1、实验十六利用传感器制作简单的自动控制装置一、热敏电阻的特性1.实验原理闭合电路欧姆定律，用欧姆表进行测量和观察。2.实验器材半导体热敏电阻、多用电表、温度计、铁架台、烧杯、凉水和热水。3.实验步骤图1(1)按图1连接好电路。(2)把多用电表置于欧姆挡，并选择适当的量程测出烧杯中没有水时热敏电阻的阻值，并记下温度计的示数。(3)向烧杯中注入少量的冷水，使热敏电阻浸没在冷水中，记下温度计的示数和多用电表测量的热敏电阻的阻值。(4)将热水分几次注入烧杯中，测出不同温度下热敏电阻的阻值，并记录。4.数据处理在图2坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。图25.实验结论热敏电阻的阻值随温度的升
2、高而减小，随温度的降低而增大。6.注意事项实验时，加热水后要等一会儿再测热敏电阻阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温。二、光敏电阻的特性1.实验原理闭合电路欧姆定律，用欧姆表进行测量和观察。2.实验器材光敏电阻、多用电表、小灯泡、滑动变阻器、导线、电源。3.实验步骤图3(1)将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器按图3所示电路连接好，其中多用电表置于“100”挡。(2)先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值，并记录数据。(3)打开电源，让小灯泡发光，调节小灯泡的亮度使之逐渐变亮，观察多用电表表盘指针显示光敏电阻阻值的情况，并记录。(4)用手掌(或黑纸)遮光时，观察多用电表表盘指针
3、显示光敏电阻阻值的情况，并记录。4.数据处理根据记录数据分析光敏电阻的特性。5.实验结论(1)光敏电阻在暗环境下电阻值很大，强光照射下电阻值很小。(2)光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。6.注意事项(1)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来达到实验目的。(2)欧姆表每次换挡后都要重新进行欧姆调零。命题点一温度传感器的应用【例1】 (2020全国卷，23)已知一热敏电阻当温度从10 升至60 时阻值从几千欧姆降至几百欧姆，某同学利用伏安法测量其阻值随温度的变化关系。所用器材：电源E、开关S、滑动变阻器R(最大
4、阻值为20 )、电压表(可视为理想电表)和毫安表(内阻约为100 )。(1)在虚线框中所给的器材符号之间画出连线，组成测量电路图。(2)实验时，将热敏电阻置于温度控制室中，记录不同温度下电压表和毫安表的示数，计算出相应的热敏电阻阻值。若某次测量中电压表和毫安表的示数分别为5.5 V和3.0 mA，则此时热敏电阻的阻值为_k(保留2位有效数字)。实验中得到的该热敏电阻阻值R随温度t变化的曲线如图4(a)所示。(3)将热敏电阻从温控室取出置于室温下，测得达到热平衡后热敏电阻的阻值为2.2 k。由图(a)求得，此时室温为_(保留3位有效数字)。图4(4)利用实验中的热敏电阻可以制作温控报警器，其电路
5、的一部分如图(b)所示。图中，E为直流电源(电动势为10 V，内阻可忽略)；当图中的输出电压达到或超过6.0 V时，便触发报警器(图中未画出)报警。若要求开始报警时环境温度为50 ，则图中_(填“R1”或“R2”)应使用热敏电阻，另一固定电阻的阻值应为_k(保留2位有效数字)。答案(1)如解析图所示(2)1.8(3)25.5(4)R11.2解析(1)由于滑动变阻器的最大阻值比待测电阻的阻值小得多，因此滑动变阻器应用分压式接法，由于电压表可视为理想电表，则电流表应用外接法，电路图如图所示。(2)由欧姆定律得R 1.81031.8 k。(3)由题图(a)可直接读出热敏电阻的阻值为2.2 k时，室温
6、为25.5 。(4)由题意可知随温度的升高R2两端的输出电压应增大，又由串联电路的特点可知，R1的阻值应减小或R2的阻值应增大，而热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，因此R1应为热敏电阻；当环境温度为50 时，热敏电阻的阻值为0.8 k，则由串联电路的特点有，解得R21.2 k。【变式1】 (20211月湖北学业水平选择性考试模拟演练，12)由半导体材料制成的热敏电阻阻值是温度的函数。基于热敏电阻对温度敏感原理制作一个火灾报警系统，要求热敏电阻温度升高至50 时，系统开始自动报警。所用器材有：直流电源E(36 V，内阻不计)；电流表(量程250 mA，内阻约0.1 )；电压表(量程50 V，内阻
7、约1 M)；热敏电阻RT；报警器(内阻很小，流过的电流超过10 mA时就会报警，超过30 mA时就会损伤)；滑动变阻器R1(最大阻值4 000 )；电阻箱R2(最大阻值9 999.9 )；单刀单掷开关S1；单刀双掷开关S2；导线若干。(1)用图5a所示电路测量热敏电阻RT的阻值。当温度为27 时，电压表读数为30.0 V，电流表读数为15.0 mA；当温度为50 时，调节R1，使电压表读数仍为30.0 V，电流表指针位置如图b所示。温度为50 时，热敏电阻的阻值为_ 。从实验原理上看，该方法测得的阻值比真实值略微_(填“偏大”或“偏小”)。如果热敏电阻阻值随温度升高而变大，则其为正温度系数热敏
8、电阻，反之为负温度系数热敏电阻。基于以上实验数据可知，该热敏电阻RT为_(填“正”或“负”)温度系数热敏电阻。(2)某同学搭建一套基于该热敏电阻的火灾报警系统，实物图连线如图c所示，其中有一个器件的导线连接有误，该器件为_(填器件名称)。正确连接后，先使用电阻箱R2进行调试，其阻值设置为_，滑动变阻器R1阻值从最大逐渐减小，直至报警器开始报警，此时滑动变阻器R1连入电路的阻值为_ 。调试完毕后，再利用单刀双掷开关S2的选择性开关功能，把热敏电阻RT接入电路，可方便实现调试系统和工作系统的切换。c图5答案(1)600偏大负(2)R16003 000解析(1)温度为50 时，由图b可知，电流表示数
9、为50 mA，根据欧姆定律可得，热敏电阻的阻值RT 600 ；由于电流表内接，导致测量值比真实值略微偏大；根据欧姆定律可知，在温度为27 时，热敏电阻的阻值为2 000，说明该热敏电阻为负温度系数热敏电阻。(2)由图c可知，滑动变阻器R1接入电路用了上边两个接线柱，无法起到变阻器的作用；为了保证在50 时报警器刚好能够报警，设置电阻箱R3的阻值为600 ；报警时的总电阻为R总 3 600 ，此时滑动变阻器连入电路的阻值为R13 600 600 3 000 。【变式2】 (2020山东威海市模拟考试)某实验小组要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，实验原理如图6所示，要求当热敏电阻的温度达到或超过
10、60 时，系统报警。该热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如下表所示。图6t/30.040.050.060.070.080.0Rt/220.0165.0130.0100.080.070.0可供选用的器材有：A.电源E1(3 V，内阻不计)B.电源E2(9 V，内阻不计)C.滑动变阻器R1(0100 )D.滑动变阻器R2(01 000 )E.热敏电阻RtF.报警器(电阻不计，流过的电流超过40 mA就会报警，超过80 mA将损坏)G.开关SH.导线若干(1)电路中电源应选用_，滑动变阻器应选用_(填器材前的代号)；(2)实验中发现电路不工作。某同学为排查电路故障，用多用电表测量各接点间的电压，则应将
11、选择开关旋至_(选填“直流2.5 V”，“直流10 V”，“交流2.5 V”)挡，合上开关S，用调节好的多用电表进行排查，现测量a、b和a、c两点间的电压，则接在a点的应是_(填“红”或“黑”)表笔，若接入a、b时示数为零，接入a、c时指针偏转，若电路中只有一处故障，则电路故障为_；(3)排除故障后，将热敏电阻置于温控室中，调整温控室的温度为60 ，将开关S闭合，调整滑动变阻器，当报警器刚开始报警时，滑动变阻器接入电路的阻值为_ ，若要求降低报警温度，则滑动触头应该向_移动(填“左”或“右”)。答案(1)BD(2)直流10 V红bc间断路(3)125左解析(1)当热敏电阻的温度达到或超过60
12、时，系统报警，此时热敏电阻的阻值Rt为100 流过报警器的电流超过40 mA，所以电源电压EIRt4 V，因此电源选用B。电源电压为9 V，而报警时的电流为40 mA40103 A此时电路中的总电阻为R 225 而热敏电阻的阻值约为100 ，所以此时滑动变阻器接入的电阻应为125 ，滑动变阻器的最大阻值应超过125 ，故滑动变阻器选D。(2)因电源选用电源E2(9 V，内阻不计)，所以应将选择开关旋至“直流10 V”挡；测量a、b和a、c两点间的电压，则接在a点的应是“红”表笔；若接入a、b时示数为零，接入a、c时指针偏转，若电路中只有一处故障，则电路故障为bc间断路。(3)将热敏电阻置于温控
13、室中，调整温控室的温度为60 ，热敏电阻的阻值约为100 ，将开关S闭合，调整滑动变阻器，当报警器刚开始报警时，报警时的电流为40 mA40103 A此时电路中的总电阻为R 225 而热敏电阻的阻值约为100 ，所以此时滑动变阻器接入的电阻应为125 。若要求降低报警温度，热敏电阻的阻值变大，则滑动变阻器接入电路的阻值变小，所以滑动触头应该向“左”移动。命题点二光电传感器的应用【例2】 (20211月辽宁普高校招生适应性测试，12)某同学为定性探究光敏电阻阻值随光照强度变化的关系，设计了如图7(a)所示的电路。所用器材有：置于暗箱(图中虚线区域)中的光敏电阻RG、小灯泡和刻度尺；阻值为R的定值
14、电阻；理想电压表；电动势为E、内阻为r的电源；开关S；导线若干。图7实验时，先按图(a)连接好电路，然后改变暗箱中光源到光敏电阻的距离d，记录电压表的示数U，获得多组数据如下表。d/cm8.5010.0012.0013.5015.0017.0018.5020.0022.0023.5025.00U/mV271.0220.0180.0156.7144.9114.094.889.578.672.565.0回答下列问题：(1)光敏电阻阻值RG与电压表示数U的关系式为RG_(用E、r、R、U表示)；(2)在图(b)的坐标纸上补齐数据表中所给的第二组数据点，并作出Ud的非线性曲线：(3)依据实验结果可推断
15、：光敏电阻的阻值随着光照强度的减小而_(填“增大”或“减小”)；(4)该同学注意到智能手机有自动调节屏幕亮度的功能，光照强度大时屏幕变亮，反之变暗。他设想利用光敏电阻的特性，实现“有光照射光敏电阻时，小灯泡变亮；反之变暗”的功能，设计了如图(c)所示电路，则电路中_(填“R1”或“R2”)为光敏电阻，另一个为定值电阻。答案(1)RRr(2)见解析图(3)增大(4)R2解析由闭合电路欧姆定律得E(RrRG)，得RGRRr。(2)作出第二组数据点，用平滑的曲线连起来。(3)由题知，当d增大，光照强度减小，U减小，由RGRRr可得RG增大。(4)若R1为光敏电阻，因为光照强度变大，R1电阻减小，由“
16、串反并同”可知灯泡变暗；若R2为光敏电阻，光照强度变大，R2电阻减小，通过灯泡的电流增大，灯泡变亮，故R2为光敏电阻。【变式3】 一台臭氧发生器P的电阻为10 k，当供电电压等于24 V时能正常工作，否则不产生臭氧。现要用这种臭氧发生器制成自动消毒装置，要求它在有光照时能产生臭氧，在黑暗时不产生臭氧，拟用一个光敏电阻R1对它进行控制，R1的阻值在有光照时为100 ，黑暗时为1 000 ，允许通过的最大电流为3 mA；电源E的电动势为36 V，内阻不计；另有一个滑动变阻器R2，阻值为0100 ，允许通过的最大电流为0.4 A；还有一个开关S和导线若干。臭氧发生器P和光敏电阻R1的符号如图8所示。
17、图8设计一个满足上述要求的电路图，图中各元件要标上字母代号，其中滑动变阻器两固定接线柱端分别标上字母A、B(电路图画在虚线框内)。答案如图所示解析因滑动变阻器最大阻值100 远小于臭氧发生器P的电阻10 k，应该采用滑动变阻器的分压式接法，有光照时P能正常工作，无光照时P不工作。命题点三应用传感器的自动控制电路【例3】 电控调光玻璃能根据光照强度自动调节玻璃的透明度，将光敏电阻Rx和定值电阻R0接在9 V的电源上，光敏电阻阻值随光强变化关系如表所示：光强I/cd12345电阻值/18963.6“光强”是表示光强弱程度的物理量，符号为I，单位为坎德拉(cd)(1)当光照强度为4坎德拉(cd)时光
18、敏电阻Rx的大小为_ 。(2)其原理是光照增强，光敏电阻Rx阻值变小，施加于玻璃两端的电压降低，玻璃透明度下降，反之则玻璃透明度上升。若电源电压不变，R0是定值电阻，则下列电路图中符合要求的是_(填序号)。(3)现已知定值电阻R0为12 ，用电压表测得光敏电阻两端的电压为3 V，则此时光照强度为_。答案(1)4.5(2)C(3)3 cd解析(1)由表格中数据可知，光强和电阻值的乘积为18 cd，则光强为4 cd时，电阻值为4.5 。(2)由题意知，玻璃的透明程度影响光强，光强变化导致电阻值变化，玻璃两端电压随之变化，分析可知C图符合要求。(3)电源电动势为9 V，当光敏电阻两端电压为3 V时，定值电阻R0两端电压为6 V，由欧姆定律得，I A0.5 A，光敏电阻阻值为Rx 6 ，对应的光强为3 cd。
