2021-2022学年人教版物理选择性必修第二册学案：第五章 3 .利用传感器制作简单的自动控制装置

3.利用传感器制作简单的自动控制装置

「课程标准素养目标

1.了解门窗防盗报警装置的原理,了解光控开关的原理。（物理观念）

会利用传感器制作简单的自动控制装置2.培养实验动手能力，体会物理知识在实际中的应用。（科学思维）

3.体验从原理到应用的过程.培养科学严谨的学习态度和勇于探索的创新精神。

（科学态度与责任）

J实验属性—学生必做实验—J

实验必备•自主学习

®实验目的®

1.了解与传感器技术相关的物理知识。

2.练习用传感器制作自动控制装置。

®实验器材®

1.门窗防盗报警装置实验：

干簧管、继电器、发光二极管LED、蜂鸣器H、电源、导线若干、开

关、电阻、小磁体。

2.光控开关实验：

发光二极管、三极管、可变电阻Ri、电阻R2、光敏电阻、集成电路

实验板、直流电源、继电器、小灯泡、导线若干、黑纸

®实验原理与设计®

一、门窗防盗报警装置实验:

1.实验的基本思想：

利用干簧管作为控制器实现：当门窗紧闭时，蜂鸣器丕响，指示灯亮；

当门窗被打开时，蜂鸣器发出声音报警，指示灯火。

2.实验电路图

H1

SALED

3.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，磁体宣互干簧管，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。

二、光控开关实验：

1.实验的基本思想：

利用光敏电阻作为光控开关实现在天黑到一定程度时让路灯自动开

启,而在天明时自动熄灭。

2.实验电路图：

甲乙

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。当环境光比较巽时，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

实验过程才采究学习

®实验步骤®

一、门窗防盗报警装置实验步骤：

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。

二、光控开关实验步骤：

1.按照图所示连接电路，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Ri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。如现象不明显，可用手电筒加强光照或遮盖光敏电阻再进行

观察。

思考•讨论、

(1)日光灯的启动器(结构如图甲所示)也可看成是一个热敏传感

装置，它的热敏功能器是双金属片，你知道启动器的工作原理吗？

(2)如图乙所示，水箱水位自动报警器是如何工作的？

提示：(1)日光灯启动器内有一双金属片，热膨胀系数不同。开关闭

合后，启动器两极之间有电压使窗气放电而发出辉光,辉光发出的热

量使U形动触片受热膨胀向外延伸，碰到静触片触点，电路接通；温

度降低时，U形动触片向里收缩，离开触点，电路断开。

(2)正常生产时，水位较高。继电器中的线圈有电流通过，衔铁1

被向下吸引，与触头2接触，B灯亮。水位下降到一定高度后，继电

器中线圈没有电流通过了，则衔铁1与触头3接触，A灯亮。

®数据收集与分析®

一、门窗防盗报警装置实验

二、光控开关实验

光比较强时|一|光敏电阻阻值很小|一|三极管不导通|一

继电器开路|-1灯泡不亮|一|环境较暗时|-1光敏电阻阻值天天

T三极管导通口|继电器接通点亮灯泡

®注意事项®

1.安装前，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。

4.安装完毕，先检查无误后，再闭合开关进行测试。

实验研析•创新学习

类型一教材原型实验

角度I实验原理和实验操作

【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700.0Q）；报警器（内阻很小，流过的电流超过八时就会报警，

1c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999.9Q）；

直流电源（输出电压U约为18V,内阻不计）；

滑动变阻器Ri（最大阻值为1000Q）；

滑动变阻器R2（最大阻值为2000Q）；

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"%〃或"2〃X

（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Q；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O

（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。

(4)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650Q,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Q,然后重复上述操作即可。

(1)电压为18V,而报警时的电流为10mA；此时电阻约为：R二

18

-----------：Q=1800Q；而热敏电阻的阻值约为700Q,故滑动变阻

10x10-3

器接入电阻约为1100Q,故应选择R2O

(2)①因要求热敏电阻达到120℃时报警，此时电阻为700Q,故

应将电阻箱调节至700Q,然后由最大阻值处调节滑动变阻器，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20mA,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。

(4)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650Q,然后重复上述操作即可。

答案：(1)R2(2)①700.0b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(3)不变

(4)热敏电阻650

角度2.实验数据处理

【典例2】（2021・淄博高二检测）为了节能和环保，一些公共场所用

光控开关控制照明系统，光控开关可用光敏电阻控制，如图甲所示是

某光敏电阻阻值随光照强度变化曲线，照度可以反映光的强弱，光越

强照度越大，照度单位为：勒克斯（lx1

甲

控

照

制

明

系

开

统

关

（1）如图乙所示，电源电动势为3V,内阻不计，当控制开关两端电

压上升至2V时控制开关自动启动照明系统。要求当天色渐暗照度降

至1.0lx时控制开关接通照明系统，则Ri=kQ0

（2）某同学为了测量光敏电阻在不同照度下的阻值，设计了如图戊

所示的电路进行测量，电源（E=3V,内阻未知），电阻箱（0~99999

QX实验时将电阻箱阻值置于最大，闭合Si,将S2与1相连，减小

电阻箱阻值，使灵敏电流计的示数为I,图丙为实验时电阻箱的阻值,

其读数为kQ；然后将S2与2相连，调节电阻箱的阻值如

图丁所示，此时灵敏电流计的示数恰好为I,则光敏电阻的阻值Ro=

kQ（结果保留3位有效数字1

(1)电阻M和氏串联，?44，当照度为1.0lx时，电阻R。

IA1Ul1

=20kQ,贝URi=10kQ；

(2)由图可知，图丙的电阻为R2=62.5kQ，图丁的电阻R'2=22.5kQ,

本题采用等效替代法测电阻，前后两次电路中的电流相等，则电路中

的电阻相等,则有R2=RO+%,所以Ro=40.0kQ。

答案：(1)10(2)62.540.0

规律方法'对于有关传感器应用的实验电路问题，解答时应先弄清楚电

路中所用传感器的类型及其工作原理，然后根据电路特点进行分析。

类型二创新型实验

【典例3］如图甲所示是大型机械厂里用来称重的电子吊秤，其中实

现称重的关键元件是拉力传感器。其工作原理是：挂钩上挂上重物，

传感器中拉力敏感电阻丝在拉力作用下发生形变，拉力敏感电阻丝的

电阻也随着发生变化，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电

信号(电压或电流),从而完成将所称物体重量变换为电信号的过程。

(1)简述拉力敏感电阻丝的阻值随拉力变化的原因

(2)小明找到一根拉力敏感电阻丝RL,其阻值随拉力变化的图像如

图乙所示，再按图丙所示电路制作了一个简易"吊秤"。电路中电源电

动势E约15V,内阻约2Q；灵敏毫安表量程为10mA,内阻约5Q；

R是电阻箱，最大阻值是9999Q；&接在A、B两接线柱上，通过光

滑绝缘滑环可将重物吊起，接通电路完成下列操作。

a.滑环下不吊重物时，调节电阻箱，当电流表为某一合适示数I时,

读出电阻箱的读数Ri；

b.滑环下吊上待测重物，测出电阻丝与竖直方向的夹角为0；

c.调节电阻箱，使,读出此时电阻箱的读数R2；

d.算得图乙直线的斜率k和截距b；则待测重物的重力G的表达式

为G=(用以上测得的物理量表示)，测得6=53°(sin530

=0.8,cos53°=0.6),Ri、R2分别为1052。和10305,结合乙图信

息，可得待测重物的重力G=N(结果保留三位有效数字)0

(3)针对小明的设计方案，为了提高测量重量的精度，你认为下列

措施可行的是_________O

A.将毫安表换成量程不同，内阻更小的毫安表

B.将毫安表换成量程为10nA的微安表

C.将电阻箱换成精度更高的电阻箱

D.适当增大A、B接线柱之间的距离

(1)电阻丝受拉力时，长度增加而横截面积减小，根据电阻定律知

其阻值增大；

(2)根据等效替代法测电阻，调节电阻箱，使电流表的示数仍为I；

由其阻值随拉力变化的图像可得：

△R1040-1000

k=祚=200O7'=0-2Q/N

由平衡条件得：2AFcos6=G

由等效替代法测电阻得：AR=RLR2

2(Ri-R2)cos6

联立解得：

G=k

可得待测重物的重力

2x(1052-1030)x0.6

G=---------------------------------N=132N

(3)为了提高测量重量的精度，将电阻箱换成精度更高的电阻箱，

适当增大A、B接线柱之间的距离，使得拉力敏感电阻丝的受力大一

些。根据闭合电路欧姆定律得电流I二且只有几毫安，所以不能将

R总

毫安表换成量程为10|1A的微安表，或不能将毫安表换成其他量程,

故选、

CDo

答案：(1)电阻丝受拉力时，长度增加而横截面积减小，根据电阻定

律知其阻值增大(2)c.电流表的示数仍为I

2(Ri-R2)cos0

d.-----------------------132(3)C、D

课堂检测•素养达标

1.如图，某学校创建绿色校园，甲为新装的一批节能路灯，该路灯通

过光控开关实现自动控制：电灯的亮度可自动随周围环境的亮度改变

而改变。如图乙为其内部电路简化原理图，电源电动势为E,内阻为

r,%为光敏电阻（光照强度增大时，其电阻值减小X现增大光照强

度，则下列判断正确的是（）

甲乙

A.路端电压不变B.Ro两端电压变大

C.B灯变暗，A灯变亮D.电源总功率不变

选B。增大光照强度，光敏电阻的阻值减小，电路总电阻减小，总电

流增大，电源内电压增大，路端电压减小，A错误；通过A灯上的电

流减小，则通过R。的电流增大，R。两端的电压变大，B灯上的电压减

小，A、B两灯均变暗，B正确，C错误；电源的总功率P=EI会随着

总电流的增大而增大，D错误。

2.（2021•北京高二检测）如图所示是温度自动报警器的工作原理图,

图中1是电磁铁、2是衔铁、3是触点、4是水银温度计（水银导电X

则下列说法正确的是（）

电源电源

A.温度高于警戒温度时，电铃不报警、指示灯亮

B.温度低于警戒温度时，电铃报警、指示灯熄灭

C.温度高于警戒温度时，指示灯亮、电铃报警

D.温度低于警戒温度时，指示灯亮、电铃不响

选D。温度低于警戒温度时，水银柱下降，控制电路处于断路状态，

电磁铁没有电流通过，电磁铁没有磁性，此时指示灯通过常闭触点与

工作电路接通,通路状态指示灯亮，电铃不报警，故B错误，D正确；

温度高于警戒温度时，水银柱上升，控制电路处于接通状态，电磁铁

中有电流通过，电磁铁有磁性，此时电铃通过触点3与工作电路接通,

电铃报警，此通路状态，指示灯的电路中没有电流，灯不亮，故A、

C错误。

教师

专用

（多选）某一热敏电阻的阻值随温度的变化关系如图（a）所示，利

用此热敏电阻制作温控报警器，其电路的一部分如图（b）所示，E

为直流电源（电动势为9V,内阻可忽略），当输出电压达到或超过

6.0V时，便触发报警器（图中未画出）报警。若要求开始报警时环

境温度为50℃,则下列说法中正确的是

)

A.Ri应使用热敏电阻

B.R2应使用热敏电阻

C.Ri为固定电阻，阻值为0.4kQ

D.R2为固定电阻，阻值为1.6kQ

选A、D。温度升高时，该热敏电阻阻值减小，分得电压减少。而温

度高时要求输出电压升高，以触发报警，所以心为热敏电阻，R2为

固定电阻；由图线可知，温度为50℃时，Ri=0.8kQ,由欧姆定律

可得E=I(%+R2),U=R,代入数据解得R2=1.6kQ,故A、D正

确，B、C错误。

3.(2021•海口高二检测)如图是电熨斗的结构图，下列说法不正确的

是

()

金属底板

A.双金属片上层金属的膨胀系数小于下层金属

B.常温下，上下触点接触；温度过高时，双金属片发生弯曲使上下

触点分禺

C.需要较高温度熨烫时，要调节调温旋钮，使升降螺丝下移并推动

弹性铜片下移

D.双金属片温度传感器的作用是控制电路的通断

选A。由电路可知：温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分离,

因此双金属片上层金属的膨胀系数应大于下层金属,A错误,B正确；

需要较高温度熨烫时，要调节调温旋钮，双金属片虽发生弯曲但不使

触点分离，应使升降螺丝下移并推动弹性铜片下移，C正确；利用双

金属片热胀冷缩控制电路的通断，D正确。

4.（2021・荷泽高二检测）如图所示为某居住小区门口利用光敏电阻设

计的行人监控装置，Ri为光敏电阻、R2为定值电阻，A、B接监控装

置，则下列说法正确的是（）

通

道

光源

①当有人通过而遮蔽光线时，A、B间的电压增大

②当有人通过而遮蔽光线时，A、B间的电压减小

③当仅增大的阻值时，、间的电压增大

R2AB

④当仅减小R2的阻值时，A、B间的电压增大

A.①③B.①④C.②③D.②④

选C。由电路图可知，两电阻串联，监控装置与R2并联。当有人通过

通道而遮蔽光线时，x阻值变大，电路中的总电阻变大，电路中的电

流变小，根据U=IR可知，R2阻值不变时，其两端的电压变小，即A、

B间电压降低，故①错误，②正确；当仅增大R2的阻值时，电路中的

总电阻变大，电路中的电流变小，电源的内阻和心阻值不变时，内

阻和Ri两端的电压变小，则R2上的电压变大，即A、B间电压变大,

故③正确；当仅减小R2的阻值时，电路中的总电阻变小，电路中的

电流变大，电源的内阻和心阻值不变时，内阻和％两端的电压变大,

即A、B间电压减小，故④错误。

5.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）是表示光强弱程度的物理量，单位为坎德拉（cd1

如图（a）所示是光敏电阻阻值随光强变化的图线，由此可得到的结

论是___________________；

（2）如图（b）为电磁继电器的构造示意图，其中L为含有铁芯的线

圈，P为可绕。点转动的衔铁，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、

D为四个接线柱。工作时，应将（选填"A、B〃或"C、D〃）

接照明电路；

(3)请在图(c)中用笔画线代替导线，完成电路的连接；

(4)已知电源电动势为3V,内阻很小，电磁铁线圈电阻Ro=20.0Q,

电流超过50mA时可吸合衔铁。如果要求光强达到2cd时，照明电

路恰好接通，则图(c)中定值电阻R=Qo

(1)由图像可得到的结论是：随着光照强度的增加，光敏电阻的阻

值迅速下降，进一步增大光照强度，电阻值变化减小，然后逐渐趋向

平缓;

(2)由电磁继电器的工作原理可知，电磁铁连接的是控制电路，衔

铁连通的是工作电路，故工作时，应将久、D〃接照明电路；

(3)光敏电阻、定值电阻、电源与L组成控制电路，C、D与灯泡组

成工作电路，电路图如图所示

(4)由图(a)所示图线可知，2cd对应的光敏电阻阻值R光敏二18Q,

由闭合电路欧姆定律可知I=——-——，代入数据解得R=22Q。

R光敏+R+Ro

答案：(1)随着光照强度的增加，光敏电阻的阻值迅速下降，进一步

增大光照强度，电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓

(2)C、D(3)图见解+析(4)22

教师

专用【加固训练】

用压敏电阻可制成压力传感器，它受到的