答下面传感器的应用实验中的两个问题：(1)光传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，如图甲所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中S为发光仪器，小圆柱是传送带上的物品，R1为光敏电阻，其阻值在有光照时比没有光照时要小得多，R2为定值电阻．当有光照射R1时，信号处理系统获得________(填“高”或“低”)电压，信号处理系统每获得一次________(填“高”或“低”)电压就记数一次．(2)热敏传感器利用由半导体材料制成的热敏电阻将热学量转换为电学量．热敏电阻的阻值随温度变化的图像如图乙所示，图丙是由热敏电阻R1作为传感器的简单自动报警器的线路图．为了使温度过高时报警器报警，c应接在________(填“a”或“b”)处．若要使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器的滑片P向________(填“左”或“右”)移动．解析：(1)当有光照射R1时，R1的电阻减小，整个电路总电阻减小，电动势不变，则电流增大，R2两端的电压增大，即信号处理系统获得高电压；当照射R1的光被传送带上的物品挡住时，R1的电阻增大，整个电路总电阻增大，电动势不变，则电流减小，R2两端的电压减小，即信号处理系统获得低电压．则信号处理系统每获得一次低电压就记数一次．(2)温度升高时热敏电阻的阻值变小，左边电路中电流变大，电磁铁磁性变强，开关接触a点，要使温度过高时报警器报警，c应接在a处．滑片P向左移动时，滑动变阻器接入电路的阻值变大，在温度更高时左边电路才能有足够大电流，使磁铁有足够大的引力吸引开关，因此滑片向左移动可以提高报警器报警的温度．答案：(1)高低(2)a左考点实验的创新与改进典例2(2023·湖南卷节选)某探究小组利用半导体薄膜压力传感器等元件设计了一个测量微小压力的装置，其电路如图(a)所示，R1、R2、R3为电阻箱，RF为半导体薄膜压力传感器，C、D间连接电压传感器(内阻无穷大)．eq\a\vs4\al(图a)eq\a\vs4\al(图b)(1)先用欧姆表“×100”挡粗测RF的阻值，示数如图(b)所示，对应的读数是________Ω.(2)适当调节R1、R2、R3，使电压传感器示数为0，此时，RF的阻值为________(用R1、R2、R3表示)．(3)依次将0.5g的标准砝码加载到压力传感器上(压力传感器上所受压力大小等于砝码重力大小)，读出电压传感器示数U，所测数据如下表所示：次数123砝码质量m/g0.00.51.0电压U/mV057115次数456砝码质量m/g1.52.02.5电压U/mV168220280根据表中数据在图(c)上描点，绘制U－m关系图线．eq\a\vs4\al(图c)(4)完成前面三步的实验工作后，该测量微小压力的装置即可投入使用．在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力F0，电压传感器示数为200mV，则F0大小是________N(重力加速度取g＝9.8m/s2，保留2位有效数字)．解析：(1)欧姆表读数为10×100Ω＝1000Ω.(2)当电压传感器示数为零时，C、D两点电势相等，即UCB＝UDB，即eq\f(UAB,R1＋RF)RF＝eq\f(UAB,R2＋R3)R3，解得RF＝eq\f(R1R3,R2).(3)绘出U－m图像如图所示．(4)由图像可知，当电压传感器的读数为200mV时，所放物体质量为1.75g，则F0＝mg＝1.75×10－3×9.8N＝1.7×10－2N.答案：(1)1000(2)eq\f(R1R3,R2)(3)见解析图(4)1.7×10－2变式2利用霍尔效应制作的霍尔元件，被广泛应用于测量、自动控制等领域．某同学想设计一个研究霍尔电压与通过某霍尔元件电流关系的实验，查阅资料得知该霍尔元件(导电微粒带负电)的工作电流在0～500mA之间，C、D间产生的霍尔电压在0～5V之间．可供选择的器材如下：A．电流表A1(量程0.6A，内阻约为0.15Ω)B．电流表A2(量程20mA，内阻约为40Ω)C．电压表V1(量程6.0V，内阻约为20kΩ)D．电压表V2(量程15V，内阻约为20kΩ)E．保护电阻F．滑动变阻器(最大阻值为50Ω，允许通过的最大电流为1.5A)G．电源、单刀单掷开关各一个，导线若干实验时将该霍尔元件放在磁铁S极的正上方，要求多测量几组数据，且霍尔电压从零开始变化．(1)为了完成实验，电流表应选用________(填“A1”或“A2”)，电压表应选用________(填“V1”或“V2”)．(2)请结合(1)中所选的器材和实验要求将图甲中的实物图连线补充完整．(3)该同学将记录的实验数据描绘在U­I坐标系中，如图乙所示，请将图像补充完整，结合所作图像可得，在误差允许范围内霍尔电压U与电流大小I的关系为________(填“U＝kI”“U＝kI2”或“U＝keq\r