第5章 第4节 自制简单的控制电路（Word教参）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册（教科版）

本讲义聚焦“自制简单控制电路”核心知识点，系统涵盖光控LED灯和温度报警器两个实验，从原理框图、电路组装到调试，梳理光敏/热敏电阻特性、三极管开关作用等内容，构建从基础实验到实际应用的学习支架。 该资料以实验探究为核心，通过组装调试培养科学探究能力，误差分析与创新设计（如斯密特触发器应用）提升科学思维，联系楼道灯控制等生活实例体现社会责任。课中辅助教师演示教学，课后助力学生巩固实验技能与知识应用，查漏补缺。

第4节　自制简单的控制电路 实验(一)　光控LED灯 ◉实验目的 1.了解光控LED灯的工作原理。 2.学会用“实验板”进行组装调试。 ◉实验原理 1.实验原理框图 2.实验电路图 3.工作原理 有光照的情况下,光敏电阻的阻值只有几欧到几十欧,Q1的基极和发射极间电压小,不能导通,Q2的基极和发射极间的电压也较小,也不能导通,所以LED不会发光。当无光照时,光敏电阻的阻值会达到MΩ量级。Q1的基极与发射极的电压大,导通,Q2的发射极与基极间的电压较大,导通,于是LED发光。 ◉实验器材 电池(3 V)、开关、光敏电阻、定值电阻(10 kΩ)(两只)、可调电阻(10 kΩ)、NPN型三极管、PNP型三极管、电容(1 μF)、发光二极管等。 实验(二)　温度报警器 　　◉实验目的 1.了解温度报警器的工作原理。 2.进一步熟悉用“实验板”组装电路。 　　◉实验原理 1.实验原理框图 2.实验电路图 3.工作原理 接通电源后,先调节R1使蜂鸣器在常温下不发声。再利用热水使热敏电阻的温度升高,到达某一温度时,Q1的发射极和基极间的电压足够大,导通,蜂鸣器中有电流通过,会发出报警声。 　　◉实验器材 电池(3 V)、开关、定值电阻(5.1 kΩ)、热敏电阻、可调电阻、NPN型三极管、有源蜂鸣器等。 命题视角(一)　实验原理与操作 　　[典例]　把蜂鸣器、光敏电阻、干簧管继电器开关(干簧管和绕在干簧管外的线圈组成)、电源连成电路,如甲图所示,制成光电报警装置,设计要求:当有光照时,蜂鸣器发声,当没有光照或者光照很弱时,蜂鸣器不发声,电路已经连接一部分,请将电路连接完整。 [解析]　电池、光敏电阻与开关及干簧管继电器开关的外面线圈两个接线端构成一个回路;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端构成另一个回路。当有光照时, 光敏电阻变小,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;若没有光照或者光照很弱时,光敏电阻阻值变大,干簧管外的线圈产生的磁场较弱,干簧管开关自动断开。连接如图所示。 [答案]　见解析图 命题视角(二)　数据处理和误差分析 　　[典例]　热敏电阻是传感器中经常使用的元件,某学习小组要探究一热敏电阻的阻值随温度变化的规律。可供选择的器材有: 待测热敏电阻RT(实验温度范围内,阻值约几百欧到几千欧); 电源E(电动势1.5 V,内阻r约为0.5 Ω); 电阻箱R(阻值范围0~9 999.99 Ω); 滑动变阻器R1(最大阻值20 Ω); 滑动变阻器R2(最大阻值2 000 Ω); 微安表(量程100 μA,内阻等于2 500 Ω); 开关两个,温控装置一套,导线若干。 同学们设计了如图甲所示的测量电路,主要实验步骤如下: ①按图示连接电路; ②闭合S1、S2,调节滑动变阻器滑片P的位置,使微安表指针满偏; ③保持滑动变阻器滑片P的位置不变,断开S2,调节电阻箱,使微安表指针半偏; ④记录此时的温度和电阻箱的阻值。 回答下列问题: (1)为了更准确地测量热敏电阻的阻值,滑动变阻器应选用__________(填“R1”或“R2”)。  (2)请用笔画线代替导线,在图乙中将实物图(不含温控装置)连接成完整电路。 (3)某温度下微安表半偏时,电阻箱的读数为6 000.00 Ω,该温度下热敏电阻的测量值为__________Ω(结果保留到个位),该测量值__________ (填“大于”或“小于”)真实值。  (4)多次实验后,学习小组绘制了如图丙所示的图像。由图像可知,该热敏电阻的阻值随温度的升高逐渐　　　　(填“增大”或“减小”)。  [解析]　(1)用半偏法测量热敏电阻的阻值,尽可能让该电路的电压在S2闭合前后保持不变,由于该支路与滑动变阻器前半部分并联,滑动变阻器的阻值越小,S2闭合前后该并联部分电阻变化越小,从而电路两端的电压变化越小,故滑动变阻器应选R1。 (2)电路连接图如图所示。 (3)微安表半偏时,该支路的总电阻为原来的2倍,即RT+RμA=6 000 Ω,可得RT=3 500 Ω;当断开S2,微安表半偏时,由于该支路的电阻增加,电压略有升高,根据欧姆定律,总电阻比原来2倍略大,也就是电阻箱的阻值略大于热敏电阻与微安表的总电阻,而认为电阻箱的阻值等于热敏电阻与微安表的总电阻,因此热敏电阻的测量值比真实值偏大。 (4)由于是ln RT⁃图像,当温度T升高时,减小,从题图中可以看出ln RT减小,从而RT减小,因此热敏电阻随温度的升高逐渐减小。 [答案]　(1)R1　(2)见解析图　(3)3 500　大于　(4)减小 命题视角(三)　创新考查角度和创新思维 1.[实验原理的创新]如图所示是用斯密特触发器控制某宿舍楼道内照明灯的示意图,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F,电磁继电器工作,接通工作电路,使照明灯自动开启。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F不再有电流,电磁继电器自动切断工作电路的电源,照明灯熄灭。 答案:见解析 2.[实验器材的创新]某小组研究热敏电阻阻值随温度的变化规律。根据实验需要已选用了规格和量程合适的器材。 (1)先用多用电表预判热敏电阻阻值随温度的变化趋势。选择适当倍率的欧姆挡,将两表笔__________,调节欧姆调零旋钮,使指针指向右边“0 Ω”处。测量时观察到热敏电阻温度越高,相同倍率下多用电表指针向右偏转角度越大,由此可判断热敏电阻阻值随温度的升高而__________。  (2)再按图连接好电路进行测量。 ①闭合开关S前,将滑动变阻器R1的滑片滑到__________端(选填“a”或“b”)。  将温控室的温度设置为T,电阻箱R0调为某一阻值R01。闭合开关S,调节滑动变阻器R1,使电压表和电流表的指针偏转到某一位置。记录此时电压表和电流表的示数、T和R01。断开开关S。 再将电压表与热敏电阻C端间的导线改接到D端,闭合开关S。反复调节R0和R1,使电压表和电流表 的示数与上述记录的示数相同。记录此时电阻箱的阻值R02。断开开关S。 ②实验中记录的阻值R01__________R02(选填“大于”“小于”或“等于”)。此时热敏电阻阻值RT=__________。  (3)改变温控室的温度,测量不同温度时的热敏电阻阻值,可以得到热敏电阻阻值随温度的变化规律。 解析:(1)选择倍率适当的欧姆挡,将两表笔短接进行欧姆调零;欧姆表指针向右偏转角度越大,则阻值越小,可判断热敏电阻的阻值随温度升高而减小。 (2)①闭合开关S前,应将滑动变阻器R1的阻值调到最大,即将滑片滑到b端。 ②因两次电压表和电流表的示数相同,因为R01=R02+RT,即RT=R01-R02,可知R01大于R02。 答案:(1)短接　减小　(2)①b　②大于　R01-R02 1.目前有些居民区内楼道灯的控制,使用的是一种延时开关。该延时开关的简化原理如图所示。图中D是红色发光二极管(只要有很小的电流通过就能使其发出红色亮光),R为限流电阻,K为按钮式开关,虚线框内S表示延时开关电路,当按下K接通电路瞬间,延时开关触发,相当于S闭合,这时释放K后,延时开关S约在1 min后断开,电灯熄灭。根据上述信息和原理图,我们可推断: 按钮开关K按下前,发光二极管是　　　　(填“发光的”或“熄灭的”),按钮开关K按下再释放后,电灯L发光持续时间约　　　　min。这一过程中发光二极管是　　　　(填“发光的”或“熄灭的”)。限流电阻R的阻值和灯丝电阻RL相比,应满足R　　　　RL(填“>”“<”“≫”或“≪”)的条件。  解析:开关K按下前,S为断开,有电流经过发光二极管,故发光二极管是发光的。当按下开关K后,延时开关S闭合,二极管和R被短路,二极管不发光,由于延时开关S约1 min后断开,故电灯L能持续发光1 min,由于R为限流电阻,且二极管只要有很小的电流通过就能发光,故应满足R≫RL。 答案:发光的　1　熄灭的　≫ 2.用压敏电阻可制成压力传感器,它受到的压力越大,输出的电压就越大,用它可以对汽车称重。经实测,某压力传感器输出电压与力的关系式为U=×10-5F,将该压力传感器水平放置,并和电阻箱R'(最大电阻999.9 Ω)及部分其他器材组成了如图所示的电路,闭合开关S,当线圈中的电流I≥20 mA时,电磁继电器的衔铁被吸合。已知继电器线圈的电阻为30 Ω,继电器控制电路的电压由传感器的输出电压U提供。(假设U不受继电器电路影响) (1)当压力增加到一定程度时,电铃报警,说明汽车超载,则图中电铃应接在________(选填“A、B”或“C、D”)两端。  (2)为使车重G≥3.6×105 N时启动报警系统,则电阻箱R'的电阻应调节到____________Ω。  (3)通过调整电阻箱R'的阻值,可以调整报警车重,能使该装置报警的最小车重为____________N。  解析:(1)当压力增大到一定程度时,压力传感器输出电压达到一定数值,线圈中电流大于或等于20 mA时,电磁继电器的衔铁被吸合,C、D间的电路就会被接通,因此电铃应接在C、D之间。 (2)当F=3.6×105 N时,由U=×10-5F,可得U=3 V,而使得电磁继电器的衔铁被吸合的最小电流为20 mA,故电路总电阻R总= Ω=150 Ω,所以电阻箱接入电路的阻值R'=R总-R线=150 Ω-30 Ω=120 Ω。 (3)因为使电磁继电器衔铁被吸合的最小电流I=20 mA=0.02 A,继电器线圈的电阻R线=30 Ω,所以要使该装置报警,压力传感器输出的电压最小值为U最小=IR线=0.02 A×30 Ω=0.6 V,由公式可知,输出电压为0.6 V时,对应的压力为7.2×10 4 N。 答案:(1)C、D　(2)120　(3)7.2×104 3.电控调光玻璃能根据光照强度自动调节玻璃的透明度,将光敏电阻Rx和定值电阻R0接在9 V的电源上,光敏电阻阻值随照度变化关系如表所示: 照度/lx 1 2 3 4 5 电阻值/Ω 18 9 6 3.6 注:“照度”是表示光的强弱的物理量,单位为勒克斯(lx) (1)当强度为4 lx时光敏电阻Rx的阻值大小为________Ω。  (2)其原理是光照增强,光敏电阻Rx阻值变小,施加于玻璃两端的电压降低,玻璃透明度下降,反之则玻璃透明度上升。若电源电压不变(内阻忽略不计),R0是定值电阻,则下列电路图中符合要求的是________(填序号)。  解析:(1)由表格数据可知,光敏电阻Rx与照度的乘积均为18 Ω·lx不变,则当照度为4 lx时,光敏电阻的阻值:Rx= Ω=4.5 Ω。 (2)由题意可知,光敏电阻Rx与定值电阻R0串联连接,光照增强时,光敏电阻Rx阻值减小,电路中的总电阻减小,由I=可知,电路中的电流增大,由U=IR可知,R0两端的电压增大,因串联电路中电压等于各分电压之和,所以Rx两端的电压减小,反之,光照减弱时,光敏电阻Rx阻值增大,R0两端的电压减小,Rx两端的电压增大,则玻璃并联在R0两端时不符合,玻璃并联在Rx两端时符合,A错误,C正确;若玻璃与电源并联,光照变化时,玻璃两端的电压不变,B、D错误。 答案:(1)4.5　(2)C 4.在探究热敏电阻的特性及其应用的实验中,测得热敏电阻Rt在不同温度时的阻值如下表 温度/℃ 4.1 9.0 14.3 20.0 28.0 38.2 45.5 60.4 电阻/(102 Ω) 220 160 100 60 45 30 25 15 　　某同学利用上述热敏电阻Rt、电动势E=3 V(内阻不计)的电源、定值电阻R(阻值有3 kΩ、5 kΩ、12 kΩ三种可供选择)、控制开关和加热系统,设计了A、B、C三种电路。因环境温度低于20 ℃,现要求将室内温度控制在20 ℃~28 ℃ 范围,且1、2两端电压大于2 V,控制开关开启加热系统加热,则应选择的电路是　　　　,定值电阻R的阻值应选　　　　 kΩ,1、2两端的电压小于　　　　 V时,自动关闭加热系统(不考虑控制开关对电路的影响)。  解析:电路A,定值电阻和热敏电阻并联,1、2两端电压不变,故不能实现电路的控制,故A错误;电路B,定值电阻和热敏电阻串联,温度越低,热敏电阻的阻值越大,定值电阻分得电压越小,无法实现温度小于20 ℃时1、2两端电压大于2 V,控制开关不能开启加热系统加热,故B错误;电路C,定值电阻和热敏电阻串联,温度越低,热敏电阻的阻值越大,热敏电阻分得电压越大,可以实现温度小于20 ℃时1、2两端电压大于2 V,控制开关开启加热系统加热,故C正确。由热敏电阻Rt在不同温度时的阻值可知,20.0 ℃ 时的阻值为60×100 Ω=6 kΩ,由题意可知U12=E=×3 V=2 V,解得R=3 kΩ。28 ℃时关闭加热系统,此时热敏电阻阻值为4.5 kΩ,此时1、2两点间的电压为×4.5 V=1.8 V,则1、2两端的电压小于1.8 V时,自动关闭加热系统。 答案:C　3　1.8 学科网（北京）股份有限公司 $