高考物理一轮复习讲义练习第十三章　第4讲　传感器　实验十六：利用传感器制作简单的自动控制装置

这是一份高考物理一轮复习讲义练习第十三章　第4讲　传感器　实验十六：利用传感器制作简单的自动控制装置，共16页。试卷主要包含了传感器及其工作原理，常见敏感元件等内容，欢迎下载使用。
一、传感器及其工作原理
1．传感器的工作原理：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。通常转换成的可用信号是电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
传感器应用的一般模式如图所示：
2．传感器的核心元件
(1)敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。
(2)转换元件：能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。
(3)信号调整与转换电路：能把输出的微弱的电信号放大的部分。
二、常见敏感元件
1．光敏电阻
(1)特点：光照越强，电阻越小。
(2)原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能差；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好。
(3)作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
2．热敏电阻和金属热电阻
(1)热敏电阻
热敏电阻一般由半导体材料制成，其电阻随温度的变化明显。如图甲所示为一种热敏电阻的阻值随温度变化的特性曲线，温度升高时，其电阻减小。
(2)金属热电阻
有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图乙所示为某金属导线的阻值随温度变化的特性曲线。
(3)作用：热敏电阻和金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器。
3．电阻应变片
(1)电阻应变片的作用：电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。
(2)应变式电子秤的组成及敏感元件：由金属梁和电阻应变片组成，敏感元件是应变片。
(3)应变式电子秤的工作原理
考点一 传感器
1．传感器的分类
2.五种敏感元件的作用和特点
【典例1】 （2022·重庆卷）某兴趣小组研究热敏电阻在通以恒定电流时，其阻值随温度的变化关系。实验电路如图甲所示，实验设定恒定电流为50.0 μA，主要实验器材有恒压直流电源E、加热器、测温仪、热敏电阻RT、可变电阻R1、电流表A、电压表V。
(1)用加热器调节RT的温度后，为使电流表的示数仍为50.0 μA，需调节可变电阻R1（选填一种给定的实验器材）。当RT两端未连接电压表时，电流表示数为50.0 μA；连接电压表后，电流表示数显著增大，须将原电压表更换为内阻远大于（选填“远大于”“接近”或“远小于”）RT阻值的电压表。
(2)测得RT两端的电压随温度的变化如图乙所示，由图乙可得温度从35.0 ℃变化到40.0 ℃的过程中，RT的阻值随温度的平均变化率是－1.2 kΩ·℃-1（保留两位有效数字）。
【解析】 (1)由题知恒压直流电源E的电动势不变，而用加热器调节RT的温度后，导致整个回路的总电阻改变．而要确保电流表的示数仍为50.0 μA，则需控制整个回路的总电阻不变，故需调节可变电阻R1。连接电压表后，电流表示数显著增大，则说明电压表与RT并联后R总减小，电压表分流过于明显，则根据并联电阻的关系有R总＝ eq \f(RTRV,RT＋RV)＝ eq \f(RT,\f(RT,RV)＋1)，则要保证R总不变，须将原电压表更换为内阻远大于RT阻值的电压表。
(2)实验设定恒定电流为50.0 μA，由题图可得温度为35.0 ℃时电压表的示数为1.6 V，则根据欧姆定律可知此时热敏电阻的阻值RT1＝32 kΩ，温度为40.0 ℃时电压表的示数为1.3 V，则根据欧姆定律可知此时热敏电阻的阻值RT2＝26 kΩ，则温度从35.0 ℃变化到40.0 ℃的过程中，RT的阻值随温度的平均变化率是k＝ eq \f(ΔRT,Δt)＝－1.2 kΩ·℃-1，负号表示随着温度升高RT的阻值减小。
1．（2022·北京卷）某同学利用压力传感器设计水库水位预警系统。如图所示，电路中的R1和R2，其中一个是定值电阻，另一个是压力传感器（可等效为可变电阻）。水位越高，对压力传感器的压力越大，压力传感器的电阻值越小。当a、b两端的电压大于U1时，控制开关自动开启低水位预警；当a、b两端的电压小于U2（U1、U2为定值）时，控制开关自动开启高水位预警。下列说法正确的是( C )
A．U1U2，A、B错误；根据闭合电路欧姆定律可知，a、b两端的电压为U＝ eq \f(E,R1＋R2)R1＝ eq \f(E,1＋\f(R2,R1))，若定值电阻的阻值越大，当开启低水位预警a、b两端的电压大于U1时，压力传感器阻值R1越大，水位越低；当a、b两端的电压小于U2开启高水位预警时，压力传感器阻值R1越大，水位越低，C正确，D错误。
2．（2023·湖南卷）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）。
(1)先用电阻表“×100”挡粗测RF的阻值，示数如图(b)所示，对应的读数是1 000 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 eq \f(R1R3,R2)（用R1、R2、R3表示）。
(3)依次将0.5 g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，所测数据如表中所示：
根据表中数据在图(c)上描点，绘制U－m关系图线。
答案：见解析图
(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200 mV，则F0大小是1.7×10-2 N（重力加速度大小取9.8 m/s2，保留两位有效数字）。
(5)若在步骤(4)中换用非理想毫伏表测量C、D间电压，在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力F1，此时非理想毫伏表读数为200 mV，则F1>（选填“>”“＝”或“F0。
考点二 实验十六：利用传感器制作简单的自动控制装置
1．门窗防盗报警装置
(1)实验电路（如图所示）
(2)工作原理
闭合电路开关S，系统处于防盗状态。当门窗紧闭时，磁体M靠近干簧管SA，干簧管两个簧片被磁化相吸而接通继电器线圈K，使继电器工作。继电器的动触点c与常开触点a接通，发光二极管LED发光，显示电路处于正常工作状态。当门窗开启时，磁体离开干簧管，干簧管失去磁性断开，继电器被断电。继电器的动触点c与常闭触点b接通，蜂鸣器H发声报警。干簧管在电路中起传感器和控制开关的作用，继电器则相当于一个自动的双向开关。
(3)实验步骤
①连接电路前，要先判断一下干簧管是否可以正常工作。用磁体直接靠近干簧管，观察簧片能否正常工作。
②确定各元件可以正常工作后，按照电路图连接电路。
③接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，分别观察实验现象。
2．光控开关
(1)实验电路（如图所示）
(2)工作原理
当环境光比较强时，光敏电阻RG的阻值很小，三极管不导通，发光二极管或继电器所在的回路相当于断路，即发光二极管不工作；继电器处于常开状态，小灯泡L不亮。
当环境光比较弱时，光敏电阻RG的阻值变大，三极管导通，且获得足够的基极电流，产生较大的集电极电流，点亮发光二极管或驱动继电器吸合而点亮小灯泡L。
(3)实验步骤
①按照电路图连接电路，检查无误后，接通电源。
②让光敏电阻RG受到白天较强的自然光照射，调节电阻R1使发光二极管LED或小灯泡L刚好不发光。
③遮挡RG，当光照减弱到某种程度时，就会看到发光二极管LED或小灯泡L发光。
④让光照加强，当光照强到某种程度时，发光二极管LED或小灯泡L熄灭。
【典例2】 （2024·河北卷）某种花卉喜光，但阳光太强时易受损伤。某兴趣小组决定制作简易光强报警器，以便在光照过强时提醒花农。该实验用到的主要器材如下：学生电源、多用电表、数字电压表(0～20 V)、数字电流表(0～20 mA)、滑动变阻器R（最大阻值50 Ω，1.5 A）、白炽灯、可调电阻R1(0～50 kΩ)、发光二极管LED、光敏电阻RG、NPN型三极管VT、开关和若干导线等。
(1)判断发光二极管的极性
使用多用电表的“×10 k”电阻挡测量二极管的电阻。如图1所示，当黑表笔与接线端M接触、红表笔与接线端N接触时，多用电表指针位于表盘中a位置（见图2）；对调红、黑表笔后指针位于表盘中b位置（见图2），由此判断M端为二极管的负极（选填“正极”或“负极”）。
(2)研究光敏电阻在不同光照条件下的伏安特性
①采用图3中的器材进行实验，部分实物连接已完成。要求闭合开关后电压表和电流表的读数从0开始。导线L1、L2和L3的另一端应分别连接滑动变阻器的A、A、C（或D）接线柱。（以上三空均选填接线柱标号“A”“B”“C”或“D”）
②图4为不同光照强度下得到的光敏电阻的伏安特性曲线，图中曲线Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ对应光敏电阻受到的光照由弱到强。由图像可知，光敏电阻的阻值随其表面受到光照的增强而减小（选填“增大”或“减小”）。
(3)组装光强报警器电路并测试其功能
图5为利用光敏电阻、发光二极管、三极管（当b、e间电压达到一定程度时，三极管被导通）等元件设计的电路。组装好光强报警器后，在测试过程中发现，当照射到光敏电阻表面的光强达到报警值时，发光二极管并不发光，为使报警器正常工作，应增大（选填“增大”或“减小”）可调电阻R1的阻值，直至发光二极管发光。
【解析】 (1)根据多用电表结构，使用欧姆挡时黑表笔接内部电源正极，故当黑表笔接M端，电阻无穷大，说明二极管此时所接电压为反向电压，则M端为二极管的负极。
(2)①题干要求电压表、电流表读数从零开始，所以滑动变阻器采用分压式接法接入电路，故L1、L2接滑动变阻器A接线柱，L3必须接在金属杆两端接线柱任意一个，即C或D。②由图像可知，随光照强度增加，I－U图像斜率增大，所以电阻减小。
(3)三极管未导通时，RG与R1串联。随着光强增强，RG电阻减小，此时三极管仍未导通，说明R1分压小，故需要增大R1。
3．（2024·广东卷）某科技小组模仿太阳能发电中的太阳光自动跟踪系统，制作光源跟踪演示装置，实现太阳能电池板方向的调整，使电池板正对光源。图甲是光照方向检测电路。所用器材有：电源E（电动势3 V）、电压表V1和V2（量程均有0～3 V和0～15 V，内阻均可视为无穷大）、滑动变阻器R、两个相同的光敏电阻RG1和RG2；开关S、手电筒、导线若干。图乙是实物图，图中电池板上垂直安装有半透明隔板，隔板两侧装有光敏电阻，电池板固定在电动机转轴上。控制单元与检测电路的连接未画出。控制单元对光照方向检测电路无影响。请完成下列实验操作和判断。
(1)电路连接。
图乙中已正确连接了部分电路，请完成虚线框中滑动变阻器R、电源E、开关S和电压表间的实物图连线。
答案：见解析图
(2)光敏电阻阻值与光照强度关系测试。
①将图甲中R的滑片置于b端。用手电筒的光斜着照射到RG1和RG2，使RG1表面的光照强度比RG2表面的小。
②闭合S，将R的滑片缓慢滑到某一位置。电压表V1的示数如图丙所示，读数U1为1.60 V，V2的示数U2为1.17 V。由此可知，表面光照强度较小的光敏电阻的阻值较大（选填“较大”或“较小”）。
③断开S。
(3)光源跟踪测试。
①将手电筒的光从电池板上方斜着照射到RG1和RG2。
②闭合S。并启动控制单元。控制单元检测并比较两光敏电阻的电压，控制电动机转动。此时两电压表的示数U1