2024屆高考物理復(fù)習(xí)講義：實(shí)驗(yàn)十七 利用傳感器制作簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制裝置

實(shí)驗(yàn)十七利用傳感器制作簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制裝置

學(xué)習(xí)目標(biāo)1.知道什么是傳感器，知道光敏電阻和熱敏電阻等敏感元件的特性和

應(yīng)用。2.學(xué)會(huì)傳感器的簡(jiǎn)單使用并會(huì)制作簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制裝置。

夯實(shí)必備知識(shí)

一、五種敏感元件的作用和特點(diǎn)

敏感元

作用特點(diǎn)

件

熱敏電將溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換一般情況下，熱敏電阻的阻值隨溫度的升高

阻為電阻這個(gè)電學(xué)量而減小，隨溫度的降低而增大

金屬熱將溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換一般情況下，金屬熱電阻的阻值隨溫度的升

電阻為電阻這個(gè)電學(xué)量高而增大，隨溫度的降低而減小

光敏電將光照強(qiáng)度這個(gè)光學(xué)量一般情況下，光敏電阻的阻值隨光照強(qiáng)度的

阻轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量增強(qiáng)而減小，隨光照強(qiáng)度的減弱而增大

對(duì)于某個(gè)確定的霍爾元件，它的厚度從霍

一將磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)爾系數(shù)為定值，如果保持電流/恒定，則

霍爾兀Z

量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)霍爾電壓就與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比

件UH

量

(UH=瑞)

壓敏電將壓力這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換

壓敏電阻的阻值隨力的變化而變化

阻為電阻這個(gè)電學(xué)量

二、自動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)與制作示例

1.門(mén)窗防盜報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)

(1)電路如圖1所示。

圖1

(2)實(shí)驗(yàn)操作

①連接電路前，要先判斷干簧管是否正常工作。月磁體直接靠近干簧管，觀察簧

片的動(dòng)作。

②連接電路，接通電源后，將磁體靠近和離開(kāi)干簧管，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

2.光控開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)

⑴電路如圖2所示。

(2)實(shí)驗(yàn)操作

①按照如圖所示連接電路，檢查無(wú)誤后，接通電源。

②讓光敏電阻RG受到白天較強(qiáng)的自然光照射，調(diào)節(jié)電阻Ri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。

(3)注意事項(xiàng)

①安裝前，對(duì)實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行測(cè)試，確保各元件性能良好后，再進(jìn)行安裝。

②光控開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)中，二極管連入電路的極性不能反接。

③如果實(shí)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)行觀察。

研透

考點(diǎn)一用溫度傳感器設(shè)計(jì)控制電路

例1(2022?河北省新高考測(cè)評(píng)卷)熱敏電阻有很多的應(yīng)用領(lǐng)域，如家電、開(kāi)關(guān)電源、

新能源汽車(chē)等。某實(shí)驗(yàn)小組的同學(xué)為了研究某保溫式自動(dòng)電飯鍋中用于監(jiān)測(cè)溫度

的熱敏電阻RT的特性設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)。

⑴首先利用多用電表粗略測(cè)量與電飯鍋中型號(hào)相同的熱敏電阻常溫狀態(tài)下的阻

值，多用電表的旋鈕置于“義100”的擋位時(shí)示數(shù)如圖3甲所示，則該熱敏電阻

的阻值為C。

(2)該實(shí)驗(yàn)小組的同學(xué)為了進(jìn)一步探究熱敏電阻的特性，設(shè)計(jì)了圖乙所示的電路,

電路中的電壓表均可看成理想電壓表，定值電阻的阻值為2kQo

102030405()6()70〃七

丙

圖3

①開(kāi)關(guān)閉合前，滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭應(yīng)置于最(填“左”或“右”)

端。

②某次實(shí)驗(yàn)時(shí)，電壓表V］、V2的示數(shù)分別為3.0V、4.5V,則熱敏電阻的阻值

應(yīng)為kQo

(3)通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，得出熱敏電阻的阻值隨溫度變化的規(guī)律圖像如圖丙所示，當(dāng)

熱敏電阻的阻值為RT=2kQ時(shí)，熱敏電阻所處環(huán)境的溫度約為°C。

(4)該種保溫式自動(dòng)電飯鍋，采用感溫磁控元件(可視為用熱敏電阻控制的電腕鐵

開(kāi)關(guān)，通過(guò)的電流大于某一值時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi))控制電路閉合與斷開(kāi)，從而控制加熱

電路，鍋內(nèi)米飯溫度低于60℃后，加熱電路開(kāi)始工作，則下列電路圖可能是該

電飯鍋中加熱電路的是

()20406080100t/X：

乙

圖4

(1)圖甲中警鈴的接線柱。應(yīng)與接線柱相連，指示燈的接線柱力應(yīng)與接

線柱相連(均選填"”或"夕)。

(2)當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，繼電器的磁性將(選填“增大”“減小”或“不

變”)，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到℃時(shí)，警鈴報(bào)警。

(3)如果要使報(bào)警電路在更高的溫度報(bào)警，下列方案可行的是。

A.適當(dāng)減小UyB.適當(dāng)增大5

C.適當(dāng)減小UiD.適當(dāng)增大S

答案(1)BA(2)增大40(3)A

解析(1)由于8接通時(shí)警鈴響，A接通時(shí)指示燈亮，因此。接8,。接A。

⑵由于該熱敏電阻隨溫度升高，阻值減小，回路的電流增大，因此繼電器的磁

性增強(qiáng)。

當(dāng)電流等于40mA時(shí)，回路的總電阻

U4V

R=7=/八7'=100Q

I40mA

而繼電器電阻Ro為30Q,因此當(dāng)熱敏電阻等于70。時(shí)，由題圖乙可知對(duì)應(yīng)溫度

為40。(2時(shí)，警鈴報(bào)警。

(3)溫度更高時(shí)，熱敏電阻值更小，而報(bào)警電流為40mA不變，因此應(yīng)適當(dāng)降低

Ui值，因此A正確。

考點(diǎn)二用光傳感器設(shè)計(jì)控制電路

例2為了節(jié)能環(huán)保，一些公共場(chǎng)所使用光控開(kāi)關(guān)控制照明系統(tǒng)。光控開(kāi)關(guān)可采

用光敏電阻來(lái)控制，光敏電阻是阻值R隨光的照度I而發(fā)生變化的元件(照度可

以反映光的強(qiáng)弱，光越強(qiáng)，照度越大，照度單位為lx)。

⑴某光敏電阻在不同照度下的阻值R如下表所示，根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，請(qǐng)?jiān)趫D5

甲的坐標(biāo)系中描繪出阻值隨照度變化的仙線，并判斷光敏電阻的阻值R與照度/

是否成反比關(guān)系。

答：(填“是”或“否”)。

照度〃1X0.20.40.60.81.01.2

阻值R；kQ5.83.72.72.32.01.8

R/kll

5

---1照明電源I--

乙

圖5

(2)圖乙為街道路燈自動(dòng)控制電路，利用直流電源E為電磁鐵供電，利用照明電

源為路燈供電。為達(dá)到天亮燈熄、天暗燈亮的效果，路燈應(yīng)接在(填“AB”

或“CD")之間。

(3)已知線圈的電阻為140Q,直流電源E的電動(dòng)勢(shì)E=36V,內(nèi)阻忽略不計(jì)。當(dāng)

線圈中的電流大于10mA時(shí)，繼電器的銜鐵將被吸合，滑動(dòng)變阻器R的阻值應(yīng)

調(diào)為Q時(shí)，才能使天色漸暗照度低于1.0lx時(shí)點(diǎn)亮路燈。

(4)使用一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)，路燈在天色更亮?xí)r就已點(diǎn)亮了，為了使路燈能按設(shè)計(jì)

要求點(diǎn)亮和熄滅，變阻器R的阻值應(yīng)適當(dāng)調(diào)_______些(選填“大”或“小”)。

答案(1)圖見(jiàn)解析否(3)1460(4)小

解析(1)如圖所示

若光敏電阻的阻值R與照度/成反比關(guān)系，則有R/為定值，由圖像中的點(diǎn)的數(shù)

據(jù)可得5.8X0.2<3.7X0.4<2.7X0.6<2.3X0.8<2.0X1.0<1.8X1.2

可知光敏電阻的阻值H與照度/不是反比關(guān)系。

⑵由于天亮?xí)r照度較大，光敏電阻的阻值較小，電路中的電流較大，銜鐵被吸

下，間斷開(kāi)，間接通，故路燈應(yīng)接在48間。

(3)由題意可知，當(dāng)照度降到l.Olx時(shí)，電路電流降低到10mA,此時(shí)電路中的總

E36

電阻為R患=~y=?m-3。=3600Q

/1UA1U

此時(shí)光敏電阻的阻值為R=2000C,則滑動(dòng)變阻器斤的阻值應(yīng)調(diào)為

R'=R「R—R好=3600。一2000Q-140C=1460C。

(4)使用一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)，路燈在天色更亮?xí)r就已點(diǎn)亮了，說(shuō)明在天色更亮?xí)r電

路電流就降到了10mA,為了使路燈能按設(shè)計(jì)要求點(diǎn)亮和熄滅，應(yīng)使天色更亮?xí)r

電路電流大于10mA,應(yīng)使電路的總電阻適當(dāng)減小，故應(yīng)將變阻器的阻值應(yīng)適

當(dāng)調(diào)小些。

跟蹤訓(xùn)練

2.某同學(xué)用光敏電阻和電磁繼電器等器材設(shè)計(jì)自動(dòng)光控照明電路。

R/Q

(1)光強(qiáng)(E)是表示光照強(qiáng)弱程度的物理量，單位為坎德拉(cd)。圖6甲是光敏電阻

阻值隨光強(qiáng)變化的圖線，由此可得到的結(jié)論是：

(2)圖乙為電磁繼電器的構(gòu)造示意圖，其中L為含有鐵芯的線圈，產(chǎn)為可繞。點(diǎn)

轉(zhuǎn)動(dòng)的銜鐵，K為彈簧，S為一對(duì)觸頭，A、B、C、。為四個(gè)接線柱。工作時(shí)，

應(yīng)將(選填“4、B”或“。、。”)接照明電路。

(3)請(qǐng)?jiān)趫D7中用筆畫(huà)線代替導(dǎo)線，完成實(shí)物電路的連接。

(4)已知電源電動(dòng)勢(shì)為3V,內(nèi)阻很小，電磁鐵線圖電阻Ro=20.0Q,電流超過(guò)

50mA時(shí)可吸合銜鐵。如果要求光強(qiáng)達(dá)到2cd時(shí)，照明電路恰好接通，則圖7

中定值電阻R=Q。

電源開(kāi)關(guān)

圖7

答案(1)隨著光強(qiáng)的增加，光敏電阻的阻值迅速下降，進(jìn)一步增大光強(qiáng)，電阻

值變化減小，然后逐漸趨向平緩(2)C、D(3)見(jiàn)解析圖(4)22

解析(2)由電磁繼電器的工作原理可知，電磁鐵連接的是控制電路，銜鐵連通

的是工作電路，故工作時(shí)，應(yīng)將“C、接照明電路。

(3)光敏電阻、定值電阻、電源、開(kāi)關(guān)與L組成控制電路，C、。與燈泡組成工作

電路，電路圖如圖所示。

o

=零線f

L

i

i火線1

5

A

光敏電阻定值電阻

-----------電源開(kāi)關(guān)

（4）由題圖甲所示圖線可知，2cd對(duì)應(yīng)的光敏電阻阻值R光效=18。

E

由閉合電路的歐姆定律可知/=P

代入數(shù)據(jù)解得R=22C。

提升

1.某同學(xué)用熱敏電阻制作高溫報(bào)警器。實(shí)瞼器材如下，熱敏電阻R、電磁繼電器、

蜂鳴器、小燈泡（額定電壓2.5V）、保護(hù)電阻r（阻值5。）、變阻箱R（（）?9999.9Q）、

電池組兩組（內(nèi)阻不計(jì)）、多用電表（有溫度擋）、鐵架臺(tái)、燒杯、開(kāi)關(guān)及導(dǎo)線若干。

圖1

⑴如圖1所示是該熱敏電阻的R-/曲線，由圖像可以得到熱敏電阻的阻值隨溫

度的升高而（選填“減小”“不變”或“增大”）o

⑵如圖2是某同學(xué)設(shè)計(jì)的高溫報(bào)警器電路圖，左邊部分是控制電路，右邊部分

是報(bào)警裝置，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)控制電路不工作，合上開(kāi)關(guān)S,用多用電表排查電路故障,

則應(yīng)將如圖3所示的選擇開(kāi)關(guān)旋至_______（選域4"”“仁或7T）,若只有繼電

器線圈斷路，則應(yīng)發(fā)現(xiàn)表筆接入繼電器線圈兩端時(shí)多用電表的指針（選

填“偏轉(zhuǎn)”或“不偏轉(zhuǎn)”），接入熱敏電阻兩端時(shí)多用電表的指針（選填

“偏轉(zhuǎn)”或“不偏轉(zhuǎn)”）。

=

NTC

熱敏電阻?~蜂

氏小燈泡陽(yáng)鳴

Rx器

變阻箱保電阻

圖2

圖3

(3)根據(jù)電磁繼電器的技術(shù)數(shù)據(jù)，當(dāng)熱敏電阻R達(dá)到設(shè)定溫度M，電磁繼電器應(yīng)

自動(dòng)吸合，報(bào)警裝置報(bào)警。已知控制電路電池組電動(dòng)勢(shì)為6V,實(shí)測(cè)電磁繼電器

正常吸合時(shí)的電流為37.6mA?40.2mA,繼電器內(nèi)阻為61.0C,如果設(shè)置報(bào)警

溫度為55°C,至少應(yīng)將變阻箱的電阻R調(diào)節(jié)到Qo想要讓熱敏電阻在

高溫報(bào)警中更加“敏感”(即溫度不是太高就報(bào)警)，需要(選填“增

大”“減小”或“不變”)變阻箱的電阻。

答案⑴減小(2)C偏轉(zhuǎn)小偏轉(zhuǎn)(3)56.3減小

解析(1)由題圖可以得到熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小。

(2)合上開(kāi)關(guān)S,應(yīng)用多用電表的直流電壓擋去排查電路故障，故應(yīng)將選擇開(kāi)關(guān)旋

至Co

若只有繼電器線圈斷路，則應(yīng)發(fā)現(xiàn)表筆接入繼電器線圈兩端時(shí)，多用電表電壓接

近電源電動(dòng)勢(shì)，多用電表的指針偏轉(zhuǎn)；若只有繼電器線圈斷路，表筆接入熱敏電

阻兩端時(shí)，由于繼電器線圈斷路，回路中沒(méi)有電流，熱敏電阻兩端電壓為零，多

用電表的指針不偏轉(zhuǎn)。

(3)如果設(shè)置報(bào)警溫度為55℃,由圖像可知該溫度對(duì)應(yīng)的熱敏電阻阻值為

R=32Q

E

根據(jù)閉合電路歐姆定律可得/=

R+&

可得至少應(yīng)將變阻箱的電阻A調(diào)節(jié)到

E（6、

R=Q_RLR/=140.2X10一3—32—61J。弋56.3Q

想要讓熱敏電阻在高溫報(bào)警中更加“敏感”（即溫度不是太高就報(bào)警），說(shuō)明報(bào)警

時(shí)熱敏電阻的限值比原來(lái)大，故為了使電流達(dá)到電磁繼電器正常吸合時(shí)的電流，

需要減小變阻箱的電但。

2.（2023?北京市第八十中學(xué)月考）利用光敏電阻作為傳感器，借助電磁開(kāi)關(guān)，可以

實(shí)現(xiàn)路燈自動(dòng)在白大關(guān)閉，黑夜打開(kāi)。某同學(xué)利用如卜器材制作了一個(gè)簡(jiǎn)易的路

燈自動(dòng)控制裝置。

A.勵(lì)磁線圈電源E^B.路燈電源歷

C.路燈燈泡LD.定值電阻Ro

E.光敏電阻凡F.電磁開(kāi)關(guān)

G導(dǎo)線、開(kāi)關(guān)等

3nn4

v]]卜彈簧片

產(chǎn)!」觸點(diǎn)

2o-

目…鐵片

loj--電磁鐵

,絕緣

支架

甲乙

丙