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文档简介
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
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