5.3 利用传感器制作简单的自动控制装置(Word教参)-【优化指导】2026-2027学年高中物理选择性必修第二册（人教版2019）

第3节　利用传感器制作简单的自动控制装置 科学思维 科学态度与责任 1.会利用干簧管制作简单的自动控制装置，如门窗防盗报警装置。 2．会利用光敏电阻制作简单的自动控制装置，如光控开关。 通过制作自动控制装置，初步养成针对学习和生活中的问题进行设计方案、动手实践的意识和习惯。 [对应学生用书P123] 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。电路设计如图所示。 2．电路工作原理 当门窗紧闭时，磁体M靠近干簧管SA，干簧管两个簧片被磁化相吸，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工作。 (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。 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。电路设计如图甲所示。 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，当光照强到某种程度时，发光二极管LED或小灯泡L熄灭。 [对应学生用书P124] 探究点一___门窗防盗报警电路分析 [例1] 如图所示的是某保密室的防盗报警电路，当有人闯入保密室时会使开关S闭合。下列说法正确的是 (　　) A．电磁继电器与发电机工作原理相同 B．电磁铁的磁性强弱只与电流大小有关 C．电磁铁工作时，上端为S极 D．当有人闯入保密室时，b灯亮 D　解析：电磁继电器是利用电流的磁效应工作的，发电机是利用电磁感应原理制成的，A错误；电磁铁的磁性强弱和电流大小、线圈的匝数及有无铁芯有关，B错误；由题图可知电磁铁工作时线圈中电流的方向，根据安培定则可知，电磁铁工作时，上端为N极，C错误；当有人闯入保密室时会使开关S闭合，电磁铁有磁性，吸引衔铁向下移动，b灯所在电路接通，b灯亮，D正确。 [练1] 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，要求正常情况绿灯亮，有险情时电铃报警。则图中的甲、乙、丙分别是 (　　) A.小电铃、半导体热敏电阻、绿灯泡 B．半导体热敏电阻、小电铃、绿灯泡 C．绿灯泡、小电铃、半导体热敏电阻 D．半导体热敏电阻、绿灯泡、小电铃 B　解析：控制电路含有电磁继电器，因此甲的回路为控制电路，甲是半导体热敏电阻；负温度系数热敏电阻的特点是温度高，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，热敏电阻电阻大，电流小，触头未被吸下，丙接通，丙应是绿灯泡，B正确。 探究点二___光控电路分析 [例2] 如图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的增强而减小，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______(填“A、B”或“B、C”)之间，请用笔画线代替导线，正确连接部分电路元件。 答案：A、B　见解析图 解析：该模拟电路的原理是：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，电磁铁的磁性强，可将衔铁吸下，接通B、C，断开A、B；又因为天亮需要断开路灯，所以路灯应接在A、B之间。电路连线直接将D、E两端点与光敏电阻、滑动变阻器、开关以及电源串联即可。电路如图所示。 [练2] 把蜂鸣器、光敏电阻、干簧管继电器开关、电源连成电路如图所示，制成光电报警装置。当有光照射时，蜂鸣器发声，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。 答案：见解析图 解析：电池、光敏电阻与开关及干簧管继电器开关外面的接线构成一个回路；而另一组电池、蜂鸣器与干簧管继电器开关里面的接线构成另一个回路。当有光照时，光敏电阻的阻值变小，使得干簧管继电器开关处存在磁场，使开关接通，最终使得蜂鸣器发声，电路如图所示。 创新探究___解决实际问题 [例3] (生活情境)图甲为一种家用门磁防盗报警器，由磁条和主机组成，门窗均可使用，乙图为其简化示意图，安装时，将磁条固定在门框上，主机安装在与其等高的门板边缘，门关上时，两者刚好靠在一起。当主机开关闭合时，若门被打开，磁条与主机分离，主机内的触发器就会工作，带动报警器发出报警声。下列有关说法正确的是 (　　) A.触发器内是一个开关，当主机与磁条靠近时，开关是断开的 B．触发器可以由铜制成 C．磁条的两极对调后，该报警器不能正常工作 D．本装置是利用电流的磁效应工作的 A　解析：门关上时，磁条与触发器刚好靠在一起，此时报警器不工作，说明电路是断开的；当主机开关闭合时，若门被打开，磁条与主机分离，主机内的触发器就会工作，带动报警器发出报警声，说明此时触发器内开关是闭合的，A正确；触发器与磁条之间存在磁力的作用，所以触发器不可能是由铜制成的，因为铜没有磁性，B错误；无论磁条哪个磁极靠近触发器，都存在磁力作用，所以两极对调后，该报警器仍能正常工作，C错误；本装置是利用磁体能够吸引磁性物体的特点工作的，D错误。 [练3] (生活情境)(多选)如图所示的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 (　　) 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 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，A错误，B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，C正确；当仅减小R2的阻值时，电路中的电流增大，A、B间的电压U减小，D错误。 [对应学生用书P126] 1．光敏电阻在自动化装置中有很多应用，街道路灯自动控制就是其应用之一，图示电路为其模拟电路，其中干电池的内阻可忽略不计，A处接电磁继电器，B为三极管(当φe－φb≥0.2 V时，c、e间的电阻R可忽略不计，当φe－φb＜0.2 V时，R可视为无穷大)，b点的电势由R1与R2的比值决定，R1、R2中有一个是定值电阻，另一个是光敏电阻，阻值随光照强度增强而减小，C为电磁继电器，D为路灯。为了达到日出路灯熄，日落路灯亮的效果，请回答下列问题： (1)R1是________(填“光敏电阻”或“定值电阻”)。 (2)请用笔画线代替导线，将实物连接成正确的电路。 答案：(1)光敏电阻　(2)见解析图 解析：(1)由于光敏电阻的阻值随着光照强度的增大而减小，为使路灯正常工作，在白天时电磁继电器的触点断开，电磁铁通电，φe－φb≥0.2 V，R1变小或R2变大，而白天时光敏电阻的阻值变小，所以R1是光敏电阻。 (2)根据题述分析可知，A处与电磁继电器相连，路灯与火线、零线相连接，开关应接在火线上，画导线时要避免交叉，电路图如图所示。 2．为了节能环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统。光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱，光越强，照度越大，照度单位为lx)。 (1)某光敏电阻R在不同照度下的阻值如下表，根据表中已知数据，在如图所示的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线。 照度/lx 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 电阻/kΩ 5.8 3.7 2.8 2.3 2.0 1.8 (2)请根据作出的曲线，说明该光敏电阻阻值随照度变化的特点。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 答案：(1)如图所示 (2)光敏电阻的阻值随光的照度的增大非线性减小。 3．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，热敏电阻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。 (1)为了使温度过高时报警铃响，c应接在________(填“a”或“b”)处。 (2)若想提高启动报警的温度，应将滑动变阻器滑片P向________(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，则造成工作电路实际不能工作的原因可能是 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案：(1)a　(2)左　(3)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 解析：(1)由题图甲可知，当温度升高时RT的阻值减小，通过线圈的电流变大，线圈的磁通量变大，对衔铁的吸引力变大，可与a处接触，所以欲使温度过高时报警器报警，c应接在a处。 (2)若想提高启动报警的温度，即使热敏电阻RT的阻值减小得更大一些，应将滑动变阻器的滑片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的滑片P都不能使报警器工作，可能是通过线圈的电流太小，线圈的磁通量小，对衔铁的吸引力较小，也可能是弹簧的弹力较大，线圈的磁力不能将衔铁吸引到和a接触的状态，因此电路不工作的原因可能是题图乙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。 学科网（北京）股份有限公司 $$