2025年高考物理復(fù)習(xí)講義第十一章實(shí)驗(yàn)十二　利用傳感器制作簡單的自動(dòng)控制裝置（含解析）

實(shí)驗(yàn)十二利用傳感器制作簡單的自動(dòng)控制裝置一、研究熱敏電阻的熱敏特性二、研究光敏電阻的光敏特性●注意事項(xiàng)1．在做熱敏實(shí)驗(yàn)時(shí)，加熱水后要等一會(huì)兒再測(cè)其阻值，以使電阻溫度與水的溫度相同，并同時(shí)讀出水溫．2．在光敏實(shí)驗(yàn)中，如果效果不明顯，可將電阻部分電路放入帶蓋的紙盒中，并通過蓋上小孔改變照射到光敏電阻上的光的多少．3．歐姆表每次換擋后都要重新調(diào)零．考點(diǎn)教材原型實(shí)驗(yàn)典例1(2021·廣東卷)某小組研究熱敏電阻阻值隨溫度的變化規(guī)律．根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(shì)．選擇適當(dāng)倍率的歐姆擋，將兩表筆________，調(diào)節(jié)歐姆調(diào)零旋鈕，使指針指向右邊“0Ω”處．測(cè)量時(shí)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________．(2)再按圖連接好電路進(jìn)行測(cè)量．①閉合開關(guān)S前，將滑動(dòng)變阻器R1的滑片滑到________(填“a”或“b”)端．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(dòng)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(shí)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(shí)電阻箱的阻值R02.斷開開關(guān)S.②實(shí)驗(yàn)中記錄的阻值R01________(填“大于”“小于”或“等于”)R02.此時(shí)熱敏電阻阻值RT＝________.(3)改變溫控室的溫度，測(cè)量不同溫度時(shí)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．變式1(2024·湖北高三專題練習(xí))傳感器擔(dān)負(fù)著信息的采集任務(wù)，在自動(dòng)控制中發(fā)揮著重要作用，能夠?qū)⒏惺艿降奈锢砹?如溫度、光、聲等)轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的量(通常是電學(xué)量)，傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段．回答下面?zhèn)鞲衅鞯膽?yīng)用實(shí)驗(yàn)中的兩個(gè)問題：(1)光傳感器是利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，如圖甲所示為光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器的示意圖，其中S為發(fā)光儀器，小圓柱是傳送帶上的物品，R1為光敏電阻，其阻值在有光照時(shí)比沒有光照時(shí)要小得多，R2為定值電阻．當(dāng)有光照射R1時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得________(填“高”或“低”)電壓，信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次________(填“高”或“低”)電壓就記數(shù)一次．(2)熱敏傳感器利用由半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻將熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量．熱敏電阻的阻值隨溫度變化的圖像如圖乙所示，圖丙是由熱敏電阻R1作為傳感器的簡單自動(dòng)報(bào)警器的線路圖．為了使溫度過高時(shí)報(bào)警器報(bào)警，c應(yīng)接在________(填“a”或“b”)處．若要使啟動(dòng)報(bào)警的溫度提高些，應(yīng)將滑動(dòng)變阻器的滑片P向________(填“左”或“右”)移動(dòng)．考點(diǎn)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新與改進(jìn)典例2(2023·湖南卷節(jié)選)某探究小組利用半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器等元件設(shè)計(jì)了一個(gè)測(cè)量微小壓力的裝置，其電路如圖(a)所示，R1、R2、R3為電阻箱，RF為半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器，C、D間連接電壓傳感器(內(nèi)阻無窮大)．eq\a\vs4\al(圖a)eq\a\vs4\al(圖b)(1)先用歐姆表“×100”擋粗測(cè)RF的阻值，示數(shù)如圖(b)所示，對(duì)應(yīng)的讀數(shù)是________Ω.(2)適當(dāng)調(diào)節(jié)R1、R2、R3，使電壓傳感器示數(shù)為0，此時(shí)，RF的阻值為________(用R1、R2、R3表示)．(3)依次將0.5g的標(biāo)準(zhǔn)砝碼加載到壓力傳感器上(壓力傳感器上所受壓力大小等于砝碼重力大小)，讀出電壓傳感器示數(shù)U，所測(cè)數(shù)據(jù)如下表所示：次數(shù)123砝碼質(zhì)量m/g0.00.51.0電壓U/mV057115次數(shù)456砝碼質(zhì)量m/g1.52.02.5電壓U/mV168220280根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖(c)上描點(diǎn)，繪制U－m關(guān)系圖線．eq\a\vs4\al(圖c)(4)完成前面三步的實(shí)驗(yàn)工作后，該測(cè)量微小壓力的裝置即可投入使用．在半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器上施加微小壓力F0，電壓傳感器示數(shù)為200mV，則F0大小是________N(重力加速度取g＝9.8m/s2，保留2位有效數(shù)字)．變式2利用霍爾效應(yīng)制作的霍爾元件，被廣泛應(yīng)用于測(cè)量、自動(dòng)控制等領(lǐng)域．某同學(xué)想設(shè)計(jì)一個(gè)研究霍爾電壓與通過某霍爾元件電流關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，查閱資料得知該霍爾元件(導(dǎo)電微粒帶負(fù)電)的工作電流在0～500mA之間，C、D間產(chǎn)生的霍爾電壓在0～5V之間．可供選擇的器材如下：A．電流表A1(量程0.6A，內(nèi)阻約為0.15Ω)B．電流表A2(量程20mA，內(nèi)阻約為40Ω)C．電壓表V1(量程6.0V，內(nèi)阻約為20kΩ)D．電壓表V2(量程15V，內(nèi)阻約為20kΩ)E．保護(hù)電阻F．滑動(dòng)變阻器(最大阻值為50Ω，允許通過的最大電流為1.5A)G．電源、單刀單擲開關(guān)各一個(gè)，導(dǎo)線若干實(shí)驗(yàn)時(shí)將該霍爾元件放在磁鐵S極的正上方，要求多測(cè)量幾組數(shù)據(jù)，且霍爾電壓從零開始變化．(1)為了完成實(shí)驗(yàn)，電流表應(yīng)選用________(填“A1”或“A2”)，電壓表應(yīng)選用________(填“V1”或“V2”)．(2)請(qǐng)結(jié)合(1)中所選的器材和實(shí)驗(yàn)要求將圖甲中的實(shí)物圖連線補(bǔ)充完整．(3)該同學(xué)將記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描繪在U-I坐標(biāo)系中，如圖乙所示，請(qǐng)將圖像補(bǔ)充完整，結(jié)合所作圖像可得，在誤差允許范圍內(nèi)霍爾電壓U與電流大小I的關(guān)系為________(填“U＝kI”“U＝kI2”或“U＝keq\r(I)”)．答案及解析考點(diǎn)教材原型實(shí)驗(yàn)典例1(2021·廣東卷)某小組研究熱敏電阻阻值隨溫度的變化規(guī)律．根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(shì)．選擇適當(dāng)倍率的歐姆擋，將兩表筆________，調(diào)節(jié)歐姆調(diào)零旋鈕，使指針指向右邊“0Ω”處．測(cè)量時(shí)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________．(2)再按圖連接好電路進(jìn)行測(cè)量．①閉合開關(guān)S前，將滑動(dòng)變阻器R1的滑片滑到________(填“a”或“b”)端．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(dòng)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(shí)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(shí)電阻箱的阻值R02.斷開開關(guān)S.②實(shí)驗(yàn)中記錄的阻值R01________(填“大于”“小于”或“等于”)R02.此時(shí)熱敏電阻阻值RT＝________.(3)改變溫控室的溫度，測(cè)量不同溫度時(shí)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)使用多用電表的歐姆擋前應(yīng)先歐姆調(diào)零，即將兩表筆短接．溫度越高，相同倍率下多用電表的指針向右偏轉(zhuǎn)的角度越大，則電阻阻值越小，故熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減?。?2)①閉合開關(guān)前，為了保護(hù)電路，應(yīng)該將滑動(dòng)變阻器的滑片移到阻值最大處，即b端．②將電壓表與熱敏電阻C端間的導(dǎo)線改接到D端，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器和電阻箱，使電壓表和電流表的示數(shù)與改接前一致，則R01＝R02＋RT，所以R01>R02，RT＝R01－R02.答案：(1)短接減小(2)①b②大于R01－R02變式1(2024·湖北高三專題練習(xí))傳感器擔(dān)負(fù)著信息的采集任務(wù)，在自動(dòng)控制中發(fā)揮著重要作用，能夠?qū)⒏惺艿降奈锢砹?如溫度、光、聲等)轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的量(通常是電學(xué)量)，傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段．回答下面?zhèn)鞲衅鞯膽?yīng)用實(shí)驗(yàn)中的兩個(gè)問題：(1)光傳感器是利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，如圖甲所示為光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器的示意圖，其中S為發(fā)光儀器，小圓柱是傳送帶上的物品，R1為光敏電阻，其阻值在有光照時(shí)比沒有光照時(shí)要小得多，R2為定值電阻．當(dāng)有光照射R1時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得________(填“高”或“低”)電壓，信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次________(填“高”或“低”)電壓就記數(shù)一次．(2)熱敏傳感器利用由半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻將熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量．熱敏電阻的阻值隨溫度變化的圖像如圖乙所示，圖丙是由熱敏電阻R1作為傳感器的簡單自動(dòng)報(bào)警器的線路圖．為了使溫度過高時(shí)報(bào)警器報(bào)警，c應(yīng)接在________(填“a”或“b”)處．若要使啟動(dòng)報(bào)警的溫度提高些，應(yīng)將滑動(dòng)變阻器的滑片P向________(填“左”或“右”)移動(dòng)．解析：(1)當(dāng)有光照射R1時(shí)，R1的電阻減小，整個(gè)電路總電阻減小，電動(dòng)勢(shì)不變，則電流增大，R2兩端的電壓增大，即信號(hào)處理系統(tǒng)獲得高電壓；當(dāng)照射R1的光被傳送帶上的物品擋住時(shí)，R1的電阻增大，整個(gè)電路總電阻增大，電動(dòng)勢(shì)不變，則電流減小，R2兩端的電壓減小，即信號(hào)處理系統(tǒng)獲得低電壓．則信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就記數(shù)一次．(2)溫度升高時(shí)熱敏電阻的阻值變小，左邊電路中電流變大，電磁鐵磁性變強(qiáng)，開關(guān)接觸a點(diǎn)，要使溫度過高時(shí)報(bào)警器報(bào)警，c應(yīng)接在a處．滑片P向左移動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值變大，在溫度更高時(shí)左邊電路才能有足夠大電流，使磁鐵有足夠大的引力吸引開關(guān)，因此滑片向左移動(dòng)可以提高報(bào)警器報(bào)警的溫度．答案：(1)高低(2)a左考點(diǎn)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新與改進(jìn)典例2(2023·湖南卷節(jié)選)某探究小組利用半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器等元件設(shè)計(jì)了一個(gè)測(cè)量微小壓力的裝置，其電路如圖(a)所示，R1、R2、R3為電阻箱，RF為半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器，C、D間連接電壓傳感器(內(nèi)阻無窮大)．eq\a\vs4\al(圖a)eq\a\vs4\al(圖b)(1)先用歐姆表“×100”擋粗測(cè)RF的阻值，示數(shù)如圖(b)所示，對(duì)應(yīng)的讀數(shù)是________Ω.(2)適當(dāng)調(diào)節(jié)R1、R2、R3，使電壓傳感器示數(shù)為0，此時(shí)，RF的阻值為________(用R1、R2、R3表示)．(3)依次將0.5g的標(biāo)準(zhǔn)砝碼加載到壓力傳感器上(壓力傳感器上所受壓力大小等于砝碼重力大小)，讀出電壓傳感器示數(shù)U，所測(cè)數(shù)據(jù)如下表所示：次數(shù)123砝碼質(zhì)量m/g0.00.51.0電壓U/mV057115次數(shù)456砝碼質(zhì)量m/g1.52.02.5電壓U/mV168220280根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖(c)上描點(diǎn)，繪制U－m關(guān)系圖線．eq\a\vs4\al(圖c)(4)完成前面三步的實(shí)驗(yàn)工作后，該測(cè)量微小壓力的裝置即可投入使用．在半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器上施加微小壓力F0，電壓傳感器示數(shù)為200mV，則F0大小是________N(重力加速度取g＝9.8m/s2，保留2位有效數(shù)字)．解析：(1)歐姆表讀數(shù)為10×100Ω＝1000Ω.(2)當(dāng)電壓傳感器示數(shù)為零時(shí)，C、D兩點(diǎn)電勢(shì)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)繪出U－m圖像如圖所示．(4)由圖像可知，當(dāng)電壓傳感器的讀數(shù)為200mV時(shí)，所放物體質(zhì)量為1.75g，則F0＝mg＝1.75×10－3×9.8N＝1.7×10－2N.答案：(1)1000(2)eq\f(R1R3,R2)(3)見解析圖(4)1.7×10－2變式2利用霍爾效應(yīng)制作的霍爾元件，被廣泛應(yīng)用于測(cè)量、自動(dòng)控制等領(lǐng)域．某同學(xué)想設(shè)計(jì)一個(gè)研究霍爾電壓與通過某霍爾元件電流關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，查閱資料得知該霍爾元件(導(dǎo)電微粒帶負(fù)電)的工作電流在0～500mA之間，C、D間產(chǎn)生的霍爾電壓在0～5V之間．可供選擇的器材如下：A．電流表A1(量程0.6A，內(nèi)阻約為0.15Ω)B．電流表A2(量程20mA，內(nèi)阻約為40Ω)C．電壓表V1(量程6.0V，內(nèi)阻約為20kΩ)D．電壓表V2(量程15V，內(nèi)阻約為20kΩ)E．保護(hù)電阻F．滑動(dòng)變阻器(最大阻值為50Ω，允許通過的最大電流為1.5A)G．電源、單刀單擲開關(guān)各一個(gè)，導(dǎo)線若干實(shí)驗(yàn)時(shí)將該霍爾元件放在磁鐵S極的正上方，要求多測(cè)量幾組數(shù)據(jù)，且霍爾電壓從零開始變化．(1)為了完成實(shí)驗(yàn)，電流表應(yīng)選用________(填“A1”或“A2”)，電壓表應(yīng)選用________(填“V1”或“V2”)．(2)請(qǐng)結(jié)合(1)中所選的器材和實(shí)驗(yàn)要求將圖甲中的實(shí)物圖連線補(bǔ)充完整．(3)該同學(xué)將記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描繪在U-I坐標(biāo)系中，如圖乙所示，請(qǐng)將圖像補(bǔ)充完整，結(jié)合所作圖像可得，在誤差允許范圍內(nèi)霍爾電壓U與電流大小I的關(guān)系為________(填“U＝kI”“U＝kI2”或“U＝keq\r