第3节 利用传感器制作简单的自动控制装置-【创新教程】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册五维课堂（人教版2019）

参考答案 2.C[红外数字温度计应用了红外传感器，不符合题意，故A 2.解析：水位正常时，线图中没有电流，衔铁1与触头3接触， 错误：天黑自动开启的路灯使用了光敏电阻传感器，不特合 这时应绿灯亮，所以绿灯泡应安在A位置，当高出一定水住 题意，故B错误：数字体重计采用了压力传感器，符合题意 时，线圈中有电流，磁铁吸引衔铁1，使它与融头3断开，与 故C正确：白炽灯泡将电能转化为热，然后转化为光，不符 触头2接触，这时应红灯亮，所以红灯泡应安在B位置， 合题意，故D错误.] 答案：BA 3.C[金属导体电阻值一般随温度升高而增大，光敏电阻电 探究2 阻值随光照强度的增大而减小，PTC热敏电阻的阻值随温 [例2][解析] (1)电路原理如图 度的升高而增大，只有NTC热敏电阻的阻值随温度的升高 所示 而减小，C对，A、B,D错.] 4,AC[由题图可知，当光敏电阻阻值减小或热敏电阻阻值增 (2)①由题意知，最大电流1m= 大时，小灯泡L都会变暗，站合光敏电阻特性可知，A正确， 100mA,则 B错误：若光敏电阻阻值减小的同时，热敏电阻的阻值增大， U.=1R=100×102×200V=20V 小灯泡L变暗，C正确：若热敏电阻减小，光敦电阻增大，则 又E=I(R。+R) 小灯泡变亮，D错误.门 周50mA<I≤100mA 5.B[振动膜片向左振动时电客器两极板间的距离变大，由C 代入数据解得1602≤R,<520n. 一品于知电家器的电家减小A错误：由C-吕可知，在 ②把触，点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当磁铁吸合 U不变的情况下，C减小则Q减小，电容器处于放电状态，R 铁片时，3、4之间接通：不吸合时，3、4之间断开 号可知，电 中电流方向自左向右，B正确，D错误：依据E= [答案](1)见解析图(2)①20160520 ②见解析 客器两极板间的场强减小，C错误.门 跟进训练 第3节利用传感器制作简单的自动控制装置 1.BC[天黑时，R:阻值增大到一定值，斯密特触发器输入端 合作探究·攻重难 A的电压上升到莱个值，输出端Y突然由高电平跳到低电 探究1 平：R,调大时，A端电压降低，只有天更暗时，R,电阻更大 [例1][解析]热敏电阻R,与滑动变阻器及电磁继电器构 时，路灯才点亮，故选项B、C正确，AD错误.] 成低压拉制电路.电路图如图所示 2,A[规定电源负板的电势为零，则%=R十K保持不变· ER. E 电源 而4=R,十R,+R。R+R 一，当有烟雾时，光敏电阻 R 热坡电 电丝 R。增大，9增大.所以当9>华时，控制电路开始工作.] 电酸维电器 00 滑动变器 课堂自测·夯基础 当温度低于某一值时，热敏电阻的阻值很大，流过电磁能电 1.A[由图可知A,B是电磁继电器线图，所以A、B应接信号 器的电流很小，篮电器无法吸引衔铁P,K处接通，电炉丝处 电压，线图随信号电压变化使电磁继电器相吸或赫斥，从而 于加热状态：当温度高于某一值时，热敏电阻的阻值变得很 使C、D接通或断开，进而起到控制作用，所以选项A正确，门 小，通过电磁继电器的电流较大，继电器吸引衔铁P,K处断 2.C[甲的回路应为控制电路，甲当然为半导体热敏电阻.热 开，电炉丝停止加热 敏电阻特点是温度高，电阻小，电流大，继电署工作，触头被 [答案]见解析 吸下，乙被接通应报警，即乙是小电铃，平常时，温度低、电阻 跟进训练 大、电流小，丙导通，丙应是绿灯泡，选项C正确.] 1.BC[由题意可知，当S闭合时，电磁铁F将街铁D吸下， 3.解析：(1)由图甲可知当温度升高时R,的阻值减小，通过线 C线路接通，这时虽然B线圈的开关S,闭合，但通过它的磁 图的电流变大，电磁铁的磁场变强，对衔铁的引力变大，可与 通量不变，所以没有电磁感应现象发生，当S断开时，A线 a点接触，欲使报馨器报警，c应接在a点： 圈立即断路，不会发生电磁感应，但通过B线圈的磁通量减 少，由于B线图的电磁感应作用，才产生延时释放D的作 (②)若使启动报警的温度提高些，可使电路的相对电流减小 用，远项B正确，如果此时断开B线圈的开关S,则B线圈 一些，以使得热敏电阻R,的阻值减小得更大一些，所以将滑 虽然产生感应电动势，但不产生感应电流，不能吸引衔铁D, 动变阻器滑片P向左移动，增大滑动变阻器接入电路的 无延时作用，选项C正确，门] 阻值。 ·147. 物理·选择性必修第二册 (3)在调试报警器达最低报警温度时，无论如何调节滑动变 (3)应用热放电阻的例子很多，如恒温箱，自动期化器，热敏 阻器滑片P都不能使报警器工作，可能是通过线图的电流 温度计等 太小，电磁铁的磁场弱，对衔铁的引力较小，也可能是弹簧的 [答案](1)(a)电路电压可从0调到所需电压，电压调节 弹力较大，电磁铁对衔铁的引力不能将衔铁吸引到和a接触 范围大(2)5.2108.8(108.6~109.0均可)(3)恒温 的状态，还可能是乙图电源电压太低或继电器线圈匝数 箱，自动孵化器，热敏温度计等 太少， [例2][解析](1)电路原理如图所示 答案：(1)a(2)左(3)乙图中的电源电压太低域继电器线 ☒ 43 圈匝数太少或弹簧劲度系数太大（任选一条） 112 4.解析：天较亮时，光敏电阻R:阻值较小，斯密特触发器输入 端A电势较低，则输出端Y输出高电平，线喝中无电流，工 作电路不通；天较暗时，光敏电阻R电阻增大，斯密特触发 E 器输入端A电势升高，当升高到一定值，输出端Y由高电平 (2)①由题意知：UU=1R=0.1A×2000=20V: 突然跳到低电平，有电流通过线图A,电磁继电器工作，接通 R的阻值最小时流过励磁线圈的电流最大， 工作电路，使路灯自动开启：天明后，R。阻值减小，斯密特触 发器输入端A电势逐渐降低，降到一定值，输出端Y突然由 即1n一R5解释R-160 R。的阻值最大时流过励磁线图的电流最小， 纸电平跳到高电平，则线图A不再有电流，则电磁继电器自 E 动切断工作电路的电源，路灯热灭 即1一R+R,解得R=520D 答案：见解析 故保护电阻R:的阻值范国为160一520n. 5.解析：由光敏电阻的特性曲线可以看出，当入射光增强时，光 ②把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当磁铁吸合 敏电阻的阻值减小，流过光敏电阻的电流增大.根据题意设 铁片时，3、4之间接通：不吸合时，3,4之间断开 计的自动光控电路如图所示，控制过程是：当有光照时，输入 ③①电磁起重机（电磁打点计时器，电铃等合理答案均可）. 电流经过放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸引 [答案](1)见解析(2)①20160~520②把触点从弹 衔铁使两个触点断开：当无光照时，输入电流减小，放大器输 簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当磁铁吸合铁片时，3、4之 出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个触点闭合，控制电 间接通，不吸合时，3、4之间断开③见解析 路接道，灯开始工作」 强化训练 1.解析：如图所示，当有光照且光照较强时，光敏电阻的阻值变 电流位号 零线 小，使得千簧管继电器线调中有较大的电流，从而产生磁场， 敛人器 火线 导致两个铁质簧片闭合，最终使得蜂鸣器发声， 衔铁 答案：如图所示 巴导触点 电磁铁 干黄管继电器 蜂鸣器 光敏电和 答案：见解析图 章末归纳提升 90 能力强化 [例1][解析](1)由于U关系图线中电压从0调至所需 2.解析：电磁继电器起开关作用，所以电池组A、开关S、电子 电压，电压钢节范围大，所以应选择(a) 鼻B和电磁继电器（电磁铁部分）应组成一个电路，另一个 (2)由题图知，R2与热数电阻串联后与R1并联接在9V电 是中排风扇和电源组成的电路，连线图如答图所示。 源上，总电流1=70mA,R,=250Q.设通过热放电阻的电 流为12，通过R,的电流为1，则1一1，十1，故1=1一I, (0-2×10）mA=34mA.由图像查得34mA时应的 电压为5.3V,R两端电压U2=(9-5.3)V=3.7V.所以 3.7V R:=34x10A=108.8n 答案：见解析图 ·148·第五章传感器 3.(认识传感器)有一电学元件，温度升高时其 C.温度降低，光照增强 电阻减小，这种元件可能是 ( D.温度升高，光照减弱 A.金属导体 B.光敏电阻 5.(电容式话筒感器)如图所 C.NTC热敏电阻 D.PTC热敏电阻 示的电容式话筒就是一种 声 4.(传感器的工作原理及应用)（多选）如图所 电容式传感器，其原理是： 振膜 导电性振动膜片与固定电 徐山信寻 示电路中，电源电动势为E,内阻为”，R,为 极构成了一个电容器，当振动膜片在声音的 负温度系数热敏电阻，R为光敏电阻，闭合 作用下振动时，两个电极之间的电容发生变 开关后，小灯泡L正常发光，由于环境条件 化，电路中电流随之变化，这样声信号就变 改变（光照或温度），发现小灯泡亮度变暗， 成了电信号，则当振动膜片向左振动时 则引起小灯泡变暗的原因可能是 () A.电容器的电容增大 B.电容器带电荷量减少 C.电容器两极板间的场强增大 R D.电阻R中的电流方向自右向左 A.温度不变，光照增强 ©温馨提西 B.温度升高，光照不变 学习至此，请完成配套训练 第3节 利用传感器制作简单的自动控制装置 自主预习。探新知 [知识梳理] 2.晶体三极管：全称应为半导体三 一、实验目的 极管，也称双极型晶体管、晶体三 1.知道干簧管、光敏电阻、三极管、二极管、电 极管，是一种控制电流的半导体 磁继电器的功能 器件.其作用是把微弱信号放大成幅度值较 2.会利用传感器制作简单的自动控制装置， 大的电信号，也用作无触点开关， 3.掌握门窗防盗报警装置和光控开关的工作 3.电磁继电器：电磁继电器是一种电子控制器 原理 件，它具有控制系统（输人回路）和被控制系 二、实验器材 统（输出回路），通常应用于自动控制电路 1.发光二极管：单向导电性，在正向电压作用 中，它实际上是用较小的电流、较低的电压 下电阻很小，处于导通状态：在反向电压作 去控制较大电流、较高的电压的一种“自动 用下电阻很大，处于截止状态 开关” 电 源O ·113· 物理·选择性必修第二册 [实验1]门窗防盗报警装置 (2)确定各元件可以正常工作后，按照电路图 1.实验器材和装置 所示连接电路。 (1)实验电路图 (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， H [实验2]光控开关 1.实验器材和装置 (1)实验电路图 R.0 (2)实验器材 LED应 序号 名称 规格型号 数量 1 干簧管SA 常开型 2 继电器 JQX-14FC 5 V 1 若想采用小灯泡模仿路灯，就要使用继电 器(K)来启、闭另外的供电电路. 发光二极管LED 绿色 +Vs 电阻R 3302 1 5 蜂鸣器H 有源型 1 TL 6 电源 干电池6V 1 小磁体 0 (2)实验器材 开关 序号 名称 规格型号 数量 2.电路工作原理 1 可调电阻R, 最大电阻为51kn 闭合电路开关S,系统处于防盗状态 (1)当门窗紧闭时，磁体M靠近干簧管SA,干 2 限流电阻R 3302 簧管两个簧片被磁化相吸而接通继电器线 暗电阻>1Mn 圈K,使继电器工作.继电器的动触点c与 3 光敏电阻R。 亮电阻<3kn 常开触点a接通，发光二极管LED发光， 三极管VT 8050 显示电路处于正常工作状态. (2)当门窗开启时，磁体离开干簧管，干簧管失 发光二极管LED 红色 磁断开，继电器被断电.继电器的动触点c HRSIH-S5V或 与常闭触点b接通，蜂鸣器H发声报警. 继电器 JQX-14FC 5V 3.实验操作 7 小灯泡L 6V0.3A (1)连接电路前，要先判断一下干簧管是否可 二极管D IN4001 以正常工作.用磁体直接靠近干簧管，观察 电源 干电池6V 簧片能否正常动作」 ·114· 第五章传感器 2.电路工作原理 3.实验操作 (1)当环境光比较强时，光敏电阻R。的阻值 (1)按照电路图连接电路，检查无误后，接通 很小，三极管不导通，发光二极管或继电器 电源 所在的回路相当于断路，即发光二极管不 (2)让光敏电阻R:受到白天较强的自然光照 工作：继电器处于常开状态，小灯泡L 射，调节电阻R,使发光二极管LED或小 不亮 灯泡L刚好不发光， (2)当环境光比较弱时，光敏电阻R。的阻值 (3)遮挡R。,当光照减弱到某种程度时，就会 变大，三极管导通，且获得足够的基极电 看到发光二极管LED或小灯泡L发光： 流，产生较大的集电极电流，点亮发光二极 (4)让光照加强，当光照强到某种程度时，则发 管或驱动继电器吸合而点亮小灯泡L 光二极管LED或小灯泡L熄灭. 合作探究。攻重雅 摇究1电磁继电器工作原理写分析 ◆[跟进训练] [例1]现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继 1.(多选)如图所示是一种 电器、滑动变阻器、开关和导线若干，如图所 延时开关，当S闭合时， 示，试设计一个温控电路，要求温度低于某 电磁铁F将衔铁D向下 吸，C线路接触：当S1断 一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一 开时，由于电磁感应作 温度又可以自动断电，画出电路图并说明工 用，D将延迟一段时间才被释放，则( 作过程， A.由于A线圈的电磁感应作用，才产生延 时释放D的作用 B.由于B线圈的电磁感应作用，才产生延 时释放D的作用 C.如果断开B线圈的开关S2,无延时作用 D.如果断开B线圈的开关S2,延时将变长 2.如图所示是自动水位报警的示意图，其中继 电器的线圈通过电流时，磁铁吸引衔铁1， 使它与触头3断开，与触头2接触.若要求 水位正常时绿灯亮，高出一定水位时红灯 亮，现有红、绿灯泡各一个，红灯泡应安在 位置，绿灯泡应安在 位置 (填“A”或“B”). 乃 电源 ·115. 物理·选择性必修第二册 探开2光控并关工作原理与分析 (2)回答下列问题： [例2]城市街道的路灯用光敏电阻作为传 ①如果励磁线圈的电阻为200Ω，励磁线圈 允许加的最大电压为 V,保护电阻 感器控制路灯电路的开关，实现自动控制 R,的阻值范围是 0. 光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化，作 ②在有些应用电磁开关的场合，为了安全， 为简化模型，可以近似认为，照射光较强（如 往往需要在电磁铁吸合铁片时，接线柱3、4 白天)时电阻几乎为0：照射光较弱（如黑 之间从断开变为接通.为此，电磁开关内部 天)时电阻接近于无穷大.利用光敏电阻作 结构应如何改造？请结合本题中电磁开关 为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自 内部结构图说明. 动在白天关闭，黑天打开.电磁开关的内部 ◆[跟进训练] 结构如图所示.1、2两接线柱之间是励磁线 1.(多选)如图所示为控制路灯自动亮、熄的控 圈，3、4两接线柱分别与弹簧片和触点连 制装置，R。为光敏电阻，A为斯密特触发器 接.当励磁线圈中电流大于50mA时，电磁 的输入端，在天黑时路灯（发光二极管）会点 铁吸合铁片，弹簧片和触点分离，3、4断开： 亮.下列说法正确的是 +5 电流小于50mA时，3、4接通.励磁线圈中 允许通过的最大电流为100mA. 弹片 A.天黑时，Y处于高电平 铁片 B.天黑时，Y处于低电平 电露铁 励微线倒 C.当R调大时，天更暗时，灯才点亮 绝缘支架 D.当R,调大时，天较亮时，灯就能点亮 (1)利用以下器材设计一个自动控制路灯的 2.如图所示是一种烟雾报警器的控制电路图， 电路，画出电路原理图， 其原理简化如下：调节可变电阻R1使U23= 0.当有烟雾时，M741开始触发工作，其中 光敏电阻R,符号 R。是光敏电阻.由此可知，要使M741开始 灯泡L,符号，额定功率40W,额定电压 工作，则应满足 36V,保护电阻R2,符号 电磁开关，符号1牛 蓄电池E,电压36V,内阻很小：开关S,导 A.p2> B.92<9s 线若干 C.92=9 D.无法判断 ·116· 第五章传感器 课堂自测。夯基础 1.(电磁继电器与传感器)如图 如，热敏传感器主要是应用了半导体材料制 所示为小型电磁继电器的构 成的热敏电阻，其阻值随温度变化的图线如 造示意图，其中L为含铁芯 图甲所示，图乙是由热敏电阻R,作为传感 的线圈.P为可经O点转动的铁片，K为弹 器制作的简单自动报警器的线路图，问： 簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线 0000 柱.电磁继电器与传感器配合，可完成自动 控制的要求.其工作方式是 ( ) A.A与B接信号电压，C与D可跟被控电 甲 路串联 (1)为了使温度过高时报警铃响，c应接在 B.A与B接信号电压，C与D可跟被控电 (选填“a”或“b”)点. 路并联 (2)若使启动报警的温度提高些，应将滑动 C.C与D接信号电压，A与B可跟被控电 变阻器滑片P向 (选填“左”或 路串联 “右”)移动. D.C与D接信号电压，A与B可跟被控电 (3)如果在调试报警器达最低报警温度时， 路并联 无论如何调节滑动变阻器滑片P都不能使 2.(电磁继电器与传感器)如图所示为用电源、 报警器工作，且电路连接完好，各电路元件 电磁继电器、滑动变阻器、绿灯泡、小电铃、 都能处于工作状态，则造成工作电路实际不 负温度系数半导体热敏电阻、开关、导线等 能工作的原因可能是 组成的一个高温报警器电路图，要求是：正 常情况绿灯亮，有险情时电铃报警，则图中 4.(斯密特触发器)如图是用斯密特触发器控 甲、乙、丙分别是 制某宿舍楼道内灯的示意图，试说明其工作 原理 D 电见 +5 A.小电铃、半导体热敏电阻、绿灯泡 高乐作电路 B.绿灯泡、半导体热敏电阻、小电铃 C.半导体热敏电阻、小电铃、绿灯泡 低压控制电路 D.半导体热敏电阻、绿灯泡、小电铃 3.(热敏传感器)传感器担负着信息的采集任 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（通常是电学量）.例 ·117· 物理·选择性必修第二册 5.(光控电路)如图甲(a)所示为一测量硫化镉 · 光敏电阻特性的实验电路，电源电压恒定. 电流信马 C线 放大程 火线 电流表内阻不计，开关闭合后，调节滑动变 D 衔铁 a触点 阻器滑片，使小灯泡发光逐渐增强，测得流 过电阻的电流和光强的关系曲线如图甲(b) 所示，试根据这一特性由图乙中给定的器材 设计一个自动光控电路. 4电流 光渊 C温蓉提店 b 学习至此，请完成配套训练 章末归纳提升 [知识整合] 传感器的原理和分类 认识传感器 常见传感器 敏感元件的认识与使用 传感器 常见传感器的工作原理及应用 电容式传感器 门窗防盗报警装置 利用传感器制作简单的白动控制装置 光控开关 [能力强化] [强化点1]传感器工作原理、常见敏感元件 (2)金属热电阻：金属热电阻的电阻率随温度 及应用 的升高而增大。 1.传感器的工作原理 (3)热敏电阻：热敏电阻有正温度系数和负温 传感器感受的都是非电学量，如力、热、磁、 度系数两种.正温度系数的热敏电阻的阻 光、声等，而它输出的通常是电学量，这些输 出信号一般都是非常微弱的，通常要经过放 值随温度升高而增大，负温度系数的热敏 大后再传送给控制系统产生各种控制动作， 电阻的阻值随温度的升高而减小. 传感器原理如框图所示 (4)电容器：平行板电容器的电容与极板面积、 电学帚 极板间距及电介质材料有关，电容器可以 2.常见敏感元件及特性 感知引起电容变化的任一外界信息，并将 (1)光敏电阻：光敏电阻的阻值与所受光照的 其转化为电容变化.例如，当极板受力时会 强度有关，光照增强电阻减小，光照减弱电 改变极板间距，从而引起电容变化。 阻增大 ·118·