第5章 第3节 利用传感器制作简单的自动控制装置（课件PPT）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册（人教版 江苏专用）

该高中物理课件聚焦传感器在自动控制装置中的应用，通过门窗防盗报警装置、光控开关两个实验导入，连接电路基础知识点，为后续复杂控制电路学习提供操作与原理结合的学习支架。 其亮点在于以科学探究为核心，通过器材测试、电路连接等实验操作培养动手能力，结合热敏电阻控温、压力传感器筛选鸡蛋等例题深化科学思维，帮助学生构建物理观念，提升解决实际问题能力，便于教师高效开展实验教学。

利用传感器制作简单的自动控制装置 (实验课——基于经典科学探究) 第 3 节 实验操作——原理、器材和过程 01 02 CONTENTS 目录 实验考法——基础、变通和创新 03 训练评价——巩固、迁移和发展 实验操作——原理、器材和过程 实验(一)　门窗防盗报警装置 1.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及在装置中的作用。 2.实验器材和装置 干簧管SA、继电器、发光二极管LED、电阻R(330 Ω)、蜂鸣器H、电源(干电池6 V)、小磁体M、开关。装置电路图如图所示。 3.电路工作原理 闭合电路开关S，系统处于防盗状态。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接触，发光二极管LED发光，显示电路处于正常工作状态。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。干簧管在电路中起传感器和控制开关的作用，继电器则相当于一个自动的双向开关。 4.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，观察簧片能否正常工作。 (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(二)　光控开关 1.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。 2.实验器材和装置 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、小灯泡L(6 V，0.3 A)、二极管D、电源等。 3.电路工作原理 (1)光控开关 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，发光二极管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。 (2)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，继电器处于常开状态，小灯泡L不亮；当环境光比较弱时，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。) 4.实验操作 (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，当光照增强到某种程度时，则发光二极管LED或小灯泡L熄灭。 5.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，否则将烧坏门电路集成块。 (3)光控开关实验中，要想天更暗时灯才会亮，应该把R1的阻值调大些。 实验考法——基础、变通和创新 考法(一)　热敏电阻的应用 [例1]　(2024·浙江1月选考)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)。  C 3 1.8 [解析]　电路A，定值电阻和热敏电阻并联，1、2两端电压不变，故不能实现对电路的控制，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。 考法(二)　光敏电阻的应用 [例2]　 (2025·南京高二检测)光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化，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。为了节能和环保，有一种路灯就利用光敏电阻的这种特性制作电磁开关，自动控制路灯的接通与断开。电磁开关的内部结构如图甲所示。1、2两接线柱连接励磁线圈，3、4两接线柱相当于路灯的开关，分别与弹簧片和触点连接。当励磁线圈中电流大于200 mA 时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分离，3、4断开；当励磁线圈中电流小于200 mA时，3、4接通。 现有以下器材：励磁线圈电源E1、路灯电源E2、路灯灯泡L、励磁线圈限流保护电阻箱R0、光敏电阻RG、导线、开关等。 某实验小组利用以上器材设计一个自动控制路灯的电路。 (1)请根据提供的实验器材将未完成的电路原理图画好。画电路图时，光敏电阻的符号为 ，电阻箱的符号为 ，其他器材使用规范的电路符号。 [答案]　见解析图 [解析]　完整的电路原理图 如图所示。 (2)若励磁线圈电源电动势E1为220 V、内阻不计，励磁线圈的电阻为10 Ω，起初电路中电阻箱的阻值R0如图乙所示，则R0=_______Ω，光敏电阻RG随光照强度的变化规律如图丙所示，若要使光照强度为1.0 lx时，路灯亮起，则电阻箱的阻值应调为_____________Ω。  912.0 890.0 [解析]　由题图乙可知，起初电路中电阻箱的阻值为R0=9×100 Ω+ 1×10 Ω+2×1 Ω+0×0.1 Ω=912.0 Ω。若要使光照强度为1.0 lx时，路灯亮起，由题图丙可知，此时光敏电阻阻值为RG=200 Ω，根据闭合电路欧姆定律可得I0=，则电阻箱的阻值应调为R0'=-RG-R线= Ω-200 Ω-10 Ω=890.0 Ω。 (3)为了节约用电，要求光照强度降低到0.8 lx时路灯才亮起，则电阻箱的阻值要调________ (选填“大”或“小”)。  小 [解析]　根据闭合电路欧姆定律可得I0=，为了节约用电，要求光照强度降低到0.8 lx时路灯才亮起，此时光敏电阻阻值变大，则电阻箱的阻值要调小。 考法(三)　压力传感器的应用 [例3]　图2为一个自动筛选鸡蛋重量的装置，可以筛选出两类重量不同的鸡蛋。当不同重量的鸡蛋传送到压力秤上时，压力秤作用在压力传感器R1上，其电阻值随压力秤所受压力的变化图像如图1所示。R2是可调节电阻，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=12 V、内阻不计，R2调节为10 Ω。 (1)由图1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”)。  减小 [解析]　由题图1可知，F越大，R1越小，即压力传感器的电阻值R1随压力的增大而减小。 (2)从B通道通过的是__________鸡蛋(填“重”或“轻”)。  重 [解析]　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，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通道通过的是重鸡蛋。 (3)若R2两端的电压超过6 V时，电磁铁可以吸动衔铁向下，则选择的重鸡蛋对压力秤的压力要大于_________N。(保留两位有效数字)  0.43 [解析]　根据闭合电路欧姆定律有E=，解得R1=10 Ω，由题图1可知，当R1=10 Ω时，F≈0.43 N，所以选择的重鸡蛋对压力秤的压力要大于0.43 N。 (4)要想选择出更重的鸡蛋，需要把电阻R2的阻值调________ (填“大”或“小”)。  [解析]　要选出更重的鸡蛋，即相同的鸡蛋送到压力秤上时，R2两端的电压较原来的小，所以需要把R2的阻值调小。 小 训练评价——巩固、迁移和发展 1. (2025·苏州阶段练习)如图所示是具有自动报警功能的防盗门，它利用干簧管作为传感器，继电器(虚线方框部分)作为执行装置。下列说法错误的是 (　　) A.当门紧闭时，磁体M处在干簧管SA附近，开关c与b接通 B.当门紧闭时，磁体M处在干簧管SA附近，开关c与a接通 C.当门被推开时，磁体M离开干簧管SA，继电器被断电，开关c与b接通 D.当门被推开时，磁体M离开干簧管SA，开关c与b接通，蜂鸣器H发声报警 √ 解析：当门紧闭时，磁体M处在干簧管SA附近，干簧管两个簧片被磁化相吸而使继电器接通，开关c与a接通，LED灯亮，故A错误，B正确；当门被推开时，磁体M离开干簧管SA，干簧管失磁断开，继电器被断电，开关c与b接通，LED灯不亮，蜂鸣器H发声报警，故C、D正确。 2. (2025·淮安高二检测)如图甲所示为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(该电阻特性是光照越强，导电性越好)、R2为定值电阻，A、B接监控装置。如图乙所示为一温度自动报警器的原理图，在水银温度计的顶端封入一段金属丝。下列说法正确的是 (　　) A.图甲中，当有人通过而遮住光线时，A、B之间电压减小 B.图甲中，仅减小R2的阻值时，可增大A、B之间的电压 C.图乙中，温度升高至74 ℃时，灯L2亮报警 D.图乙中，温度升高至78 ℃时，灯L1亮报警 √ 解析：由题意可知，题图甲中，当有人通过而遮住光线时，光照变弱，R1阻值变大，根据“串反并同”，可知A、B之间电压减小，A正确；题图甲中，仅减小R2的阻值时，由闭合电路欧姆定律可知，回路电流增大，根据UAB=E-I，A、B之间的电压减小，B错误；题图乙中，温度升高至78 ℃时，衔铁吸合，灯L2亮报警，灯L1熄灭，C、D错误。 3.(2025·河南高考)实验小组研究某热敏电阻的特性，并依此利用电磁铁、电阻箱等器材组装保温箱。该热敏电阻的阻值随温度变化的关系如图1所示，保温箱原理图如图2所示。回答下列问题： (1)图1中热敏电阻的阻值随温度的变化关系是________ (填“线性”或“非线性”)的。 非线性 解析：由题图1可知，热敏电阻的阻值随温度的变化关系是非线性的。 (2)存在一个电流值I0，若电磁铁线圈的电流小于I0，衔铁与上固定触头a接触；若电流大于I0，衔铁与下固定触头b接触。保温箱温度达到设定值后，电磁铁线圈的电流在I0附近上下波动，加热电路持续地断开、闭合，使保温箱温度维持在设定值。则图2中加热电阻丝的c端应该与触头_______ (填“a”或“b”)相连接。  a 解析：由题图1可知，温度升高，热敏电阻的阻值变小，根据闭合电路欧姆定律可知流过电磁铁线圈的电流变大，衔铁与下固定触头b接触，此时加热电阻丝电路部分断开连接，停止加热，可知题图2中加热电阻丝的c端应该与触头a相连接。 (3)当保温箱的温度设定在50 ℃时，电阻箱旋钮的位置如图3所示，则电阻箱接入电路的阻值为________Ω。  130.0 解析：由题图3可知，电阻箱接入电路的阻值为130.0 Ω。 (4)若要把保温箱的温度设定在100 ℃，则电阻箱接入电路的阻值应为________Ω。  210.0 解析：由题图1可知，当温度为50 ℃时，热敏电阻的阻值为180.0 Ω，此时电阻箱接入电路的电阻为130.0 Ω，当温度为100 ℃时，热敏电阻的阻值为100.0 Ω，要使电流值I0不变，则控制电路的总电阻值不变，则此时电阻箱接入电路的阻值为180.0 Ω+130.0 Ω-100.0 Ω= 210.0 Ω。 4. (2025·镇江高二检测)纯电动汽车的蓄电池的安全性，主要体现在对其温度的控制上，当电池温度过高时，必须立即启动制冷系统进行降温。如图甲是小明设计的模拟控温装置示意图，电磁继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器RP串联接在电压为5 V的电源两端。当电磁铁线圈(电阻不计)中的电流I大于或等于20 mA时，衔铁被吸合。热敏电阻置于温度监测区域，其阻值Rt与温度t的关系如图乙所示。滑动变阻器的最大阻值为200 Ω。则： (1)图甲中，开关S闭合前，滑动变阻器的滑片应移至最_______ (选填“左”或“右”)端。  左 解析：开关闭合前，为了保护电路，滑动变阻器的滑片应位于阻值最大处，故滑片应移至最左端。 (2)图甲中应将b端与_________ (选填“a”或“c”)端相连。  c 解析：由题意可知，电池温度升高，热敏电阻阻值减小，控制电路电流增大，当控制电路电流达到20 mA 时，衔铁被吸合，制冷系统工作，所以应将b端与c端相连。 (3)若设置电池温度为50 ℃时启动制冷系统，由图乙可知，当温度为50 ℃时，Rt的阻值为_______Ω，此时滑动变阻器对应阻值应为_______Ω。  100 150 解析：由题图乙可知，当温度为50 ℃时，Rt的阻值为100 Ω，此时控制电路的总电阻R== Ω=250 Ω，可知滑动变阻器接入电路的电阻为RP=R-Rt=250 Ω-100 Ω=150 Ω。 (4)该电路可设置启动制冷系统的最高温度是________℃。  74 解析：当滑动变阻器接入电路的阻值为200 Ω时，热敏电阻的临界阻值Rt'=R-RP'=250 Ω-200 Ω=50 Ω，由题图乙可知，此时对应的温度为74 ℃，所以该电路可设置启动制冷系统的最高温度是74 ℃。 5.(2024·河北高考)某种花卉喜光，但阳光太强时易受损伤。某兴趣小组决定制作简易光强报警器，以便在光照过强时提醒花农。该实验用到的主要器材如下：学生电源、多用电表、数字电压表、数字电流表、滑动变阻器R(最大阻值50 Ω，1.5 A)、白炽灯、可调电阻R1、发光二极管LED、光敏电阻RG、NPN型三极管VT、开关和若干导线等。 (1)判断发光二极管的极性 使用多用电表的“×10 k”电阻挡测量二极管的电阻。如图1所示，当黑表笔与接线端M接触、红表笔与接线端N接触时，多用电表指针位于表盘中a位置(见图2)；对调红、黑表笔后指针位于表盘中b位置(见图2)。由此判断M端为二极管的__________ (填“正极”或“负极”)。  负极 解析：使用多用电表时，通过多用电表的电流流向遵循“红进黑出”，使用多用电表的电阻挡时，当黑表笔与M端接触、红表笔与N端接触时，若有电流，则二极管中电流方向为M→N，而由题图2可知此时多用电表指针位于a位置，即此时二极管电阻无穷大，由二极管的单向导电性可知，此时二极管所接电压为反向电压，则M端为二极管的负极。 (2)研究光敏电阻在不同光照条件下的伏安特性 ①采用图3中的器材进行实验，部分实物连接已完成。要求闭合开关后电压表和电流表的读数从0开始。导线L1、L2和L3的另一端应分别连接滑动变阻器的________、________、________接线柱(以上三空选填接线柱标号“A”“B”“C”或“D”)。  答案：①A　A　C(或D)[另一答案：C(或D)　A　B] ②图4为不同光照强度下得到的光敏电阻伏安特性曲线，图中曲线Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ对应光敏电阻受到的光照由弱到强。由图像可知，光敏电阻的阻值随其表面受到光照的增强而______ (填“增大”或“减小”)。  减小 解析：①由于要求闭合开关后电压表和电流表的读数从0开始，则滑动变阻器应采用分压式接法，L2的另一端应接A接线柱，若光敏电阻测量支路并联在滑动变阻器左侧部分，则L1的另一端应接A接线柱，L3另一端应接C(或D)接线柱；若光敏电阻测量支路并联在滑动变阻器右侧部分，则L1的另一端应接C(或D)接线柱，L3另一端应接B接线柱。②I⁃U图像上某点与坐标原点连线的斜率的倒数表示光敏电阻的阻值，由题图4可知，光照增强时，光敏电阻的阻值减小，即光敏电阻的阻值随其表面受到光照的增强而减小。 (3)组装光强报警器电路并测试其功能 图5为利用光敏电阻、发光二极管、三极管(当b、e间电压达到一定程度后，三极管被导通)等元件设计的电路。组装好光强报警器后，在测试过程中发现，当照射到光敏电阻表面的光强达到报警值时，发光二极管并不发光，为使报警器正常工作，应________ (填“增大”或“减小”)可调电阻R1的阻值，直至发光二极管发光。  增大 解析：三极管未导通时，RG与R1串联，三极管b、e间电压等于R1两端电压。随着光照增强，RG电阻减小，此时三极管仍未导通，说明R1分压小，故需要增大R1。 本课结束 更多精彩内容请登录：www.zghkt.cn $