资源简介

(共47张PPT)
第十二章
交变电流　传感器
实验十七　利用传感器制作简单的自动控制装置
实验知识·自主回顾
核心考点·重点突破
2年高考·1年模拟
实验知识·自主回顾
一、实验目的
1．知道什么是传感器，知道光敏电阻和热敏电阻的作用。
2．能够通过实验探究光敏电阻和热敏电阻的特征。
3．了解常见的各种传感器的工作原理、元件特性及设计方案。
二、实验原理
传感器是将它所感受到的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件。例如：热电传感器是利用热敏电阻将热信号转换成电信号；光电传感器是利用光敏电阻将光信号转换成电信号，转换后的信号经过相应的仪器进行处理，就可达到自动控制等各种目的。
三、实验器材
铁架台，温度计，多用电表，烧杯，开水(可装在热水瓶内)，冷水，热敏电阻，光敏电阻，导线，纸带，光电计数器，钩码。
四、实验步骤
1．热敏电阻特性实验：如图所示。
①在烧杯内倒入少量冷水，放在铁架台上，将悬挂在铁架台上的温度计放入水中。
②将多用电表的选择开关置于“______”挡，将两支表笔短接，调零后再将两支表笔分别与热敏电阻的两个输出端相连。
③将热敏电阻放入烧杯内的水中，在欧姆挡上选择合适的倍率，再重新______，把两支表笔接到热敏电阻两输出端，观察表盘指示的热敏电阻的阻值，填入表格内。
欧姆
调零
实验记录：
④分几次向烧杯内倒入开水，观察不同温度时热敏电阻的阻值，记录在表格内。
⑤通过比较这些测得的数据，看看热敏电阻的阻值是怎样随温度变化的。
⑥将多用电表的选择开关置于______________挡或“_________”挡，拆开装置，将器材按原样整理好。
实验次数 1 2 3 4 5 6
温度/℃
电阻/Ω
交流电压最高
OFF
2．光敏电阻特性实验：如图所示。
①将多用电表的选择开关置于欧姆挡，选择合适的倍率，将两支表笔短接后调零。
②把多用电表的两支表笔接到光敏电阻的两个输出端，观察表盘指示的光敏电阻的阻值，记录下来。
③将手张开放在光敏电阻的上方，挡住照到光敏电阻上的部分光线，观察表盘所示光敏电阻阻值的变化，记录下来。
④上下移动手掌，观察光敏电阻阻值的变化。
⑤将多用电表的选择开关置于交流电压最高挡或“OFF”挡，拆开装置，将器材按原样整理好。
3．光电计数的基本原理
将钩码放在纸带上，如图所示。拖动纸带向前运动，观察光电计数器上的数字变化。
4．简单自动控制实验
请同学们自己设计一个由热敏电阻或光敏电阻作为传感器的简单自动控制实验。
五、注意事项
1．在做热敏实验时，加开水后要等一会再测其阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温。
2．可用图像描出电阻随温度的变化图像来分析其规律。
3．光敏实验中，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射到光敏电阻上的光的多少。
4．光电计数器是比较精密的仪器，使用过程中注意轻拿轻放。
核心考点·重点突破
考点一
用温度传感器设计控制电路
现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60 ℃时，系统报警。提供的器材有：热敏电阻，报警器(内阻很小，流过的电流超过Ic时就会报警)，电阻箱(最大阻值为999.9 Ω)，直流电源(输出电压为U，内阻不计)，滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值为2 000 Ω)，单刀双掷开关一个，导线若干。
例1
在室温下对系统进行调节。已知U约为18 V，Ic约为10 mA；流过报警器的电流超过20 mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60 ℃时阻值为 650.0 Ω。
(1)完成待调节的报警系统原理电路图的连线。
[答案]　见解析图
(2)电路中应选用滑动变阻器 ___(选填“R1”或“R2”)。
(3)按照下列步骤调节此报警系统：
①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为 _________Ω；滑动变阻器的滑片应置于___(选填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是_______________________________________________________________。
②将开关向___(选填“c”或“d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至_____________________。
(4)保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用。
R2
650.0
b
接通电源后，流过报警器的电流会超
超过20 mA，报警器可能损坏
c
报警器开始报警
[解析]　(1)电路图连接如图。
(2)报警器开始报警时，对整个回路有
U＝Ic(R滑＋R热)
代入数据可得R滑＝1 150.0 Ω，因此滑动变阻器应选择R2。
考点二
用光传感器设计控制电路
(2023·重庆高三模拟)为了节能环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统。光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱，光越强，照度越大，照度单位为lx)。
(1)某光敏电阻R在不同照度下的阻值如下表，根据表中已知数据，在如图甲的坐标系中描绘出了阻值随照度变化的曲线。由图像可求出照度为0.6lx时的电阻约为__________________kΩ。
例2
2.7(2.6～2.8)
照度/lx 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
电阻/kΩ 5.8 3.7 2.3 2.0 1.8
(2)如图乙，是街道路灯自动控制设计电路，利用直流电源为电磁铁供电，利用照明电源为路灯供电。为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果，路灯应接在______(填“AB”或“BC”)之间。
AB
(3)用多用电表“×10 Ω”档，按正确步骤测量图乙中电磁铁线圈电阻时，指针示数如图丙，则线圈的电阻为_________Ω；已知当线圈中的电流大于或等于2 mA时，继电器的衔铁将被吸合，图乙中直流电源的电动势E＝6 V，内阻忽略不计，滑动变阻器有两种规格可供选择：R1(0～200 Ω，1 A)、R2(0～2 000 Ω，0.1 A)。要求天色渐暗照度降低至1.0 lx时点亮路灯，滑动变阻器应选择_____(填“R1”“R2”)。为使天色更暗时才点亮路灯，应适当将滑动阻变阻器的滑片向_____(填“左”或“右”)端移动。
140
R2
左
[解析]　(1)从图像上可以看出当照度为0.6 lx时的电阻约为2.7 kΩ(2.6 kΩ～2.8 kΩ)；
(2)当天亮时，光敏电阻的阻值变小，所以回路中电流增大，则衔铁被吸下来，此次触片和下方接触，此时灯泡应该熄灭，说明灯泡接在了AB上。
考点三
实验拓展应用
除了热敏电阻和光敏电阻外，还有一些常用的传感器元件如下：
1．压敏电阻：将压力转换为电学量(电阻)。
2．气敏电阻：将气体浓度转换电学量(电阻)。
3．光电管：将所收到的光信号转换成电信号。
4．电容器：将位移、角度、压力转换为电学量(电容)。
5．霍尔元件：将磁感应强度转换为电学量(电压)。
6．弹簧：将弹力、加速度转换为电学量(电流)。
(2023·定远县高三月考)如图甲所示，利用霍尔效应传感器获知自行车的运动速率的自行车速度计。一块磁铁安装在自行车前轮上，轮子每转一圈，这块磁铁就靠近传感器一次，传感器会输出一个脉冲电压。如图乙所示，为霍尔元件的工作原理图，电源输出电压为U1。当磁场靠近霍尔元件时，在导体前后表面间出现如图乙所示的电势差，称为霍尔电势差U2。下列说法正确的是( 　　)
例3
D
A．图乙中霍尔元件的载流子带正电
B．自行车的车速越大，霍尔电势差U2越大
C．若传感器的电源输出电压U1变小，霍尔电势差U2仍保持不变
D．已知自行车车轮的半径，再根据单位时间内的脉冲数，即可求得车速大小
〔变式训练〕　(2023·重庆高三阶段练习)如图所示为智能门锁通过指纹方式开锁，是对电容式传感器的运用。电容式传感器上有许多面积相同的小极板，当手指贴在传感器上时，手指的凸起、凹陷部分分别与这些小极板组成许多的小电容器。由于距离的不同，所产生电容器的电容不同。当通过充电让所有的小电容器达到相同电压值后，断开电路连接，让所有的小电容器进行放电，电容值小的电容器将很快结束放电。根据放电快慢的不同就可以形成对应的指纹图像，与系统记录的指纹图像进行匹配。根据以上信息，下列说法中正确的是( 　　)
A
A．手指凸起部分所形成的电容器储存电荷的本领更大
B．手指凹陷部分所形成的电容器储存电荷的本领更大
C．手指轻按与重按传感器相比，手指在同一位置所形成的电容器储存电荷的本领相同
D．手指轻按与重按传感器相比，手指在同一位置轻按时所形成的电容器储存电荷的本领更大
2年高考·1年模拟
1.(2022·河北卷)某物理兴趣小组利用废弃电饭煲的部分器材自制简易电饭煲，设计电路如图1所示。选用的器材有：限温开关S1(手动将其按下，开始持续加热煮饭，当锅内温度高于103 ℃时自动断开，之后不能自动闭合)；保温开关S2(当锅内温度高于80 ℃时自动断开，温度低于70 ℃时自动闭合)；电饭煲的框架(结构如图2所示)。自备元件有：加热电阻丝R(阻值为60 Ω，用于加热煮饭)；限流电阻R1和R2(阻值均为1 kΩ)；指示灯L1和L2(2.5 V，0.6 W，当电流低于30 mA时可视为熄灭)；保险丝T。
(1)按照兴趣小组设计的电路，下列说法正确的是______(多选)。
A．按下S1，L1和L2均发光
B．当锅内温度高于103 ℃时，S1自动断开，L1和L2均发光
C．保温过程中，S2自动在闭合、断开状态之间交替切换
D．当锅内温度低于70 ℃时，S2自动闭合，L1发光，L2熄灭
CD
(2)简易电饭煲制作完成后，试用时L1始终不亮，但加热和保温功能均正常。在不增加元件的前提下，断开电源，使用多用电表判断发生故障的元件。下列操作步骤的正确顺序是_______________(填写各步骤前的字母)。
A．将选择开关旋转到“×100”位置
B．将两支表笔直接接触，调节“欧姆调零旋钮”，使指针指向欧姆零点
C．调整“指针定位螺丝”，使指针指到零刻度
CABDE
D．测量指示灯L1两端的阻值
E．将选择开关置于OFF位置或交流电压最高挡
操作时，将多用电表两表笔与L1两端接触，若指针如图3所示，可判断是_____断路损坏；若指针如图4所示，可判断是____断路损坏。(用电路中的元件符号表示)
L1
R1
[解析]　(1)按下S1后L2支路被短路，则L2不会发光，A错误；当锅内温度高于103 ℃时，S1断开，而要温度降到70 ℃以下时S2才会闭合，当S1、S2均断开时，此时电路中R与R1和L1的串联部分并联，并联的整体再和L2、R2串联，则回路中并联的整体电阻
RL＝10.42 Ω，R并＝56.64 Ω，
则回路总电阻R总＝1 067.06 Ω，
(2)多用电表的操作步骤为：调整“指针定位螺丝”，使指什指到零刻度——机械调零；将选择开关旋转到“×100”位置——选档；将两支表笔直接接触，调节“欧姆调零旋钮”，使指计指向欧姆零点——欧姆调零；测量指示灯L1两端的阻值——测量；将选择开关置于OFF位置或交流电压最高挡——关闭多用电表。故正确顺序为CABDE。由于使用时L1始终不亮，但加热和保温功能均正常，则说明R、L2、R2、T均正常，如图3可看出L1两端有1 090 Ω左右的电阻，则说明L1始终不亮的原因是L1断路损坏。
由于使用时L1始终不亮，但加热和保温功能均正常，则说明R、L2、R2、T均正常，如图4可看出欧姆表的示数几乎为零，但由于RL＝10.42 Ω此时选用的是“×100”档则说明灯泡L1正常，则说明L1始终不亮的原因是R1断路损坏。
2．(2021·广东卷)某小组研究热敏电阻阻值随温度的变化规律。根据实验需要已选用了规格和量程合适的器材。
(1)先用多用电表预判热敏电阻阻值随温度的变化趋势。选择适当倍率的欧姆挡，将两表笔______，调节欧姆调零旋钮，使指针指向右边“0 Ω”处。测量时观察到热敏电阻温度越高，相同倍率下多用电表指针向右偏转角度越大，由此可判断热敏电阻阻值随温度的升高而______。
短接
减小
(2)再按下图连接好电路进行测量。
①闭合开关S前，将滑动变阻器R1的滑片滑到___端(选填“a”或“b”)。
将温控室的温度设置为T，电阻箱R0调为某一阻值R01。闭合开关S，调节滑动变阻器R1，使电压表和电流表的指针偏转到某一位置。记录此时电压表和电流表的示数、T和R01。断开开关S。
再将电压表与热敏电阻C端间的导线改接到D端，闭合开关S。反复调节R0和R1，使电压表和电流表的示数与上述记录的示数相同。记录此时电阻箱的阻值R02。断开开关S。
b
②实验中记录的阻值R01______R02(选填“大于”“小于”或“等于”)。此时热敏电阻阻值RT＝______________________。
[解析]　(1)选择倍率适当的欧姆挡，将两表笔短接；欧姆表指针向右偏转角度越大，则阻值越小，可判断热敏电阻的阻值随温度升高而减小。
(2)①闭合开关S前，应将滑动变阻器R1的阻值调到最大，即将滑片滑到b端；
②因两次电压表和电流表的示数相同，所以R01＝R02＋RT
即RT＝R01－R02
可知R01大于R02。
大于
R01－R02(共31张PPT)
第十二章
交变电流　传感器
实验十六　探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
实验知识·自主回顾
核心考点·重点突破
2年高考·1年模拟
实验知识·自主回顾
一、实验目的
探究变压器电压与线圈匝数的关系。
二、实验原理
原线圈通过电流时，铁芯中产生磁场，由于交变电流的大小和方向都在不断变化，铁芯中的磁场也在不断的变化，变化的磁场在副线圈中产生感应电动势，副线圈中就存在输出电压。本实验通过改变原、副线圈匝数，探究原、副线圈的电压与匝数的关系。
三、实验器材
两只多用电表(或两只交直流数字电压表)、学生电源(低压交流电源)、开关、可拆变压器、导线若干。
四、实验步骤
(1)按如图所示连接好电路图，将两个多用电表调到交流电压挡，并记录两个线圈的匝数。
(2)打开学生电源，读出两个电表电压值，并记录在表格中。
(3)保持匝数不变多次改变输入电压，记录下每次的两个电压值。
(4)保持电压、原线圈的匝数不变，多次改变副线圈的匝数，记录下每次的副线圈匝数和对应的电压值。
五、数据记录与处理
次序 n1(匝) n2(匝) n1∶n2 U1(V) U2(V) U1∶U2
1
2
3
4
六、结论
原、副线圈的电压比与原、副线圈的匝数比相等。
七、误差分析
(1)实际变压器存在各种损耗。
(2)交流电表的读数存在误差。
八、注意事项
(1)在改变学生电源电压、线圈匝数前均要先断开开关，再进行操作。
(2)为了人身安全，学生电源的电压不能超过12 V，不能用手接触裸露的导线和接线柱。
(3)为了多用电表的安全，使用交流电压挡测电压时，先用最大量程挡试测，大致确定被测电压后再选用适当的挡位进行测量。
核心考点·重点突破
考点一
仪器选取与操作
(2023·河南高三专题练习)某学校高中物理实验课上，同学们用可拆变压器探究“变压器的电压与匝数的关系”。可拆变压器如图甲、乙所示。
例1
(1)下列说法正确的是___。
A．为确保实验安全，实验中要求原线圈匝数小于副线圈匝数
B．变压器原线圈接低压交流电时，可以用多用电表的“直流电压挡”测量副线圈电压
C．测量副线圈电压时，先用中间挡位的量程试测，大致确定后再选用适当的挡位
D．研究副线圈匝数对副线圈电压的影响时，需保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数
D
(2)变压器铁芯是由相互绝缘的薄硅钢片平行叠压而成的，而不是采用一整块硅钢，这样设计的原因是___。
A．减小涡流，提高变压器的效率
B．增大涡流，提高变压器的效率
C．增大铁芯中的电阻，以产生更多的热量
A
(3)一位同学实验时，发现两个线圈的导线粗细不同。他选择的原线圈为800匝，副线为400匝，原线圈接学生电源的正弦交流输出端“6 V”挡位，测得副线圈的电压为3.2 V。则下列分析可能正确的是___。
A．原线圈导线比副线圈导线粗
B．学生电源实际输出电压大于标注的“6 V”
C．原线圈实际匝数与标注的“800”不符，应大于800
D．副线圈实际匝数与标注的“400”不符，应小于400
B
[解析]　(1)为确保实验安全，应该降低输出电压，实验中要求原线圈匝数大于副线圈匝数，故A错误；变压器只能改变交流电的电压，原线圈输入交流电压，副线圈输出交流电压，应用多用电表的“交流电压挡”测量，故B错误；为了保护电表，测量副线圈电压时，先用最大量程试测，大致确定电压后再选用适当的挡位进行测量，故C错误；研究变压器电压和匝数的关系，用到控制变量法，可以先保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数，研究副线圈匝数对副线圈电压的影响，故D正确。
考点二
实验原理及数据处理
(2023·江苏月考)有一个教学用的可拆式变压器，如图所示，它有两个外观基本相同的线圈A和B，线圈外部还可以绕线。
例2
(1)某同学用多用电表的欧姆挡测量了A、B线圈的电阻值，发现B线圈电阻约为A线圈电阻的3倍。则可推断___(填“A”或“B”)线圈的匝数多。
(2)如果把它看作理想变压器，现要测量A、B线圈的匝数，提供的器材有：一根足够长的外表带有绝缘外皮的导线、一只多用电表和一只低压交流电源(输出电压的有效值不变)。
B
现采用如下方法进行测量：
①将外表带有绝缘外皮的导线一端与A线圈上方接线柱相连，顺着原来的绕制方向在变压器的铁芯上再绕制n匝线圈；
②将外表带有绝缘外皮的导线的另一端和A线圈下方接线柱分别与低压交流电源两端相连接；
③用多用电表的交流电压挡先后测量低压交流电源两端的电压U0和B线圈的输出电压U；
请在上述基础上，补充一个实验步骤，完成A、B线圈匝数的测量(需要测量的物理量请用字母表示，并说明其含义)，再写出测量A、B线圈的匝数nA和nB的表达式。
④_________________________________________________ (请补充步骤)；
⑤拆除电路并整理器材。
整理归纳数据可得，nA＝________，nB＝__________。
用多用电表的交流电压挡测量A线圈两端的电压U1
2年高考·1年模拟
(2023·北京高三阶段练习)在“探究变压器线圈两端的电压和匝数的关系”实验中，可拆变压器如图所示。
(1)观察变压器的铁芯，它的结构和材料是：___；
A．整块硅钢铁芯 B.整块不锈钢铁芯
C．绝缘的铜片叠成 D.绝缘的硅钢片叠成
D
(2)观察两个线圈的导线，发现粗细不同，导线粗的线圈匝数___；(填“多”或“少”)
(3)以下给出的器材中，本实验需要用到的是______；(填字母)
A.干电池 B.学生电源
C.实验室用电压表 D.多用电表
少
BD
(4)为了保证安全，低压交流电源的电压不要超过___；(填字母)
A．2 V　　　 B.12 V　　
C.50 V
(5)在实际实验中将电源接在原线圈的“0”和“8”两个接线柱之间，用电表测得副线圈的“0”和“4”两个接线柱之间的电压为3.0 V，则原线的输入电压可能为___；(填字母)
A．1.5 V　　 B.6.0 V　
C.7.0 V
(6)等效法、理想模型法是重要的物理学方法，合理采用物理学方法会让问题变得简单，这体现了物理学科“化繁为简”之美。
B
C

展开更多......

收起↑