第五章 3 利用传感器制作简单的自动控制装置（配套教参Word）-【步步高】2025-2026学年高二物理选择性必修第二册学习笔记（人教版 浙江专版）

本讲义聚焦传感器（干簧管、光敏电阻、热敏电阻）工作原理及简单自动控制装置制作，从门窗防盗报警、光控路灯到恒温控制，构建原理理解到实践应用的学习支架。 通过实验操作（如干簧管检测、光控开关调试）培养科学探究能力，结合电路分析例题提升科学推理，实际应用案例强化社会责任。课中辅助教师演示教学，课后课时练习帮助学生巩固知识，查漏补缺。

3　利用传感器制作简单的自动控制装置 [学习目标]　1.进一步理解常用传感器的工作原理及应用(重点)。2.学会利用传感器制作简单的自动控制装置(难点)。 一、门窗防盗报警装置 1.实验目的与要求 门窗防盗报警装置，当门窗紧闭时，蜂鸣器不响，指示灯亮；当门窗被打开时，蜂鸣器发出声音报警，指示灯灭。 2.电路图(如图) 3.实验器材和装置 (1)干簧管SA：作为传感器，感知磁体M磁场是否存在。 (2)继电器(虚线框部分)：作为执行装置。 (3)发光二极管LED：作为电路正常工作指示灯。 (4)电阻R：作为发光二极管的限流电阻，起保护作用。 (5)蜂鸣器H：作为报警提醒。 4.电路工作原理 (1)当门窗紧闭时，磁体M靠近干簧管SA，干簧管两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。 (2)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，继电器动触点c与常闭触点b接通，蜂鸣器H发声报警。 5.实验操作 (1)检查干簧管。用磁体直接靠近干簧管，观察簧片能否正常动作。 (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。 例1　把光敏电阻(光照越强，阻值越小)接入如图所示电路，制成光电报警装置。闭合开关，当光照达到一定强度时，报警器的蜂鸣器发声，则(　　) A.干簧管应用了电磁感应原理 B.增大了电阻箱R的阻值，报警器在光照更强时才可能报警 C.增大了电源B的电动势，报警器在光照更强时才可能报警 D.增大了电源A的电动势，报警器在光照更强时才可能报警 答案　B 解析　干簧管上的线圈通电形成的磁场使簧片磁化时，两簧片相吸而接通蜂鸣器线路，则干簧管是利用磁极间的相互作用来控制电路的通断，A错误；报警时线圈中电流不变，总电阻不变，若增大电阻箱R的阻值，则光敏电阻应变小，光照更强，所以报警器在光照更强时才会报警，B正确；报警时线圈中电流不变，若增加电源B的电动势，则电路中总电阻应变大，光敏电阻变大，所以报警器在光照更弱时就会报警，C错误；增加电源A的电动势，不影响线圈中电流，报警器在原光照强度时会报警，D错误。 二、光控开关及其应用 1.实验目的与要求 模拟光控路灯根据光照的变化自动开启或关闭。 2.实验电路图(如图所示) 3.实验器材和装置 (1)发光二极管LED：模仿路灯。RG为光敏电阻，R2为发光二极管的限流电阻。 (2)三极管VT：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变化，加载到三极管VT的基极b上(如图甲所示)。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。 (3)可调电阻R1：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。如果增大R1，就会在天更暗时才点亮路灯。 (4)继电器线圈K：在图乙中，为了驱动更大功率的负载，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。其中S为它的常开触点，并联二极管D，以提供继电器线圈产生的自感电流释放的通路，从而保护三极管。 4.电路工作原理 (1)环境光较强时，光敏电阻RG阻值很小，三极管不导通，发光二极管或继电器所在回路相当于断路，即发光二极管不工作；继电器处于常开状态，小灯泡L不亮。 (2)环境光较弱时，光敏电阻RG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而点亮小灯泡L。 5.实验操作 (1)连接电路，检查无误后，接通电源。 (2)用白天较强的自然光照射光敏电阻RG，调节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，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。 例2　光敏电阻在各种自动化装置中有很多应用，其中就可用于街道路灯的自动控制开关。如图所示为模拟电路，其中A为光敏电阻，B为电磁继电器，C为照明电路，D为路灯，请完成正确电路的连接，达到日出灯熄、日落灯亮的效果。 答案　见解析图 解析　为了使照明电路白天断开，就需要电磁铁吸引衔铁。夜间电磁铁磁性小，不吸引衔铁。电磁铁的磁性要通过电路中的电流来控制，电路中电流的变化要通过电阻的变化来控制。所以要将光敏电阻与电磁铁串联在一起，以此来调节电路中的电流。故设计电路如图 当天亮时，光线照射光敏电阻A，其阻值迅速减小，控制回路电流增大，电磁继电器B工作，吸下衔铁使触点断开，路灯熄灭。当夜晚降临，光线变暗，光敏电阻A的阻值增大，控制回路电流减小，弹簧将衔铁拉起，触点接通，路灯点亮。 例3　(2024·浙江五校联盟高二期中)光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化，利用光敏电阻作为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭，在夜晚打开。为模拟自动照明控制系统，某同学利用光敏电阻的阻值随照度变化的特性，制作了一个装置。 (1)该同学首先利用多用电表电阻挡“×1”挡粗测该光敏电阻在某状态下的阻值，示数如图甲所示，则此时光敏电阻的阻值R1＝　　　　 Ω。  (2)该同学再利用该光敏电阻设计了图乙所示的光控电路，从而实现对灯的开关控制。光敏电阻阻值与照度的关系如图丙所示，可知当照度为0.4 lx(lx为照度的单位)时，光敏电阻的阻值约为　　　　 Ω。  (3)如图乙所示，由于弹簧的弹力作用，当线圈电流小于0.1 A时，电磁铁将吸不住衔铁。若要实现照度较低时，灯光保持开启，则灯应接在　　　　(填“A、B”或“B、C”)之间。已知电源电压为3 V(内阻不计)，若要实现照度低于1.0 lx时，灯光开启，需要将滑动变阻器R的阻值调为　　　　 Ω，安装该电路时，光敏电阻R1应　　　　(填“远离”或“靠近”)灯。  答案　(1)19　(2)40　(3)A、B　10　远离 解析　(1)由题图甲知，光敏电阻的阻值R1＝19×1 Ω＝19 Ω。 (2)根据题图丙可知，照度为0.4 lx时，光敏电阻的阻值约为40 Ω。 (3)当照度减小时，光敏电阻阻值变大，线圈电流减小，电磁铁放开衔铁，照明电路通路，故应将照明电路连接到A、B之间；根据题图丙，照度为1.0 lx时，光敏电阻阻值为20 Ω，若此时回路电流刚好为0.1 A，根据欧姆定律有U＝I(R＋R1)，代入数据得R＝10 Ω；安装该电路时，为保证照明电路工作时，开启的灯照度不影响光敏电阻的阻值变化，应将光敏电阻远离灯。 三、热敏电阻的应用 例4　某同学在做“利用传感器制作简单的自动控制装置”的实验中，所用热敏电阻RT的阻值随温度升高而减小，由该热敏电阻RT作为传感器制作的自动报警器原理图如图所示，其中左侧为控制电路，右侧为工作电路。 (1)为了使温度过高时报警器响铃，c应接在　　　　(选填“a”或“b”)处。  (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向　　　　(选填“上”或“下”)移动。  (3)如果报警器达到报警温度时，无论如何调节滑动变阻器的滑片P都不能使报警器响铃，检查后发现电路连接完好，各电路元件完好，则造成电路不能正常工作的原因可能是　　　　。  A.控制电路中电源E1的电动势过小 B.继电器中线圈匝数过多 C.继电器中弹簧劲度系数过大 答案　(1)b　(2)上　(3)AC 解析　(1)温度升高时热敏电阻阻值减小，控制电路中的电流增大，则电磁铁的磁性增强，将衔铁吸引下来与下方b处接通，故c应接在b处。 (2)若要使启动报警的温度降低些，相当于增大临界状态的热敏电阻阻值，为了仍达到电磁铁将衔铁吸引下来的电流临界值，则需要减小滑动变阻器的阻值，即滑片P向上移动。 (3)报警器响铃的条件是控制电路中的电流大于等于临界值，控制电路中电源E1的电动势过小，无论如何调节滑动变阻器的滑片P都无法使电路中的电流升高到临界值，故A正确；继电器中线圈匝数过多，使电磁铁磁性更强，更容易使报警器报警，故B错误；继电器中弹簧劲度系数过大时，电磁铁在达到临界条件的电流时，引力无法将衔铁吸引下来，故C正确。 例5　如图甲所示为一个简单恒温箱的电路图，其温控电路由一热敏电阻R和继电器组成，图乙为该热敏电阻的R－t图像。初始时继电器的衔铁吸附在M端，当线圈中的电流大于或等于30 mA时，衔铁被吸合到N端，则加热电路停止工作。已知继电器线圈的电阻为20 Ω，为继电器线圈供电的电池电动势E＝9.0 V，内阻不计，图甲中的“电源”是恒温箱加热器的电源。 (1)应该把恒温箱内的加热器接在　　　　端(选填“A、B”或“C、D”)。  (2)如果要使恒温箱内的温度保持50℃，热敏电阻R的阻值为　　　　Ω，可变电阻R'的阻值应调节为　　　Ω。  答案　(1)A、B　 (2)90　190 解析　(1)当温度较低的时候，热敏电阻R的电阻较大，电路中的电流较小，此时继电器的衔铁与AB部分连接，此时是需要加热的，恒温箱内的加热器要工作，所以该把恒温箱内的加热器接在A、B端。 (2)由题图乙可知如果要使恒温箱内的温度保持50 ℃，热敏电阻R的阻值R＝90 Ω，当温度达到50 ℃时，加热电路就要断开，此时的继电器的衔铁要被吸合，即控制电路的电流要达到I＝30 mA＝0.03 A，根据闭合电路欧姆定律可得I＝ 解得可变电阻R'的阻值应调节为 R'＝－R－R0＝ Ω－90 Ω－20 Ω＝190 Ω。 课时对点练 [分值：50分] [1~3题，每题5分] 1.一个简单的门窗防盗报警装置示意图如图所示，门的上沿嵌入一块永磁体，当门窗紧闭时，蜂鸣器不响，指示灯亮；打开时，蜂鸣器响，指示灯灭。为实现上述功能，最适合的传感器是(　　) A.光敏电阻 B.电阻应变片 C.热敏电阻 D.干簧管 答案　D 解析　干簧管用于感知磁体磁场是否存在，是通过磁场控制电路的元件，根据题意，应使用干簧管，故选D。 2.图中光敏电阻RG没有受到光照射(或光较暗)时，阻值较大；有光照射(或光较强)时，阻值较小。如图所示，现利用该光敏电阻、低压直流电源和电磁继电器设计了自动控制电路，用于公路照明。下列说法正确的是(　　) A.白天光照越强，电磁铁的磁性越强 B.白天流过R2的电流大于晚上流过R2的电流 C.该电路能实现灯泡白天亮，晚上不亮的功能 D.低压直流电源的总功率晚上比白天的大 答案　B 解析　光照增强，则光敏电阻阻值减小，总阻值减小，回路中总电流增大，由U＝E－I(r＋R1)知电磁铁和R3两端电压减小，电流减小，磁性减弱，故A错误；光照增强，总电流增大，流过R3的电流减小，因此流过R2的电流增大，故白天流过R2的电流大于晚上流过R2的电流，故B正确；光照增强，磁性减弱，因此灯泡所在的电路断开，白天不亮，故C错误；光照增强，回路中总电流增大，根据P＝EI可知功率增大，因此白天低压直流电源总功率较大，故D错误。 3.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 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，选项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，选项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，选项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，选项D错误。 4.(6分)(2024·玉环市玉城中学开学考试)人员密集的室内场所，容易造成二氧化碳含量偏高，对人体产生不利的影响。研究小组设计了如图所示的电路。R2为气敏电阻，其阻值随CO2气体浓度的增大而减小，当室内CO2气体含量升高到一定浓度时，工作电路中的排风扇开始工作，把室内气体排出。回答下列问题： (1)(3分)在设计电路时要实现自动换气功能，排风扇应连接在工作电路中的　　　　　 (选填“A、B”或“C、D”)位置；   (2)(3分)要使排风扇在二氧化碳浓度更低时就能开始工作，以下几种改进方法正确的是　　　　。   A.增加电磁铁线圈匝数 B.控制电路中再串联一个电阻 C.把滑动变阻器R1的滑片向上移 答案　(1)A、B　(2)AC 解析　(1)当室内CO2气体含量升高时，气敏电阻R2的阻值变小，根据闭合电路欧姆定律可知，通过电磁铁的电流变大，从而电磁铁的磁性增强，吸引衔铁，衔铁与下触点接触，因此排风扇应连接在工作电路中的A、B位置。 (2)若排风扇在二氧化碳浓度更低时工作，则此时气敏电阻R2的电阻较大，从而导致通过电路的电流较小，电磁铁的磁性较小。为使电磁铁的磁性增强，吸引衔铁，可增加电磁铁线圈匝数，或把滑动变阻器R1的滑片向上移，使通过电路的电流变大，故A、C符合题意；控制电路中再串联一个电阻，电路的电流将更小，故B不符合题意。 [5题6分] 5.(来自教材改编)(2024·舟山中学高二月考)如图为苹果自动分拣装置，可以把质量大小不同的苹果自动分拣开。该装置的托盘秤压在一个以O1为转动轴的杠杆上，杠杆末端压在压力传感器R1上。当大苹果通过托盘秤时，R1所受的压力较大因而电阻较小，R2两端获得较大电压，该电压激励放大电路并保持一段时间，使电磁铁吸动分拣开关的衔铁，打开下面通道，让大苹果进入下面通道；当小苹果通过托盘秤时，R2两端的电压不足以激励放大电路，分拣开关在弹簧向上弹力作用下处于水平状态，小苹果进入上面通道。托盘秤停在图示位置时，设进入下面通道的大苹果最小质量为M0，若提高分拣标准，要求进入下面通道的大苹果的最小质量M大于M0，其他条件不变的情况下，下面操作可行的是(　　) A.只适当减小R2的阻值 B.只增大电源E1的电动势 C.只增加缠绕电磁铁线圈的匝数 D.只将托盘秤压在杠杆上的位置向左移动一些 答案　A 解析　要达到题中的要求，就要使得R2两端电压保持不变，因压力越大，电阻R1越小，此时回路中的电流就越大，R2的电压就会变得更大，则要想保持R2的电压和原来一致，则可以只适当减小R2的阻值，或只能减小和传感器R1相连接电路中电源电动势E，故A正确，B错误；要达到题中的要求，就要保持电磁铁的磁性不变，而因压力越大，电阻R1越小，此时回路中的电流就越大，而要保持电磁铁的磁性不变，只需要减小缠绕电磁铁线圈的匝数，选项C错误；要进入下面通道的大苹果的最小质量M大于M0，则要当此大苹果通过托盘秤时压力传感器的压力与原来一致，可知其他条件不变的情况下，只需要将托盘秤压在杠杆上的位置向右移动一些，故D错误。 6.(6分)电饭煲的工作原理如图所示，可分为两部分，即控制部分：由S1、S2、定值电阻R1和黄灯组成；工作(加热)部分：由发热电阻R3、定值电阻R2和红灯组成。S1是一个磁钢限温开关，手动闭合，当此开关的温度达到居里点(103 ℃)时，自动断开，且不能自动复位，S2是一个金属片自动开关，当温度达到70~80 ℃时，自动断开，低于70 ℃时，自动闭合，红灯、黄灯是指示灯，通过其电流必须较小，所以R1、R2起　　　作用。R3是发热电阻，接通电源并闭合S1后，黄灯熄而红灯亮，R3发热，当温度达到70~80 ℃时，S2断开，当温度达到103 ℃时饭熟，S1断开，当温度降到70 ℃以下时，S2闭合，电饭煲处于保温状态，由以上描述可知R2　　　　R3(选填“<”“＝”或“>”)，当用电饭煲烧水时，S1　　　　(选填“会”或“不会”)自动断开。  答案　限流　>　不会 解析　通过红灯、黄灯的电流必须较小，根据欧姆定律可知R1、R2起限流作用；R3是发热电阻，要产生很大的热量，所以通过电流要大一点，而通过R2的电流要小一点，且并联电路电压相等，根据欧姆定律可知R2>R3；当用电饭煲烧水时，温度达不到居里点(103 ℃)，S1不会自动断开。 7.(8分)(2024·镇海中学高二期末)某实验小组通过实验探究一个热敏电阻的特性，图甲为探究电路，热敏电阻RT处在虚线所示的温控室中。 (1)(2分)实验前，将滑动变阻器R1的滑片移到　　　　　　(填“a”或“b”)端；实验时，记录温控室的温度t，将S2打到1，闭合S1，调节滑动变阻器，使电流表的示数为I0；保持滑动变阻器的滑片位置不变，将S2打到2，调节电阻箱R2，使电流表的示数仍为I0，记录此时电阻箱的示数R，即为热敏电阻的阻值。  (2)(2分)上述测量过程中，由于电流表内阻不可忽略，则热敏电阻的测量值　　　　　　(填“大于” “等于” 或“小于” ) 真实值。  (3)(2分)多次改变温控室的温度，重复上述实验过程，测得多组数据，作出R－t图像如图乙所示。当温度不同时，热敏电阻的灵敏度 (即电阻值随温度的变化率 ||)存在着较大的差异，要使热敏电阻传感器比较灵敏，就应使之工作在灵敏度较大的区间。在下列温度区间中，灵敏度最大的是　　　　。  A.20~40 ℃ B.40~60 ℃ C.60~80 ℃ D.80~100 ℃ (4)(2分)小巴同学发现可以利用该电路测量温度。将S2打到1，保持滑动变阻器的滑片位置不变，当温控室的温度为110 ℃时，电流表恰好满偏；当温控室的温度为60 ℃时，电流表恰好半偏；当电流表指针指在满偏的时，温控室的温度为　　　　　 ℃(结果保留两位有效数字)。  答案　(1)b　(2)等于　(3)A　(4)29(28也可) 解析　(1)实验前，应将滑动变阻器的滑片移动b端，使滑动变阻器接入电路的电阻最大。 (2)上述测量过程中，根据闭合电路欧姆定律可知两次计算都含有电流表内阻，对测量无影响，所以热敏电阻的测量值等于真实值。 (3)要使热敏电阻传感器比较灵敏，就应使之工作在灵敏度较大的区间，即应选取R－t图像斜率绝对值较大的区间，故选A。 (4)当温控室的温度为110 ℃时，电阻为20 Ω，电流表恰好满偏，有E＝Ig(20 Ω＋R其他) 当温控室的温度为60 ℃时，电阻为45 Ω，电流表恰好半偏，有E＝(45 Ω＋R其他) 联立解得R其他＝5 Ω 当电流表指针指在满偏的时，有E＝(R＋R其他) 则R＝95 Ω 通过图像可得，此时温度为29 ℃。 8.(9分)如图甲所示为一利用光敏电阻测量储液罐中液面高度装置的原理示意图。当罐中装满液体时，液面与出液口高度差为h，罐外有一竖直放置的管，管内一侧有沿竖直线排列的多个光敏电阻，另一侧有一列光强稳定的光源。液面上一浮块与一块遮光板通过定滑轮相连，遮光板可随浮块的升降在管内上下运动，光敏电阻排列的总长度和遮光板的总长度都为h。当储液罐内装满液体时，遮光板的上沿与最下面的光敏电阻的下边缘等高，管内的光均匀地照射在光敏电阻上，光敏电阻和仪表相连。现要求设计一电路以利用上述装置测量液面的高度。 为将问题简化，假设管内只有3个光敏电阻R1、R2、R3，分别位于管的上端、中央和下端；它们的暗电阻均为R＝10 kΩ，被管内光源照亮时电阻均为R'＝1.0 kΩ。给定的仪器还有：直流电源E(电动势为9 V，内阻不计)，3个定值电阻，阻值分别为R4＝2.5 kΩ，R5＝1.8 kΩ，R6＝1.5 kΩ；电压表V(量程为0~3 V，内阻可视为无穷大)，开关一个，导线若干。 要求：当罐内装满液体时，电压表恰好为满量程。 (1)(2分)如图乙所示为某次电压表的示数为　　　　 V。  (2)(3分)选择合适的定值电阻，在如图丙所示虚线框内画出电路图，并用题中给定的符号标明图中各元件。 丙 (3)(2分)液面与出液口等高时电压表的示数为　　　　 V(结果保留两位有效数字)。  (4)(2分)若管内的光照变弱，使得光敏电阻被照亮时的阻值变为1.2 kΩ，则定值电阻的阻值应变为　　　　 kΩ，便可达到题目要求(结果保留两位有效数字)。  答案　(1)1.40　(2)见解析图　(3)0.43　(4)1.8 解析　(1)电压表量程为0~3 V，每小格表示0.1 V，示数为1.40 V。 (2)当罐内装满液体时，3个光敏电阻均受到光照射，电阻均为1.0 kΩ，可把三个光敏电阻串联后再与定值电阻Rx串联，接在直流电源两端，把电压表接在定值电阻两端，则有，故Rx＝1.5 kΩ，电压表应与电阻R6并联构成电路，当罐内装满液体时，电压表恰好为满量程。电路图如图所示。 (3)当液面与出液口等高时，光源完全被遮光板遮住，此时三个光敏电阻的阻值均为10 kΩ，则电压表的示数为Umin＝·R6≈0.43 V。 (4)若光敏电阻被照亮时的阻值变为1.2 kΩ，为使电压表满量程，则定值电阻的阻值变为Rx'，Rx'满足3 V＝，解得Rx'＝1.8 kΩ。 学科网（北京）股份有限公司 $