高三物理物理《2009年高考传感与控制试题解析》

用心爱心专心2009年高考传感与控制试题解析随着新课程改革的推进，物理与生活结合更加紧密，高考也越来越贴近生活，越来越重视考查考生改进工具、改造大自然的能力.传感器是生活中最广泛、最常见的将非电学量转换成电学量来对非电学量的控制或应用最终用于服务人类的转换原件，其原理及控制也就成了高考命题的重点.笔者对2009年课改实验区实验题命题稍做归纳分析后发现：多个课改实验区考查传感原件的原理或控制（如：宁夏考查光敏电阻及对应的光控、福建省考查传感原件的特性曲线、山东省也考查光敏电阻及对应的光控、重庆考查硅光电池及应用……），注重在新的问题情景中考查学生的实验与探究能力以及实验设计能力、从图表中获取信息的能力、以及利用信息进行分析推理的能力.一、电压采样控制（非电学量变化导致电路某两点间电势差改变实现自动化控制）例1、（山东卷23（2））为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统。光控开头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1x）。某光敏电阻Rp在不同照度下的阻值如下表：照度（lx）0.20.40.60.81.01.2电阻(k)754028232018①根据表中数据，请在给定的坐标系图1所示中描绘出阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点。②如图2所示，当1、2两端所加电压上升至2V时，控制开关自动启动照明系统，请利用下列器材设计一个简单电路，给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至1.0(1x)时启动照明系统，在虚线框内完成电路原理图。（不考虑控制开关对所设计电路的影响）提供的器材如下：光敏电阻Rp（符号，阻值见上表）；直流电源E(电动势3V，内阻不计);定值电阻：R1=10k，R2=20k，R3=40k（限选其中之一并在图中标出）；开关S及导线若干。分析：本题综合考查考生新的问题情景中的实验与探究能力，要求考生明确实验目的，理解实验原理和方法，会使用仪器，能运用已学过的物理理论（第②小题）、实验方法和实验仪器设计简单的设计性实图1图2用心爱心专心验（第2小题）会画实验数据图像做对应的数据处理（第1小题）。解析：①光敏电阻的阻值随光照变化的曲线如图3所示。其特点：光敏电阻的阻值随光照强度的增大非线性减小。②本题只提供电源、一个定值电阻、一个光敏电阻，又要使1、2两端所加电压上升至2V时，控制开关自动启动照明系统，因此可确定两电阻间应串联，又光线较暗时，光敏电阻阻值增大，系统控制电压大于2V来启动系统，因此我们可确定系统的1、2两端应与光敏电阻并联。接下来要解决选择哪一个定值电阻。当天色渐暗照度降低至1.0(1x)时启动照明系统，即此时光敏电阻阻值为20k，两端电压为2V，电源电动势为3V，所以应加上一个分压电阻，分压电阻阻值为10k，即选用R1。电路图如4所示二、电流采样控制（非电学量变化导致电路电流变化实现自动化控制）例2、（宁夏卷23）青岛奥运会帆船赛场采用风力发电给蓄电池充电，为路灯提供电能.用光敏电阻作为传感器控制路灯电路的开关，实现自动控制.光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化，作为简化模型，可以近似认为，照射光较强（如白天）时电阻几乎为0：照射光较弱（如黑天）时电阻接近于无穷大.利用光敏电阻作为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭，黑天打开.电磁开关的内部结构如图5所示.1、2两接线柱之间是励磁线圈，3、4两接线柱分别与弹簧片和触点连接.当励磁线圈中电流大于50mA时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分离，3、4断开；电流小于50mA时，3、4接通.励磁线圈中允许通过的最大电流为100mA.利用以下器材设计一个自动控制路灯的电路，画出电路原理图.光敏电阻1R,符号，灯泡L，额定功率40W，额定电压36V，符号保护电阻2R,符号，，电磁开关，符号，蓄电池E，电压36V，内阻R2R1图3图4图5用心爱心专心很小；开关S，导线若干.回答下列问题：①如果励磁线圈的电阻为200，励磁线圈允许加的最大电压为－V，保护电阻2R的阻值范围为.②在有些应用电磁开关的场合，为了安全，往往需要在电磁铁吸合铁片时，接线柱3、4之间从断开变为接通.为此，电磁开关内部结构应如何改造？请结合本题中电磁开关内部结构图说明.③任意举出一个其它的电磁铁应用的例子.分析：本题综合考查考生新的问题情景中的实验与探究能力，要求考生明确实验目的，理解实验原理和方法，会使用仪器，能运用已学过的物理理论、实验方法和实验仪器去处理问题并设计简单的设计性实验（第1小题、第2小题第一步），会观察、分析实验现象，会改进实验仪器（第2小题第二步），善于观察生活中的现象并了解这些现象背后隐含的本质东西（第2小题第三步）.解析：（1）要实现光敏电阻能够对电路进行控制，我们不妨把电路分成两部分：控制电路部分（信号与电磁铁线圈连接部分）与输出电路部分（灯泡、蜂鸣器、电动机等输出原件与电源连接部分）.本题要实现白天路灯熄灭，晚上开启.因此，控制电路部分我们可以将光敏电阻应与电磁铁线圈、电源、限流电阻、开关串联用于实现白天（较亮）光敏电阻阻值较小电路电流较大电磁铁有动作（吸合），夜晚光敏电阻阻值较大电路电流较小电磁铁无动作（断开），如图6所示；控制电路固定下来，输出电路就容易处理，白天电磁铁吸合灯泡要熄灭，晚上电磁铁断开灯泡亮，因而控制电路部分应用电磁铁的常闭输出端，如图7所示.由以上两部分电路综合并结合题目所给的图标我们可画电路图如图8所示.（2）①由U=IR得励磁线圈允许加的最大电压为U=ImR=0.1×200=20V；依据允许通过励磁线圈的电流最大值和最小值计算得2min161600.1R，2max163200.05R，因此保护电阻2R的阻值应在160与320之间；②把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当电磁铁吸合铁片时，3、4之间接通；不吸合时，3、4之间断开（常用的继电器常有多组输出开关有常闭也有常开）.③利用电磁铁（继电器）控制电路有很多：如：水泵自动抽水控制、升降机控制、电磁起重机、几乎所有的小电流（电压）控制大电流（电压）电路都会用上…………三、其它类型的传感例3、（重庆卷22（2））硅光电池是一种可将光能转换为电能的器件.某同学用图5所示电路探究硅光电池的路端电压U与总电流I的关系.图中R0为已知定值电阻，电压表视为理想电压表.R2图6图7图8用心爱心专心①请根据题图9，用笔画线代替导线将图10中的实验器材连接成实验电路.②若电压表2V的读数为0U，则I＝mA；③实验一：用一定强度的光照射硅光电池，调节滑动变阻器，通过测量得到该电池的U-I曲线a.见图11，由此可知电池内阻（填“是”或“不是”）常数，短路电流为mA，电动势为V.④实验二：减小实验一中光的强度，重复实验，测得U-I曲线b，见图11.当滑动变阻器的电阻为某值时，若实验一中的路端电压为1.5V.则实验二中外电路消耗的电功率为mW（计算结果保留两位有效数字）.分析：本题综合考查考生新的问题情景中的实验与探究能力，要求考生明确实验目的，理解实验原理和方法，会使用仪器，能运用已学过的物理理论（第②小题）、实验方法和实验仪器去处理问题会将电路图转换成实物图（第①小题），会观察、分析实验现象，会看实验图表并图9图10图11图12用心爱心专心做对应的数据处理（第③④小题），解析：①根据电路图连接实物图时，不妨先把整个回路先连接，电压表等与电路并联仪器后补上，实物图连接如图12所示.②由于电压表理想（不分流），因此，流过R0的电流与电路总电流相同，根据欧姆定律可知I＝00UR；③根据路端电压与总电流关系：U＝E－Ir，若r为常数、则U-I图为一条不过原点的直线即U与I成线性关系，由曲线a可知电池内阻不是常数；当U＝0（外电路没有用电器）时对应电流的电流为短路电流由图像可得mAAI295.0295；当电流I＝0（电路处于开路状态）时路端电压等于电源电动势VE67.2；④注意题中的关键字眼“滑动变阻器的电阻为某值”，即电路外电阻相同，欲求实验二中外电路消耗的电功率必须从U-I曲线中找到外电阻与实验一外电阻相同的那个点.根据欧姆定律路端电压IRU，由于两次实验中R相同即两次实验同时满足IRU这条过原点的直线，因此我们需确定另一个点.根据实验得到的曲线，实验一中的路端电压为U1＝1.5V时电路中电流为I1＝0.21mA，并连接（0，0）与（0.21mA、1.5V）即此直线为此时对应滑动变阻器阻值的外电路电阻（定值电阻）的U-I图，直线与图线b的交点为实验二中的路端电压和电路电流，如图13所示,从图像中可读出实验二中电流和电压值（交点坐标）I＝97μA、U＝0.7V,因此，外电路消耗功率为：mWUIP068.0.器材（代号）规格电流表（A1）电流表（A2）电压表（V1）电压表（V2）滑动变阻器（R1）滑动变阻器（R2）直流电源（E）开关（S）量程0~50mA，内阻约为50量程0~200mA，内阻约为10量程0~3V，内阻约为10k量程0~15V，内阻约为25k图13用心爱心专心例4、（福建卷19（2））某研究性学习小组为了制作一种传感器，需要选用一电器元件。图为该电器元件的伏安特性曲线，有同学对其提出质疑，先需进一步验证该伏安特性曲线，实验室备有下列器材：①为提高实验结果的准确程度，电流表应选用；电压表应选用；滑动变阻器应选用。（以上均填器材代号）②为达到上述目的，请在虚线框内画出正确的实验电路原理图，并标明所用器材的代号。③若发现实验测得的伏安特性曲线与图中曲线基本吻合，请说明该伏安特性曲线与小电珠的伏安特性曲线有何异同点？相同点：，不同点：。本题供读者练习，笔者就不再赘述，具体答案如下：答案．（1）①A②较小实验的偶然误差（2）①A2V1R1②如右图③相同点：通过该元件的电流与电压的变化关系和通过小电珠的电流与电压的变化关系都是非线性关系，该元件的电阻随电压的增大而减小，而小电珠的电阻值随电压的升高而增大。导线若干阻值范围0~15，允许最大电流1A阻值范围0~1k，允许最大电流100mA输出电压6V，内阻不计