人教版高中物理新教材同步講義選修第二冊 第5章　3　利用傳感器制作簡單的自動控制裝置（含解析）

3利用傳感器制作簡單的自動控制裝置[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.進(jìn)一步理解常用傳感器的工作原理及應(yīng)用.2.學(xué)會利用傳感器制作自動控制裝置．實(shí)驗(yàn)1門窗防盜報(bào)警裝置1.實(shí)驗(yàn)器材和裝置干簧管作為傳感器，用于感知磁體磁場是否存在．繼電器(虛線框部分)作為執(zhí)行裝置．發(fā)光二極管LED作為電路正常工作提示，R為發(fā)光二極管的限流電阻，起保護(hù)作用．蜂鳴器H作為報(bào)警提醒．電路設(shè)計(jì)如圖．2．電路工作原理當(dāng)門窗緊閉時(shí)，磁體M靠近干簧管SA，干簧管兩簧片被磁化相吸，繼電器接通而工作．當(dāng)門窗開啟時(shí)，磁體離開干簧管，干簧管失磁斷開，繼電器被斷電，動觸點(diǎn)c與常閉觸點(diǎn)b接通，蜂鳴器H發(fā)聲報(bào)警．3．實(shí)驗(yàn)操作(1)檢查干簧管．用磁體直接靠近干簧管，觀察干簧管簧片能否正常動作．(2)連接電路．連接電路前，要檢查其他元件是否也能正常工作．(3)接通電源后，將磁體靠近和離開干簧管，分別觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．實(shí)驗(yàn)2光控開關(guān)1．實(shí)驗(yàn)器材和裝置光敏電阻完成光信號向電信號的轉(zhuǎn)變．晶體三極管將電流進(jìn)行放大，同時(shí)具有完成斷路和接通的開關(guān)作用．發(fā)光二極管LED模仿路燈．電路設(shè)計(jì)如圖甲．為了能夠驅(qū)動更大功率的負(fù)載，需用繼電器來啟、閉另外的供電電路，如圖乙所示．2．電路工作原理(1)光較強(qiáng)時(shí)，光敏電阻阻值小，三極管不導(dǎo)通，繼電器斷路，處于常開狀態(tài)，小燈泡L不亮．(2)光較弱時(shí)，光敏電阻阻值變大，三極管導(dǎo)通，產(chǎn)生較大的集電極電流，點(diǎn)亮發(fā)光二極管或驅(qū)動繼電器吸合，點(diǎn)亮小燈泡L.3．實(shí)驗(yàn)操作(1)連接電路，檢查無誤后，接通電源．(2)用白光照射光敏電阻，調(diào)節(jié)R1，使發(fā)光二極管LED或小燈泡L剛好不發(fā)光．(3)減弱光敏電阻的光照強(qiáng)度，當(dāng)光減弱到某種程度時(shí)，發(fā)光二極管LED或小燈泡L發(fā)光．(4)讓光照加強(qiáng)，當(dāng)光照強(qiáng)到某種程度時(shí)，發(fā)光二極管LED或小燈泡L熄滅．一、門窗防盜報(bào)警裝置例1如圖所示是某保密室的防盜報(bào)警電路，當(dāng)有人闖入保密室時(shí)會使開關(guān)S閉合．下列說法正確的是()A．電磁繼電器與發(fā)電機(jī)工作原理相同B．電磁鐵的磁性強(qiáng)弱只與電流大小有關(guān)C．電磁鐵工作時(shí)，上端為S極D．當(dāng)有人闖入保密室時(shí)，b燈亮答案D解析電磁繼電器是利用電流的磁效應(yīng)工作的，發(fā)電機(jī)是利用電磁感應(yīng)原理制成的，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；電磁鐵的磁性強(qiáng)弱和電流大小、線圈的匝數(shù)及有無鐵芯有關(guān)，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；由題圖可知電磁鐵工作時(shí)線圈中電流的方向，根據(jù)安培定則可知，電磁鐵工作時(shí)，上端為N極，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；當(dāng)有人闖入保密室時(shí)會使開關(guān)S閉合，電磁鐵有磁性，吸引銜鐵向下移動，b燈所在電路接通，b燈亮，選項(xiàng)D正確．二、光控開關(guān)的應(yīng)用例2把蜂鳴器、光敏電阻、干簧管繼電器開關(guān)、電源連成電路如圖所示，制成光電報(bào)警裝置．當(dāng)報(bào)警器有光照射時(shí)，峰鳴器發(fā)聲，當(dāng)沒有光照或者光照很弱時(shí)，蜂鳴器不發(fā)聲．①光敏電阻：光敏電阻受光照后，阻值會變?。诟苫晒芾^電器開關(guān)：由干簧管和繞在干簧管外的線圈組成．當(dāng)線圈中有一定的電流時(shí)，線圈產(chǎn)生的磁場使密封在干簧管內(nèi)的兩個(gè)鐵質(zhì)簧片磁化，兩個(gè)簧片在磁力作用下由原來的分離狀態(tài)變成閉合狀態(tài)．當(dāng)線圈中沒有電流或者電流很微弱時(shí)，磁場消失，簧片在彈力的作用下恢復(fù)到分離狀態(tài)．電路已經(jīng)連接一部分，請將電路完整連接好．答案見解析圖解析電池、光敏電阻與開關(guān)及干簧管繼電器開關(guān)外面的接線構(gòu)成一個(gè)回路；而另一組電池、蜂鳴器與干簧管繼電器開關(guān)里面的接線構(gòu)成又一個(gè)回路．當(dāng)有光照時(shí)，光敏電阻阻值變小，使得干簧管繼電器開關(guān)產(chǎn)生磁場，使開關(guān)接通，最終使得蜂鳴器發(fā)聲，電路如圖所示．三、熱敏電阻的應(yīng)用例3在溫度為10℃左右的環(huán)境中工作的自動恒溫箱簡圖如圖甲所示，箱內(nèi)電阻R1＝20kΩ，R2＝10kΩ，R3＝40kΩ，Rt為熱敏電阻，它的電阻隨溫度變化的圖像如圖乙所示．當(dāng)a、b端電壓Uab<0時(shí)，電壓鑒別器會令開關(guān)S接通，恒溫箱內(nèi)的電熱絲發(fā)熱，使箱內(nèi)溫度提高；當(dāng)Uab≥0時(shí)，電壓鑒別器會令開關(guān)S斷開，停止加熱，恒溫箱內(nèi)的溫度恒定在________℃.答案35解析設(shè)電路路端電壓為U，當(dāng)Uab＝0時(shí)，有eq\f(UR1,R1＋R2)＝eq\f(UR3,R3＋Rt)，代入數(shù)據(jù)解得Rt＝20kΩ，由題圖乙可知，當(dāng)Rt＝20kΩ時(shí)，t＝35℃.例4如圖甲所示為一熱敏電阻的R－t圖像，圖乙為用此熱敏電阻R和繼電器組成的一個(gè)簡單恒溫箱溫控電路，繼電器線圈的電阻為200Ω.當(dāng)線圈中的電流大于或等于20mA時(shí)，繼電器的銜鐵被吸合．為繼電器線圈供電電池的電動勢E＝8V，內(nèi)阻可以不計(jì)．圖中的“電源”是恒溫箱加熱電源．(1)圖甲說明熱敏電阻的阻值隨著溫度的升高而______(選填“增大”“減小”或“不變”)．(2)應(yīng)該把恒溫箱內(nèi)加熱器接________(選填“AB”或“CD”)端．(3)如果要使恒溫箱內(nèi)的溫度保持100℃，滑動變阻器R1接入電路的電阻值為________Ω.答案(1)減小(2)AB(3)150解析(1)由題圖甲可知熱敏電阻的阻值隨著溫度的升高而減??；(2)當(dāng)溫度較低的時(shí)候，熱敏電阻的阻值較大，電路中的電流較小，此時(shí)繼電器的銜鐵與AB部分連接，此時(shí)是需要加熱的，恒溫箱內(nèi)的加熱器要工作，所以應(yīng)該把恒溫箱內(nèi)的加熱器接在AB端．(3)當(dāng)溫度達(dá)到100℃時(shí)，加熱電路就要斷開，此時(shí)繼電器的銜鐵要被吸合，即控制電路的電流要達(dá)到20mA＝0.02A，由題圖甲可知，此時(shí)R＝50Ω，根據(jù)閉合電路歐姆定律可得：I＝eq\f(E,R＋R1＋R0)，解得：R1＝150Ω.考點(diǎn)一門窗防盜報(bào)警裝置1．圖甲為一種家用門磁防盜報(bào)警器，由磁條和主機(jī)組成，門窗均可使用，乙圖為其簡化示意圖，安裝時(shí)，將磁條固定在門框上，主機(jī)安裝在與其等高的門板邊緣，門關(guān)上時(shí)，兩者剛好靠在一起．當(dāng)主機(jī)開關(guān)閉合時(shí)，若門被打開，磁條與主機(jī)分離，主機(jī)內(nèi)的觸發(fā)器就會工作，帶動報(bào)警器發(fā)出報(bào)警聲．下列有關(guān)說法正確的是()A．觸發(fā)器內(nèi)是一個(gè)開關(guān)，當(dāng)主機(jī)與磁條靠近時(shí)，開關(guān)是斷開的B．觸發(fā)器可以由銅制成C．磁條的兩極對調(diào)后，該報(bào)警器不能正常工作D．本裝置是利用電流的磁效應(yīng)工作的答案A解析門關(guān)上時(shí)，磁條與觸發(fā)器剛好靠在一起，此時(shí)報(bào)警器不工作，說明電路是斷開的；當(dāng)主機(jī)開關(guān)閉合時(shí)，若門被打開，磁條與主機(jī)分離，主機(jī)內(nèi)的觸發(fā)器就會工作，帶動報(bào)警器發(fā)出報(bào)警聲，說明此時(shí)觸發(fā)器內(nèi)開關(guān)是閉合的，選項(xiàng)A正確．觸發(fā)器與磁條之間存在磁力的作用，所以觸發(fā)器不可能是銅制成的，因?yàn)殂~沒有磁性，選項(xiàng)B錯(cuò)誤．無論磁條哪個(gè)磁極靠近觸發(fā)器，都存在磁力作用，所以兩極對調(diào)后，該報(bào)警器仍能正常工作，選項(xiàng)C錯(cuò)誤．本裝置是利用磁體能夠吸引磁性物體的特點(diǎn)工作的，選項(xiàng)D錯(cuò)誤．2.如圖所示是一位同學(xué)設(shè)計(jì)的防盜門報(bào)警器的簡化電路示意圖．門打開時(shí)，紅外光敏電阻R3受到紅外線照射，電阻減??；門關(guān)閉時(shí)會遮蔽紅外線源(紅外線源沒有畫出)．經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)，可知燈的亮滅情況能反映門的開關(guān)狀態(tài)．門打開時(shí)兩燈的發(fā)光情況及R2兩端電壓UR2與門關(guān)閉時(shí)相比的變化情況為()A．紅燈亮，UR2變大 B．綠燈亮，UR2變大C．綠燈亮，UR2變小 D．紅燈亮，UR2變小答案D解析當(dāng)門打開時(shí)，R3受紅外線照射，電阻減小，則電路中總電阻減小，總電流I增大，R2兩端電壓UR2＝E－I(R1＋r)減小，R2中電流IR2＝eq\f(UR2,R2)減小，所以R3中電流IR3＝I－IR2增大，電磁繼電器產(chǎn)生的磁場增強(qiáng)，把銜鐵吸下，紅燈亮，選項(xiàng)D正確．考點(diǎn)二光控與溫控裝置3.(多選)如圖所示是某小區(qū)門口利用光敏電阻設(shè)計(jì)的行人監(jiān)控裝置，R1為光敏電阻、R2為定值電阻，A、B接監(jiān)控裝置．則()A．當(dāng)有人通過而遮住光線時(shí)，A、B之間電壓升高B．當(dāng)有人通過而遮住光線時(shí)，A、B之間電壓降低C．當(dāng)僅增大R2的阻值時(shí)，可增大A、B之間的電壓D．當(dāng)僅減小R2的阻值時(shí)，可增大A、B之間的電壓答案BC解析R1是光敏電阻，有光照射時(shí)，電阻變小，當(dāng)有人通過而遮住光線時(shí)，R1的阻值變大，回路中的電流I減小，A、B間的電壓U＝IR2減小，故A項(xiàng)錯(cuò)誤，B項(xiàng)正確；由閉合電路歐姆定律得：U＝E－I(R1＋r)，當(dāng)僅增大R2的阻值時(shí)，電路中的電流減小，A、B間的電壓U增大，故C項(xiàng)正確；當(dāng)僅減小R2的阻值時(shí)，電路中的電流增大，A、B間的電壓U減小，故D項(xiàng)錯(cuò)誤．4．如圖所示為一溫度自動報(bào)警器的原理圖，在水銀溫度計(jì)的頂端封入一段金屬絲，下列說法正確的是()A．溫度升高至74℃時(shí)，燈L1亮報(bào)警B．溫度升高至74℃時(shí)，燈L2亮報(bào)警C．溫度升高至78℃時(shí)，燈L1亮報(bào)警D．溫度升高至78℃時(shí)，燈L2亮報(bào)警答案D解析當(dāng)溫度低于78℃時(shí)，線圈中沒有電流，此時(shí)僅燈L1亮，不報(bào)警；當(dāng)溫度升高到78℃時(shí)，線圈中有電流，磁體吸引銜鐵，燈L2被接通，所以燈L2亮報(bào)警．5．傳感器擔(dān)負(fù)著信息采集的任務(wù)，在自動控制中發(fā)揮著重要作用，傳感器能夠?qū)⒏惺艿降奈锢砹?如溫度、光、聲等)轉(zhuǎn)換成便于測量的量(電學(xué)量)，例如熱敏傳感器．某熱敏電阻RT阻值隨溫度變化的圖線如圖甲所示，圖乙是由該熱敏電阻RT作為傳感器制作的簡單自動報(bào)警器線路圖．問：(1)為了使溫度過高時(shí)報(bào)警器響鈴，c應(yīng)接在______(選填“a”或“b”)處．(2)若要使啟動報(bào)警的溫度提高些，應(yīng)將滑動變阻器的滑片P向________(選填“左”或“右”)移動．(3)如果在調(diào)試報(bào)警器達(dá)到最低報(bào)警溫度時(shí)，無論如何調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片P都不能使報(bào)警器工作，且電路連接完好，各電路元件都能處于工作狀態(tài)，則造成工作電路不能正常工作的原因可能是___________________________________________________________________.答案(1)a(2)左(3)電源提供的電壓太小以至于電磁鐵磁性太弱或彈簧勁度系數(shù)太大，電磁鐵的吸引力小于彈力解析(1)由題圖甲可知，熱敏電阻RT在溫度升高時(shí)阻值變小，電路中電流變大，電磁鐵磁性增強(qiáng)，把右側(cè)銜鐵吸引過來，與a接觸，故c應(yīng)接在a處．(2)若要使啟動報(bào)警的溫度提高，則應(yīng)使電路中電阻更大，滑動變阻器的滑片P向左移動．(3)電源提供的電壓太小以至于電磁鐵磁性太弱或彈簧勁度系數(shù)太大，電磁鐵的吸引力小于彈力．6.(2021·梅河口市第五中學(xué)高二月考)電飯煲的工作原理如圖所示，可分為兩部分，即控制部分：由S1、S2、定值電阻R1和黃燈組成；工作(加熱)部分：由發(fā)熱電阻R3、定值電阻R2和紅燈組成．S1是一個(gè)磁鋼限溫開關(guān)，手動閉合，當(dāng)此開關(guān)的溫度達(dá)到居里點(diǎn)(103℃)時(shí)，自動斷開，且不能自動復(fù)位，S2是一個(gè)金屬片自動開關(guān)，當(dāng)溫度達(dá)到70～80℃時(shí)，自動斷開，低于70℃時(shí)，自動閉合，紅燈、黃燈是指示燈，通過其電流必須較小，所以R1、R2起______作用．R3是發(fā)熱電阻，接通電源并閉合S1后，黃燈熄而紅燈亮，R3發(fā)熱，當(dāng)溫度達(dá)到70～80℃時(shí)，S2斷開，當(dāng)溫度達(dá)到103℃時(shí)飯熟，S1斷開，當(dāng)溫度降到70℃以下時(shí)，S2閉合，電飯煲處于保溫狀態(tài)，由以上描述可知R2________R3(選填“<”“＝”或“>”)，當(dāng)用電飯煲燒水時(shí)，S1________(選填“會”或“不會”)自動斷開．答案限流>不會解析通過紅燈、黃燈的電流必須較小，根據(jù)歐姆定律可知R1、R2起限流作用；R3是發(fā)熱電阻，要產(chǎn)生很大的熱量，所以電流要大一點(diǎn)，而通過R2的電流要小一點(diǎn)，且并聯(lián)電路電壓相等，根據(jù)歐姆定律可知R2>R3；當(dāng)用電飯煲燒水時(shí)，溫度達(dá)不到居里點(diǎn)(103℃)，S1不會自動斷開．7．現(xiàn)要組裝一個(gè)由熱敏電阻控制的報(bào)警系統(tǒng)，要求當(dāng)熱敏電阻的溫度達(dá)到或超過60℃時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警．提供的器材有：熱敏電阻，報(bào)警器(內(nèi)阻很小，流過的電流超過Ic時(shí)就會報(bào)警)，電阻箱(最大阻值為999.9Ω)，直流電源(輸出電壓為U，內(nèi)阻不計(jì))，滑動變阻器R1(最大阻值為1000Ω)，滑動變阻器R2(最大阻值為2000Ω)，單刀雙擲開關(guān)一個(gè)，導(dǎo)線若干．在室溫下對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)．已知U約為18V，Ic約為10mA；流過報(bào)警器的電流超過20mA時(shí)，報(bào)警器可能損壞；該熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，在60℃時(shí)阻值為650.0Ω.(1)完成如圖所示待調(diào)節(jié)的報(bào)警系統(tǒng)原理電路圖的連線．(2)電路中應(yīng)選用滑動變阻器____(填“R1”或“R2”)．(3)按照下列步驟調(diào)節(jié)此報(bào)警系統(tǒng)：①電路接通前，需將電阻箱調(diào)到一固定的阻值，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，這一阻值為________Ω；滑動變阻器的滑片應(yīng)置于________(填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是________________________________________________________________________．②將開關(guān)向________(填“c”或“d”)端閉合，緩慢移動滑動變阻器的滑片，直至________________________________________________________________________．(4)保持滑動變阻器滑片的位置不變，將開關(guān)向另一端閉合，報(bào)警系統(tǒng)即可正常使用．答案(1)見解析圖(2)R2(3)①650.0b接通電源后，流過報(bào)警器的電流會超過20mA，報(bào)警器可能損壞②c報(bào)警器開始報(bào)警解析(1)熱敏