人教版高中物理新教材同步讲义选修第二册 第5章　3　利用传感器制作简单的自动控制装置（含解析）

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.2.学会利用传感器制作自动控制装置．实验1门窗防盗报警装置1.实验器材和装置干簧管作为传感器，用于感知磁体磁场是否存在．继电器(虚线框部分)作为执行装置．发光二极管LED作为电路正常工作提示，R为发光二极管的限流电阻，起保护作用．蜂鸣器H作为报警提醒．电路设计如图．2．电路工作原理当门窗紧闭时，磁体M靠近干簧管SA，干簧管两簧片被磁化相吸，继电器接通而工作．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，动触点c与常闭触点b接通，蜂鸣器H发声报警．3．实验操作(1)检查干簧管．用磁体直接靠近干簧管，观察干簧管簧片能否正常动作．(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．实验2光控开关1．实验器材和装置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．2．电路工作原理(1)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．(2)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.3．实验操作(1)连接电路，检查无误后，接通电源．(2)用白光照射光敏电阻，调节R1，使发光二极管LED或小灯泡L刚好不发光．(3)减弱光敏电阻的光照强度，当光减弱到某种程度时，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．一、门窗防盗报警装置例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解析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；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；由题图可知电磁铁工作时线圈中电流的方向，根据安培定则可知，电磁铁工作时，上端为N极，选项C错误；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．二、光控开关的应用例2把蜂鸣器、光敏电阻、干簧管继电器开关、电源连成电路如图所示，制成光电报警装置．当报警器有光照射时，峰鸣器发声，当没有光照或者光照很弱时，蜂鸣器不发声．①光敏电阻：光敏电阻受光照后，阻值会变小．②干簧管继电器开关：由干簧管和绕在干簧管外的线圈组成．当线圈中有一定的电流时，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化，两个簧片在磁力作用下由原来的分离状态变成闭合状态．当线圈中没有电流或者电流很微弱时，磁场消失，簧片在弹力的作用下恢复到分离状态．电路已经连接一部分，请将电路完整连接好．答案见解析图解析电池、光敏电阻与开关及干簧管继电器开关外面的接线构成一个回路；而另一组电池、蜂鸣器与干簧管继电器开关里面的接线构成又一个回路．当有光照时，光敏电阻阻值变小，使得干簧管继电器开关产生磁场，使开关接通，最终使得蜂鸣器发声，电路如图所示．三、热敏电阻的应用例3在温度为10℃左右的环境中工作的自动恒温箱简图如图甲所示，箱内电阻R1＝20kΩ，R2＝10kΩ，R3＝40kΩ，Rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图像如图乙所示．当a、b端电压Uab<0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当Uab≥0时，电压鉴别器会令开关S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在________℃.答案35解析设电路路端电压为U，当Uab＝0时，有eq\f(UR1,R1＋R2)＝eq\f(UR3,R3＋Rt)，代入数据解得Rt＝20kΩ，由题图乙可知，当Rt＝20kΩ时，t＝35℃.例4如图甲所示为一热敏电阻的R－t图像，图乙为用此热敏电阻R和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路，继电器线圈的电阻为200Ω.当线圈中的电流大于或等于20mA时，继电器的衔铁被吸合．为继电器线圈供电电池的电动势E＝8V，内阻可以不计．图中的“电源”是恒温箱加热电源．(1)图甲说明热敏电阻的阻值随着温度的升高而______(选填“增大”“减小”或“不变”)．(2)应该把恒温箱内加热器接________(选填“AB”或“CD”)端．(3)如果要使恒温箱内的温度保持100℃，滑动变阻器R1接入电路的电阻值为________Ω.答案(1)减小(2)AB(3)150解析(1)由题图甲可知热敏电阻的阻值随着温度的升高而减小；(2)当温度较低的时候，热敏电阻的阻值较大，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，所以应该把恒温箱内的加热器接在AB端．(3)当温度达到100℃时，加热电路就要断开，此时继电器的衔铁要被吸合，即控制电路的电流要达到20mA＝0.02A，由题图甲可知，此时R＝50Ω，根据闭合电路欧姆定律可得：I＝eq\f(E,R＋R1＋R0)，解得：R1＝150Ω.考点一门窗防盗报警装置1．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．2.如图所示是一位同学设计的防盗门报警器的简化电路示意图．门打开时，红外光敏电阻R3受到红外线照射，电阻减小；门关闭时会遮蔽红外线源(红外线源没有画出)．经实际试验，可知灯的亮灭情况能反映门的开关状态．门打开时两灯的发光情况及R2两端电压UR2与门关闭时相比的变化情况为()A．红灯亮，UR2变大 B．绿灯亮，UR2变大C．绿灯亮，UR2变小 D．红灯亮，UR2变小答案D解析当门打开时，R3受红外线照射，电阻减小，则电路中总电阻减小，总电流I增大，R2两端电压UR2＝E－I(R1＋r)减小，R2中电流IR2＝eq\f(UR2,R2)减小，所以R3中电流IR3＝I－IR2增大，电磁继电器产生的磁场增强，把衔铁吸下，红灯亮，选项D正确．考点二光控与温控装置3.(多选)如图所示是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、R2为定值电阻，A、B接监控装置．则()A．当有人通过而遮住光线时，A、B之间电压升高B．当有人通过而遮住光线时，A、B之间电压降低C．当仅增大R2的阻值时，可增大A、B之间的电压D．当仅减小R2的阻值时，可增大A、B之间的电压答案BC解析R1是光敏电阻，有光照射时，电阻变小，当有人通过而遮住光线时，R1的阻值变大，回路中的电流I减小，A、B间的电压U＝IR2减小，故A项错误，B项正确；由闭合电路欧姆定律得：U＝E－I(R1＋r)，当仅增大R2的阻值时，电路中的电流减小，A、B间的电压U增大，故C项正确；当仅减小R2的阻值时，电路中的电流增大，A、B间的电压U减小，故D项错误．4．如图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．温度升高至74℃时，灯L1亮报警B．温度升高至74℃时，灯L2亮报警C．温度升高至78℃时，灯L1亮报警D．温度升高至78℃时，灯L2亮报警答案D解析当温度低于78℃时，线圈中没有电流，此时仅灯L1亮，不报警；当温度升高到78℃时，线圈中有电流，磁体吸引衔铁，灯L2被接通，所以灯L2亮报警．5．传感器担负着信息采集的任务，在自动控制中发挥着重要作用，传感器能够将感受到的物理量(如温度、光、声等)转换成便于测量的量(电学量)，例如热敏传感器．某热敏电阻RT阻值随温度变化的图线如图甲所示，图乙是由该热敏电阻RT作为传感器制作的简单自动报警器线路图．问：(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提高些，应将滑动变阻器的滑片P向________(选填“左”或“右”)移动．(3)如果在调试报警器达到最低报警温度时，无论如何调节滑动变阻器的滑片P都不能使报警器工作，且电路连接完好，各电路元件都能处于工作状态，则造成工作电路不能正常工作的原因可能是___________________________________________________________________.答案(1)a(2)左(3)电源提供的电压太小以至于电磁铁磁性太弱或弹簧劲度系数太大，电磁铁的吸引力小于弹力解析(1)由题图甲可知，热敏电阻RT在温度升高时阻值变小，电路中电流变大，电磁铁磁性增强，把右侧衔铁吸引过来，与a接触，故c应接在a处．(2)若要使启动报警的温度提高，则应使电路中电阻更大，滑动变阻器的滑片P向左移动．(3)电源提供的电压太小以至于电磁铁磁性太弱或弹簧劲度系数太大，电磁铁的吸引力小于弹力．6.(2021·梅河口市第五中学高二月考)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．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60℃时，系统报警．提供的器材有：热敏电阻，报警器(内阻很小，流过的电流超过Ic时就会报警)，电阻箱(最大阻值为999.9Ω)，直流电源(输出电压为U，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．已知U约为18V，Ic约为10mA；流过报警器的电流超过20mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60℃时阻值为650.0Ω.(1)完成如图所示待调节的报警系统原理电路图的连线．(2)电路中应选用滑动变阻器____(填“R1”或“R2”)．(3)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________(填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是________________________________________________________________________．②将开关向________(填“c”或“d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至________________________________________________________________________．(4)保持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．答案(1)见解析图(2)R2(3)①650.0b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报警器开始报警解析(1)热敏