高二物理（人教版）学案 选择性必修二 第五章 第3节　利用传感器制作简单的自动控制装置

7/7第3节利用传感器制作简单的自动控制装置(实验课—基于经典科学探究)实验(一)门窗防盗报警装置1．实验目的(1)了解门窗防盗报警装置的工作原理。(2)了解干簧管和继电器的特点及在装置中的作用。2．实验器材和装置干簧管SA、继电器、发光二极管LED、电阻R(330Ω)、蜂鸣器H、电源(干电池6V)、小磁体M、开关。装置电路图如图所示。3．电路工作原理闭合电路开关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接触，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。干簧管在电路中起传感器和控制开关的作用，继电器则相当于一个自动的双向开关。4．实验操作(1)连接电路前，要先判断一下干簧管是否可以正常工作。用磁体直接靠近干簧管，观察簧片能否正常工作。(2)确定各元件可以正常工作后，按照上图所示连接电路。(3)接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，分别观察实验现象。实验(二)光控开关1．实验目的(1)了解光控开关的工作原理。(2)练习利用光控开关制作自动控制设备。2．实验器材和装置可调电阻R1(最大电阻为51kΩ)、限流电阻R2(330Ω)、光敏电阻RG、三极管VT、发光二极管LED、继电器、小灯泡L(6V,0.3A)、二极管D、电源等。3．电路工作原理(1)光控开关①电路图②工作原理当光照较强时，RG较小，加在基极上电压较小，三极管不导通，发光二极管LED不亮；当光线较弱时，RG阻值增大，加在基极上电压增大，当达到一定程度后，三极管被导通，发光二极管LED开始发光。(2)光控开关控制电路①电路图②工作原理当环境光比较强时，光敏电阻RG的阻值很小，三极管不导通，继电器所在的回路相当于断路，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阻值较大，三极管导通，集电极电流较大，驱动继电器吸合开关S，点亮灯泡L。(注：与继电器并联的二极管D，提供自感电流释放通路，以保护三极管不被烧坏。)4．实验操作(1)按照实验电路图连接电路，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，当光照增强到某种程度时，则发光二极管LED或小灯泡L熄灭。5．注意事项(1)安装前，对器材进行测试，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，否则将烧坏门电路集成块。(3)光控开关实验中，要想天更暗时灯才会亮，应该把R1的阻值调大些。考法(一)热敏电阻的应用[例1](2024·河北石家庄期中)已知热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。某同学利用图甲的电路测量其阻值随温度变化的关系，其中电压表的量程为0～3V、内阻为1200Ω，电流表的量程为0～6.0mA、内阻未知。(1)实验中需要利用电压表和定值电阻串联，使量程扩大为5V。现有两个定值电阻R1＝600Ω、R2＝800Ω，为达到上述要求，定值电阻应选择________(选填“R1”或“R2”)；(2)要求热敏电阻两端的电压从零开始调节，则甲图中的A、B之间______(选填“应该”或“不应该”)用导线相连；(3)利用该热敏电阻制作高温温控报警器，其电路的一部分如图乙，M、N其中一处连接热敏电阻，另外一处连接电阻箱，当输出电压增大到某一数值，便触发报警器(图中未画出)报警，则________(选填“M”或“N”)处连接热敏电阻。为了提高报警器的灵敏度，即要把报警温度调低，电阻箱的阻值应调______(选填“大”或“小”)。考法(二)光敏电阻的应用[例2](2024·重庆九龙坡期中)(1)一光敏电阻(图乙中RL)的阻值随照度变化的图像如图甲所示，由图像可知，该光敏电阻的阻值随照度的增加做______(选填“线性”或“非线性”)变化。(2)王同学利用该光敏电阻设计了图乙所示光控电路控制三盏路灯，图中交流电源电压为220V，三盏路灯规格相同，均为“110V,110W”。他进行了如下操作：①闭合干路开关，将单刀双掷开关置于b处，将R2调至1200Ω。②滑动R1的滑片，使三盏路灯正常发光。③将单刀双掷开关置于a处。则当照度低到1.0lx(lx为照度的单位，读作“勒克斯”)时，路灯会正常发光。若有“50Ω，5A”及“5kΩ，1A”两个滑动变阻器可供选择，则图乙中R1应选择______规格。安装该电路时，光敏电阻RL应______(选填“远离”或“靠近”)路灯。(3)图乙光控电路的缺点较多，从节能和实际操作的角度分析均有不足，通过你的观察，请指出一种不足：________________________________________________(写出一条即可)。考法(三)压力传感器的应用[例3](2024·湖北武汉期末)图2为一个自动筛选鸡蛋重量的装置，可以筛选出两类重量不同的鸡蛋。当不同重量的鸡蛋传送到压力秤上时，压力秤作用在压力传感器R1上，其电阻值随压力秤所受压力的变化图像如图1所示。R2是可调节电阻，其两端电压经放大电路放大后可以控制电磁铁是否吸动衔铁并保持一段时间。当电压超过某一数值时，电磁铁可以吸动衔铁使弹簧下压，鸡蛋就进入B通道。已知电源电动势E＝12V、内阻不计，R2调节为10Ω。(1)由图1可知，压力传感器的电阻值R1随压力的增大而________(填“增大”或“减小”)。(2)从B通道通过的是______鸡蛋(填“重”或“轻”)。(3)若R2两端的电压超过6V时，电磁铁可以吸动衔铁向下，则选择的重鸡蛋对压力秤的压力要大于________N。(保留两位有效数字)(4)要想选择出更重的鸡蛋，需要把电阻R2的阻值调________(填“大”或“小”)。1．如图所示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受到红外线照射，电阻减小；门关闭时会遮蔽红外线源(红外线源没有画出)。经实际试验，可知灯的亮灭情况能反映门的开关状态。门打开时两灯的发光情况及R2两端电压UR2与门关闭时相比的变化情况为()A．红灯亮，UR2变大 B．绿灯亮，UR2变大C．绿灯亮，UR2变小 D．红灯亮，UR2变小2.(多选)如图所示是某小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，R1为光敏电阻，R2为定值电阻，A、B接监控装置。则下列说法正确的是()A．当有人通过而遮住光线时，A、B之间电压变大B．当有人通过而遮住光线时，A、B之间电压减小C．当仅增大R2的阻值时，可增大A、B之间的电压D．当仅减小R2的阻值时，可增大A、B之间的电压3．(2024·河南驻马店期末)某学校高二物理兴趣小组用交流电源、干电池、电磁继电器、热敏电阻、滑动变阻器、开关、导线等元件设计了一个自动开关暖风机，其电路原理图如图所示。设计要求是：一旦温度低于某一预定温度t0时，暖风机就开始工作。图中元件名称标注还不完整。请完成以下问题：(1)图中的“甲”应该接入的元件是________。A．阻值随温度升高而增大的热敏电阻B．阻值随温度升高而减小的热敏电阻C．阻值不随温度变化而变化的定值电阻(2)正确选取元件和正确连接电路之后，该组同学在调试过程中，发现暖风机开始工作时的温度比t0偏低了一点。要使温度达到t0时暖风机能够开始工作，则需要将滑动变阻器的滑片向________(选填“左”或“右”)适当地移动一点。(3)已知旧干电池与新干电池相比，电动势基本相同，而内阻却大得多。如果长时间没有更换电池，表面上暖风机仍然能正常工作，但暖风机开始工作的温度将________t0(选填“高于”或“低于”)。4．(2024·山东东营期末)小明利用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路”，如图甲所示(虚线框内的连接没有画出)。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。图甲中继电器的供电电源E1＝5V、内阻不计，继电器线圈用漆包线绕成，其电阻R0＝30Ω。当线圈中的电流大于等于50mA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。(1)由图乙可知，当环境温度为80℃时，热敏电阻阻值为________Ω；(2)由图乙可知，当环境温度升高时，热敏电阻阻值将________(选填“增大”“减小”或“不变”)，继电器的磁性将________(选填“增强”“减弱”或“不变”)；(3)图甲中指示灯的接线柱D应与接线柱________相连(选填“A”或“B”)；(4)当环境温度大于等于________℃时，警铃报警。5．(2024·山东德州期中)为节能减排，保护环境，公共场所使用声、光控照明系统，声、光控开关需要同时满足光线较暗、有活动声音时才接通电路的工作要求，其示意图如图甲所示。(1)声控开关和光控开关的连接方式为______(选填“串联”或“并联”)。(2)其中光控开关内部示意图如图乙所示，光敏电阻的阻值随照度(照度可以反映光的强弱，光越强，照度越大，单位为lx)的变化关系如图丙所示，由图丙可知随着照度的减弱，光敏电阻的阻值________(选填“增大”或“减小”)。(3)已知光控开关中的电源电动势为3.0V、内阻不计，电阻箱的阻值调为8Ω，电磁开关的电阻为2Ω。设计要求当流过电磁开关的电流小于0.06A，即照度低于______lx时(保留一位小数)，光控开关接通。(4)为了节约用电，需要在更弱照度时，光控开关才接通，应该把电阻箱的阻值调________(选填“大”或“小”)。第3节利用传感器制作简单的自动控制装置2eq\a\vs4\al(实验考法)[例1]解析：(1)电压表的量程为0～3V，内阻为1200Ω，可知电压表的最大电流为Imax＝eq\f(3,1200)A＝eq\f(1,400)A使量程扩大为5V，则需要串联的电阻的阻值为R＝eq\f(2,Imax)＝eq\f(2,\f(1,400))Ω＝800Ω，可知定值电阻应选择R2。(2)要求热敏电阻两端的电压从零开始调节，可知滑动变阻器应用分压式接法，因此题图甲中的A、B之间应该用导线相连。(3)当温度升高时，热敏电阻的阻值减小，则电路中的电流增大，电阻箱两端的电压增大，若使报警器能正常工作，M处应连接热敏电阻，N处应连接电阻箱。为了提高报警器的灵敏度，即要把报警温度调低，则对应的热敏电阻的阻值增大，同时热敏电阻、电阻箱两端的电压不变，由闭合电路欧姆定律可知，电阻箱的阻值应调大。答案：(1)R2(2)应该(3)M大[例2]解析：(1)由题图甲可知，该光敏电阻的阻值随照度的增加而非均匀减小，即做非线性变化。(2)路灯正常发光时，流经路灯的电流为I＝eq\f(P,U)＝eq\f(110,110)A＝1A则电路正常工作时干路电流大于3A，又因为电路正常工作时R1两端电压为110V，则R1的接入电阻R1<eq\f(110V,3A)≈37Ω，故选“50Ω，5A”规格的滑动变阻器方便调节；若光敏电阻靠近路灯，容易受到路灯灯光的影响，导致照度增大而使路灯停止工作，停止工作后照度减小，路灯又开始工作，使得路灯时亮时暗，不能达到使用要求。所以安装该电路时，光敏电阻RL应远离路灯。(3)如果干路开关常闭合，则白天黑夜均消耗电能；如果利用人工在白天断开干路开关，又无法真正实现自动控制。答案：(1)非线性(2)“50Ω，5A”远离(3)见解析[例3]解析：(1)由题图1可知，F越大，R1越小，即压力传感器的电阻值R1随压力的增大而减小。(2)当鸡蛋质量较大时，压力秤作用于R1的压力F较大，则R1较小，通过R2的电流较大，故R2两端电压较大，经过放大电路放大后电压超过某一数值时，电磁铁可以吸动衔铁使弹簧下压，鸡蛋就进入B通道。所以从B通道通过的是重鸡蛋。(3)根据闭合电路欧姆定律，有E＝eq\f(UR1＋R2,R2)，解得R1＝10Ω由题图1，当R1＝10Ω时，F≈0.43N，所以选择的重鸡蛋对压力秤的压力要大于0.43N。(4)要选出更重的鸡蛋，即相同的鸡蛋送到压力秤上时，R2两端的电压较原来的小，所以需要把R2的阻值调小。答案：(1)减小(2)重(3)0.43(4)小3eq\a\vs4\al(训练评价)1．选D当门打开时，R3受红外线照射，电阻减小，则电路中总电阻减小，总电流I增大，R2两端电压UR2＝E－I(R1＋r)减小，R2中电流IR2＝eq\f(UR2,R2)减小，所以R3中电流IR3＝I－IR2增大，电磁继电器产生的磁场增强，把衔铁吸下，红灯亮，D正确。2．选BCR1是光敏电阻，当有人通过而遮住光线时，R1的阻值变大，回路中的电流I减小，A、B间的电压U＝IR2减小，故A错误，B正确；由闭合电路欧姆定律，得U＝E－I(R1＋r)，当仅增大R2的阻值时，电路中的电流减小，A、B间的电压U增大，故C正确；当仅减小R2的阻值时，电路中的电流增大，A、B间的电压U减小，故D错误。3．解析：(1)根据题意要求，一旦温度低于某一预定温度t0时，暖风机能够开始工作，即温度较低时，热敏电阻阻值较小，控制电路电流较大，电磁铁磁性较强，将衔铁吸下，暖风机开始工作，则题图中的“甲”应该接入的元件是阻值随温度升高而增大的热敏电阻。故选A。(2)发现暖风机开始工作时的温度比t0偏低了一点，此时热敏电阻阻值更低，则需将