适用于新高考新教材广西专版2024届高考物理一轮总复习第12章交变电流传感器实验17利用传感器制作简单的自动控制装置课件

实验17利用传感器制作简单的自动控制装置第十二章内容索引010203强基础增分策略增素能精准突破练思维迁移运用强基础增分策略一、实验目的1.知道干簧管、光敏电阻、三极管、二极管、电磁继电器的功能。2.会利用传感器制作简单的自动控制装置。了解门窗防盗报警装置,会组装门窗防盗报警装置。了解光控开关电路及控制原理,会组装光控开关。二、实验器材实验一:干簧管、继电器、发光二极管LED、蜂鸣器H、电源、小磁体、导线若干、开关、电阻。实验二:发光二极管、三极管、可调电阻R1、限流电阻R2、光敏电阻、集成电路实验板、直流电源、导线若干、黑纸。三、实验思路

(一)门窗防盗报警装置1.电路如图所示。2.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接通,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。被磁化成异名磁极

有电流通过时,线圈有磁性

(二)光控开关1.电路如图所示。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,发光二极管所在的回路相当于断路,即发光二极管不工作。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。四、进行实验(一)门窗防盗报警装置(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。(二)光控开关(1)按照相应电路图连接电路,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熄灭。易错辨析

(1)实验中,对实验器材进行测试,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。(

)(3)如果实验现象不明显,可用手电筒加强光照,或遮盖光敏电阻,再进行观察。(

)√√×增素能精准突破传感器问题一般有两大类问题:一是通过实验探究传感器特性,比如研究某元件的光敏特性或热敏特性或磁敏特性等;二是用传感器控制电路。不管哪类问题,明确考查角度,搞清其工作原理是求解问题的关键。对于用传感器控制电路问题,要结合题目提供的信息,认真分析传感器所在的电路结构,并注意以下两个方面:(1)确定传感器所感受到的物理量(如力、热、光、声、磁等);(2)经转换电路转换成电学量信号,最后借助于转换电路把电学量信号转换成便于处理显示、记录或控制的量。典例1.现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统,要求当热敏电阻的温度达到或超过120℃时,系统报警。提供的器材有:热敏电阻(该热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,在120℃时阻值为700.0Ω);报警器(内阻很小,流过的电流超过Ic时就会报警,Ic约为10mA;流过报警器的电流超过20mA时,报警器可能损坏);电阻箱(最大阻值为999.9Ω);直流电源(输出电压U约为18V,内阻不计);滑动变阻器R1(最大阻值为1000Ω);滑动变阻器R2(最大阻值为2000Ω);单刀双掷开关一个,导线若干。在室温下对系统进行调节,调节的报警系统原理电路图如图所示。

(1)电路中应选用滑动变阻器

(选填“R1”或“R2”)。

(2)按照下列步骤调节此报警系统:①电路接通前,需将电阻箱调到一固定的阻值,根据实验要求,这一阻值为

Ω;滑动变阻器的滑片应置于

(选填“a”或“b”)端附近,不能置于另一端的原因是

。

②将开关向

(选填“c”或“d”)端闭合,缓慢移动滑动变阻器的滑片,直至

。

③滑动变阻器滑片的位置

(选填“不变”“向左滑动”或“向右滑动”),将开关向另一端闭合,报警系统即可正常使用。

(3)若要将此系统改为光敏电阻控制的报警系统,要求当光敏电阻的光照达到或超过某一特定值时,系统报警,且光敏电阻在这一特定值时的电阻为650Ω,则需将上述电路中的

换成光敏电阻,并将电阻箱的阻值调到

Ω,然后重复上述操作即可。

答案

(1)R2

(2)①700.0

b

接通电源后,流过报警器的电流会超过20mA,报警器可能损坏

②c

报警器开始报警③不变

(3)热敏电阻

650解析

(1)电压为18

V,而报警时的电流为10

mA;此时电阻约为;而热敏电阻的阻值约为700

Ω,故滑动变阻器接入电阻约为1

100

Ω,故应选择R2。(2)①因要求热敏电阻达到120

℃时报警,此时电阻为700

Ω,故应将电阻箱调节至700

Ω,然后由最大阻值开始调节滑动变阻器,直至报警器报警,故开始时滑片应在b端,目的是避免接通电源后,流过报警器的电流会超过20

mA,报警器可能损坏;②将开关接到c端与电阻箱连接,调节滑动变阻器直至报警器开始报警即可,然后再接入热敏电阻,电路即可正常工作;③滑动变阻器滑片的位置不变,将开关向另一端闭合,报警系统即可正常使用。(3)需将上述电路中的热敏电阻换成光敏电阻,并将电阻箱的阻值调到650

Ω,然后重复上述操作即可。典例2.(1)利用负温度系数热敏电阻制作的热传感器,一般体积很小,可以用来测量很小范围内的温度变化,反应快,而且精确度高。①如果将负温度系数热敏电阻与电源、电流表和其他元件串联成一个电路,其他因素不变,只要热敏电阻所处区域的温度降低,电路中电流将变

(选填“大”或“小”)。

②上述电路中,我们将电流表中的电流刻度换成相应的温度刻度,就能直接显示出热敏电阻附近的温度。如果刻度盘正中的温度为20℃(如图甲所示),则25℃的刻度应在20℃的刻度的

(选填“左”或“右”)侧。

③为了将热敏电阻放置在某蔬菜大棚内检测大棚内温度变化,请在图乙中用图中的器材(可增加元器件)设计一个电路。(2)图丙为一测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路,电源电压恒定,内阻不计,开关闭合后,调节滑动变阻器滑片,使小灯泡发光逐渐增强,测得流过电阻的电流和光强的关系图线如图丁所示,试根据这一特性,在图戊中用笔画线连接给定的器材设计一个自动光控电路。情境剖析本题属于创新应用类问题,以热敏电阻、光敏电阻设计自动控制电路为素材,创设了学习探索问题情境。答案

(1)①小

②右

③(2)见解析解析

(1)①因为温度降低时,负温度系数热敏电阻的阻值增大,故电路中电流会减小。②由①的分析知,温度越高,电流越大,25

℃的刻度应对应较大电流,故在20

℃的刻度的右侧。③电路如答案图所示。(2)由光敏电阻的特性曲线可以看出,当入射光增强时,流过光敏电阻的电流增大,光敏电阻的阻值减小。根据题意设计一个自动光控电路,如图所示。控制过程是:当有光照时,放大器输出一个较大的电流,驱动电磁继电器吸引衔铁使两个触点断开;当无光照时,放大器输出电流减小,电磁继电器释放衔铁,使两个触点闭合,工作电路接通,电灯开始工作。练思维迁移运用1.(2022江苏苏州期中)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,光敏电阻阻值随光照强度增大而减小。(1)图甲是街道路灯自动控制设计电路,利用直流电源为电磁铁供电,利用照明电源为路灯供电。为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果,路灯应接在

(选填“AB”或“BC”)之间。

(2)下列选项可以延长路灯工作时间的是

。

A.增大滑动变阻器的阻值B.并联更多的路灯C.减小电源电动势(3)用多用电表“×100Ω”挡,按正确步骤测量图甲中电磁铁线圈电阻时,指针示数如图乙,则线圈的电阻为

Ω;已知当线圈中的电流大于或等于2mA时,继电器的衔铁将被吸合,图乙中直流电源的电动势E=7V,内阻忽略不计,滑动变阻器有两种规格可供选择:R1(0~200Ω,1A)、R2(0~2000Ω,0.1A)。要求天色渐暗照度降低至1.0lx时(此时光敏电阻阻值约为2kΩ)点亮路灯,滑动变阻器应选择

(选填“R1”或“R2”)。

答案

(1)AB

(2)AC

(3)1400

R1解析

(1)天亮时光照强度增大,光敏电阻的阻值减小,电磁铁中电流增大,磁场增强,吸引衔铁向下与C接通,灯熄灭,故路灯应接在AB之间。(2)由题意知,若增大滑动变阻器的阻值,则使路灯工作的光敏电阻临界阻值变小,临界光照强度变强,所以可以延长路灯工作时间,故A正确;并联更多的路灯,可以改变工作电路的阻值,但是对控制电路没有影响,不能延长路灯工作时间,故B错误;若减小电源电动势,则使路灯工作的光敏电阻临界阻值变小,临界光照强度变强,所以可以延长路灯工作时间,故C正确。2.某同学利用实验室提供的一种电阻阻值随温度呈线性变化(关系式为:Rt=kt+b,其中k>0,b<0,t为摄氏温度)的热敏电阻,把一灵敏电流表改装为温度计。除热敏电阻和灵敏电流表外,还用到如下器材:1.直流电源(电动势为E,内阻不计);2.滑动变阻器;3.单刀双掷开关;4.标准温度计;5.导线及其他辅助材料。该同学设计电路如下图所示,按如下步骤进行操作。(1)按电路图连接好器材。(2)将滑动变阻器滑片滑到

(选填“a”或“b”)端,单刀双掷开关S掷于

(选填“c”或“d”)端,调节滑片使电流表满偏,并在以后的操作中保持滑片位置不动,设此时电路总电阻为R,断开电路。

(3)容器中倒入适量开水,观察标准温度计,每当标准温度计示数下降5℃,就将开关S置于d端,并记录此时的温度t和对应的电流表的示数I,然后断开开关。请根据温度计的设计原理和电路图,写出电流与温度的关系式(用题目中给定的符号)I=

。

(4)根据对应温度记录的电流表示数,重新刻制电流表的表盘,改装成温度计。根据改装原理,此温度计表盘刻度线的特点是:低温刻度在

(选填“左”或“右”)侧,刻度线分布是否均匀?

(选填“是”或“否”)。

答案

(2)a

c

(3)

(4)右

否解析

(2)结合滑动变阻器的使用的注意事项可知,开始时需要将滑动变阻器滑片滑到a端,以保证电流表的使用安全;然后将单刀双掷开关S掷于c端,调节滑片使电流表满偏。(3)当温度为t时,热敏电阻的阻值与摄氏温度t的关系为Rt=kt+b,根据闭合电路的欧姆定律可得(4)由上式可知,温度越高,电流表中的电流值越小,所以低温刻度在表盘的右侧;由于电流与温度的关系不是线性函数,所以表盘的刻度是不均匀的。3.某同学用光敏电阻和电磁继电器等器材设计自动光控照明电路。

(1)光强(E)是表示光照强弱程度的物理量,单位为坎德拉(cd