3. 利用传感器制作简单的自动控制装置（举一反三讲义）物理人教版选择性必修第二册

第3节 利用传感器制作简单的自动控制装置 【目录】 【学习目标】 1 【思维导图】 1 【知识梳理】 2 知识点1：门窗防盗报警装置 2 知识点2：光控开关 6 【巩固训练】 11 【学习目标】 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。 3． 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，设计方案、动手实践的意识和习惯。 重点： 1． 实验电路的设计。 2． 对学生动手实践能力的培养。 难点： 1． 实验电路的设计。 2． 对学生动手实践能力的培养。 【思维导图】 【知识梳理】 知识点1：门窗防盗报警装置 1．要实现的功能： 连接好电路，启动防盗报警装置。当门窗紧闭时，蜂鸣器不响，指示灯亮；当门窗被打开时，蜂鸣器发出声音警报，指示灯灭。 2．器材： 电源、导线、开关、干簧管、继电器、蜂鸣器、发光二极管、电阻、小磁体。 器材的作用： 干簧管：起到传感器和控制开关的作用，将门与门框的相对位置这一非电学量转换为电路的通断。 继电器：自动的双向开关。 蜂鸣器：报警装置。 发光二极管：电路正常工作的指示灯。 3．设计电路： 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接通，发光二极管LED发光，显示电路处于正常工作状态。此时，蜂鸣器不发声。 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。此时，发光二极管LED不发光。 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，观察簧片能否正常动作。 （2）确定各元件可以正常工作后，按图所示连接电路。 （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。 【例1】如图所示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 【答案】D 【详解】A．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，选项A错误； B．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，选项B错误； C．根据安培定则可知，电磁铁工作时，上端为N极，选项C错误； D．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，选项D正确。 故选D。 【变式1】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。下列说法不正确的是（　　） A．当门紧闭时，磁体M处在干簧管SA里面，开关c与b接通 B．当门紧闭时，磁体M处在干簧管SA里面，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 【答案】A 【详解】AB．当门紧闭时，磁体M处在干簧管SA里面，继电器接通，开关c与a接通，LED灯亮，故A错误，满足题意要求；B正确，不满足题意要求； CD．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，LED灯不亮，，蜂鸣器H发声报警，故CD正确，不满足题意要求。 故选A。 【变式2】图甲是一种家用门窗防盗报警装置，图乙是干簧管元件。安装时，在门的上沿嵌入一小块永磁体M，门框内与M相对的位置嵌入干簧管SA，并将干簧管接入报警电路（蜂鸣报警器），此装置具有自动提示报警的功能，当睡觉前连接好电路，启动防盗报警装置，当门紧闭时，蜂鸣报警器不响，当门被打开时，蜂鸣报警器发出声音警报，下列有关说法正确的是（　　） A．当门关闭时，干簧管两簧片接通 B．干簧管可以由铜或银等导电性能更好的材料制成 C．如将门上镶嵌磁体N、S极对调后，该报警器不能正常工作 D．本装置是利用电磁感应原理控制电路 【答案】A 【详解】AD．干簧管为磁控开关，当门关闭时有磁体，干簧管两簧片接通，故D错误，A正确； B．铜或银不是磁性材料，则干簧管不可以由铜或银等导电性能更好的材料制成，故B错误； C．如将门上镶嵌磁体N、S极对调后，不影响磁体吸引干簧管两簧片，该报警器能正常工作，故C错误。 故选A。 【变式3】在“利用传感器制作简单的自动控制”实验中，图1是简单的门窗磁控防盗报警装置示意图。门的上沿嵌入一小块永磁体，门框内与相对的位置嵌入干簧管，并将干簧管接入报警电路。 ①如图2所示，干簧管SA作为传感器，用于感知磁体磁场是否存在，继电器（虚线方框部分）作为执行装置，发光二极管LED作为电路正常工作提示，蜂鸣器作为报警提醒。电路中点应接直流电源的___________（填“正极”或“负极”）。 ②连接好电路，闭合开关接通电源，观察并记录实验现象。将磁体靠近或离开干簧管，应看到的现象是_________。 【答案】正极 靠近时二极管发光；离开时蜂鸣器发声 【详解】[1]由于二极管具有单向导电性，故电路中P点应接直流电源的正极。 [2]磁体M靠近干簧管，干簧管两片簧片被磁化相吸，继电器的动触点与常开触电接通，发光二极管发光；磁体M离开干簧管，干簧管断开，继电器的动触点与常闭触点接通，蜂鸣器发声。 知识点2：光控开关 1．要实现的功能： 连接好电路，启动含有光控开关的电路。在天色暗到一定程度时路灯自动开启，在天明时自动熄灭。 2．器材： 发光二极管LED、光敏电阻RG、限流电阻R2、可调电阻R1、三极管、继电器、小灯泡、电源。 器材的作用： 三极管：具有电流放大作用，配合光敏电阻完成光控开关的任务，具有完成断路和接通的开关作用。 发光二极管LED：模仿路灯。 可调电阻：调整、设定电路对周边光亮度的反应，控制三极管的基极电流。 3．设计电路： （1）电路1： 可调电阻R1与光敏电阻RG组成串联分压电路，把光敏电阻因光照而发生的电阻变化，转换为电压的变化，加载到三极管VT的基极b上。当基极电压达到一定程度后，三极管被导通，从而使得由电源正极经电阻R2、发光二极管、三极管集电极和发射极到达电源负极的回路被导通。如果把R1阻值调得更大些，就会在天更暗时点亮路灯。 （2）电路2： 如采用小灯泡模仿路灯，就要使用继电器来启、闭另外的供电电路，图乙中K为继电器的线圈，S为它的常开触点。为了防止继电器释放衔铁时线圈中的自感电动势损坏三极管，必须给线圈并联一只二极管D，以提供自感电流释放的通路。 （3）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，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。 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。 4．实验操作： （1）按图所示连接电路，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。 【例2】（多选题）如图甲所示为电磁继电器自动双向开关，当中通过的电流较小时，电磁铁磁性弱，A与B接线柱接通；当中通过的电流增大到一定数值时，C与B接线柱接通。图乙为应用电磁继电器和光敏电阻实现路灯自动开、关的电路图，虚线框内为电磁继电器接入电路时的符号（M、N两接线柱分别与电磁继电器中接线柱A或C连接）。R为光敏电阻（光敏电阻阻值随光照强度增大而减小），为可调电阻，为保护电阻。开关S闭合，在光线暗时对路灯L供电，光线亮时对路灯L断电并同时接通LED。下列说法中正确的是（　　） A．为使电路正常工作，图甲中电磁继电器的C接线柱应与图乙中M接线柱连接 B．为更好的节能环保，天色更暗时对路灯自动供电，可将的阻值调小 C．随着电池的使用，电池电动势降低，内阻增大，路灯在天色更（亮）时就会自动供电 D．当LED出现断路故障时，电磁继电器将不能正常工作 【答案】BC 【详解】A．由题意可知，光线较暗时，光敏电阻的阻值较大，流过DE的电流较小，电磁铁磁性弱，此时AB接通，此时灯L应该接通，则电磁继电器的A接线柱应与图乙中M接线柱连接，故A错误； B．电磁铁的磁性与电流的大小有关，电流小到一定值，AB接通，光线更暗时，光敏电阻的阻值更大，根据 可知要实现光线更暗时对路灯自动供电，可将R1的阻值调小，故B正确； C. 随着电池的使用，电池电动势降低，内阻增大，则光敏电阻R更小时电路就会接通，即路灯在天色更（亮）时就会自动供电，选项C正确； D．当LED出现断路故障时，不影响电磁继电器部分的电路，可以正常工作，故D错误。 故选BC。 【变式1】（多选题）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。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。下列说法正确的是（　　） A．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 B．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 C．为节省用电，调节增大，天黑更晚些，电灯亮 D．为节省用电，调节减小，天黑更晚些，电灯亮 【答案】ABC 【详解】A．当光较强时，光敏电阻的阻值很小，回路中电流较大，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，即二极管不工作，继电器处于常开状态，小灯泡不亮，A正确； B．当光较弱时，光敏电阻阻值变大，电路中电流较小，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，B正确； CD．为节省用电，调节增大，由串联电路的特点可知，光敏电阻分得电压减小，因此到天黑更晚些，光线会更弱一些，光敏电阻的阻值更大一些，这样光敏电阻分得电压增大，才能使三极管导通，获得足够的基极电流，才能点亮二极管或驱动继电器吸合而点亮小灯泡L，C正确，D错误。 故选ABC。 【变式2】（多选题）如图所示，用小灯泡模仿光控电路，A、Y之间为斯密特触发器，为光敏电阻，为可变电阻；J为继电器的线圈，为它的常开触点，下列说法正确的是（　　） A．天色变暗时，A端输入高电平，继电器吸引，路灯点亮 B．要想在天色更暗时，路灯才会点亮，应把的阻值调大些 C．要想在天色更暗时路灯才会点亮，应把的阻值调小些 D．二极管的作用是继电器释放时提供自感电流的通路，防止损坏集成电路 【答案】ABD 【详解】A．天色变暗时，光敏电阻阻值较大，则两端的电势差较大，所以A端的电势较高，继电器工作吸引常开触点，路灯点亮，故A正确； BC．当A端电势较高时，路灯会亮，天色更暗时光敏电阻的阻值更大，则两端的电势差更大，A端的电势更高；要想在天色更暗时路灯才会点亮，必须使光敏电阻分担的电压降低，根据串联分压可知应把的阻值调大些，故B正确，C错误； D．天色变亮时，A端输入低电平，继电器不工作释放常开触点，继电器的线圈会产生自感电动势，二极管与继电器的线圈串联构成闭合回路，防止损坏集成电路，故D正确。 故选ABD。 【变式3】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（勒克斯）。 照度/lx 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 电阻 5.8 3.6 2.8 2.3 1.8 （1）某光敏电阻在不同照度下的阻值如上表，根据表中已知数据，在图1的坐标系中描绘出了阻值随照度变化的曲线.根据图像，表格中空缺的数据是__________。 （2）如图2甲所示是街道路灯自动控制模拟电路，利用直流电源为电磁铁供电，利用照明电源为路灯供电，电路能达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果。 （3）用多用电表“”挡，按正确步骤测量图中电磁铁线圈电阻时，指针示数如图2乙所示，则线圈的电阻为__________，已知当线圈中的电流大于或等于时，继电器的衔铁将被吸下，图中直流电源的电动势，内阻忽略不计，滑动变阻器有两种规格可供选择：，要求天色渐暗照度降低至时点亮路灯，滑动变阻器应选择__________（填），为使天色更暗时才点亮路灯，应适当地__________（填“增大”或“减小”）滑动变阻器的电阻。 【答案】 2.0 140 减小 【详解】[1] 由图1知，光照强度为1.0lx时，光敏电阻的电阻值为2.0kΩ [2] 欧姆表的读数是先读出表盘的刻度，然后乘以倍率，表盘的刻度是14，倍率是“×10Ω”，所以电阻值是14×10=140Ω [3] 天色渐暗照度降低至1.01x时点亮路灯，此时光敏电阻的电阻值是2kΩ，电路中的电流是2mA，有 所以要选择滑动变阻器 [4] 由于光变暗时，光敏电阻变大，分的电压变大，所以为使天色更暗时才点亮路灯，应适当地减小滑动变阻器的电阻。 【巩固训练】 1．角速度计可测量飞机、航天器、潜艇的转动角速度，成为飞机、卫星等的制导系统的信息源。其简化结构如图所示，质量为的元件与轻质弹簧连接，可在杆上自由滑动，弹簧的自然长度为、劲度系数为，电源电动势为、内阻不计，滑动变阻器总长也为，电阻分布均匀，系统静止时在点，不计一切阻力，当系统绕轴以角速度转动时，元件发生位移并输出相应的电压信号，则（　　） A．电路中电流随角速度的增大而增大 B．输出电压随角速度的增大而减小 C．弹簧的伸长量为 D．输出电压与的函数式为 【答案】D 【详解】A．系统在水平面内以角速度转动时，无论角速度增大还是减小，BC的电阻不变，根据闭合电路欧姆定律得知，电路中电流保持不变，与角速度无关，故A错误； BCD．设系统在水平面内以角速度转动时，弹簧伸长的长度为x，则对元件A，根据牛顿第二定律得 则 又输出电压 联立两式得 所以输出电压随角速度的增大而增大，故BC错误，D正确。 故选D。 2．如图是“温度自动报警器”的电路图，图中金属丝下端与95°C刻度线对齐，温度超过95°C，铃响表示报警。下列说法正确的是（　　） A．图中的是电磁铁，通电后电磁铁的上方是S极 B．控制电路电源的正、负极对调后不会影响自动报警器工作 C．该液体温度计使用水银的主要原因是水银的密度很大 D．如果要降低报警温度，需要将金属丝往上提 【答案】B 【详解】A．电磁铁的南北极由线圈的绕向和电流方向共同决定，电流由正极流向负极，根据电流流向可判断上端为N极，故A错误； B．此控制电路只需使电磁铁通电以带动触点，调换电源的正负极仅改变电磁铁两端的极性，不影响其吸合功能，故B正确； C．液体温度计采用水银的主要原因是水银导电，密度并非选用水银的主要依据，故C错误； D．若要降低报警温度，应使水银更早接触金属丝，需将金属丝适当下移而非上提，故D错误。 故选B。 3．用某热敏电阻作为传感器制作的自动报警器原理如图所示，其中左侧为控制电路，右侧为工作电路，热敏电阻的阻值随温度升高而减小。在某次调试时，报警器达到报警温度后，无论如何调节滑动变阻器的滑片都不能使小灯泡发光。排除了其他因素后，造成这一现象的原因可能是下列选项中的（　　） A．控制电路中电源的内阻太小 B．工作电路中电源的内阻太小 C．继电器中的线圈匝数太少 D．继电器中弹簧劲度系数太小 【答案】C 【详解】A．小灯泡发光的条件是控制电路中的电流大于等于临界值，若控制电路中电源的内阻过小，则电路中的电流更大，更容易升高到临界值，故A错误； B．工作电路中的电源不影响控制电路的电流，即与工作电路无关，故B错误； C．继电器中线圈匝数过少，电磁铁磁性较弱，电磁铁在到达临界条件的电流时，引力无法将衔铁吸引下来，故C正确； D．继电器中弹簧劲度系数太小时，电磁铁更容易将衔铁吸引下来，更容易使小灯泡发光，故D错误。 故选C。 4．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 【答案】A 【详解】A．门关上时，磁条与主机刚好靠在一起，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，选项A正确； B．触发器与磁条之间存在磁力的作用，所以触发器不可能是铜制成的，因为铜没有磁性，选项B错误； C．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，选项C错误； D．本装置是利用磁体能够吸引磁性物体的特点工作的，选项D错误； 故选A。 5．（多选题）某同学设计的家庭电路保护装置如图所示，铁芯左侧线圈L1由火线和零线并行绕成。如果右侧线圈L2中产生感应电流时，电流经放大器放大后，使电磁铁吸起铁质开关K而切断家庭电路，仅考虑L1在铁芯中产生的磁场，下列说法正确的有（　　） A．家庭电路正常工作时，L2中的磁通量为零 B．家庭电路中使用的电器增多时，L2中的磁通量将增加 C．家庭电路中的电器发生短路时，开关K将被电磁铁吸起 D．地面上的人接触火线发生触电时，开关K将被电磁铁吸起 【答案】AD 【详解】AB．分析题意可知，火线和零线中电流等大反向，并行绕制时，线圈L1中产生的磁通量相互抵消，合磁通量为零，线圈L1、L2绕制同一铁芯上，即使用电器增多时，线圈L2中的磁通量同样为零，故A正确，B错误； C．家庭电路中的电器发生短路时，根据闭合电路欧姆定律可知，火线和零线的电流同时增大，合磁通量为零，开关K不会被电磁铁吸起，故C错误； D．地面上的人接触火线发生触电时，火线的电流变大，线圈L1中的磁通量不为零，线圈L2中的磁通量发生变化，产生感应电流，电磁铁将开关K吸起，故D正确。 故选AD。 6．汽车自动雨刷系统中的雨量感应模块是其核心部件。某物理兴趣小组欲探究一个用于雨量感应的光敏电阻的特性，并设计一个简单的雨量控制模拟电路。 (1)探究光敏电阻的阻值特性 准备实验器材：待测光敏电阻（阻值随光照强度增大而减小），直流电源（），电压表（量程0～5V，内阻约3kΩ），电流表（量程0～3mA，内阻约10Ω），滑动变阻器（最大阻值20Ω），开关，导线若干，用于模拟雨滴的遮光物。 ①小组同学先用多用电表的电阻挡粗略测量光线较弱时光敏电阻的阻值，将选择开关指在电阻挡“×100”倍率，进行正确操作后示数如图甲所示，其读数为__________Ω。 ②为了更精确地测量不同光照强度下光敏电阻的阻值，小组同学设计电路并连接实验器材进行实验。请根据题中所给器材和测量需要，设计合理测量电路，用笔画线代替导线，在图乙中将实物图补充完整__________。 ③小组同学用遮光物模拟雨滴，不同程度地遮挡光敏电阻，以模拟不同雨量。测得无遮挡、轻度遮挡、重度遮挡（模拟小雨、中雨、大雨）三种情况下的图线分别为图丙中的、、，则对应大雨情况的图线是__________（填“”“”或“”）。 (2)设计自动雨刷启动电路 根据以上实验结果，小组同学想利用该光敏电阻设计一个模拟“自动雨刷”的控制电路。其原理是当雨量增大时，控制开关输入电压降低，且在达到中雨级别之前的适当值时，使控制开关输入的电压低于阈值（触发开关工作电压值）2.5V，触发雨刷电机启动。供电电路采用的器材为光敏电阻，定值电阻，，电源电动势，内阻不计。下列选项中可以实现上述控制功能的电路图为__________。 A． B． C． D． 【答案】(1) 1800 (2)C 【详解】（1）[1]多用电表电阻挡读数为指针示数×倍率，因此读数为 [2]滑动变阻器最大阻值仅20Ω，远小于光敏电阻，限流法无法明显改变电压电流，因此采用分压式接法； 光敏电阻为大电阻，满足，因此电流表采用内接法，连线如图： [3]大雨对应重度遮挡，光照最弱，光敏电阻阻值最大，由，相同电压下电流最小，因此对应图线斜率最小的。 （2）AB．控制开关并联在两端，电压，增大时增大，不符合“雨量增大电压降低”的要求，故AB错误； C．由题意雨量增大→遮挡增多→增大，要求增大时控制开关输入电压降低，且中雨之前电压就低于2.5V触发启动。由三种情况下的图线可求得小雨时，同理中雨时，大雨时。 控制开关并联在两端，电压，增大时减小，符合变化规律。令代入得触发对应的（中雨阻值），说明中雨之前就触发，故C正确； D．控制开关并联在两端，令得触发对应，超过中雨才触发，故D错误。 故选C。 7．某探究小组，取片状RFP602型半导体薄膜压力传感器一片，探究其圆形敏感区域受压力F与传感器电阻的变化关系。图示是利用测量数据画出的图线。压力为1N时曲线斜率为24kΩ／N，压力为5N时曲线斜率为1.9kΩ／N，前者是后者的13倍。 (1)由图线数据分析可知，斜率越大，传感器灵敏度就______（填“越高”或“越低”）； (2)利用RFP602型压力传感器，设计一台自动分拣装置，按一定质量标准自动分拣大小物体，如3A等级苹果或3J等级车厘子。甲装置中O2C、O1D为绕转动的杠杆。通过两端的电压激励放大电路吸动衔铁。评价甲、乙两种方案哪种更科学：___________（填“甲”或“乙”），并简要说明理由：______________； (3)某同学想在托盘秤压在杠杆上的位置不变的情况下，利用一块电压表测出每个苹果的质量，且电压表的示数随苹果质量的增大而增大，则电压表应该并联在_______________（填“电阻”、“电阻”或“电源”）两端； (4)若电源长时间未使用，内阻r增大，但电动势不变，为了保证分拣标准质量不变，可以怎样操作：______。 【答案】(1)越高 (2) 甲 甲可以利用杠杆对被控压力进行放大或缩小，使作用在传感器上的压力处于灵敏度最高的区间 (3)电阻 (4)将适当调大 【详解】（1）由题中图像，斜率越大，增大或减少相同的压力时，传感器电阻变化幅度就越大，传感器灵敏度就越高。 （2）[1][2]甲。由题意，传感器压力在1N左右时灵敏度高，甲装置可以在调节托盘秤压在杠杆上的位置，使质量等于分拣标准的物体经过托盘秤时，杠杆对传感器的压力为1N左右。 （3）随着苹果质量增大，阻值减小，分压减小，电源电动势不变，分压增大，为了满足电压表的示数随苹果质量的增大而增大，需要将电压表并联在两端。 （4）若电源长时间未使用，内阻增大，但电动势不变，根据闭合电路欧姆定律，有 可知内阻增大，则实际要吸引衔铁打开通道时的电阻偏小，需要的压力偏大，即分拣标准质量将会偏大，为保证标准激励电压不变，可以将适当调大。 8．一物理兴趣小组得到了一个热敏电阻（阻值随温度的升高而减小），他们想测量该热敏电阻在70℃时的阻值，然后将该热敏电阻接入如图乙所示的电路当中，制作成一个简易火灾自动报警器。 (1)他们用如图甲所示的电路测量该热敏电阻在70℃时的阻值。按图甲连接好电路，定值电阻R1、R3的阻值分别为150Ω和300Ω，在A、B间接入灵敏电流计，先把热敏电阻放入70℃的恒温水中，闭合开关；调节电阻箱，使灵敏电流计示数为零，则此时A、B两点电势________（填“相等”或“不相等”），此时电阻箱的阻值为263.5Ω，则热敏电阻的阻值________Ω（结果保留一位小数）。 (2)图乙中，为使温度在升高到报警温度时，报警器响起，单刀双掷开关c应该接________（填“a”或“b”）。他们先把热敏电阻放入70℃的恒温水中，然后调节滑动变阻器的电阻，直到报警器响起。已知直流电源电动势，内阻不计。若继电器线圈ed电阻为1.5Ω，流过继电器线圈的电流才会使铁片吸合，欲使温度升高到70℃时报警器恰好响起，则滑动变阻器接入电路的阻值应该是________Ω。 【答案】(1) 相等 527.0 (2) a 371.5 【详解】（1）[1][2]题图甲电路的测量原理是电桥平衡，当通过灵敏电流计的电流为0时，电桥平衡，此时A、B两点电势相等，由平衡条件有 解得 （2）[1][2]环境温度升高时，热敏电阻阻值变小，回路中的电流增大，所以在没有报警之前右侧电路应该是断开状态，然后继电器吸合使右侧电路接通，所以单刀双掷开关应该接a，当报警器刚好在70℃时报警，则有 解得。 9．某热敏电阻的阻值随温度t的变化如图（a）所示，图（b）是某研究小组利用此热敏电阻作为传感器制作温度报警器的电路图。当线圈的电流达到一定值时，衔铁被吸合，报警器铃响。 (1)为了使温度过高时报警器铃响，c应接在____________（填“a”或“b”）端。 (2)若要使启动报警的温度降低些，应将滑动变阻器的滑片P____________（填“向左”或“向右”）移动。 (3)该研究小组在调试报警温度时，发现将报警器放在预定报警温度的环境时，无论如何调节滑动变阻器，报警器都一直报警。请你提出一种合理的解决方案：____________。 【答案】(1)a (2)向右 (3)方案一：更换电动势较小的电源，方案二：更换最大阻值较大的滑动变阻器，方案三：更换线圈匝数较少的电磁铁 【详解】（1）根据图a可以得出，热敏电阻的阻值随着温度的升高而减小，当温度过高时，热敏电阻阻值变小，电路中电流变大电磁铁吸引力变大，衔铁被吸引向a端，要使此时报警铃响，则开关c应该接在a处。 （2）要使报警的温度降低一些，应该减小电路中总电阻，则滑动变阻器滑片应将向右端滑动。 （3）发现将报警器放在预定报警温度的环境时，无论如何调节滑动变阻器，报警器都一直报警，说明电流都过大或电磁铁太灵敏，故有以下可行方案： 方案一：更换电动势较小的电源，方案二：更换最大阻值较大的滑动变阻器，方案三：更换线圈匝数较少的电磁铁。 10．根据图片回答下列问题 （1）图1、2提供了两种模拟的光控开关电路。实验电路为什么使用三极管？ （2）图1用发光二极管LED模仿路灯，该电路将光照强弱这个非电学量转换为哪个电学量？这个电学量如何通过三极管控制发光二极管LED导通？ （3）图2电路为什么在图1电路的基础上增加继电器(K为继电器的线圈，S为它的常开触点)？二极管D有什么作用？ （4）图1、2模拟光控路灯的工作原理是什么？ （5）分析模拟光控开关路灯的实验现象，可得到什么结论？ （6）光控开关实验中，要使光控开关在天色更暗时才点亮“路灯”，应该如何调节电路？ 【答案】（1）见解析；（2）见解析；（3）见解析；（4）见解析；（5）见解析；（6）见解析。 【详解】（1）在控制电路中，由于光敏电阻的工作电流很微弱，不能直接驱动执行机构工作，因此一般都需要配置一定的放大电路实现控制。而晶体三极管具有电流放大作用，可配合光敏电阻完成光控开关的作用。 （2）可调电阻与光敏电阻组成串联分压电路，把光敏电阻因光照而发生的电阻变化，转换为电压的变化，加载到三极管VT的基极b上。当基极电压达到一定程度后，三极管被导通，从而使得由电源正极经电阻、发光二极管，三极管集电极和发射极到达电源负极的回路被导通。 （3）图2用小灯泡模仿路灯，小灯泡的功率比图1中的发光二极管LED的功率大得多，为了能够驱动更大功率的负载，就要使用继电器来启、闭另外的供电电路。为了防止继电器释放衔铁时线圈中的自感电动势损坏三极管，必须给线圈并联一只二极管D，以提供自感电流释放的通路。 （4）当环境光比较强时，光敏电阻的阻值很小，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。当环境光比较弱时，光敏电阻的阻值变大，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。 （5）当环境光比较强时，发光二极管不工作，小灯泡L不亮。当环境光暗到一定程度时，发光二极管点亮或小灯泡L点亮，实现了光控路灯天亮灯灭，天暗灯亮的目的。 （6）可调电阻的作用是调整，设定电路对周边光亮度的反应，在电路中能够控制三极管的基极电流。要使光控开关在天色更暗时才点亮“路灯”，即在光照更弱时，三极管导通，由串联分压关系可知，应把阻值调的更大些。 22 / 23 学科网（北京）股份有限公司 $ 第3节 利用传感器制作简单的自动控制装置 【目录】 【学习目标】 1 【思维导图】 1 【知识梳理】 2 知识点1：门窗防盗报警装置 2 知识点2：光控开关 5 【巩固训练】 9 【学习目标】 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。 3． 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，设计方案、动手实践的意识和习惯。 重点： 1． 实验电路的设计。 2． 对学生动手实践能力的培养。 难点： 1． 实验电路的设计。 2． 对学生动手实践能力的培养。 【思维导图】 【知识梳理】 知识点1：门窗防盗报警装置 1．要实现的功能： 连接好电路，启动防盗报警装置。当门窗紧闭时，蜂鸣器__________，指示灯__________；当门窗被打开时，蜂鸣器__________，指示灯__________。 2．器材： 电源、导线、开关、__________、__________、蜂鸣器、发光二极管、电阻、小磁体。 器材的作用： 干簧管：起到__________和__________的作用，将门与门框的相对位置这一非电学量转换为__________。 继电器：自动的__________开关。 蜂鸣器：报警装置。 发光二极管：电路__________工作的指示灯。 3．设计电路： 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__________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__________，发光二极管LED__________，显示电路处于正常工作状态。此时，蜂鸣器__________。 当门窗开启时，磁体离开干簧管，干簧管失磁__________，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__________。此时，发光二极管LED__________。 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，观察簧片能否正常动作。 （2）确定各元件可以正常工作后，按图所示连接电路。 （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。 【例1】如图所示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 【变式1】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。下列说法不正确的是（　　） A．当门紧闭时，磁体M处在干簧管SA里面，开关c与b接通 B．当门紧闭时，磁体M处在干簧管SA里面，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 【变式2】图甲是一种家用门窗防盗报警装置，图乙是干簧管元件。安装时，在门的上沿嵌入一小块永磁体M，门框内与M相对的位置嵌入干簧管SA，并将干簧管接入报警电路（蜂鸣报警器），此装置具有自动提示报警的功能，当睡觉前连接好电路，启动防盗报警装置，当门紧闭时，蜂鸣报警器不响，当门被打开时，蜂鸣报警器发出声音警报，下列有关说法正确的是（　　） A．当门关闭时，干簧管两簧片接通 B．干簧管可以由铜或银等导电性能更好的材料制成 C．如将门上镶嵌磁体N、S极对调后，该报警器不能正常工作 D．本装置是利用电磁感应原理控制电路 【变式3】在“利用传感器制作简单的自动控制”实验中，图1是简单的门窗磁控防盗报警装置示意图。门的上沿嵌入一小块永磁体，门框内与相对的位置嵌入干簧管，并将干簧管接入报警电路。 ①如图2所示，干簧管SA作为传感器，用于感知磁体磁场是否存在，继电器（虚线方框部分）作为执行装置，发光二极管LED作为电路正常工作提示，蜂鸣器作为报警提醒。电路中点应接直流电源的__________（填“正极”或“负极”）。 ②连接好电路，闭合开关接通电源，观察并记录实验现象。将磁体靠近或离开干簧管，应看到的现象是__________。 知识点2：光控开关 1．要实现的功能： 连接好电路，启动含有光控开关的电路。在天色暗到一定程度时路灯自动__________，在天明时自动__________。 2．器材： __________、__________、限流电阻R2、可调电阻R1、__________、继电器、小灯泡、电源。 器材的作用： 三极管：具有电流__________作用，配合光敏电阻完成__________的任务，具有完成断路和接通的__________作用。 发光二极管LED：模仿路灯。 可调电阻：调整、设定电路对周边光亮度的反应，控制三极管的基极电流。 3．设计电路： （1）电路1： 可调电阻R1与光敏电阻RG组成__________电路，把光敏电阻因光照而发生的电阻变化，转换为__________的变化，加载到三极管VT的基极b上。当基极电压达到一定程度后，三极管被导通，从而使得由电源正极经电阻R2、发光二极管、三极管集电极和发射极到达电源负极的回路被导通。如果把R1阻值调得更__________些，就会在天更暗时点亮路灯。 （2）电路2： 如采用小灯泡模仿路灯，就要使用继电器来启、闭另外的供电电路，图乙中K为继电器的线圈，S为它的常开触点。为了防止继电器释放衔铁时线圈中的__________损坏三极管，必须给线圈__________一只二极管D，以提供自感电流释放的__________。 （3）工作原理： 当环境光比较强时，光敏电阻RG的阻值很__________，三极管__________，发光二极管或继电器所在的回路相当于__________，即发光二极管__________；继电器处于常开状态，小灯泡L__________。 当环境光比较弱时，光敏电阻RG的阻值变__________，三极管__________，且获得足够的__________电流，产生较大的__________电流，点亮发光二极管或驱动继电器吸合而点亮小灯泡L。 4．实验操作： （1）按图所示连接电路，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。 【例2】（多选题）如图甲所示为电磁继电器自动双向开关，当中通过的电流较小时，电磁铁磁性弱，A与B接线柱接通；当中通过的电流增大到一定数值时，C与B接线柱接通。图乙为应用电磁继电器和光敏电阻实现路灯自动开、关的电路图，虚线框内为电磁继电器接入电路时的符号（M、N两接线柱分别与电磁继电器中接线柱A或C连接）。R为光敏电阻（光敏电阻阻值随光照强度增大而减小），为可调电阻，为保护电阻。开关S闭合，在光线暗时对路灯L供电，光线亮时对路灯L断电并同时接通LED。下列说法中正确的是（　　） A．为使电路正常工作，图甲中电磁继电器的C接线柱应与图乙中M接线柱连接 B．为更好的节能环保，天色更暗时对路灯自动供电，可将的阻值调小 C．随着电池的使用，电池电动势降低，内阻增大，路灯在天色更（亮）时就会自动供电 D．当LED出现断路故障时，电磁继电器将不能正常工作 【变式1】（多选题）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。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。下列说法正确的是（　　） A．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 B．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 C．为节省用电，调节增大，天黑更晚些，电灯亮 D．为节省用电，调节减小，天黑更晚些，电灯亮 【变式2】（多选题）如图所示，用小灯泡模仿光控电路，A、Y之间为斯密特触发器，为光敏电阻，为可变电阻；J为继电器的线圈，为它的常开触点，下列说法正确的是（　　） A．天色变暗时，A端输入高电平，继电器吸引，路灯点亮 B．要想在天色更暗时，路灯才会点亮，应把的阻值调大些 C．要想在天色更暗时路灯才会点亮，应把的阻值调小些 D．二极管的作用是继电器释放时提供自感电流的通路，防止损坏集成电路 【变式3】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（勒克斯）。 照度/lx 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 电阻 5.8 3.6 2.8 2.3 1.8 （1）某光敏电阻在不同照度下的阻值如上表，根据表中已知数据，在图1的坐标系中描绘出了阻值随照度变化的曲线.根据图像，表格中空缺的数据是__________。 （2）如图2甲所示是街道路灯自动控制模拟电路，利用直流电源为电磁铁供电，利用照明电源为路灯供电，电路能达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果。 （3）用多用电表“”挡，按正确步骤测量图中电磁铁线圈电阻时，指针示数如图2乙所示，则线圈的电阻为__________，已知当线圈中的电流大于或等于时，继电器的衔铁将被吸下，图中直流电源的电动势，内阻忽略不计，滑动变阻器有两种规格可供选择：，要求天色渐暗照度降低至时点亮路灯，滑动变阻器应选择__________（填），为使天色更暗时才点亮路灯，应适当地__________（填“增大”或“减小”）滑动变阻器的电阻。 【巩固训练】 1．角速度计可测量飞机、航天器、潜艇的转动角速度，成为飞机、卫星等的制导系统的信息源。其简化结构如图所示，质量为的元件与轻质弹簧连接，可在杆上自由滑动，弹簧的自然长度为、劲度系数为，电源电动势为、内阻不计，滑动变阻器总长也为，电阻分布均匀，系统静止时在点，不计一切阻力，当系统绕轴以角速度转动时，元件发生位移并输出相应的电压信号，则（　　） A．电路中电流随角速度的增大而增大 B．输出电压随角速度的增大而减小 C．弹簧的伸长量为 D．输出电压与的函数式为 2．如图是“温度自动报警器”的电路图，图中金属丝下端与95°C刻度线对齐，温度超过95°C，铃响表示报警。下列说法正确的是（　　） A．图中的是电磁铁，通电后电磁铁的上方是S极 B．控制电路电源的正、负极对调后不会影响自动报警器工作 C．该液体温度计使用水银的主要原因是水银的密度很大 D．如果要降低报警温度，需要将金属丝往上提 3．用某热敏电阻作为传感器制作的自动报警器原理如图所示，其中左侧为控制电路，右侧为工作电路，热敏电阻的阻值随温度升高而减小。在某次调试时，报警器达到报警温度后，无论如何调节滑动变阻器的滑片都不能使小灯泡发光。排除了其他因素后，造成这一现象的原因可能是下列选项中的（　　） A．控制电路中电源的内阻太小 B．工作电路中电源的内阻太小 C．继电器中的线圈匝数太少 D．继电器中弹簧劲度系数太小 4．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 5．（多选题）某同学设计的家庭电路保护装置如图所示，铁芯左侧线圈L1由火线和零线并行绕成。如果右侧线圈L2中产生感应电流时，电流经放大器放大后，使电磁铁吸起铁质开关K而切断家庭电路，仅考虑L1在铁芯中产生的磁场，下列说法正确的有（　　） A．家庭电路正常工作时，L2中的磁通量为零 B．家庭电路中使用的电器增多时，L2中的磁通量将增加 C．家庭电路中的电器发生短路时，开关K将被电磁铁吸起 D．地面上的人接触火线发生触电时，开关K将被电磁铁吸起 6．汽车自动雨刷系统中的雨量感应模块是其核心部件。某物理兴趣小组欲探究一个用于雨量感应的光敏电阻的特性，并设计一个简单的雨量控制模拟电路。 (1)探究光敏电阻的阻值特性 准备实验器材：待测光敏电阻（阻值随光照强度增大而减小），直流电源（），电压表（量程0～5V，内阻约3kΩ），电流表（量程0～3mA，内阻约10Ω），滑动变阻器（最大阻值20Ω），开关，导线若干，用于模拟雨滴的遮光物。 ①小组同学先用多用电表的电阻挡粗略测量光线较弱时光敏电阻的阻值，将选择开关指在电阻挡“×100”倍率，进行正确操作后示数如图甲所示，其读数为__________Ω。 ②为了更精确地测量不同光照强度下光敏电阻的阻值，小组同学设计电路并连接实验器材进行实验。请根据题中所给器材和测量需要，设计合理测量电路，用笔画线代替导线，在图乙中将实物图补充完整__________。 ③小组同学用遮光物模拟雨滴，不同程度地遮挡光敏电阻，以模拟不同雨量。测得无遮挡、轻度遮挡、重度遮挡（模拟小雨、中雨、大雨）三种情况下的图线分别为图丙中的、、，则对应大雨情况的图线是__________（填“”“”或“”）。 (2)设计自动雨刷启动电路 根据以上实验结果，小组同学想利用该光敏电阻设计一个模拟“自动雨刷”的控制电路。其原理是当雨量增大时，控制开关输入电压降低，且在达到中雨级别之前的适当值时，使控制开关输入的电压低于阈值（触发开关工作电压值）2.5V，触发雨刷电机启动。供电电路采用的器材为光敏电阻，定值电阻，，电源电动势，内阻不计。下列选项中可以实现上述控制功能的电路图为__________。 A． B． C． D． 7．某探究小组，取片状RFP602型半导体薄膜压力传感器一片，探究其圆形敏感区域受压力F与传感器电阻的变化关系。图示是利用测量数据画出的图线。压力为1N时曲线斜率为24kΩ／N，压力为5N时曲线斜率为1.9kΩ／N，前者是后者的13倍。 (1)由图线数据分析可知，斜率越大，传感器灵敏度就__________（填“越高”或“越低”）； (2)利用RFP602型压力传感器，设计一台自动分拣装置，按一定质量标准自动分拣大小物体，如3A等级苹果或3J等级车厘子。甲装置中O2C、O1D为绕转动的杠杆。通过两端的电压激励放大电路吸动衔铁。评价甲、乙两种方案哪种更科学：___________（填“甲”或“乙”），并简要说明理由：______________； (3)某同学想在托盘秤压在杠杆上的位置不变的情况下，利用一块电压表测出每个苹果的质量，且电压表的示数随苹果质量的增大而增大，则电压表应该并联在_______________（填“电阻”、“电阻”或“电源”）两端； (4)若电源长时间未使用，内阻r增大，但电动势不变，为了保证分拣标准质量不变，可以怎样操作：__________。 8．一物理兴趣小组得到了一个热敏电阻（阻值随温度的升高而减小），他们想测量该热敏电阻在70℃时的阻值，然后将该热敏电阻接入如图乙所示的电路当中，制作成一个简易火灾自动报警器。 (1)他们用如图甲所示的电路测量该热敏电阻在70℃时的阻值。按图甲连接好电路，定值电阻R1、R3的阻值分别为150Ω和300Ω，在A、B间接入灵敏电流计，先把热敏电阻放入70℃的恒温水中，闭合开关；调节电阻箱，使灵敏电流计示数为零，则此时A、B两点电势________（填“相等”或“不相等”），此时电阻箱的阻值为263.5Ω，则热敏电阻的阻值________Ω（结果保留一位小数）。 (2)图乙中，为使温度在升高到报警温度时，报警器响起，单刀双掷开关c应该接________（填“a”或“b”）。他们先把热敏电阻放入70℃的恒温水中，然后调节滑动变阻器的电阻，直到报警器响起。已知直流电源电动势，内阻不计。若继电器线圈ed电阻为1.5Ω，流过继电器线圈的电流才会使铁片吸合，欲使温度升高到70℃时报警器恰好响起，则滑动变阻器接入电路的阻值应该是________Ω。 9．某热敏电阻的阻值随温度t的变化如图（a）所示，图（b）是某研究小组利用此热敏电阻作为传感器制作温度报警器的电路图。当线圈的电流达到一定值时，衔铁被吸合，报警器铃响。 (1)为了使温度过高时报警器铃响，c应接在____________（填“a”或“b”）端。 (2)若要使启动报警的温度降低些，应将滑动变阻器的滑片P____________（填“向左”或“向右”）移动。 (3)该研究小组在调试报警温度时，发现将报警器放在预定报警温度的环境时，无论如何调节滑动变阻器，报警器都一直报警。请你提出一种合理的解决方案：____________。 10．根据图片回答下列问题 （1）图1、2提供了两种模拟的光控开关电路。实验电路为什么使用三极管？ （2）图1用发光二极管LED模仿路灯，该电路将光照强弱这个非电学量转换为哪个电学量？这个电学量如何通过三极管控制发光二极管LED导通？ （3）图2电路为什么在图1电路的基础上增加继电器(K为继电器的线圈，S为它的常开触点)？二极管D有什么作用？ （4）图1、2模拟光控路灯的工作原理是什么？ （5）分析模拟光控开关路灯的实验现象，可得到什么结论？ （6）光控开关实验中，要使光控开关在天色更暗时才点亮“路灯”，应该如何调节电路？ 4 / 16 学科网（北京）股份有限公司 $