新高考物理一轮复习讲义第12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 (含解析)

实验十七利用传感器制作简单的自动控制装置学习目标1.知道什么是传感器，知道光敏电阻和热敏电阻等敏感元件的特性和应用。2.学会传感器的简单使用并会制作简单的自动控制装置。一、五种敏感元件的作用和特点敏感元件作用特点热敏电阻将温度这个热学量转换为电阻这个电学量一般情况下，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，随温度的降低而增大金属热电阻将温度这个热学量转换为电阻这个电学量一般情况下，金属热电阻的阻值随温度的升高而增大，随温度的降低而减小光敏电阻将光照强度这个光学量转换为电阻这个电学量一般情况下，光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，随光照强度的减弱而增大霍尔元件将磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量对于某个确定的霍尔元件，它的厚度d、霍尔系数k为定值，如果保持电流I恒定，则霍尔电压UH就与磁感应强度B成正比(UH＝keq\f(IB,d))压敏电阻将压力这个力学量转换为电阻这个电学量压敏电阻的阻值随力的变化而变化二、自动控制装置设计与制作示例1.门窗防盗报警装置的设计(1)电路如图1所示。图1(2)实验操作①连接电路前，要先判断干簧管是否正常工作。用磁体直接靠近干簧管，观察簧片的动作。②连接电路，接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，观察实验现象。2.光控开关的设计(1)电路如图2所示。图2(2)实验操作①按照如图所示连接电路，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，则发光二极管LED或小灯泡L熄灭。(3)注意事项①安装前，对实验器材进行测试，确保各元件性能良好后，再进行安装。②光控开关实验中，二极管连入电路的极性不能反接。③如果实验现象不明显，可用手电筒加强光照，或遮盖光敏电阻，再进行观察。考点一用温度传感器设计控制电路例1(2022·河北省新高考测评卷)热敏电阻有很多的应用领域，如家电、开关电源、新能源汽车等。某实验小组的同学为了研究某保温式自动电饭锅中用于监测温度的热敏电阻RT的特性设计了以下实验。(1)首先利用多用电表粗略测量与电饭锅中型号相同的热敏电阻常温状态下的阻值，多用电表的旋钮置于“×100”的挡位时示数如图3甲所示，则该热敏电阻的阻值为________Ω。(2)该实验小组的同学为了进一步探究热敏电阻的特性，设计了图乙所示的电路，电路中的电压表均可看成理想电压表，定值电阻的阻值为2kΩ。丙图3①开关闭合前，滑动变阻器的滑动触头应置于最________(填“左”或“右”)端。②某次实验时，电压表V1、V2的示数分别为3.0V、4.5V，则热敏电阻的阻值应为______kΩ。(3)通过多次实验，得出热敏电阻的阻值随温度变化的规律图像如图丙所示，当热敏电阻的阻值为RT＝2kΩ时，热敏电阻所处环境的温度约为________℃。(4)该种保温式自动电饭锅，采用感温磁控元件(可视为用热敏电阻控制的电磁铁开关，通过的电流大于某一值时开关断开)控制电路闭合与断开，从而控制加热电路，锅内米饭温度低于60℃后，加热电路开始工作，则下列电路图可能是该电饭锅中加热电路的是________。答案(1)3.2×103(2)①左②3(3)38(4)AB解析(1)由多用电表的读数规则可知，该热敏电阻的阻值为32×100Ω＝3.2×103Ω。(2)①为了保护实验器材，开关闭合后应使两电压表的读数均为零，所以滑动变阻器的滑动触头应置于最左端。②由电路图乙可知，热敏电阻的阻值应为RT＝eq\f(U2,\f(U1,R0))＝eq\f(U2R0,U1)，代入数据解得RT＝3000Ω。(3)由图丙可知，热敏电阻的阻值为RT＝2kΩ时，热敏电阻所处环境的温度约为38℃。(4)当电饭锅内温度降低时，热敏电阻的阻值增大，根据串并联电路的规律可知A、B满足要求。故选A、B。跟踪训练1.某同学利用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路”，如图4甲所示。将热敏电阻R安装在需要探测温度的地方，当环境温度正常时，继电器的上触点接触，下触点分离，指示灯亮；当环境温度超过某一值时，继电器的下触点接触，上触点分离，警铃响。图甲中给继电器供电的电源电压U1＝4V，内阻不计，继电器线圈用漆包线绕成，其电阻R0为30Ω。当线圈中的电流大于等于40mA时，继电器的衔铁将被吸合，警铃响。图乙是热敏电阻的阻值随温度变化的图像。甲乙图4(1)图甲中警铃的接线柱C应与接线柱________相连，指示灯的接线柱D应与接线柱________相连(均选填“A”或“B”)。(2)当环境温度升高时，继电器的磁性将________(选填“增大”“减小”或“不变”)，当环境温度达到________℃时，警铃报警。(3)如果要使报警电路在更高的温度报警，下列方案可行的是________。A.适当减小U1 B.适当增大U1C.适当减小U2 D.适当增大U2答案(1)BA(2)增大40(3)A解析(1)由于B接通时警铃响，A接通时指示灯亮，因此C接B，D接A。(2)由于该热敏电阻随温度升高，阻值减小，回路的电流增大，因此继电器的磁性增强。当电流等于40mA时，回路的总电阻R＝eq\f(U,I)＝eq\f(4V,40mA)＝100Ω而继电器电阻R0为30Ω，因此当热敏电阻等于70Ω时，由题图乙可知对应温度为40℃时，警铃报警。(3)温度更高时，热敏电阻值更小，而报警电流为40mA不变，因此应适当降低U1值，因此A正确。考点二用光传感器设计控制电路例2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R随光的照度I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)某光敏电阻在不同照度下的阻值R如下表所示，根据表中的数据，请在图5甲的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线，并判断光敏电阻的阻值R与照度I是否成反比关系。答：________(填“是”或“否”)。照度I/1x0.20.40.60.81.01.2阻值R/kΩ5.83.72.72.32.01.8甲乙图5(2)图乙为街道路灯自动控制电路，利用直流电源E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“CD”)之间。(3)已知线圈的电阻为140Ω，直流电源E的电动势E＝36V，内阻忽略不计。当线圈中的电流大于10mA时，继电器的衔铁将被吸合，滑动变阻器R′的阻值应调为________Ω时，才能使天色渐暗照度低于1.0lx时点亮路灯。(4)使用一段时间后发现，路灯在天色更亮时就已点亮了，为了使路灯能按设计要求点亮和熄灭，变阻器R′的阻值应适当调________些(选填“大”或“小”)。答案(1)图见解析否(2)AB(3)1460(4)小解析(1)如图所示若光敏电阻的阻值R与照度I成反比关系，则有RI为定值，由图像中的点的数据可得5.8×0.2<3.7×0.4<2.7×0.6<2.3×0.8<2.0×1.0<1.8×1.2可知光敏电阻的阻值R与照度I不是反比关系。(2)由于天亮时照度较大，光敏电阻的阻值较小，电路中的电流较大，衔铁被吸下，AB间断开，CD间接通，故路灯应接在AB间。(3)由题意可知，当照度降到1.0lx时，电路电流降低到10mA，此时电路中的总电阻为R总＝eq\f(E,I)＝eq\f(36,10×10－3)Ω＝3600Ω此时光敏电阻的阻值为R＝2000Ω，则滑动变阻器R′的阻值应调为R′＝R总－R－R线＝3600Ω－2000Ω－140Ω＝1460Ω。(4)使用一段时间后发现，路灯在天色更亮时就已点亮了，说明在天色更亮时电路电流就降到了10mA，为了使路灯能按设计要求点亮和熄灭，应使天色更亮时电路电流大于10mA，应使电路的总电阻适当减小，故应将变阻器R′的阻值应适当调小些。跟踪训练2.某同学用光敏电阻和电磁继电器等器材设计自动光控照明电路。图6(1)光强(E)是表示光照强弱程度的物理量，单位为坎德拉(cd)。图6甲是光敏电阻阻值随光强变化的图线，由此可得到的结论是：__________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)图乙为电磁继电器的构造示意图，其中L为含有铁芯的线圈，P为可绕O点转动的衔铁，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线柱。工作时，应将________(选填“A、B”或“C、D”)接照明电路。(3)请在图7中用笔画线代替导线，完成实物电路的连接。(4)已知电源电动势为3V，内阻很小，电磁铁线圈电阻R0＝20.0Ω，电流超过50mA时可吸合衔铁。如果要求光强达到2cd时，照明电路恰好接通，则图7中定值电阻R＝________Ω。图7答案(1)随着光强的增加，光敏电阻的阻值迅速下降，进一步增大光强，电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓(2)C、D(3)见解析图(4)22解析(2)由电磁继电器的工作原理可知，电磁铁连接的是控制电路，衔铁连通的是工作电路，故工作时，应将“C、D”接照明电路。(3)光敏电阻、定值电阻、电源、开关与L组成控制电路，C、D与灯泡组成工作电路，电路图如图所示。(4)由题图甲所示图线可知，2cd对应的光敏电阻阻值R光敏＝18Ω由闭合电路的欧姆定律可知I＝eq\f(E,R光敏＋R＋R0)代入数据解得R＝22Ω。1.某同学用热敏电阻制作高温报警器。实验器材如下，热敏电阻Rt、电磁继电器、蜂鸣器、小灯泡(额定电压2.5V)、保护电阻r(阻值5Ω)、变阻箱R(0～9999.9Ω)、电池组两组(内阻不计)、多用电表(有温度挡)、铁架台、烧杯、开关及导线若干。图1(1)如图1所示是该热敏电阻的Rt－t曲线，由图像可以得到热敏电阻的阻值随温度的升高而________(选填“减小”“不变”或“增大”)。(2)如图2是某同学设计的高温报警器电路图，左边部分是控制电路，右边部分是报警装置，实验发现控制电路不工作，合上开关S，用多用电表排查电路故障，则应将如图3所示的选择开关旋至________(选填“A”“B”“C”或“D”)，若只有继电器线圈断路，则应发现表笔接入继电器线圈两端时多用电表的指针________(选填“偏转”或“不偏转”)，接入热敏电阻两端时多用电表的指针________(选填“偏转”或“不偏转”)。图2图3(3)根据电磁继电器的技术数据，当热敏电阻Rt达到设定温度时，电磁继电器应自动吸合，报警装置报警。已知控制电路电池组电动势为6V，实测电磁继电器正常吸合时的电流为37.6mA～40.2mA，继电器内阻为61.0Ω，如果设置报警温度为55℃，至少应将变阻箱的电阻R调节到________Ω。想要让热敏电阻在高温报警中更加“敏感”(即温度不是太高就报警)，需要________(选填“增大”“减小”或“不变”)变阻箱的电阻。答案(1)减小(2)C偏转不偏转(3)56.3减小解析(1)由题图可以得到热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。(2)合上开关S，应用多用电表的直流电压挡去排查电路故障，故应将选择开关旋至C。若只有继电器线圈断路，则应发现表笔接入继电器线圈两端时，多用电表电压接近电源电动势，多用电表的指针偏转；若只有继电器线圈断路，表笔接入热敏电阻两端时，由于继电器线圈断路，回路中没有电流，热敏电阻两端电压为零，多用电表的指针不偏转。(3)如果设置报警温度为55℃，由图像可知该温度对应的热敏电阻阻值为Rt＝32Ω根据闭合电路欧姆定律可得I＝eq\f(E,Rt＋R继＋R)可得至少应将变阻箱的电阻R调节到R＝eq\f(E,I)－Rt－R继＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(6,40.2×10－3)－32－61))Ω≈56.3Ω想要让热敏电阻在高温报警中更加“敏感”(即温度不是太高就报警)，说明报警时热敏电阻的阻值比原来大，故为了使电流达到电磁继电器正常吸合时的电流，需要减小变阻箱的电阻。2.(2023·北京市第八十中学月考)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，黑夜打开。某同学利用如下器材制作了一个简易的路灯自动控制装置。A.励磁线圈电源E1 B.路灯电源E2C.路灯灯泡L D.定值电阻R0E.光敏电阻R1 F.电磁开关G.导线、开关等丙图4(1)电磁开关的内部结构如图4甲所示。1、2两接线柱接励磁线圈(电磁铁上绕的线圈)，3、4两接线柱分别与弹簧片和触点连接，相当于路灯的开关。当流过励磁线圈