第5章 第3节 利用传感器制作简单的自动控制装置-【创新教程】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册五维课堂同步Word教案（人教版2019）

第3节　利用传感器制作简单的自动控制装置 [知识梳理] 一、实验目的 1．知道干簧管、光敏电阻、三极管、二极管、电磁继电器的功能． 2．会利用传感器制作简单的自动控制装置． 3．掌握门窗防盗报警装置和光控开关的工作原理． 二、实验器材 1．发光二极管：单向导电性，在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态；在反向电压作用下电阻很大，处于截止状态． 2．晶体三极管：全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管，是一种控制电流的半导体器件．其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号，也用作无触点开关． 3．电磁继电器：电磁继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统(输入回路)和被控制系统(输出回路)，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流、较低的电压去控制较大电流、较高的电压的一种“自动开关”． [实验1]　门窗防盗报警装置 1．实验器材和装置 (1)实验电路图 (2)实验器材 序号 名称 规格型号 数量 1 干簧管SA 常开型 1 2 继电器 JQX－14FC 5 V 1 3 发光二极管LED 绿色 1 4 电阻R 330 Ω 1 5 蜂鸣器H 有源型 1 6 电源 干电池6 V 1 7 小磁体 1 8 开关 1 2.电路工作原理 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，干簧管两个簧片被磁化相吸而接通继电器线圈K，使继电器工作．继电器的动触点c与常开触点a接通，发光二极管LED发光，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，干簧管失磁断开，继电器被断电．继电器的动触点c与常闭触点b接通，蜂鸣器H发声报警． 3．实验操作 (1)连接电路前，要先判断一下干簧管是否可以正常工作．用磁体直接靠近干簧管，观察簧片能否正常动作． (2)确定各元件可以正常工作后，按照电路图所示连接电路． (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． [实验2]　光控开关 1．实验器材和装置 (1)实验电路图 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． (2)实验器材 序号 名称 规格型号 数量 1 可调电阻R1 最大电阻为51 kΩ 1 2 限流电阻R2 330 Ω 1 3 光敏电阻RG 暗电阻＞1 MΩ 亮电阻＜3 kΩ 1 4 三极管VT 8050 1 5 发光二极管LED 红色 1 6 继电器 HRS1H－S 5V或 JQX－14FC 5V 1 7 小灯泡L 6 V 0.3 A 1 8 二极管D IN4001 1 9 电源 干电池6 V 1 2.电路工作原理 (1)当环境光比较强时，光敏电阻RG的阻值很小，三极管不导通，发光二极管或继电器所在的回路相当于断路，即发光二极管不工作；继电器处于常开状态，小灯泡L不亮． (2)当环境光比较弱时，光敏电阻RG的阻值变大，三极管导通，且获得足够的基极电流，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而点亮小灯泡L. 3．实验操作 (1)按照电路图连接电路，检查无误后，接通电源． (2)让光敏电阻RG受到白天较强的自然光照射，调节电阻R1使发光二极管LED或小灯泡L刚好不发光． (3)遮挡RG，当光照减弱到某种程度时，就会看到发光二极管LED或小灯泡L发光． (4)让光照加强，当光照强到某种程度时，则发光二极管LED或小灯泡L熄灭． 　　 电磁继电器工作原理与分析 [例1]　现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干，如图所示，试设计一个温控电路，要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度又可以自动断电，画出电路图并说明工作过程． [解析]　热敏电阻RT与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路．电路图如图所示 当温度低于某一值时，热敏电阻的阻值很大，流过电磁继电器的电流很小，继电器无法吸引衔铁P，K处接通，电炉丝处于加热状态；当温度高于某一值时，热敏电阻的阻值变得很小，通过电磁继电器的电流较大，继电器吸引衔铁P，K处断开，电炉丝停止加热． [答案]　见解析 ◆[跟进训练] 1．(多选)如图所示是一种延时开关，当S1闭合时，电磁铁F将衔铁D向下吸，C线路接触；当S1断开时，由于电磁感应作用，D将延迟一段时间才被释放，则(　　) 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 解析：BC　[由题意可知，当S1闭合时，电磁铁F将衔铁D吸下，C线路接通，这时虽然B线圈的开关S2闭合，但通过它的磁通量不变，所以没有电磁感应现象发生．当S1断开时，A线圈立即断路，不会发生电磁感应，但通过B线圈的磁通量减少，由于B线圈的电磁感应作用，才产生延时释放D的作用，选项B正确．如果此时断开B线圈的开关S2，则B线圈虽然产生感应电动势，但不产生感应电流，不能吸引衔铁D，无延时作用，选项C正确．] 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”)． 解析：水位正常时，线圈中没有电流，衔铁1与触头3接触，这时应绿灯亮，所以绿灯泡应安在A位置，当高出一定水位时，线圈中有电流，磁铁吸引衔铁1，使它与触头3断开，与触头2接触，这时应红灯亮，所以红灯泡应安在B位置． 答案：B　A 光控开关工作原理与分析 [例2]　城市街道的路灯用光敏电阻作为传感器控制路灯电路的开关，实现自动控制．光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化，作为简化模型，可以近似认为，照射光较强(如白天)时电阻几乎为0；照射光较弱(如黑天)时电阻接近于无穷大．利用光敏电阻作为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭，黑天打开．电磁开关的内部结构如图所示.1、2两接线柱之间是励磁线圈，3、4两接线柱分别与弹簧片和触点连接．当励磁线圈中电流大于50 mA时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分离，3、4断开；电流小于50 mA时，3、4接通．励磁线圈中允许通过的最大电流为100 mA. (1)利用以下器材设计一个自动控制路灯的电路，画出电路原理图． 光敏电阻R1，符号 灯泡L，符号 ，额定功率40 W，额定电压36 V， 保护电阻R2，符号 电磁开关，符号 蓄电池E，电压36 V，内阻很小；开关S，导线若干． (2)回答下列问题： ①如果励磁线圈的电阻为200 Ω，励磁线圈允许加的最大电压为________V，保护电阻R2的阻值范围是____________Ω. ②在有些应用电磁开关的场合，为了安全，往往需要在电磁铁吸合铁片时，接线柱3、4之间从断开变为接通．为此，电磁开关内部结构应如何改造？请结合本题中电磁开关内部结构图说明． [解析]　 (1)电路原理如图所示． (2)①由题意知，最大电流Im＝100 mA，则 Um＝ImR＝100×10－3×200 V＝20 V 又E＝I(R2＋R) 因50 mA<I≤100 mA 代入数据解得160 Ω≤R2<520 Ω. ②把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当磁铁吸合铁片时，3、4之间接通；不吸合时，3、4之间断开． [答案]　(1)见解析图　(2)①20　160～520 ②见解析 ◆[跟进训练] 1．(多选)如图所示为控制路灯自动亮、熄的控制装置，RG为光敏电阻，A为斯密特触发器的输入端，在天黑时路灯(发光二极管)会点亮．下列说法正确的是(　　) A．天黑时，Y处于高电平 B．天黑时，Y处于低电平 C．当R1调大时，天更暗时，灯才点亮 D．当R1调大时，天较亮时，灯就能点亮 解析：BC　[天黑时，RG阻值增大到一定值，斯密特触发器输入端A的电压上升到某个值，输出端Y突然由高电平跳到低电平；R1调大时，A端电压降低，只有天更暗时，RG电阻更大时，路灯才点亮，故选项B、C正确，A、D错误．] 2．如图所示是一种烟雾报警器的控制电路图，其原理简化如下：调节可变电阻R1使U23＝0.当有烟雾时，开始触发工作，其中Rg是光敏电阻．由此可知，要使开始工作，则应满足(　　) A．φ2>φ3　　　 B．φ2<φ3 C．φ2＝φ3 D．无法判断 解析：A　[规定电源负极的电势为零，则φ3＝保持不变．而φ2＝＝，当有烟雾时，光敏电阻Rg增大，φ2增大．所以当φ2>φ3时，控制电路开始工作．] 　　　　　　　　 1．(电磁继电器与传感器)如图所示为小型电磁继电器的构造示意图，其中L为含铁芯的线圈．P为可经O点转动的铁片，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线柱．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可跟被控电路串联 B．A与B接信号电压，C与D可跟被控电路并联 C．C与D接信号电压，A与B可跟被控电路串联 D．C与D接信号电压，A与B可跟被控电路并联 解析：A　[由图可知A、B是电磁继电器线圈，所以A、B应接信号电压，线圈随信号电压变化使电磁继电器相吸或排斥，从而使C、D接通或断开，进而起到控制作用．所以选项A正确．] 2．(电磁继电器与传感器)如图所示为用电源、电磁继电器、滑动变阻器、绿灯泡、小电铃、负温度系数半导体热敏电阻、开关、导线等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，则图中甲、乙、丙分别是(　　) A．小电铃、半导体热敏电阻、绿灯泡 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 D．半导体热敏电阻、绿灯泡、小电铃 解析：C　[甲的回路应为控制电路，甲当然为半导体热敏电阻．热敏电阻特点是温度高，电阻小，电流大，继电器工作，触头被吸下，乙被接通应报警，即乙是小电铃，平常时，温度低、电阻大、电流小，丙导通，丙应是绿灯泡，选项C正确．] 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)．例如，热敏传感器主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻，其阻值随温度变化的图线如图甲所示，图乙是由热敏电阻Rt作为传感器制作的简单自动报警器的线路图，问： (1)为了使温度过高时报警铃响，c应接在________(选填“a”或“b”)点． (2)若使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器滑片P向________(选填“左”或“右”)移动． (3)如果在调试报警器达最低报警温度时，无论如何调节滑动变阻器滑片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，则造成工作电路实际不能工作的原因可能是_______________________________________________． 解析：(1)由图甲可知当温度升高时Rt的阻值减小，通过线圈的电流变大，电磁铁的磁场变强，对衔铁的引力变大，可与a点接触，欲使报警器报警，c应接在a点． (2)若使启动报警的温度提高些，可使电路的相对电流减小一些，以使得热敏电阻Rt的阻值减小得更大一些，所以将滑动变阻器滑片P向左移动，增大滑动变阻器接入电路的阻值． (3)在调试报警器达最低报警温度时，无论如何调节滑动变阻器滑片P都不能使报警器工作，可能是通过线圈的电流太小，电磁铁的磁场弱，对衔铁的引力较小，也可能是弹簧的弹力较大，电磁铁对衔铁的引力不能将衔铁吸引到和a接触的状态，还可能是乙图电源电压太低或继电器线圈匝数太少． 答案：(1)a　(2)左　(3)乙图中的电源电压太低或继电器线圈匝数太少或弹簧劲度系数太大(任选一条) 4．(斯密特触发器)如图是用斯密特触发器控制某宿舍楼道内灯的示意图，试说明其工作原理． 解析：天较亮时，光敏电阻RG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，线圈中无电流，工作电路不通；天较暗时，光敏电阻RG电阻增大，斯密特触发器输入端A电势升高，当升高到一定值，输出端Y由高电平突然跳到低电平，有电流通过线圈A，电磁继电器工作，接通工作电路，使路灯自动开启；天明后，RG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突然由低电平跳到高电平，则线圈A不再有电流，则电磁继电器自动切断工作电路的电源，路灯熄灭． 答案：见解析 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．电流表内阻不计，开关闭合后，调节滑动变阻器滑片，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． 乙 解析：由光敏电阻的特性曲线可以看出，当入射光增强时，光敏电阻的阻值减小，流过光敏电阻的电流增大．根据题意设计的自动光控电路如图所示．控制过程是：当有光照时，输入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衔铁使两个触点断开；当无光照时，输入电流减小，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，控制电路接通，灯开始工作． 答案：见解析图 学科网（北京）股份有限公司 $$