高三一輪復(fù)習(xí)課件物理第13章交變電流電磁振蕩與電磁波傳感器實(shí)驗(yàn)19利用傳感器制作簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制裝置VIP

利用傳感器制作簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制裝置實(shí)驗(yàn)19內(nèi)容索引0102必備知識(shí)落實(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰π纬?3鞏固提升檢測(cè)必備知識(shí)落實(shí)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器的特性。2.認(rèn)識(shí)熱敏電阻、光敏電阻等敏感元件的特性。3.了解傳感器的簡(jiǎn)單應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)原理1.傳感器的作用:傳感器能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等被測(cè)量,并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為便于傳送和處理的可用信號(hào)輸出。通常轉(zhuǎn)換成的可用信號(hào)是電壓、電流等電學(xué)量,或轉(zhuǎn)換為電路的通斷。2.傳感器應(yīng)用的一般模式。三、實(shí)驗(yàn)器材RFP602型半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器、數(shù)字多用表、圓柱體質(zhì)量塊(砝碼)、聚氨酯橡膠墊片、熱敏電阻、光敏電阻、鐵架臺(tái)、燒杯、冷水、熱水、溫度計(jì)、小燈泡、學(xué)生電源、滑動(dòng)變阻器、開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線等。四、實(shí)驗(yàn)過(guò)程1.研究半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器的特性(1)實(shí)驗(yàn)步驟。①取RFP602型半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器一片,將其圓形敏感區(qū)域固定在鐵架臺(tái)支架平面上,用一個(gè)圓柱體質(zhì)量塊(砝碼)壓在該敏感面上,如圖所示。②在圓柱體與應(yīng)變片之間墊一個(gè)面積相當(dāng)于有效區(qū)域的聚氨酯橡膠墊片,使應(yīng)變片受力均勻。③把一個(gè)U形金屬框架的上沿壓在圓柱體上并固定,框架下端懸吊鉤碼。④調(diào)整U形金屬框架、橡膠墊片和壓在傳感器敏感面上圓柱體的總質(zhì)量,使其恰好為一只鉤碼的質(zhì)量,即50g,則產(chǎn)生的壓力為0.5N。⑤傳感器的兩根引線跟數(shù)字多用表兩表筆相連。數(shù)字多用表調(diào)到電阻擋,測(cè)量傳感器的電阻并記錄在下表中。⑥改變鉤碼的數(shù)量,測(cè)量不同壓力下傳感器的電阻值并記錄在下表中。(2)數(shù)據(jù)處理。以傳感器所受的壓力F為橫軸、傳感器電阻R為縱軸建立直角坐標(biāo)系,如圖所示。用表中的16組數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中描點(diǎn),將這些點(diǎn)用光滑曲線連接起來(lái)。分析圖像,得出結(jié)論:隨著壓力的增大,傳感器的電阻不斷減小;在壓力小于2N的區(qū)間,曲線較陡,電阻隨壓力變化比較顯著;壓力大于2N以后,曲線變化趨于平緩。2.研究熱敏電阻的熱敏特性(1)實(shí)驗(yàn)步驟。①按右圖連接好實(shí)物,將熱敏電阻絕緣處理。②將多用電表置于“歐姆”擋,選擇適當(dāng)?shù)牧砍虦y(cè)出燒杯中在沒(méi)有熱水時(shí)熱敏電阻的阻值,并記下溫度計(jì)的示數(shù)。③向燒杯中注入少量的冷水,使熱敏電阻浸沒(méi)在冷水中,記下溫度計(jì)的示數(shù)和多用電表測(cè)量的熱敏電阻的阻值。④將熱水分幾次注入燒杯中,測(cè)出不同溫度下熱敏電阻的阻值,并記錄。(2)數(shù)據(jù)處理。①根據(jù)記錄數(shù)據(jù),把測(cè)量到的溫度、電阻值填入下表中,分析熱敏電阻的特性。②在如圖所示坐標(biāo)系中,粗略畫(huà)出熱敏電阻的阻值隨溫度變化的圖線。

③根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和R-t圖線,得出結(jié)論:熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小,隨溫度的降低而增大。3.研究光敏電阻的光敏特性(1)實(shí)驗(yàn)步驟。①將光敏電阻、多用電表、燈泡、滑動(dòng)變阻器、學(xué)生電源按如圖所示的電路連接好,其中多用電表置于“×100”擋。

②先測(cè)出在室內(nèi)自然光的照射下光敏電阻的阻值,并記錄數(shù)據(jù)。③接通電源,讓小燈泡發(fā)光,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使小燈泡的亮度逐漸變亮,觀察表盤(pán)指針顯示電阻阻值的情況,并記錄。④用手掌(或黑紙)遮住光,觀察光敏電阻的阻值,并記錄。(2)數(shù)據(jù)處理。把記錄的結(jié)果填入下表中,根據(jù)記錄數(shù)據(jù)分析光敏電阻的特性。結(jié)論:光敏電阻被光照射時(shí)阻值發(fā)生變化,光照增強(qiáng)電阻變小,光照減弱電阻變大。五、注意事項(xiàng)1.在做熱敏電阻實(shí)驗(yàn)時(shí),加開(kāi)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.在做光敏電阻實(shí)驗(yàn)時(shí),如果效果不明顯,可將光敏電阻部分電路放入帶蓋的紙盒中,并通過(guò)蓋上的小孔改變射到光敏電阻上的光的多少。3.電阻表每次換擋后都要重新調(diào)零。六、誤差分析1.溫度計(jì)讀數(shù)帶來(lái)誤差。2.多用電表讀數(shù)帶來(lái)誤差。3.熱敏電阻與水溫不同帶來(lái)誤差。4.作R-t圖像時(shí)不規(guī)范易造成誤差。實(shí)驗(yàn)?zāi)芰π纬赡芰π纬牲c(diǎn)1力傳感器的實(shí)際應(yīng)用【例1】

有一種測(cè)量人的體重的電子秤,其測(cè)量部分的原理圖如圖中的虛線框所示,它主要由力傳感器R(阻值會(huì)隨所受壓力大小發(fā)生變化的可變電阻)和顯示體重大小的儀表A(實(shí)質(zhì)是理想的電流表)組成。力傳感器表面能承受的最大壓強(qiáng)為1×107Pa,且已知力傳感器R的電阻與所受壓力的關(guān)系如下表所示。設(shè)踏板和壓桿的質(zhì)量可以忽略不計(jì),接通電源后,力傳感器兩端的電壓恒為4.8V,g取10m/s2。(1)該秤零起點(diǎn)(即踏板空載時(shí))的刻度線應(yīng)標(biāo)在電流表刻度盤(pán)________A處。

(2)如果某人站在該秤踏板上,電流表刻度盤(pán)的示數(shù)為20mA,這個(gè)人的體重是____________kg。

1.6×10-250能力形成點(diǎn)2熱敏電阻的原理及實(shí)際應(yīng)用【例2】

由對(duì)溫度敏感的半導(dǎo)體材料制成的某熱敏電阻RT,在給定溫度范圍內(nèi),其阻值隨溫度的變化是非線性的。某同學(xué)將RT和兩個(gè)適當(dāng)?shù)墓潭娮鑂1、R2連成圖甲虛線框內(nèi)所示的電路,以使該電路的等效電阻RL的阻值隨RT所處環(huán)境溫度的變化近似為線性的,且具有合適的阻值范圍。為了驗(yàn)證這個(gè)設(shè)計(jì),他采用伏安法測(cè)量在不同溫度下RL的阻值,測(cè)量電路如圖甲所示,圖中電壓表內(nèi)阻很大。RL的測(cè)量結(jié)果如表所示。(1)根據(jù)圖甲所示的電路,在圖乙所示的實(shí)物圖上連線。

甲

乙

(2)在圖丙坐標(biāo)紙上作RL-t關(guān)系圖線。

丙

(3)在某一溫度下,電路中的電流表、電壓表的示數(shù)如圖丁所示。電流表的讀數(shù)為_(kāi)___________,電壓表的讀數(shù)為_(kāi)___________。此時(shí)等效電阻RL的阻值為_(kāi)___________;熱敏電阻所處環(huán)境的溫度約為_(kāi)___________。丁

115mA5.00V43.5Ω64.0℃

能力形成點(diǎn)3實(shí)驗(yàn)拓展與創(chuàng)新【例3】

為了節(jié)能和環(huán)保,一些公共場(chǎng)所使用光控開(kāi)關(guān)控制照明系統(tǒng)。光控開(kāi)關(guān)可采用光敏電阻,光敏電阻是阻值隨著光的照度而發(fā)生變化的元件(照度可以反映光的強(qiáng)弱,光越強(qiáng)照度越大,照度單位為lx)。某光敏電阻RP在不同照度下的阻值如下表所示。(1)根據(jù)表中數(shù)據(jù),請(qǐng)?jiān)趫D中的坐標(biāo)系中描繪出阻值隨光的照度變化的曲線,并說(shuō)明阻值隨照度變化的特點(diǎn)。(2)在如圖所示電路中,當(dāng)1、2兩端所加電壓上升至2V時(shí),控制開(kāi)關(guān)自動(dòng)啟動(dòng)照明系統(tǒng)。請(qǐng)利用下列器材設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單電路,給1、2兩端提供電壓,要求當(dāng)天色漸暗照度降低至1.0lx時(shí)啟動(dòng)照明系統(tǒng),在虛線框內(nèi)完成電路原理圖。(不考慮控制開(kāi)關(guān)對(duì)所設(shè)計(jì)電路的影響)提供的器材如下:光敏電阻RP(符號(hào),阻值見(jiàn)上表);直流電源E(電動(dòng)勢(shì)3V,內(nèi)阻不計(jì));定值電阻R1=10kΩ,R2=20kΩ,R3=40kΩ(限選其中之一并在圖中標(biāo)出);開(kāi)關(guān)S及導(dǎo)線若干。解析:(1)光敏電阻的阻值隨光的照度變化的曲線如圖所示。特點(diǎn):光敏電阻的阻值隨光照度的增大非線性減小。(2)當(dāng)光照度降低至1.0

lx時(shí),光敏電阻阻值為20

kΩ,1、2兩端電壓為2

V,電源電動(dòng)勢(shì)為3

V,所以電路中還要有一個(gè)分壓電阻,阻值為10

kΩ,即選用R1,電路原理圖如圖所示。答案:見(jiàn)解析

鞏固提升檢測(cè)1.為了研究光敏電阻在室內(nèi)正常光照射和室外強(qiáng)光照射時(shí)電阻的大小關(guān)系,某同學(xué)用如圖甲所示的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得出兩種U-I圖線,如圖乙所示。甲

乙

(1)根據(jù)U-I圖線可知正常光照射時(shí)光敏電阻的阻值為_(kāi)___________Ω,強(qiáng)光照射時(shí)阻值為_(kāi)___________Ω。

(2)若實(shí)驗(yàn)中所用電壓表的內(nèi)阻約為5kΩ,毫安表的內(nèi)阻約為100Ω,考慮到電表內(nèi)阻對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,此實(shí)驗(yàn)中________________________(選填“正常光照射時(shí)”或“強(qiáng)光照射時(shí)”)測(cè)得的電阻誤差較大。若測(cè)量這種光照射下的電阻,則實(shí)物圖中毫安表應(yīng)采用____________(選填“內(nèi)接”或“外接”)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為準(zhǔn)確。

3000200強(qiáng)光照射時(shí)

外接

(2)實(shí)驗(yàn)電路采用的是毫安表內(nèi)接法,測(cè)得的結(jié)果比真實(shí)值偏大,當(dāng)待測(cè)電阻遠(yuǎn)大于毫安表電阻時(shí)實(shí)驗(yàn)誤差較小,所以強(qiáng)光照射時(shí)誤差較大;強(qiáng)光照射時(shí)采用毫安表外接法,實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為準(zhǔn)確。2.由半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻阻值是溫度的函數(shù)?；跓崦綦娮鑼?duì)溫度敏感的原理制作一個(gè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng),要求熱敏電阻溫度升高至50℃時(shí),系統(tǒng)開(kāi)始自動(dòng)報(bào)警。所用器材有直流電源E(36V,內(nèi)阻不計(jì));電流表(量程250mA,內(nèi)阻約0.1Ω);電壓表(量程50V,內(nèi)阻約1MΩ);熱敏電阻RT;報(bào)警器(內(nèi)阻很小,流過(guò)的電流超過(guò)10mA時(shí)就會(huì)報(bào)警,超過(guò)30mA時(shí)就會(huì)損壞);滑動(dòng)變阻器R1(最大阻值4000Ω);電阻箱R2(最大阻值9999.9Ω);單刀單擲開(kāi)關(guān)S1;單刀雙擲開(kāi)關(guān)S2;導(dǎo)線若干。(1)用圖甲所示電路測(cè)量熱敏電阻RT的阻值。當(dāng)溫度為27℃時(shí),電壓表讀數(shù)為30.0V,電流表讀數(shù)為15.0mA;當(dāng)溫度為50℃時(shí),調(diào)節(jié)R1,使電壓表讀數(shù)仍為30.0V,電流表指針位置如圖乙所示。溫度為50℃時(shí),熱敏電阻的阻值為

Ω。從實(shí)驗(yàn)原理上看,該方法測(cè)得的阻值比真實(shí)值略微

(選填“偏大”或“偏小”)。如果熱敏電阻阻值隨溫度升高而變大,則它是正溫度系數(shù)熱敏電阻,反之為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻?；谝陨蠈?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,該熱敏電阻RT為

(選填“正”或“負(fù)”)溫度系數(shù)熱敏電阻。

甲

乙600偏大

負(fù)

(2)某同學(xué)搭建一套基于該熱敏電阻的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng),實(shí)物圖連線如圖丙所示,其中