實驗十三　利用傳感器制作簡單的自動控制裝置

實驗十三利用傳感器制作簡單的自動控制裝置1.現(xiàn)代智能手機(jī)中大都配置有氣壓傳感器,當(dāng)傳感器所處環(huán)境氣壓變化時,其電阻也隨之發(fā)生變化.已知某氣壓傳感器的阻值變化范圍為幾十歐姆到幾百歐姆,某實驗小組在室溫下用伏安法探究其阻值Rx,隨氣壓p變化的規(guī)律,實驗室提供了如下器材可供選擇:A.氣壓傳感器(一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下阻值約為300Ω)B.直流電源(電動勢6V,內(nèi)阻不計)C.電流表A(量程為0~60mA,內(nèi)阻不計)D.電壓表V(量程為0~3V,內(nèi)阻為3kΩ)E.定值電阻R1=3kΩF.滑動變阻器R(最大電阻阻值約為50Ω)G.開關(guān)S與導(dǎo)線若干(1)小明同學(xué)設(shè)計了圖甲實驗電路原理圖,請在圖乙中將實物連線圖補(bǔ)充完整.[答案]如圖所示 (2)某次測量時,電壓表示數(shù)如圖丙所示,電壓表示數(shù)為2.30(2.28~2.32)V.

(3)當(dāng)氣壓傳感器所處環(huán)境氣壓為p時,閉合開關(guān)S,測得兩個電表的讀數(shù)分別為U和I,則氣壓傳感器的阻值Rx=

2UI(4)改變環(huán)境壓強(qiáng)p的大小,測得不同的Rx值,繪成圖像如圖丁所示,由圖可得Rx阻值和壓強(qiáng)p的函數(shù)關(guān)系式為Rx=540-0.012pΩ.

[解析](1)根據(jù)電路圖連接實物圖,如圖所示.(2)電壓表讀數(shù)為2.30V,由于估讀有誤差,在2.28~2.32V即可.(3)根據(jù)歐姆定律得Rx=Ux(4)根據(jù)圖像可知Rx阻值和壓強(qiáng)p的函數(shù)關(guān)系式為一次函數(shù),縱截距為540,斜率為540-60(0.8-1.2)×1052.酒駕嚴(yán)重危害了公共交通安全,打擊酒駕現(xiàn)象已成為日常.如題圖甲為交警使用的某種酒精檢測儀,核心部件為酒精氣體傳感器,其電阻R1與酒精氣體濃度x的關(guān)系如圖乙所示.(1)某同學(xué)自行設(shè)計了簡易酒精檢測儀,如圖丙所示,用到的器材有酒精氣體傳感器R1、電源(電動勢為9.0V,內(nèi)阻未知)、電流表(滿偏電流為100mA,內(nèi)阻為8.5Ω),閉合開關(guān),周圍無酒精氣體,發(fā)現(xiàn)電流表剛好滿偏,則電源內(nèi)阻為1.5Ω;用該儀器不能(選填“能”“不能”)檢測酒駕.

駕駛員狀態(tài)非酒駕酒駕酒精氣體濃度標(biāo)準(zhǔn)(mg/mL)小于0.2大于或者等于0.2檢測器狀態(tài)只有綠燈亮綠燈紅燈都亮(2)另一位同學(xué)查閱酒精檢測儀說明書時看到題表,他根據(jù)自己的理解將酒精檢測儀的內(nèi)部電路簡化為題圖丁.只有綠燈亮表示被測試者非酒駕,紅綠燈一起亮表示被測試者酒駕.圖丁中電源電動勢為6V,內(nèi)阻不計,R2為定值電阻,R1為酒精氣體傳感器,L1、L2是彩色小燈泡,顏色一紅一綠,小燈泡電壓達(dá)到0.7V才會發(fā)光,則L1為紅(選填“紅”“綠”)燈,當(dāng)紅燈剛亮?xí)r通過其的電流為0.18A(保留兩位有效數(shù)字).

[解析](1)電流表剛好滿偏,則電流表兩端電壓為UA=IRA=0.85V,此時周圍無酒精氣體,則R1取80Ω,其兩端電壓為U1=IR1=8V,則電源內(nèi)阻為r=E-U1-UAI=1.5Ω.當(dāng)無酒精氣體時,R1電阻最大,此時電流表剛好滿偏,若有酒精氣體時,R1電阻變小(2)顏色一紅一綠,小燈泡電壓達(dá)到0.7V才會發(fā)光,所以亮綠燈的小燈泡需要保證兩端的電壓一直大于或等于0.7V,如果與R1接在一起,R1在測量酒駕的時候電阻會發(fā)生改變,初始電阻大時應(yīng)當(dāng)不讓小燈泡亮,等電阻變小讓小燈泡亮,這樣才可以查出酒駕,所以一直亮綠燈的小燈泡應(yīng)當(dāng)與定值電阻接在一起,這樣無論R1如何變化,都不會影響亮綠燈的小燈泡是否亮,且與定值電阻接在一起也會保證綠燈一直亮,所以L2是綠燈,L1是紅燈.當(dāng)酒精氣體濃度達(dá)到0.2mg/mL時,L1會變亮,此時L1兩端電壓為0.7V,已知電源電動勢為6V,則R1兩端電壓為5.3V,根據(jù)圖乙可知R1的電阻為30Ω,則當(dāng)紅燈剛亮?xí)r,通過其電流為I1=UR1R1=53.[2022·河北卷]某物理興趣小組利用廢棄電飯煲的部分器材自制簡易電飯煲,設(shè)計電路如圖甲所示,選用的器材有:限溫開關(guān)S1(手動將其按下,開始持續(xù)加熱煮飯,當(dāng)鍋內(nèi)溫度高于103℃時自動斷開,之后不能自動閉合);保溫開關(guān)S2(當(dāng)鍋內(nèi)溫度高于80℃時自動斷開,溫度低于70℃時自動閉合);電飯煲的框架(結(jié)構(gòu)如圖乙所示).自備元件有:加熱電阻絲R(阻值為60Ω,用于加熱煮飯);限流電阻R1和R2(阻值均為1kΩ);指示燈L1和L2(2.5V,0.6W,當(dāng)電流低于30mA時可視為熄滅);保險絲T.(1)按照興趣小組設(shè)計的電路,下列說法正確的是CD(填選項前的字母).

A.按下S1,L1和L2均發(fā)光B.當(dāng)鍋內(nèi)溫度高于103℃時,S1自動斷開,L1和L2均發(fā)光C.保溫過程中,S2自動在閉合、斷開狀態(tài)之間交替切換D.當(dāng)鍋內(nèi)溫度低于70℃時,S2自動閉合,L1發(fā)光,L2熄滅(2)簡易電飯煲制作完成后,試用時L1始終不亮,但加熱和保溫功能均正常.在不拆卸元件的前提下,斷開電源,使用多用電表判斷發(fā)生故障的元件.下列操作步驟的正確順序是CABDE(填寫各步驟前的字母).

A.將選擇開關(guān)旋轉(zhuǎn)到“×100”位置B.將兩支表筆直接接觸,調(diào)節(jié)“歐姆調(diào)零旋鈕”,使指針指向歐姆零點C.調(diào)整“指針定位螺絲”,使指針指到零刻度D.測量指示燈L1兩端的阻值E.將選擇開關(guān)置于OFF位置或交流電壓最高擋操作時,將多用電表兩表筆與L1兩端接觸,若指針如圖丙所示,可判斷是L1斷路損壞;若指針如圖丁所示,可判斷是R1斷路損壞.(用電路中的元件符號表示)

[解析]按下S1后L2所在支路被短路,則L2不會發(fā)光,A錯誤;當(dāng)鍋內(nèi)溫度高于103℃時,S1斷開,S2也是斷開的,此時R1先與L1串聯(lián),再與R并聯(lián),并聯(lián)的整體再和L2、R2串聯(lián),則回路中并聯(lián)的整體電阻R并=56.64Ω,則回路總電阻R總=1067.06Ω,則回路總電流I總=220VR總=0.21A,則L2一定發(fā)光,此時并聯(lián)的整體的電壓為U并=I總R并=11.89V,則流過L1的電流為IL1=U并RL1+R1=11.891000+10.42A=0.012A,則流過L1的電流小于30mA,則L1熄滅,B錯誤;由題知,S2在鍋內(nèi)溫度高于80℃時自動斷開,鍋內(nèi)溫度降到70℃以下時S2自動閉合,C正確;當(dāng)鍋內(nèi)溫度低于70℃時,S2自動閉合,L2支路被短路,則L2不會發(fā)光,此時流過L1的電流為I'L1=ERL1(2)多用電表的操作步驟為:調(diào)整“指針定位螺絲”,使指針指到零刻度——機(jī)械調(diào)零;將選擇開關(guān)旋轉(zhuǎn)到“×100”位置——選擋;將兩支表筆直接接觸,調(diào)節(jié)“歐姆調(diào)零旋鈕”,使指針指向歐姆零點——歐姆調(diào)零;測量指示燈L1兩端的阻值——測量;將選擇開關(guān)置于OFF位置或交流電壓最高擋——關(guān)閉多用電表.故正確順序為CABDE.由于使用時L1始終不亮,但加熱和保溫功能均正常,則說明R、T均正常,圖丙可看出多用電表示數(shù)為1.10×103Ω,則說明L1始終不亮的原因是L1斷路損壞.圖丁可看出多用電表的示數(shù)幾乎為零,但由于RL=10.42Ω,此時選用的是多用電表的“×100”擋說明燈泡L1正常,則L1始終不亮的原因是R1斷路損壞.4.[2021·山東卷]熱敏電阻是傳感器中經(jīng)常使用的元件,某學(xué)習(xí)小組要探究一熱敏電阻的阻值隨溫度變化的規(guī)律.可供選擇的器材有:待測熱敏電阻RT(實驗溫度范圍內(nèi),阻值約幾百歐到幾千歐);電源E(電動勢1.5V,內(nèi)阻r約為0.5Ω);電阻箱R(阻值范圍0~9999.99Ω);滑動變阻器R1(最大阻值20Ω);滑動變阻器R2(最大阻值2000Ω)微安表(量程0~100μA,內(nèi)阻等于2500Ω);開關(guān)兩個,溫控裝置一套,導(dǎo)線若干.同學(xué)們設(shè)計了如圖甲所示的測量電路,主要實驗步驟如下:①按圖示連接電路;②閉合S1、S2,調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片P的位置,使微安表指針滿偏;③保持滑動變阻器滑片P的位置不變,斷開S2,調(diào)節(jié)電阻箱,使微安表指針半偏;④記錄此時的溫度和電阻箱的阻值.回答下列問題:(1)為了更準(zhǔn)確地測量熱敏電阻的阻值,滑動變阻器應(yīng)選用R1(選填“R1”或“R2”).

(2)請用筆畫線代替導(dǎo)線,在圖乙上將實物圖(不含溫控裝置)連接成完整電路.[答案]如圖所示 (3)某溫度下微安表半偏時,電阻箱的讀數(shù)為6000.00Ω,該溫度下熱敏電阻的測量值為3500Ω(結(jié)果保留到個位).該測量值大于(選填“大于”或“小于”)真實值.

(4)多次實驗后,學(xué)習(xí)小組繪制了如圖丙所示的圖像.由圖像可知,該熱敏電阻的阻值隨溫度的升高逐漸減小(選填“增大”或“減小”).

[解析](1)用半偏法測量熱敏電阻的阻值,盡可能讓該支路的電壓在S2閉合前、后保持不變,由于該支路與滑動變阻器左半部分并聯(lián),滑動變阻器的阻值越小,S2閉合前、后該部分電阻值變化越小,從而電壓的值變化越小,故滑動變阻器應(yīng)選R1.(2)電路連接圖如圖所示.(3)微安表半偏時,該支路的總電阻為原來的2倍,即RT+R