第五章 3.利用传感器制作简单的自动控制装置-（配套练习）【学霸笔记·同步精讲】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册（人教版）

3.利用传感器制作简单的自动控制装置 【实验技能培养】 【例1】　（1）30（29～31）　（2）减小　增强　（3）A　 （4）40（39～41） 解析：（1）由图乙可知，当环境温度为80 ℃时，热敏电阻阻值为30 Ω。 （2）由图乙可知，当环境温度升高时，热敏电阻阻值将减小。热敏电阻阻值减小，则流过继电器的电流增大，磁性增强。 （3）由于继电器的上触点接触，下触点分离，指示灯亮。所以图甲中指示灯的接线柱D应与接线柱A相连。 （4）当线圈中的电流大于等于50 mA时，继电器的衔铁将被吸合，警铃响。根据闭合电路欧姆定律E1＝I（R0＋R） 得R＝70 Ω 此时温度为40 ℃，则环境温度大于等于40 ℃时，警铃报警。 【例2】　（1）左　（2）1.80　3.6　（3）图像见解析　不满足　（4）7.9　（5）减小R2 解析：（1）为了保证电路的安全应将滑动变阻器滑到左端，从而使光敏电阻两端的电压为零。 （2）电压表的最小刻度值为0.1 V，如图丙所示，电压表的读数为1.80 V， 根据串联电路电压与电阻成正比的关系，光敏电阻两端的电压为 ×＝5.40 V 电流表读数为1.5 mA，故此时光敏电阻的阻值为R＝ Ω＝3.6 kΩ。 （3）阻值R随照度I变化的图像如图所示 根据图像可知纵坐标与横坐标的乘积不是一个常数，所以光敏电阻的阻值R与照度I不满足反比例函数关系。 （4）根据闭合电路欧姆定律I＝ 根据图像可知在照度降低到4 klx时，对应的阻值为R＝4 kΩ 又有U＝IR 其中U＝2 V 联立可得R2＝7.9 kΩ。 （5）减小R2的阻值，根据闭合电路欧姆定律可知，总电流变大，R两端的电压变大，从而导致自动控制系统正常工作时的最小照度高于4 000 lx，加快蔬菜的生长。 【例3】　（1）3.0　（2）16.0　（3）酒驾　（4）偏小 解析：（1）要将表头G量程扩大为90 mA，电阻R1＝＝＝3 Ω。 （2）表头G显示电流为2 mA时，电路实际电流为I1＝30 mA，由图乙可知，当酒精气体浓度为零时，该气体传感器电阻R＝80 Ω，改装后表头等效电阻为Rg'＝＝2.8 Ω，则I1＝，得R2＝16 Ω。 （3）由图乙可知，当酒精气体浓度达到醉驾标准时，该气体传感器电阻R'＝20 Ω，此时电路中的实际电流为I2＝＝75 mA，此时表头G中的实际电流为5 mA，则图丁所示的酒精浓度未到达醉驾，属于酒驾范围。 （4）使用较长时间后，干电池电动势降低，内阻增大，根据I＝，同一酒精浓度下，电路中的总电流将偏小，流经表头的电流也同比减小，故所测得的酒精浓度值偏小。 【例4】　（1）减小　 （2）大　（3）0.47（0.45～0.49）　（4）小 解析：（1）由图乙可知F越大R越小，即压力传感器的电阻值R1随压力的增大而减小。 （2）当鸡蛋质量较大时，压力秤作用于R1的压力F较大，则R1较小，令通过R2的电流较大，故R2两端电压较大，经过放大电路放大后电压超过某一数值时电磁铁可以吸动衔铁使弹簧下压，鸡蛋就进入B通道。所以从B通道通过的是大鸡蛋。 （3）根据闭合电路欧姆定律E＝U2＋IR1＝U2＋R1 解得R1＝10 Ω 由图乙可知当R1＝10 Ω时，F＝0.47 N。所以选择的大鸡蛋对压力秤的压力要大于0.47 N。 （4）要选出更大的鸡蛋，即要相同的鸡蛋送到压力秤时，令R2两端的电压较原来的小，所以需要把R2的阻值调小。 学科网（北京）股份有限公司 $ 3.利用传感器制作简单的自动控制装置 实验1｜门窗防盗报警装置 一、实验目的 1.了解门窗防盗报警装置的工作原理。 2.了解干簧管和继电器的特点和在装置中的作用。 二、实验原理 1.实验电路 2.工作原理 闭合开关S，系统处于防盗状态。当门窗紧闭时，磁体M使干簧管处于导通状态，继电器使开关c与触点a接通，二极管LED发光。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，使开关转换为c、b接通，蜂鸣器H发声报警。 三、实验器材 　干簧管SA、继电器K、发光二极管LED、电阻R（330 Ω）、蜂鸣器H、电源、小磁体、开关等。 四、实验步骤 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，按照实验电路图连接电路。 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 一、实验目的 1.了解光控开关的工作原理。 2.练习利用光控开关制作自动控制设备。 二、实验原理 1.晶体三极管及其工作原理 （1）两种类型 （2）三个电极 ①发射极e；②基极b；③集电极c。 （3）重要特性 ①从基极输入一个较小的电流，就会在集电极获得较大的电流，这就是三极管的电流放大作用。 ②在控制电路中具有完成断路和接通开关的作用。 2.光控开关及其工作原理 （1）电路图 （2）工作原理 当光照较强时，RG较小，加在基极上电压较小，三极管不导通，LED不亮；当光线较弱时，RG阻值增大，加在基极上电压增大，当达到一定程度后，三极管被导通，发光二极管LED开始发光。 3.光控开关控制电路 （1）电路图 （2）工作原理 当环境光比较强时，光敏电阻RG的阻值很小，三极管不导通，继电器所在的回路相当于断路；当环境光线比较暗时，光敏电阻RG阻值较大，三极管导通，集电极电流较大，驱动继电器吸合开关S，点亮灯泡L。（注：与继电器并联的二极管D，提供自感电流释放通路，以保护三极管不被烧坏。） 三、实验器材 　可调电阻R1（最大电阻为51 kΩ）、限流电阻R2（330 Ω）、光敏电阻RG、三极管VT、发光二极管LED、继电器K、小灯泡L（6 V、0.3 A）、二极管D、电源等。 四、实验步骤 1.按照实验电路图连接电路，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，发光二极管LED或小灯泡L熄灭。 五、注意事项 1.安装前，对器材进行测试，确保各元件性能良好后，再进行安装。 2.光控开关实验中，二极管连入电路的极性不能反接，否则将烧坏电路集成块。 3.光控开关实验中要想天更暗时“路灯”才会亮，应该把R1的阻值调大些。 类型一｜ 教材原型实验 【例1】　（2025·山东东营期末）小明利用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路”，如图甲所示（虚线框内的连接没有画出）。将热敏电阻R安装在需要探测温度的地方，当环境温度正常时，继电器的上触点接触，下触点分离，指示灯亮；当环境温度超过某一值时，继电器的下触点接触，上触点分离，警铃响。图甲中继电器的供电电源E1＝5 V，内阻不计，继电器线圈用漆包线绕成，其电阻R0＝30 Ω。当线圈中的电流大于等于50 mA时，继电器的衔铁将被吸合，警铃响。图乙是热敏电阻的阻值随温度变化的图像。 （1）由图乙可知，当环境温度为80 ℃时，热敏电阻阻值为　　　　Ω。 （2）由图乙可知，当环境温度升高时，热敏电阻阻值将　　　　（选填“增大”“减小”或“不变”），继电器的磁性将　　　　（选填“增强”“减弱”或“不变”）。 （3）图甲中指示灯的接线柱D应与接线柱　　　　相连（均选填“A”或“B”）。 （4）当环境温度大于等于　　　　℃时，警铃报警。 尝试解答　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 【例2】　（2025·江苏南京期末）智能化育苗蔬菜基地对环境要求严格，其中包括对光照强度的调控，光照强度简称照度I，反映光照的强弱，光越强，照度越大，单位为勒克斯（lx）。为了控制照度，科技人员设计了图甲所示的智能光控电路。 （1）智能光控电路的核心元件是光敏电阻R，某同学用如图乙所示电路，测量光敏电阻在不同照度时的阻值，实验所用器材：电源E1（9 V）、滑动变阻器R4（最大阻值为20 Ω），电压表（量程为0～3 V，内阻为3 kΩ）和毫安表（量程为0～3 mA，内阻不计）。定值电阻R0＝6 kΩ、开关、导线若干。则在闭合电路开关前应该把滑动变阻器的滑片移到　　　（选填“左”或“右”）端。 （2）某次测量时电压表的示数如图丙所示，其读数为　　　　V，电流表读数为1.5 mA，此时光敏电阻的阻值为　　　　kΩ。 （3）通过测量得到6组数据如下表，请在图丁中作出阻值R随照度I变化的图像，由图可判断光敏电阻的阻值与照度　　　　反比例函数关系（选填“满足”或“不满足”）。 照度I（klx） 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 电阻R（kΩ） 7.5 4.0 2.8 2.3 2.0 1.8 （4）该同学用上述光敏电阻接入图甲所示的电路，其中电源电动势E＝6.0 V，内阻忽略不计，电阻R1＝100 Ω，电阻箱R2的阻值调节范围是0～9 999.9 Ω，光敏电阻R的电压U增加到2.0 V时光照系统开始工作，为了使照度降低到4 klx时，自动控制系统开始补光，R2的阻值应该调节为　　　　kΩ。 （5）要加快蔬菜的生长，适度提高光照时间，可调节的方法是　　　　。 尝试解答　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 类型二｜拓展与创新实验 【例3】　酒驾严重危害交通安全，某款酒精检测仪如图甲所示，核心部件为乙醇传感器，其电阻R与酒精气体浓度c的关系如图乙所示。某同学想利用该乙醇传感器设计一款酒精测量仪，除乙醇传感器外，在实验室中找到了如下器材： A.干电池组（电动势E＝3.0 V，内阻r＝1.2 Ω） B.表头G（满偏电流6.0 mA，内阻Rg＝42 Ω） C.电阻箱R1（最大阻值9 999.9 Ω） D.电阻箱R2（最大阻值9 999.9 Ω） E.开关及导线若干 （1）该同学设计的测量电路如图丙所示，他首先将表头G量程扩大为90 mA，则应将电阻箱R1的阻值调为　　　　Ω。 （2）如图丁所示，该同学想将酒精气体浓度为零的位置标注在表头上2 mA处，则应将电阻箱R2的阻值调为　　　　Ω。 （3）完成步骤（2）后，某次在实验室中试测酒精浓度时，表头指针如图丁所示。已知酒精浓度在0.2～0.8 mg·mL－1之间属于饮酒驾驶；酒精含量达到或超过0.8 mg·mL－1属于醉酒驾驶，则该次测试的酒精浓度属于　　　　范围（选填“酒驾”或“醉驾”）。 （4）使用较长时间后，干电池组电动势降低，内阻增大，则此时所测的酒精气体浓度与真实值相比　　　　（选填“偏大”“偏小”或“不变”）。 尝试解答　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 创新分析 （1）实验器材的创新：利用乙醇传感器设计一款酒精测量仪。 （2）实验原理的创新：把酒精气体的浓度大小的信号转化为电阻大小的信号。 （3）数据处理的创新：利用乙醇传感器的电阻R与酒精气体的浓度c的关系图像求解达到醉驾标准时乙醇传感器的电阻值。 【例4】　（2025·重庆涪陵区期末）如图所示，图甲为一个自动筛选鸡蛋大小的装置，可以筛选出两类大小不同的鸡蛋。当不同大小的鸡蛋传送到压力秤上时，压力秤作用在压力传感器电阻R1上，其电阻值随压力秤所受压力的变化图像如图乙所示。R2是可调电阻，其两端电压经放大电路放大后可以控制电磁铁是否吸动衔铁并保持一段时间。当电压超过某一数值时电磁铁可以吸动衔铁使弹簧下压，鸡蛋就进入B通道。已知电源电动势E＝6 V，内阻不计，R2调节为10 Ω。 （1）由图乙可知，压力传感器的电阻值R1随压力的增大而　　　　（填“增大”或“减小”）。 （2）从B通道通过的是　　　　鸡蛋（填“大”或“小”）。 （3）由两个图可知，若R2两端的电压超过3 V时，电磁铁可以吸动衔铁向下，则选择的大鸡蛋对压力秤的压力要大于　　　　N。（保留到小数点后两位） （4）要想选择出更大的鸡蛋，需要把电阻R2的阻值调　　　　（填“大”或“小”）。 尝试解答　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 创新分析 （1）实验原理的创新：把压力大小的信号转化为电阻大小的信号。 （2）实验器材的创新：利用压力传感器、电磁铁等器材设计自动筛选鸡蛋大小的装置。 （3）数据处理的创新：利用压力传感器的电阻R1的大小随压力秤所受压力的变化图像分析选择鸡蛋大小的条件。 提示：完成课后作业　第五章　3. 4 / 5 学科网（北京）股份有限公司 $