新教材適用2024-2025學(xué)年高中物理第5章傳感器3.利用傳感器制作簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制裝置學(xué)案新人教版選擇性必修第二冊(cè)

3.利用傳感器制作簡(jiǎn)潔的自動(dòng)限制裝置課程標(biāo)準(zhǔn)1．了解門(mén)窗防盜報(bào)警裝置的原理。2．了解光控開(kāi)關(guān)的原理。3．通過(guò)練習(xí)電子電路的組裝，獲得對(duì)自動(dòng)限制電路的感性相識(shí)。素養(yǎng)目標(biāo)1．物理觀念：知道干簧管、光敏電阻、三極管、二極管、電磁繼電器的功能；了解門(mén)窗防盜報(bào)警裝置及其工作原理；了解光控開(kāi)關(guān)電路及其限制原理。2．科學(xué)思維：會(huì)利用傳感器制作簡(jiǎn)潔的自動(dòng)限制裝置。3．科學(xué)看法與責(zé)任：在試驗(yàn)中體驗(yàn)從原理到應(yīng)用的過(guò)程，增加理論聯(lián)系實(shí)際的意識(shí)，培育學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)看法。試驗(yàn)門(mén)窗防盜報(bào)警裝置一、試驗(yàn)?zāi)康?．了解門(mén)窗防盜報(bào)警裝置和光控開(kāi)關(guān)的工作原理。2．練習(xí)用傳感器制作自動(dòng)限制設(shè)備。二、試驗(yàn)器材干簧管SA、繼電器、發(fā)光二極管LED、電阻R(330Ω)、蜂鳴器H(有源型)、干電池(6V)、小磁體M、開(kāi)關(guān)。三、試驗(yàn)電路圖門(mén)窗防盜報(bào)警裝置電路圖如圖所示。四、工作原理閉合電路開(kāi)關(guān)S，系統(tǒng)處于防盜狀態(tài)。當(dāng)門(mén)窗緊閉時(shí)，磁體M靠近干簧管SA，干簧管兩個(gè)簧片被磁化相吸而接通繼電器線圈K，使繼電器工作。繼電器的動(dòng)觸點(diǎn)c與常開(kāi)觸點(diǎn)a接通，發(fā)光二極管LED發(fā)光，顯示電路處于正常工作狀態(tài)。若門(mén)窗被盜賊開(kāi)啟時(shí)，磁體離開(kāi)干簧管，干簧管失磁斷開(kāi)，繼電器被斷電。繼電器的動(dòng)觸點(diǎn)c與常閉觸點(diǎn)b接通，蜂鳴器H發(fā)聲報(bào)警。干簧管在電路中起傳感器和限制開(kāi)關(guān)的作用，繼電器則相當(dāng)于一個(gè)自動(dòng)的雙向開(kāi)關(guān)。五、試驗(yàn)操作(1)連接電路前，要先推斷一下干簧管是否可以正常工作。用磁體干脆靠近干簧管，視察簧片能否正常動(dòng)作。(2)確定各元件可以正常工作后，依據(jù)電路圖連接電路。(3)接通電源后，將磁體靠近和離開(kāi)干簧管，分別視察試驗(yàn)現(xiàn)象。典例剖析典例1把蜂鳴器、光敏電阻、干簧管繼電器開(kāi)關(guān)(干簧管和繞在干簧管外的線圈組成如圖乙所示)、電源連成電路如甲圖所示，制成光電報(bào)警裝置，設(shè)計(jì)要求：當(dāng)有光照時(shí)，蜂鳴器發(fā)聲，當(dāng)沒(méi)有光照或者光照很弱時(shí)，蜂鳴器不發(fā)生，電路已經(jīng)連接一部分，請(qǐng)將電路連接完整。思路引導(dǎo)：解本題需理解以下兩個(gè)問(wèn)題：(1)光敏電阻的特性是什么？(2)干簧管繼電器開(kāi)關(guān)的工作原理是什么？解析：電池、光敏電阻與開(kāi)關(guān)及干簧管繼電器開(kāi)關(guān)的外面線圈兩個(gè)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(kāi)關(guān)里面的兩個(gè)接線構(gòu)成又一個(gè)回路。當(dāng)有光照時(shí)，光敏電阻變小，使得干簧管繼電器開(kāi)關(guān)存在磁場(chǎng)，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)接通，最終使得蜂鳴器發(fā)聲；若沒(méi)有磁場(chǎng)時(shí)，開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷開(kāi)。連接如圖所示。對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練?(2024·衡陽(yáng)市八中高二階段練習(xí))酒駕嚴(yán)峻危害了公共交通平安，打擊酒駕現(xiàn)象已成為日常。如圖甲為交警運(yùn)用的某種酒精檢測(cè)儀，核心部件為酒精氣體傳感器，其電阻R1與酒精氣體濃度x的關(guān)系如圖乙所示。(1)某同學(xué)自行設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易酒精檢測(cè)儀，如圖丙所示，用到的器材有酒精氣體傳感器R1、電源(電動(dòng)勢(shì)為9.0V，內(nèi)阻未知)、電流表(滿偏電流為100mA，內(nèi)阻為9.5Ω)，閉合開(kāi)關(guān)，四周無(wú)酒精氣體，發(fā)覺(jué)電流表剛好滿偏，則電源內(nèi)阻為_(kāi)0.5__Ω；用該儀器_不能__(選填“能”或“不能”)檢測(cè)酒駕。駕駛員狀態(tài)非酒駕酒駕酒精氣體濃度標(biāo)準(zhǔn)(mg/mL)小于0.2大于或者等于0.2檢測(cè)器狀態(tài)只有綠燈亮綠燈紅燈都亮(2)另一位同學(xué)查閱酒精檢測(cè)儀說(shuō)明書(shū)時(shí)看到題表，他依據(jù)自己的理解將酒精檢測(cè)儀的內(nèi)部電路簡(jiǎn)化為圖丁。只有綠燈亮表示被測(cè)試者非酒駕，紅綠燈一起亮表示被測(cè)試者酒駕。圖丁中電源電動(dòng)勢(shì)為9.0V，內(nèi)阻不計(jì)，R2為定值電阻，R1為酒精氣體傳感器，L1、L2是彩色小燈泡，顏色一紅一綠，小燈泡電壓達(dá)到0.7V才會(huì)發(fā)光，則紅燈為_(kāi)L1__(選填“L1”或“L2”)，當(dāng)紅燈剛亮?xí)r通過(guò)其的電流為_(kāi)0.28__A(保留兩位有效數(shù)字)。解析：(1)當(dāng)酒精濃度為零時(shí)，R1為80Ω，電流表剛好滿偏，則電源內(nèi)阻為r＝eq\f(E,IA)－R1－RA＝0.5Ω，當(dāng)酒精濃度增大時(shí)，總電阻減小，電流超過(guò)滿偏值，說(shuō)明該儀器不能檢測(cè)酒駕。(2)當(dāng)酒精濃度增大時(shí)，R1減小，依據(jù)“串反并同”，燈泡L1電壓增大，達(dá)到0.7V會(huì)發(fā)光，說(shuō)明L1是紅燈；當(dāng)紅燈剛亮?xí)r，小燈泡電壓達(dá)到0.7V，R1兩端電壓為8.3V，此時(shí)R1阻值為30Ω，則紅燈電流為I＝eq\f(8.3,30)A≈0.28A。試驗(yàn)光控開(kāi)關(guān)要點(diǎn)提煉一、試驗(yàn)?zāi)康哪M光控路燈依據(jù)光照的改變自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉。二、試驗(yàn)器材可調(diào)電阻、限流電阻、光敏電阻、三極管、發(fā)光二極管、繼電器、小燈泡、二極管、電源。三、電路圖試驗(yàn)電路圖如圖所示。四、工作原理當(dāng)環(huán)境光比較強(qiáng)時(shí)，光敏電阻RG的阻值很小，三極管不導(dǎo)通，發(fā)光二極管或繼電器所在的回路相當(dāng)于斷路，即發(fā)光二極管不工作；繼電器處于常開(kāi)狀態(tài)，小燈泡L不亮。當(dāng)環(huán)境光比較弱時(shí)，光敏電阻RG的阻值變大，三極管導(dǎo)通，且獲得足夠的基極電流，產(chǎn)生較大的集電極電流，點(diǎn)亮發(fā)光二極管或驅(qū)動(dòng)繼電器吸合而點(diǎn)亮小燈泡L。五、試驗(yàn)操作1．依據(jù)電路圖連接電路，檢查無(wú)誤后，接通電源。2．讓光敏電阻RG受到白天較強(qiáng)的自然光照耀，調(diào)整電阻R1使發(fā)光二極管LED或小燈泡L剛好不發(fā)光。3．遮擋RG，當(dāng)光照減弱到某種程度時(shí)，就會(huì)看到發(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)，則發(fā)光二極管LED或小燈泡L熄滅。假如試驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，可用手電筒加強(qiáng)光照，或遮蓋光敏電阻，再進(jìn)行視察。典例剖析典例2(2024·山東棗莊高二期中)電控調(diào)光玻璃能依據(jù)光照強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)整玻璃的透亮度，將光敏電阻Rx和定值電阻R0接在9V的電源上，電源內(nèi)阻不計(jì)，光敏電阻阻值隨光強(qiáng)改變關(guān)系如表所示：光強(qiáng)E/cd12345電阻值/Ω18964.5(“光強(qiáng)”表示光強(qiáng)弱程度的物理量，符號(hào)為E，單位坎德拉(cd))(1)當(dāng)光照強(qiáng)度為5cd時(shí)，光敏電阻Rx的大小為_(kāi)3.6__Ω。(2)電控調(diào)光玻璃的原理是光照增加，光敏電阻Rx阻值變小，施加于玻璃兩端的電壓降低，玻璃透亮度下降，反之則玻璃透亮度上升。若電源電壓不變，R0是定值電阻，下列電路圖中符合要求的是_A__(填字母代號(hào))。ABCD(3)已知定值電阻R0＝9Ω，用電壓表測(cè)得定值電阻兩端的電壓為3V，此時(shí)間照強(qiáng)度為_(kāi)1__cd。解析：(1)由表格數(shù)據(jù)可知，光敏電阻Rx與光強(qiáng)E的乘積均為18Ω·cd不變，則當(dāng)E＝5cd時(shí)，光敏電阻的阻值Rx＝eq\f(18,5)Ω＝3.6Ω。(2)由題意可知，光敏電阻Rx與定值電阻R0串聯(lián)連接，光照增加時(shí)，光敏電阻Rx阻值減小，電路中的總電阻減小，由歐姆定律可知，電路中的電流增大，由U＝IR可知，R0兩端的電壓增大，因串聯(lián)電路中總電壓等于各分電壓之和，所以Rx兩端的電壓減小，反之光照減弱時(shí)，光敏電阻Rx阻值增大，R0兩端的電壓減小，Rx兩端的電壓增大，則玻璃并聯(lián)在R0兩端時(shí)不符合，玻璃并聯(lián)在Rx兩端時(shí)符合，故A正確，C錯(cuò)誤；若玻璃與電源并聯(lián)，光照改變時(shí)，玻璃兩端的電壓不變，故B、D錯(cuò)誤。(3)當(dāng)R0＝9Ω，定值電阻兩端的電壓U0＝3V，因串聯(lián)電路中總電壓等于各分電壓之和，Rx兩端的電壓Ux＝U－U0＝9－3V＝6V，因串聯(lián)電路中各處的電流相等，所以電路中的電流I＝eq\f(U0,R0)＝eq\f(Ux,Rx′)，解得Rx′＝18Ω，此時(shí)間照強(qiáng)度E′＝eq\f(18,18)cd＝1cd。1．(多選)如圖所示為小型電磁繼電器的構(gòu)造示意圖，其中L為含鐵芯的線圈，P為可繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵片，K為彈簧，S為一對(duì)觸頭，A、B、C、D為四個(gè)接線柱，繼電器與傳感器協(xié)作，可完成自動(dòng)限制的要求，關(guān)于其工作方式，下列推斷正確的是(AC)A．A、B間接限制電路，C、D間接被控電路B．A、B間接被控電路，C、D間接限制電路C．流過(guò)L的電流減小時(shí)，C、D間電路斷開(kāi)D．流過(guò)L的電流增大時(shí)，C、D間電路斷開(kāi)解析：當(dāng)較小的電流經(jīng)過(guò)接線柱A、B流入線圈時(shí)，電磁鐵把銜鐵吸下，使C、D兩個(gè)接線柱所連的觸點(diǎn)接通，較大的電流就可以通過(guò)C、D帶動(dòng)機(jī)器工作了，A對(duì)，B錯(cuò)誤。流過(guò)L的電流減小時(shí)，線圈L產(chǎn)生的磁場(chǎng)減弱，對(duì)銜鐵P的吸引力減弱，使C、D兩個(gè)接線柱所連的觸點(diǎn)斷開(kāi)，C正確，D錯(cuò)誤。2．(多選)(2024·山東臨沂高二期中)在今年4月份居家躲避新冠疫情期間，張華同學(xué)利用網(wǎng)課的課余時(shí)間，結(jié)合所學(xué)傳感器、電路的有關(guān)學(xué)問(wèn)，自己在家設(shè)置了一個(gè)火警報(bào)警裝置，他設(shè)計(jì)的電路如圖所示，R1為熱敏電阻，溫度上升時(shí)，R1急劇減小，當(dāng)電鈴兩端電壓低于某確定值時(shí)，報(bào)警電鈴響起，則下列說(shuō)法正確的是(BD)A．若試驗(yàn)時(shí)發(fā)覺(jué)當(dāng)著火時(shí)裝置不響，應(yīng)把R2的滑片P向下移B．若試驗(yàn)時(shí)發(fā)覺(jué)當(dāng)著火時(shí)裝置不響，應(yīng)把R2的滑片P向上移C．增大電源電壓，會(huì)使報(bào)警的臨界溫度降低D．增大電源電壓，會(huì)使報(bào)警的臨界溫度上升解析：若試驗(yàn)時(shí)發(fā)覺(jué)當(dāng)著火時(shí)裝置不響，說(shuō)明此時(shí)電鈴兩端電壓比較大，應(yīng)增大滑動(dòng)變阻器接入的阻值，從而減小電鈴兩端電壓，故應(yīng)把R2的滑片P向上移，B正確，A錯(cuò)誤；增大電源電壓，會(huì)使原來(lái)報(bào)警時(shí)電鈴兩端電壓增大，須要使溫度接著上升，減小熱敏電阻R1，從而使電鈴兩端電壓減小到報(bào)警時(shí)的電壓，故增大電源電壓，會(huì)使報(bào)警的臨界溫度上升，D正確，C錯(cuò)誤。3．(2024·重慶市高二期中)光敏二極管在各種自動(dòng)扮裝置中有許多應(yīng)用，街道的路燈自動(dòng)限制開(kāi)關(guān)就是其應(yīng)用之一，圖中所示為其模擬電路，其中A為光敏二極管，B為電磁繼電器，C為照明電路，D為路燈，下列說(shuō)法正確的是(B)A．路燈自動(dòng)限制電路中的光敏二極管的阻值隨光照增加而增大B．當(dāng)沒(méi)有光照時(shí)(夜晚)，光敏二極管所在回路中的電流很小C．依據(jù)“日出路燈確定熄”的常識(shí)，分析可知白天電磁鐵與銜鐵不吸引D．假如換上靈敏度更高的光敏二極管，則相同的光照強(qiáng)度下，電磁鐵的磁性更弱解析：光敏二極管有光敏電阻的特征，阻值隨光照增加而減小，故A錯(cuò)誤；依據(jù)“日出路燈熄、日落路燈亮”的常識(shí)，結(jié)合路燈自動(dòng)限制電路中的特征，可知，沒(méi)有光照時(shí)(夜晚)，觸點(diǎn)接通，照明電路的路燈變亮，電磁鐵與銜鐵不吸引，電磁鐵的磁性不強(qiáng)，所在回路中的電流很小，反之白天電磁鐵與銜鐵吸引，觸點(diǎn)斷開(kāi)，故B正確，C錯(cuò)誤；假如換上靈敏度更高的光敏二極管，白天在相同的光照強(qiáng)度下，電磁鐵的磁性更強(qiáng)，與銜鐵的吸引力更大，故D錯(cuò)誤。4．(2024·河北滄縣高二期中)熱敏電阻是傳感電路中常用的電子元件，其阻值隨溫度改變的圖線如圖甲所示，圖乙是某監(jiān)控溫度波動(dòng)的報(bào)警原理圖，當(dāng)報(bào)警器兩端的電壓改變量超出設(shè)定值時(shí)，報(bào)警器就會(huì)自動(dòng)報(bào)警。(1)由圖甲可知，熱敏電阻R的阻值隨著溫度的上升而_減小__(選填“增大”或“減小”)；(2)環(huán)境溫度上升，報(bào)警器兩端電壓_減小__(選填“增大”或“減小”)。解析：(1)由甲圖可知，熱敏電阻R的阻值隨溫度的上升而減小。(2)報(bào)警器兩端的電壓為串聯(lián)的熱敏電阻和愛(ài)護(hù)電阻兩端的電壓，當(dāng)溫度上升時(shí)，熱敏電阻阻值變小，電路總電阻變小，電路總電流增大，依據(jù)閉合回路歐姆定律，內(nèi)電壓及滑動(dòng)變阻器的電壓增大，串聯(lián)的熱敏電阻和愛(ài)護(hù)電阻兩端的電壓減小，因此報(bào)警器兩端電壓減小。5．如圖甲所示為測(cè)量硫化鎘光敏電阻特性的試驗(yàn)電路，電源電壓恒定，電流表內(nèi)阻不計(jì)，開(kāi)關(guān)閉合后，調(diào)整滑動(dòng)變阻器滑片，使小燈泡發(fā)