新教材高中物理第五章传感器3利用传感器制作简单的自动控制装置导学案新人教版选择性必修第二册

.利用传感器制作简洁的自动限制装置1．理解门窗防盗报警装置、光控路灯的工作原理。2.了解发光二极管、晶体三极管等电子元件的特性和用途。3.会用传感器设计电路实现简洁的自动限制。一、试验原理试验1门窗防盗报警装置(1)试验目的：当门窗紧闭时，蜂鸣器不响，指示灯亮；当门窗被打开时，蜂鸣器发出声音报警，指示灯灭。(2)试验思路：可利用eq\o(□,\s\up2(01))干簧管在磁场中的特性实现上述功能。如图所示，门的上沿嵌入一小块永磁体M，门框内与M相对的位置嵌入干簧管SA，并将干簧管接入报警电路。干簧管可将门与门框的相对位置这一非电学量转换为电路的通断。试验2光控开关(1)试验目的：设计光控开关电路，在天色暗到肯定程度时让路灯自动开启，而在天明时自动熄灭。(2)试验思路：可利用eq\o(□,\s\up2(02))光敏电阻实现上述功能，用发光二极管或小灯泡代表路灯。二、试验器材试验1门窗防盗报警装置干簧管SA、继电器、eq\o(□,\s\up2(01))发光二极管LED、电阻R、eq\o(□,\s\up2(02))蜂鸣器H、电源、eq\o(□,\s\up2(03))小磁体、开关。试验2光控开关可调电阻R1、限流电阻R2、eq\o(□,\s\up2(04))光敏电阻RG、eq\o(□,\s\up2(05))三极管VT、发光二极管LED、继电器、小灯泡L、二极管D、电源。说明：(1)发光二极管发光二极管和一般二极管一样具有eq\o(□,\s\up2(06))单向导电性，而且在导电时还能发光，有红、绿、黄等多种颜色。它小巧、省电，因此很多家用电器上都用它作eq\o(□,\s\up2(07))指示灯。(2)晶体三极管晶体三极管具有eq\o(□,\s\up2(08))电流放大作用，在限制电路中常用作eq\o(□,\s\up2(09))电子开关。本试验采纳三极管协作光敏电阻完成光控开关的任务。三极管由三个电极组成，分别是放射极e，基极b和集电极c，有NPN型和PNP型两种(如图)。三极管的一个重要特性是，从eq\o(□,\s\up2(10))基极输入一个较小的电流，就会在eq\o(□,\s\up2(11))集电极获得较大的电流。此外，三极管还具有完成断路和接通的eq\o(□,\s\up2(12))开关作用。课堂任务探究过程·获得数据细致视察下列图片，细致参加“师生互动”。活动1：如图甲是一个简洁的门窗磁控防盗报警装置的示意图，虚线方框部分表示继电器。该防盗报警装置的工作原理是什么？提示：闭合电路开关S，系统处于防盗状态。当门窗紧闭时，磁体M靠近干簧管SA，干簧管两个簧片被磁化相吸而接通继电器线圈K，使继电器工作。继电器的动触点c与常开触点a接通，发光二极管LED发光，显示电路处于正常工作状态。当门窗开启时，磁体离开干簧管，干簧管失磁断开，继电器被断电。继电器的动触点c与常闭触点b接通，蜂鸣器H发声报警。活动2：图甲中的干簧管、继电器、电阻R分别起什么作用？提示：干簧管在电路中起传感器和限制开关的作用；继电器则相当于一个自动的双向开关；R为发光二极管的限流电阻，起爱护电路的作用。活动3：门窗磁控防盗报警装置试验的操作步骤是什么？提示：(1)连接电路前，要先推断一下干簧管是否可以正常工作。用磁体干脆靠近干簧管，视察簧片能否正常动作。(2)确定各元件可以正常工作后，依据图甲所示连接电路。(3)接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，分别视察试验现象。活动4：图乙、丙供应了两种模拟的光控开关电路。试验电路为什么运用三极管？提示：在限制电路中，由于光敏电阻的工作电流很微弱，不能干脆驱动执行机构工作，因此一般都须要配置肯定的放大电路实现限制功能，晶体三极管具有电流放大的作用(从基极输入一个较小的电流，就会在集电极获得较大的电流)，可协作光敏电阻完成光控开关的任务。活动5：图乙用发光二极管LED仿照路灯，该电路将光照这个非电学量转换为哪个电学量？这个电学量如何通过三极管限制发光二极管LED导通？提示：可调电阻R1与光敏电阻RG组成串联分压电路，把光敏电阻因光照而发生的电阻变更，转换为电压的变更，加载到三极管VT的基极b上。当基极电压达到肯定程度后，三极管被导通，从而使得由电源正极经电阻R2、发光二极管、三极管集电极和放射极到达电源负极的回路被导通。活动6：图丙电路为什么在图乙电路的基础上增加继电器(K为继电器的线圈，S为它的常开触点)?二极管D有什么作用？提示：图丙用小灯泡仿照路灯，小灯泡的功率比图乙中的发光二极管LED功率大得多，为了能够驱动更大功率的负载，就要运用继电器来启、闭另外的供电电路。为了防止继电器释放衔铁时线圈中的自感电动势损坏三极管，必需给线圈并联一只二极管D，以供应自感电流释放的通路。活动7：图乙、丙模拟光控路灯的工作原理是什么？提示：当环境光比较强时，光敏电阻RG的阻值很小，三极管不导通，发光二极管或继电器所在的回路相当于断路，即发光二极管不工作；继电器处于常开状态，小灯泡L不亮。当环境光比较弱时，光敏电阻RG的阻值变大，三极管导通，且获得足够的基极电流，产生较大的集电极电流，点亮发光二极管或驱动继电器吸合而点亮小灯泡L。活动8：图乙、丙模拟光控路灯的操作步骤是什么？提示：(1)依据图乙或图丙所示连接电路，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耀，调整电阻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。假如试验现象不明显，可用手电筒加强光照，或遮盖光敏电阻，再进行视察。课堂任务分析数据·得出结论活动1：分析门窗磁控防盗报警装置试验的现象，可得到什么结论？提示：将小磁体靠近干簧管(相当于门窗紧闭时)，蜂鸣器不响，指示灯亮；使小磁体离开干簧管(相当于门窗被打开时)，蜂鸣器发出声音报警，指示灯灭，实现了门窗防盗报警的目的。活动2：门窗防盗报警装置试验中，小磁体靠近干簧管时，蜂鸣器仍旧发出声音报警，指示灯灭，应当怎么办？提示：换用能够正常工作的电磁继电器。活动3：分析模拟光控开关路灯的试验现象，可得到什么结论？提示：光照较强时，小灯泡或发光二极管LED不亮；当光照暗到肯定程度时，小灯泡或发光二极管LED发光，实现了光控路灯天亮灯灭、天暗灯亮的目的。活动4：光控开关试验中，要使光控开关在天色更暗时才点亮“路灯”，应当如何调整电路？提示：可调电阻R1用于调整限制电路对光照的灵敏程度。要使光控开关在天色更暗时才点亮“路灯”，即在光照更弱、RG更大时，三极管导通，由分压关系可知，应把R1阻值调得更大些。课堂任务典例探究·提升实力例2007年，法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔由于发觉巨磁电阻(GMR)效应而荣获了诺贝尔物理学奖。如图所示是利用GMR设计的磁铁矿探测仪原理示意图，图中GMR在外磁场作用下，电阻会大幅度减小。下列说法正确的是()A．若存在磁铁矿，则指示灯不亮；若将电阻R调大，该探测仪的灵敏度提高B．若存在磁铁矿，则指示灯不亮；若将电阻R调小，该探测仪的灵敏度提高C．若存在磁铁矿，则指示灯亮；若将电阻R调大，该探测仪的灵敏度提高D．若存在磁铁矿，则指示灯亮；若将电阻R调小，该探测仪的灵敏度提高(1)图中电路的GMR和R部分将磁场的强弱转换为哪个电学量？提示：转换为GMR与R的电压之比。(2)加在三极管基极b上的电压怎样影响指示灯的亮灭？提示：加在三极管基极b上的电压较小(较大)时，三极管不导通(导通)，不能获得(能获得)足够的基极(b)电流，产生较小(较大)的集电极(c)电流，指示灯灭(亮)。(3)探测仪的灵敏度较高是指什么？提示：是指磁场较弱，GMR阻值较大时，GMR与R的电压之比仍能处在使三极管导通与不导通的临界点上。[规范解答]假如存在磁铁矿，则巨磁电阻(GMR)阻值大幅度减小，流过巨磁电阻(GMR)和R电路的电流大幅度增大，由UR＝IR知，R两端电压增大，因此，巨磁电阻(GMR)两端电压减小，此时三极管VT导通，且获得足够的基极(b)电流，产生较大的集电极(c)电流，指示灯亮。要使该探测仪的灵敏度提高，即磁场较弱、GMR阻值较大时，三极管仍处在导通与不导通的临界点，由分压关系可知R应调大。故A、B、D错误，C正确。[完备答案]C试验点拨1．三极管在传感器电路中的作用如图所示，R1或R2是传感器，M是发光二极管或蜂鸣器之类的指示器。加在三极管基极b上的电压凹凸确定了三极管是否导通，从而确定了基极b和集电极c的电流大小。即三极管将R1与R2两端的电压之比转化为集电极c的电流大小(导通或不导通)。2．传感器自动限制电路的设计技巧(1)首先弄清电路要实现的功能。(2)然后弄清传感器将非电学量转换为电学量的规律。(3)最终依据各量的逻辑关系设计电路。eq\a\vs4\al([变式训练1])(1)利用负温度系数热敏电阻制作的热传感器，一般体积很小，可以用来测量很小范围内的温度变更，反应快，而且精确度高。①假如将负温度系数热敏电阻与电源、电流表和其他元件串联成一个电路，其他因素不变，只要热敏电阻所处区域的温度降低，电路中电流将变________(选填“大”或“小”)。②在上述电路中，我们将电流表中的电流刻度换成相应的温度刻度，就能干脆显示出热敏电阻旁边的温度。假如刻度盘正中心的温度为20℃(如图甲所示)，则25℃的刻度应在20℃刻度的________(选填“左”或“右”)侧。③为了将热敏电阻放置在某蔬菜大棚内检测大棚内温度变更，请在图乙中用图中的器材(可增加元器件)设计一个电路。(2)图丙为一测量硫化镉光敏电阻特性的试验电路，电源电压恒定，内阻不计，开关闭合后，调整滑动变阻器滑片，使小灯泡发光渐渐增加，测得流过光敏电阻的电流和光强的关系曲线如图丁所示。试依据这一特性，由图戊中给定的器材设计一个自动光控电路。答案(1)①小②右③图见解析(2)图见解析解析(1)①因为温度降低时，负温度系数热敏电阻的阻值变大，故电路中电流会变小。②由①的分析知，温度越高，电路中电流越大，与20℃相比，25℃的刻度应对应较大电流，故在20℃刻度的右侧。③电路如图所示。(2)由题图丁可以看出，当入射光增加时，流过光敏电阻的电流增大，光敏电阻的阻值减小。依据题意设计的自动光控电路如图所示。限制过程是：当光照较强时，放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸引衔铁使两个触点断开，工作电路断开，电灯不亮；当无光照时，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个触点闭合，工作电路接通，电灯起先工作。eq\a\vs4\al([变式训练2])如图甲所示为某宾馆的房卡，只有把房卡插入槽中，房间内的灯和插座才会有电。房卡的作用相当于一个________(填电路元件名称)接在干路上。如图乙所示，当房客进门时，只要将带有磁体的卡P插入盒子Q中，这时由于簧片被磁化，开关B接通，通过继电器J使整个房间的电器的总开关接通，房客便能运用室内各种用电器。当继电器工作时，c、d相吸，a、b便接通。请你将各接线端1、2、3、4、5、6、7、8、9、10适当地连接起来，构成正常的电门卡电路。答案开关图见解析解析房卡可以限制房间内的灯和插座，房卡不插入槽中，房间内全部的灯和插座都不工作，所以房卡相当于干路上的开关。将开关B与电源E、线圈连成一个回路；将三个灯泡所在电路与沟通电源接成回路，即按8—7,4—5,6—9,1—3,2—10连接起来，构成正常的电门卡电路，如图所示。1．如图是一位同学设计的防盗门报警器的简化电路示意图。门打开时，红外光敏电阻R3受到红外线照耀，电阻减小；门关闭时会遮挡红外线源(红外线源没有画出)。经实际试验，灯的亮灭确能反映门的开、关状态。门打开时两灯的发光状况及R2两端电压U2与门关闭时相比()A．红灯亮，U2变大B．红灯亮，U2变小C．绿灯亮，U2变小D．绿灯亮，U2变大答案B解析当门打开时，R3受红外线照耀，电阻减小，从而使并联电路电阻减小，总电阻减小，总电流I＝eq\f(E,R＋r)增大，R2两端电压U2＝E－I(R1＋r)减小，R2中电流I2＝eq\f(U2,R2)减小，所以R3中电流I3＝I－I2增大，线圈产生的磁场增加，吸引衔铁，红灯亮，B正确。2.(2024·湖南长郡中学高二期末)如图所示是温度自动报警器的工作原理图，图中1是电磁铁、2是衔铁、3是触点、4是水银温度计(水银导电)。则下列说法正确的是()A．温度高于警戒温度时，电铃不报警、指示灯亮B．温度低于警戒温度时，电铃报警、指示灯熄灭C．温度高于警戒温度时，指示灯亮、电铃报警D．温度低于警戒温度时，指示灯亮、电铃不响答案D解析温度低于警戒温度时，水银柱液面较低，限制电路处于断路状态，电磁铁线圈中没有电流通过，电磁铁没有磁性，此时指示灯通过常闭触点与工作电路接通，指示灯亮，电铃不响，故B错误，D正确；温度高于警戒温度时，水银柱液面较高，限制电路处于接通状态，电磁铁线圈中有电流通过，电磁铁有磁性，吸引衔铁，使其与触点3接通，电铃报警，此时指示灯所在电路中没有电流，灯不亮，故A、C错误。3．(多选)传感器担负着信息的采集任务，在自动限制中发挥着重要的作用。传感器能够将感受到的物理量如温度、光、声等转换成便于测量的量(通常是电学量)。热敏电阻阻值随温度变更的图线如图甲所示，图乙是由热敏电阻RT作为传感器制作的简洁自动报警器的电路，下列说法正确的是()A．为了使温度过高时报警器响铃，c应接在a处B．为了使温度过高时报警器响铃，c应接在b处C．若使启动报警的温度提高些，则应将滑动变阻器滑片P向左移动D．假如在调试报警器达到最低报警温度时，无论如何调整滑片P都不能报警，且电路无故障，可能缘由是左边电源电压太低答案ACD解析依据题图甲，热敏电阻的阻值随温度的上升而减小，为了使温度过高时报警器响铃，即RT的阻值较小、限制电路中的电流较大时，报警器接入电路，电磁铁线圈中的电流较大时，竖直金属片被吸到a处，所以开关c应当接在a处，故A正确，B错误；若使启动报警的温度提高些，则报警时热敏电阻阻值更小，要使回路中的电流不变，则应当使滑动变阻器接入电路的阻值变大，即应将滑片P向左移动，故C正确；在最低报警温度时不能报警，说明此时左边电路中的电流太小，电磁铁不能使金属片与a接触，这可能由多种缘由造成，如：①左边电源电压太低，电路中的电流太小，导致电磁铁的磁性太弱；②弹簧的劲度系数太大，电磁铁的吸引力小于弹力等，故D正确。4．如图是煤气泄漏报警装置原理图，R1是对煤气敏感的半导体元件，其电阻随煤气浓度的增加而减小，R2是一可变电阻。在a、f间接6V的恒定电压。当煤气浓度增加到肯定值时报警器发出警告，则()A．减小R2的阻值，f点的电势上升B．当煤气的浓度上升时，f点的电势降低C．适当减小a、g间的电压，可以提高报警器的灵敏度D．调整R2的阻值能变更报警器启动时煤气浓度的临界值答案D解析由电路图可知，R1与R2串联，f、g之间的电压等于R2两端的电压；Ufg＝IR2＝eq\f(ER2,R2＋R1)，变形得：Ufg＝eq\f(E,1＋\f(R1,R2))，当减小R2的阻值时，f、g之间的电压减小，f点的电势降低，故A错误。当煤气的浓度上升时，R1减小，f、g之间的电压Ufg增大，f点的电势上升，故B错误。Ufg即加在三极管基极b上的电压，它的大小确定了三极管是否导通，从而确定了报警器是否报警，所以要提高报警器的灵敏度，即当煤气浓度更低、R1更大时，Ufg就达到使三极管导通的临界值U0。由分压关系可知，可以采纳的方法有：增大电源的电动势(a、g之间的电压)、增大可变电阻R2接入电路的阻值，故C错误；由前述分析可知D正确。5．在光控电路试验中，某同学按如图所示电路将元件安装完毕后，发觉将装置置入黑暗环境中接通电源时，LED灯不发光，缘由不行能是()A．二极管两极接反 B．R1与RG位置颠倒C．R1阻值太小 D．LED灯被断路答案C解析由题可知，若二极管两极接反，光线暗时，二极管加负向电压，无法导通，LED灯不亮，A可能；若R1与RG位置颠倒，则光线较暗时，加在三极管基极b上的电压太小，能够获得的基极电流太小，集电极c的电流太小，即三极管不导通，则LED灯不发光，B可能；若R1阻值太小，则加在三极管基极b上的电压始终很高，三极管始终导通，LED灯始终发光，C不行能；LED灯断路时无法发光，D可能。本题选不行能的选项，故选C。6．把蜂鸣器、光敏电阻、干簧管继电器开关、电源按如图甲所示电路连接，制成光电报警装置。当报警器有光照耀时，蜂鸣器发声，当没有光照或者光照很弱时，蜂鸣器不发声。①光敏电阻：光敏电阻受光照耀时，阻值会变小。②干簧管继电器开关：由干簧管和绕在干簧管外的线圈组成，如图乙所示，当线圈中有肯定的电流时，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化，两个簧片在磁力作用下由原来的分别状态变成闭合状态。当线圈中没有电流或者电流很微弱时，磁场消逝，簧片在弹力的作用下复原到分别状态。试说明光电报警器的工作原理。答案见解析解析当报警器有光照耀时，光敏电阻阻值减小，线圈中的电流增大，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化，两个簧片由原来的分别状态变成闭合状态，蜂鸣器电路接通，蜂鸣器发声；反之，当没有光照耀或光照很微弱时，光敏电阻阻值很大，电路中的电流很小，干簧管内的两个铁质簧片处于分别状态，连接蜂鸣器的电路断开，蜂鸣器不发声。7．(2024·吉林蛟河一中高二期中)某同学学习传感器后，用电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关、导线等仪器设计了一个高温报警器，要求是：正常状况绿灯亮，有险情时电铃报警。电路如图所示，图中仪器还不完整，请完成以下问题：(1)图中的甲还须要放入的元件是________；A．二极管B．光敏电阻C．NTC热敏电阻(阻值随温度上升而减小)D．PTC热敏电阻(阻值随温度上升而增大)(2)电路正确连接之后，该同学调试过程发觉报警时温度比预期偏高了一点点。要求在温度更低一点时就起先报警，则须要调整滑动变阻器的滑片往________移动一点。答案(1)C(2)右解析(1)依据要求，正常状况绿灯亮，即正常状况绿灯所在电路接通，衔铁未被吸下，电磁铁磁性较弱，左侧电路电流较小，甲元件阻值较大；有险情时，温度上升，电铃报警，此时衔铁被吸下，电磁铁磁性较强，左侧电路电流较大，甲元件阻值较小，所以图中的甲还须要放入的元件是NTC热敏电阻(阻值随温度上升而减小)，故选C。(2)电路正确连接之后，该同学调试过程发觉报警时温度比预期偏高了一点点，则是在热敏电阻的阻值比较小的时候才报警，说明滑动变阻器接入电路的阻值偏大。要求在温度更低一点时就起先报警，则须要调整滑动变阻器，使滑动变阻器的电阻值小一些，则须要将滑片往右移动一点。8．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。(1)光强(E)是表示光照强弱程度的物理量，单位为坎德拉(cd)。如图a所示是光敏电阻阻值随光强变更的图线，由此可得到的结论是：____________________________________________________________________。(2)如图b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c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。假如要求光强达到2cd时，照明电路恰好接通，则图c中定值电阻R＝________Ω。答案(1)随着光照强度的增大，光敏电阻的阻值快速减小，进一步增大光照强度，电阻值变更减慢，渐渐趋向平缓(2)C、D(3)图见解析(4)22解析(1)由题图a可得到的结论是：随着光照强度的增大，光敏电阻的阻值快速减小，进一步增大光照强度，电阻值变更减慢，渐渐趋向平缓。(2