高中物理新教材同步选择性必修第二册 第5章 3 利用传感器制作简单的自动控制装置

3 利用传感器制作简单的自动控制装置 [学习目标] 1.进一步理解常用传感器的工作原理及应用.2.学会利用传感器制作简单的自动 控制装置． 一、实验1 门窗防盗报警装置 1．实验器材和装置 干簧管作为传感器，用于感知磁体磁场是否存在．继电器(虚线框部分)作为执行装置．发光 二极管LED 作为电路正常工作提示，R 为发光二极管的限流电阻，起保护作用．蜂鸣器H 作为报警提醒．电路设计如图1. 图1 2．电路工作原理 当门窗紧闭时，磁体M 靠近干簧管SA，干簧管两簧片被磁化相吸，继电器接通而工作．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，动触点c 与常闭触点b 接 通，蜂鸣器H 发声报警． 3．实验操作 (1)检查干簧管．用磁体直接靠近干簧管，观察干簧管簧片能否正常动作． (2)连接电路．连接电路前，要检查其他元件是否也能正常工作． (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． 二、实验2 光控开关 1．实验器材和装置 光敏电阻完成光信号向电信号的转变．晶体三极管将电流进行放大，同时具有完成断路和接 通的开关作用．发光二极管LED 模仿路灯．电路设计如图2 甲． 图2 为了能够驱动更大功率的负载，需用继电器来启、闭另外的供电电路，如图乙所示． 2．电路工作原理 (1)光较强时，光敏电阻阻值小，三极管不导通，继电器断路，处于常开状态，小灯泡L 不 亮． (2)光较弱时，光敏电阻阻值变大，三极管导通，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，点亮小灯泡L. 3．实验操作 (1)连接电路，检查无误后，接通电源． (2)用白光照射光敏电阻，调节R1，使发光二极管LED 或小灯泡L 刚好不发光． (3)减弱光敏电阻的光照强度，当光减弱到某种程度时，发光二极管LED 或小灯泡L 发光． (4)让光照加强，当光增强到某种程度时，发光二极管LED 或小灯泡L 熄灭． 一、光控开关的应用 把蜂鸣器、光敏电阻、干簧管继电器开关、电源连成电路如图3 所示，制成光电报 警装置．当报警器有光照射时，峰鸣器发声，当没有光照或者光照很弱时，蜂鸣器不发声． ①光敏电阻：光敏电阻受光照后，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．当线圈中有一定的电流时，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离状态变成闭合状态．当线圈中没有电流或者 电流很微弱时，磁场消失，簧片在弹力的作用下恢复到分离状态．电路已经连接一部分，请 将电路完整连接好． 图3 答案 见解析 解析 电池、光敏电阻与开关及干簧管继电器开关外面接线构成一个回路；而另一组电池、 蜂鸣器与干簧管继电器开关里面的两个接线构成又一个回路．当有光照时，光敏电阻阻值变 小，使得干簧管继电器开关存在磁场，导致开关接通，最终使得蜂鸣器发声，电路如图所示． 二、热敏电阻的应用 (2016·全国卷Ⅰ)现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度 达到或超过60 ℃时，系统报警．提供的器材有：热敏电阻，报警器(内阻很小，流过的电流 超过Ic时就会报警)，电阻箱(最大阻值为999.9 Ω)，直流电源(输出电压为U，内阻不计)，滑 动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值为2 000 Ω)，单刀双掷开关一个， 导线若干． 在室温下对系统进行调节，已知U 约为18 V，Ic约为10 mA；流过报警器的电流超过20 mA 时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60 ℃时阻值为650.0 Ω. (1)完成如图4 所示待调节的报警系统原理电路图的连线． 图4 (2)电路中应选用滑动变阻器________(填“R1”或“R2”)． (3)按照下列步骤调节此报警系统： ①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为________Ω；滑 动变阻器的滑片应置于________(填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是________ _____________________________________________________________________． ②将开关向________(填“c”或“d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至__________ __________________________________________________________________． (4)保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用． 答案 (1)见解析图 (2)R2 (3)①650.0 b 接通电源后，流过报警器的电流会超过20 mA，报警器可能损坏 ②c 报警器开始报警 解析 (1)热敏电阻工作温度达到60 ℃时，报警器报警，故需通过调节电阻箱使其电阻为60 ℃时的热敏电阻的阻值，即调节到阻值650.0 Ω，使报警器能正常报警，电路图如图所示． (2)U＝18 V，当通过报警器的电流10 mA≤Ic≤20 mA，故电路中总电阻R＝，即900 Ω≤R≤ 1 800 Ω，故滑动变阻器选R2. (3)热敏电阻阻值为650.0 Ω 时，报警器开始报警，模拟热敏电阻的电阻箱阻值也应为650.0 Ω，实验调试时，将开关置于c 端，缓慢调节滑动变阻器，直到报警器开始报警．为防止通 过报警器电流过大，造成报警器烧坏，应使滑动变阻器的滑片置于b 端． 1．光敏电阻在各种自动化装置中有很多应用．街道路灯自动控制就是应用之一，如图5 所 示电路为模拟电路，其中A 为一光敏电阻，B 为电磁继电器，C 为电流信号放大器，D 为路 灯．请连成正确的电路，达到日出路灯熄、日落路灯亮的效果． 图5 答案 见解析图 解析 当有光照射时，电流经过放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸合，使两个 触点断开；当无光照时，电流减小，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，控制路灯电路接通，路灯开始工作，电路如图所示． 2．如图6 甲所示为一热敏电阻的R－t 图像，图乙为用此热敏电阻R 和继电器组成的一个简 单恒温箱温控电路，继电器线圈的电阻为200 Ω.当线圈中的电流大于或等于20 mA 时，继 电器的衔铁被吸合．为继电器线圈供电电池的电动势E＝8 V，内阻可以不计．图中的“电 源”是恒温箱加热电源． 图6 (1)图甲说明热敏电阻的阻值随着温度的升高而________(选填“增大”“减小”或“不变”)． (2)应该把恒温箱内加热器接________(选填“AB”或“CD”)端． (3)如果要使恒温箱内的温度保持100 ℃，滑动变阻器R1接入电路的电阻值为________ Ω. 答案 (1)减小 (2)AB (3)150 解析 (1)由题图甲可知热敏电阻的阻值随着温度的升高而减小； (2)当温度较低的时候，热敏电阻的阻值较大，电路中的电流较小，此时继电器的衔铁与AB 部分连接，此时是需要加热的，恒温箱内的加热器要工作，所以应该把恒温箱内的加热器接 在AB 端． (3)当温度达到100 ℃时，加热电路就要断开，此时继电器的衔铁要被吸合，即控制电路的 电流要达到20 mA＝0.02 A，根据闭合电路欧姆定律可得：I＝，解得：R1＝150 Ω. 1.测定压力变化的电容式传感器如图1 所示，A 为固定电极，B 为可动电极，组成一个电容 大小可变的电容器．可动电极两端固定，当待测压力施加在可动电极上时，可动电极发生形 变，从而改变了电容器的电容．现将此电容式传感器连接到如图所示的电路中，当待测压力 增大时( ) 图1 A．电容器的电容将减小 B．电阻R 中没有电流 C．电阻R 中有从a 流向b 的电流 D．电阻R 中有从b 流向a 的电流 答案 D 解析 当待测压力增大时，电容器板间距离减小，根据电容的决定式C＝得知，电容C 增大， 故A 错误．电容器板间电压U 不变，电容器所带电荷量为Q＝CU，C 增大，则Q 增大，电 容器处于充电状态，电路中形成逆时针方向的充电电流，电阻R 中有从b 流向a 的电流，故 B、C 错误，D 正确． 2．(多选)电熨斗已经走进千家万户，特别是服装店更离不开它，现在的电熨斗具有自动控 制温度功能，可以通过双金属片来控制电路的通断．如图2 为电熨斗的结构示意图，下列关 于电熨斗的控制电路的说法正确的是( ) 图2 A．常温下，电熨斗的上下触点应该是分离的 B．图中双金属片上层的膨胀系数大于下层金属片的膨胀系数 C．熨烫棉麻衣物时需要设定较高的温度，应旋转调温旋钮，使升降螺钉上升 D．熨烫丝绸衣物时需要设定较低的温度，应旋转调温旋钮，使升降螺钉上升 答案 BD 解析 常温时，电熨斗的上下触点接触，这样电熨斗接通电源后能进行加热．当温度过高时 双金属片膨胀，因上层的热膨胀系数较大，故上层膨胀得厉害，双金属片向下弯曲，弯曲到 一定程度后，两触点分离，电路断开，电热丝停止加热；当温度降低后，双金属片恢复原状， 重新接通电路加热，故A 错误，B 正确．熨烫棉麻衣物需要设定较高的温度，也就是要求双 金属片弯曲程度较大时，两触点分离，所以应使升降螺钉下降；熨烫丝绸衣物需要设定较低 的温度，应使升降螺钉上升，故C 错误，D 正确． 3.(多选)如图3 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( ) 图3 A．当有人通过而遮住光线时，A、B 之间电压升高 B．当有人通过而遮住光线时，A、B 之间电压降低 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 答案 BC 解析 R1是光敏电阻，有光照射时，电阻变小，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 项错误，B 项正确；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 项正确；当减小R2的阻值时，电路中的电流增大，A、B 间的电压U 减小，故D 项错误． 4．如图4 所示为一温度自动报警器的原理图，在水银温度计的顶端封入一段金属丝，下列 说法正确的是( ) 图4 A．温度升高至74 ℃时，灯L1亮报警 B．温度升高至74 ℃时，灯L2亮报警 C．温度升高至78 ℃时，灯L1亮报警 D．温度升高至78 ℃时，灯L2亮报警 答案 D 解析 当温度低于78 ℃时，线圈中没有电流，此时仅灯L1亮，并不报警；当温度升高到78 ℃时，线圈中有电流，磁体吸引衔铁，灯L2被接通，所以灯L2亮报警． 5．(2020·太原市模拟)如图5 是磁报警装置中的一部分电路示意图，其中电源电动势为E， 内阻为r，R1、R2是定值电阻．RB是磁敏传感器，它的电阻阻值随磁体的出现而减小，c、d 接报警器．电路闭合后，当传感器RB所在处出现磁体时，则通过电流表的电流I，c、d 两端 的电压U 将( ) 图5 A．I 变大，U 变小 B．I 变小，U 变大 C．I 变大，U 变大 D．I 变小，U 变小 答案 A 解析 由“串反并同”知当传感器处出现磁体，RB减小时，干路电流变大，U 变小，电流 表示数变大，即I 变大，故A 对，B、C、D 错． 6．温度传感器广泛应用于家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性来工作 的．如图6 甲所示为某装置中的传感器工作原理图，已知电源的电动势E＝9.0 V，内电阻不 计；G 为灵敏电流表，其电阻Rg保持不变，R 为热敏电阻，其阻值随温度的变化关系如图乙 所示．闭合开关S，当R 的温度等于20 ℃时，电流表示数I1＝2 mA；当电流表的示数I2＝ 3.6 mA 时，热敏电阻的温度是( ) 图6 A．60 ℃ B．80 ℃ C．100 ℃ D．120 ℃ 答案 D 解析 由题图乙可知，当R 的温度等于20 ℃时，热敏电阻的阻值R1＝4 kΩ，则由I1＝可得 Rg＝0.5 kΩ；当电流I2＝3.6 mA 时，由I2＝可得R2＝2 kΩ，由题图乙可知，此时热敏电阻的 温度为120 ℃，故选D. 7．(多选)(2019·大庆市实验中学月考)如图7 所示的火灾报警装置，R1为热敏电阻，若温度 升高，则R1的阻值会急剧减小，从而引起电铃两端电压增加，当电铃两端电压达到一定值 时，电铃会响．下列说法正确的是( ) 图7 A．要使报警的临界温度升高，可以适当增大电源的电动势 B．要使报警的临界温度升高，可以把R2的滑片P 适当向下移 C．要使报警的临界温度降低，可以适当增大电源的电动势 D．要使报警的临界温度降低，可以把R2的滑片P 适当向下移 答案 CD 解析 要使报警的临界温度升高，R1对应的阻值减小，电路中电流会增大，电铃两端的电 压会增大，而当电铃两端电压达到一定值时，电铃会响，要使电铃的电压仍为原来的值，可 以适当减小电源的电动势，相反，要使报警的临界温度降低，可以适当增大电源的电动势， 故A 错误，C 正确；要使报警的临界温度升高，根据串联电路的特点可知，可以把R2的滑 片P 适当向上移，以减小R2接入电路的阻值，相反，要使报警的临界温度降低，可以把R2 的滑片P 适当向下移，故B 错误，D 正确． 8．如图8 是某研究学习小组模拟街道路灯自动控制电路的电路图，光控开关可采用光敏电 阻来控制，光敏电阻的阻值随着光照强度增强而减小，利用直流电源为电磁铁供电，利用照 明电源为路灯供电．为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果，路灯应接在________(选填“AB” 或“BC”)之间，请用笔画线代替导线，正确连接部分电路元件． 图8 答案 AB 见解析图 解析 该模拟电路原理是：由光敏电阻感知光照强度变化，调节电磁铁中电流的大小，即可 调节电磁铁的磁性强弱，吸引或者释放衔铁，从而断开或接通路灯，达到天亮灯熄、天暗灯 亮的效果．因为天亮时光照强度大，光敏电阻阻值较小，电路的电流较大，电磁的磁性强， 可将衔铁吸下，接通BC，断开AB；又因为天亮需要断开路灯，所以路灯应接在AB 之间． 电路连线直接将DE 两端口与光敏电阻、滑动变阻器、开关以及电源串联即可．电路如图所 示． 9．传感器担负着信息采集的任务，在自动控制中发挥着重要作用，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(电学量)，例如热敏传感器．某热敏电阻RT 阻值随温度变化的图线如图9 甲所示，图乙是由该热敏电阻RT作为传感器制作的简单自动 报警器线路图．问： 图9 (1)为了使温度过高时报警器响铃，c 应接在__________(选填“a”或“b”)处． (2)若要使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器的滑片P 向________(选填“左”或 “右”)移动． (3)如果在调试报警器达到最低报警温度时，无论如何调节滑动变阻器的滑片P 都不能使报 警器工作，且电路连接完好，各电路元件都能处于工作状态，则造成工作电路不能正常工作 的原因可能是_____________________________________________________________． 答案 (1)a (2)左 (3)电源提供的电压太小以至于电磁铁磁性太弱或弹簧劲度系数太大，电 磁铁的吸引力小于弹力 解析 (1)由题图甲可知，热敏电阻RT在温度升高时阻值变小，电路中电流变大，电磁铁磁 性增强，把右侧衔铁吸引过来，与a 接触，故c 应接在a 处． (2)若要使启动报警的温度提高，则应使电路中电阻更大，滑动变阻器的滑片P 向左移动． (3)电源提供的电压太小以至于电磁铁磁性太弱或弹簧劲度系数太大，电磁铁的吸引力小于 弹力． 10．(2020·梅河口市第五中学高二月考)电饭煲的工作原理如图10 所示，可分为两部分，即 控制部分：由S1、S2、定值电阻R1和黄灯组成；工作(加热)部分：由发热电阻R3、定值电阻 R2和红灯组成．S1是一个磁钢限温开关，手动闭合，当此开关的温度达到居里点(103 ℃)时， 自动断开，且不能自动复位，S2是一个金属片自动开关，当温度达到70～80 ℃时，自动断 开，低于70 ℃时，自动闭合，红灯、黄灯是指示灯，通过其电流必须较小，所以R1、R2起 ________作用．R3是发热电阻，接通电源并闭合S1后，黄灯熄而红灯亮，R3发热，当温度 达到70～80 ℃时，S2断开，当温度达到103 ℃时饭熟，S1断开，当温度降到70 ℃以下时， S2闭合，电饭煲处于保温状态，由以上描述可知R2________R3(选填“<”“＝”或“>”)，若 用电饭煲烧水时，S1________(选填“会”或“不会”)自动断开． 图10 答案 限流 > 不会 解析 通过红灯、黄灯的电流必须较小，根据欧姆定律可知R1、R2起限流作用；R3是发热 电阻，要产生很大的热量，所以电流要大一点，而通过R2的电流要小一点，且并联电路电 压相等，根据欧姆定律可知R2>R3；若用电饭煲烧水时，温度达不到居里点(103 ℃)，S1不 会自动断开．