高中物理利用传感器制作简单的自动控制装置实验题

如图甲所示，用拉力传感器和光电门在气垫导轨上探究“加速度与物体受力的关系”．拉力传感器记录滑块受到拉力的大小．在气垫导轨上相距L=48.00cm的A、B两点各安装一个光电门，分别记录滑块上遮光条通过A、B两光电门的时间．

（1）实验主要步骤如下：
A．用游标卡尺测量遮光条的宽度d如图乙所示，由此读出d=      mm；
B．将气垫导轨、光电门等实验器材按图示装配；
C．平衡摩擦力，让滑块在没有拉力作用时做匀速直线运动；
D．将拉力传感器固定在滑块上，把细线的一端固定在拉力传感器上，另一端通过定滑轮与钩码相连；
E．接通电源和气源，从C点释放滑块，滑块在细线的拉力下运动，记录细线的拉力F的大小及滑块遮光条分别通过A、B两光电门的时间t_A、t_B；
F．改变所挂钩码的数量，重复E的操作．
（2）下表中记录了实验测得的几组数据，v_B²﹣v_A²是两个速度传感器记录速率的平方差，则加速度的表达式a=     ，请将表中第3次的实验数据填写完整（结果保留三位有效数字）；

次数	F（N）	vB^2﹣vA^2（m^2/s^2）	a（m/s^2）
1	0.60	0.77	0.80
2	1.04	1.61	1.68
3	1.42	2.34
4	2.62	4.65	4.84
5	3.00	5.49	5.72

（3）根据表中数据，在坐标平面上作出a～F关系图线；
（4）对比实验结果与理论计算得到的关系图线（图中已丙画出理论图线），造成上述偏差的原因是      ．

学习了传感器之后，在“研究小车加速度与所受合外力的关系”实验中时，甲、乙两实验小组引进“位移传感器”、“力传感器”，分别用如图（a）、（b）所示的实验装置实验，重物通过细线跨过滑轮拉相同质量小车，位移传感器（B）随小车一起沿水平轨道运动，位移传感器（A）固定在轨道一端．在运动过程中位移传感器（B）发出信号，位移传感器（A）接收信号且显示小车运动的位移。甲组实验中把重物的重力作为拉力F，乙组直接用力传感器测得拉力F，改变重物的重力重复实验多次，记录多组数据，并画出a-F图像。
（1）甲组实验把重物的重力作为拉力F的条件是       。
（2）图（c）中符合甲组同学做出的实验图像的是    ；符合乙组同学做出的实验图像的是    。

某课外活动小组利用力传感器和位移传感器进一步探究变力作用下的“动能定理”。图甲所示，他们用力传感器通过定滑轮直接拉固定在小车上的细绳，测出拉力F；用位移传感器测出小车的位移s和瞬时速度v。已知小车质量为200g。
某次实验得出拉力F随位移s变化规律如图乙所示，速度v随位移s变化规律如图丙所示。利用所得的F-s图象，求出s=0.30m到0.52m过程中变力F做功W=      J，此过程动能的变化△E_k=       J（保留2位有效数字）
指出下列情况可减小实验误差的操作是           （填选项前的字母，可能不止一个选项）。
A.使拉力F要远小于小车的重力         B.实验时要先平衡摩擦力     C.要使细绳与滑板表面平行

如图所示，将多用电表的选择开关置于欧姆档，再将电表的表笔与一光敏电阻的两端相连，此时表笔的指针恰在表的中央，若用黑纸把光敏电阻包住，电表指针将向

A．左偏

B．右偏

C．不偏

D．不能确定

利用传感器可以探测、感受外界的信号、物理条件等。图甲所示为某同学用传感器做实验得到的小灯泡的U—I关系图线。

（1）实验室提供的器材有：电流传感器、电压传感器、滑动变阻器A（阻值范围0~10Ω）、滑动变阻器B（阻值范围0~100Ω）、电动势为6V的电源（不计内阻）、小灯泡、电键、导线若干。该同学做实验时，滑动变阻器选用的是       （选填“A”或“B”）；请在图乙的方框中画出该实验的电路图。
（2）如果将该小灯泡接入丙图所示的电路中，已知电流传感器的示数为0．3A，电源电动势为3V。则此时小灯泡的电功率为   W，电源的内阻为          Ω。

如图甲所示的光电门传感器是测定物体通过光电门的时间的仪器。其原理是发射端
发出一束很细的红外线到接收端，当固定在运动物体上的一个已知宽度为d的挡光板通过
光电门挡住红外线时，和它连接的数字计时器可记下挡光的时间△t，则可以求出运动物体
通过光电门时的瞬时速度大小。

（1)为了减小测量瞬时速度的误差，应选择宽度比较    （选填“宽”或“窄”）的挡光板。
（2)图乙是某同学利用光电门传感器探究小车加速度与力之间关系的实验装置，他将该光电门固定在水平轨道上的B点，用不同重物通过细线拉同一小车，小车每次都从同一位置A点静止释放。
①如图丙所示，用游标卡尺测出挡光板的宽度d=____mm，实验时将小车从图乙A点静止释放，由数字计时器记下挡光板通过光电门时挡光时间间隔△t="0.02" s，则小车通过光电门时的瞬时速度大小为    m/s；（结果保留两位有效数字）
②实验中设小车的质量为m₁，重物的质量为m₂，则在m₁与m₂满足关系式    时可近似认为细线对小车的拉力大小与重物的重力大小相等；
③测出多组重物的质量m₂和对应挡光板通过光电门的时间△t，并算出小车经过光电门时的速度v ，通过描点作出两物理量的线性关系图象，可间接得出小车的加速度与力之间的关系。处理数据时应作出    图象（选填“v² - m₁”或“v²一m₂”）；
④某同学在③中作出的线性关系图象不过坐标原点，如图丁所示（图中的m表示m1或m2），其可能的原因是____    。

某同学设计了如图甲所示的装置来探究小车的加速度与所受合力的关系，将装有力传感器的小车放置于水平长木板上，缓慢向小桶中加入细砂，直到小车开始运动为止，记下传感器的最大示数，以此表示小车所受摩擦力的大小，再将小车放回原处并按住，继续向小桶中加入细砂，记下传感器的示数。

（1）接通频率为50Hz的交流电源，释放小车，打出如图乙所示的纸带，从比较清晰的点起，每5个点取一个计数点，量处相邻计数点之间的距离，则小车加速度a=_________（保留两位有效数字）；
（2）改变小桶中砂的重力，多次重复实验，记下小车加速运动时传感器的示数，获得多组数据，描绘小车加速度a与合力F（）的关系图像，不计纸带与计时器间的摩擦，下列图像中正确的是_____。

（3）同一实验中，小车加速度运动时传感器示数与小车释放前传感器示数的关系是____（选填“>”“=”“<”）。
（4）关于该实验，下列说法中正确的是

A．小车和传感器的总质量应远大于小桶和细砂的总质量

B．实验中需要将长木板右端垫高

C．实验中需要测出小车和传感器的总质量

D．用加砂的方法改变拉力的大小与挂钩码的方法相比，可更方便地获取多组实验数据

某实验小组控制一种热敏电阻的温度特性．现有器材：直流恒流电源(在正常工作状态下输出的电流恒定)、电压表、待测热敏电阻、保温容器、温度计、开关和导线等．

(1)若用上述器材测量热敏电阻的阻值随温度变化的特性，请你在图(1)中的实物图上连线．
(2)实验的主要步骤：
①正确连接电路，在保温容器中注入适量冷水，接通电源，调节并记录电源输出的电流值；
②在保温容器中添加少量热水，待温度稳定后，闭合开关，________，________，断开开关．
③实验小组算得该热敏电阻在不同温度下的阻值，并据此绘得R－t关系图线．请根据图(2)中的图线写出该热敏电阻的R－t关系式：R＝________＋________t(Ω)保留3位有效数字．

如图所示为某同学传感器研究小灯泡的U—I关系图线．实验中可用的器材有：电压传感器、电流传感器、滑动变阻器R₁（阻值变化范围0～50Ω）、滑动变阻器R₂（阻值变化范围0～1000Ω）、电动势为6 V的电源（不计内阻）、小灯泡、开关、导线若干．（1）实验中要求得到U—I关系的完整曲线，在方框中画出实验电路图，并标出所用滑动变阻器的符号．（2）由U—I关系图线可知，小灯泡灯丝电阻随温度升高而       （填“增大”、 “减小”或“不变”）．（3）如果将该小灯泡分别接入甲、乙两个不同电路，如图所示，其中甲电路的电源为一节干电池，乙电路的电源为三节干电池，每节干电池的电动势为1.5 V，内阻为l.5Ω，定值电阻R=18Ω，则接入       （填“甲”或“乙”）电路时，小灯泡较亮些．（4）在乙电路中，小灯泡消耗的电功率为       W．

热敏电阻是传感电路中常用的电子元件，现用伏安法研究热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线，要求特性曲线尽可能完整．已知常温下待测热敏电阻的阻值约为4 Ω～5 Ω.热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中，杯内有一定量的冷水，其他备用的仪表和器具有：盛有热水的热水瓶(图中未画出)、电源(3 V、内阻可忽略)、直流电流表(内阻约1  Ω)、直流电压表(内阻约5 kΩ)、滑动变阻器(0～20 Ω)、开关、导线若干．
(1)在下面的方框中画出实验电路图，要求测量误差尽可能小．

(2)根据电路图，在图实－12－15所示的实物图上连线．

图实－12－15
(3)简要写出完成接线后的主要实验
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________.[
 

通常情况下，电阻的阻值会随温度的变化而改变，利用电阻的这种特性可以制成电阻温度计，从而用来测量较高的温度。如图所示，电流表量程为0～25mA，电源电动势为3V，内阻不计。R为滑动变阻器，电阻R_t作为温度计的测温传感器。当t≥0℃时，R_t的阻值随温度t的变化关系为R_t=20+0.5t（单位为Ω）。先把R_t放入0℃环境中，闭合电键S，调节滑动变阻器R，使电流表指针恰好满偏，然后把测温探头R_t放到某待测温度环境中，发现电流表的示数为10mA，该环境的温度为__________℃；当把测温探头R_t放到480℃温度环境中，电路消耗的电功率为__________W。

当光照射到光敏电阻上时，光敏电阻的阻值（填"变大"、"不变"或"变小"）。半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随变化而改变的特性制成的。

一台臭氧发生器P的电阻为10 kΩ，当供电电压等于24 V时能正常工作，否则不产生臭氧．现在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 Ω、黑暗时为1000 Ω，允许通过的最大电流为3 mA；电源E的电压为36 V、内阻不计；另有一个滑动变阻器R₂，阻值为0～100 Ω，允许通过的最大电流为0.4 A；一个开关S和导线若干．

臭氧发生器P和光敏电阻R₁的符号如图实－12－13所示．设计一个满足上述要求 
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.(电路图画在方框内)                        

如图所示，某实验小组同学利用DIS实验装置研究支架上力的分解。A、B为两个相同的双向力传感器，该型号传感器在受到拉力时读数为正，受到压力时读数为负。A连接质量不计的细绳，可沿固定的轨道做圆弧形运动。B固定不动，通过光滑铰链连接长0.3m的直杆。将细绳连接在杆右端O点构成支架。保持杆在水平方向，按如下步骤操作：

①测量绳子与水平杆的夹角∠AOB＝θ
②对两个传感器进行调零（使其示数归零）
③用另一根绳在O点悬挂一个钩码，记录两个传感器的读数
④取下钩码，移动传感器A改变θ角
重复上述实验步骤，得到表格。

F1/N	1.001	0.580		1.002
F2/N	－0.868	－0.291		0.865
θ	30°	60°		150°

（1）根据表格数据，A传感器对应的是表中力________（选填“F₁”或“F₂”）。钩码质量为________ kg（保留一位有效数字）。
（2）本实验中多次对传感器进行调零，对此操作目的是________
A．因为事先忘记调零
B．何时调零对实验结果没有影响
C．为了消除横杆自身重力对结果的影响
D．可以完全消除实验的误差

（1）某同学得用气垫导轨和数字计数器探究弹簧的弹性势能与形变量的关系。如图所示，气垫导轨上有很多小孔，气泵输入压缩空气，从小孔中喷出，会使质量为滑块与导轨间有一层薄的空气，使二者不接触从而减小阻力，一端固定有轻弹簧滑块在导轨上滑行，当通过数字计数器时，遮光片档住光源，与光敏管相连的电子电路就会记录遮光时间。
①接通气泵，调节气垫导轨左端高度，轻推滑块，使其刚好能够匀速运动，说明气垫导轨已调节水平。
②使用10分度的游标卡尺，测量滑块上遮片的宽度如图乙所示，其宽度为     cm。
③压缩弹簧并记录压缩量。
④释放滑块，滑块离开弹簧后通过数字计时器显示时间。


⑤多次重复步骤③和④，将数据记录在表格中，并计算出滑块相应的速度。表格中弹簧压缩4.00cm时，其物块速度       m/s（保留三位有效数字）。
⑥从表格中的数据可以得出（在误差允许的范围内）弹簧的压缩量与物块的速度        。
⑦由机械守恒定律可知滑块的动能等于释放滑块时弹簧的弹性势能。
⑧由以上分析可得出弹簧的弹性势能与弹簧的压缩量关系表达式为                     ，
其中各符号代表的物理意义                                            。
（2）某课外活动小组自制了一台称重电子秤，其原理结构如图甲图所示，R₀为定值电阻；R是压敏电阻，其阻值随所受压力F的变化而变化，变化范围大约为几欧到几十欧，通过电压表的读数可以知道压力大小。若要想电子秤正常工作，首先通过实验探究压敏电阻阻值和F大小的关系，于是课外小组又设计了如图乙所示的探究压敏电阻阻值和F大小的关系的实验电路。图乙电路中由下列主要实验器材进行选择：

A．电源E（3V，内阻忽略不计）

B．电流表A1（0.3A，内阻r1=10Ω）

C．电流表A2（0.6A，内阻约为1Ω）

D．电压表V（15V，内阻约为5kΩ）

E．开关S，定值电阻R₁
①为了比较准确测量电阻R，请完成图乙虚线框里两块表的选择（填电表代号）。
②图乙中，在电阻R上施加竖直向下的力F，闭合开关S，记录各个电表读数，得出R=                      ，表达式中需要测量的各字母的物理意义为                             
                                                        。
③图乙所示电路中，改变力的大小，得到不同的R值，得到如图丙所示的R—F图象，写出R和F的关系式R=                 。
④若甲图所示的电路中，在压敏电阻R上水平放置一个重力为1.0N的托盘，在托盘上放一重物，电源电动势E=9.0V，电源内阻r=1.0Ω，R₀=5.0Ω，闭合开关，电压表示数为5.0V，则重物的重量为          N。