实验探究课16　利用传感器制作简单的自动控制装置-2025版物理大一轮复习VIP

利用传感器制作简单的自动控制装置[实验基本技能]实验1门窗防盗报警装置一、实验目的了解门窗防盗报警装置，会组装门窗防盗报警装置。二、电路(如图所示)三、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。四、实验器材干簧管SA、继电器、发光二极管LED、蜂鸣器H、电源、导线若干、开关、电阻R、小磁体。五、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。实验2光控开关一、实验目的了解光控开关电路及控制原理，会组装光控开关。二、电路(如图所示)三、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；或继电器处于常开状态，小灯泡L不亮。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，点亮发光二极管或驱动继电器吸合而点亮小灯泡L。四、实验器材发光二极管LED、晶体三极管VT、可调电阻R1、限流电阻R2、光敏电阻RG、集成电路实验板、直流电源、导线若干、黑纸、小灯泡L。五、实验步骤1.按照电路图连接电路，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。六、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。[规律方法总结]一、数据收集与分析1.门窗防盗报警装置实验eq\x(磁铁靠近干簧管)→eq\x(弹簧片接触)→eq\x(继电器工作)→eq\x(二极管发光)eq\x(把磁体拿开)→eq\x(弹簧片断开)→eq\x(继电器不工作)→eq\x(蜂鸣器报警)2.光控开关实验eq\x(光比较强时)→eq\x(光敏电阻阻值很小)→eq\x(三极管不导通)→eq\x(继电器开路)→eq\x(灯泡不亮)eq\x(环境较暗时)→eq\x(三极管导通)→eq\x(继电器接通)→eq\x(点亮灯泡)二、常见敏感元件的作用和特点敏感元件作用特点热敏电阻将温度这个热学量转换为电阻这个电学量一般情况下，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，随温度的降低而增大金属热电阻将温度这个热学量转换为电阻这个电学量一般情况下，金属热电阻的阻值随温度的升高而增大，随温度的降低而减小光敏电阻将光照强度这个光学量转换为电阻这个电学量一般情况下，光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，随光照强度的减弱而增大霍尔元件将磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量对于某个确定的霍尔元件，它的厚度d、霍尔系数k为定值，如果保持电流I恒定，则霍尔电压UH就与磁感应强度B成正比(UH＝keq\f(IB,d))压敏电阻将压力这个力学量转换为电阻这个电学量压敏电阻的阻值随力的变化而变化现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干，如图所示，试设计一个温控电路，要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度又可以自动断电，画出电路图并说明工作过程。解析：热敏电阻RT与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路。电路图如图所示，当温度低于某一值时，热敏电阻的阻值很大，流过电磁继电器的电流很小，继电器无法吸引衔铁P，K处接通，电炉丝处于加热状态；当温度高于某一值时，热敏电阻的阻值变得很小，通过电磁继电器的电流较大，继电器吸引衔铁P，K处断开，电炉丝停止加热。答案：见解析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_________(选填“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_________(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________________________________________________________________________________________________________________________。(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。解析：(1)电路图连接如图所示。(2)报警器开始报警时，对整个回路有U＝Ic(R滑＋R热)，代入数据可得R滑≈1150.0Ω，因此滑动变阻器应选择R2。(3)①在调节过程中，电阻箱起到等效替代热敏电阻的作用，电阻箱的阻值应为报警器报警时热敏电阻的阻值，即为650.0Ω。滑动变阻器在电路中为限流接法，滑片应置于b端附近，若置于另一端a时，闭合开关，则电路中的电流I＝eq\f(18,650.0)A≈27.7mA，超过报警器最大电流20mA，报警器可能损坏。②开关应先向c端闭合，移动滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警为止。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报警器开始报警为了建设安全校园，某校物理教师带领兴趣小组的学生，利用光敏电阻和电磁继电器，为学校教学楼内所有楼梯口的照明灯安装了亮度自动控制装置。如图甲所示为他们设计的原理图，R0为光敏电阻(阻值随亮度的增加而减小)，R1为滑动变阻器，电磁继电器的衔铁由软铁(容易磁化和消磁)制成，R2为电磁铁的线圈电阻，K为单刀双掷开关。甲(1)为使楼内亮度降低到一定程度照明灯自动点亮，亮度升高到一定程度照明灯自动熄灭，单刀双掷开关应置于_________(选填“a”或“b”)。(2)为了提升校园安全系数，使照明灯在不太暗的时候就点亮，滑动变阻器接入电路的电阻应_____________(选填“调大”或“调小”)。(3)已知直流电路中的电流达到10mA时电磁继电器的衔铁正好会被吸下，R0从正午最亮到夜晚最暗的阻值变化范围为50～200Ω，R2约为5Ω，直流电源电动势E＝3V，内阻r约为1Ω，现有三个最大电阻阻值分别为100Ω、300Ω、3000Ω的滑动变阻器，为实现调控目标，R1最好应选择最大阻值为_________Ω的滑动变阻器。(4)兴趣小组同学想要对原设计进行改进，使亮度降低到一定程度触发衔铁吸下，请你在图乙的虚线框中用笔画线代替导线重新连接直流电路中c、d、e、f、g、h各点，以实现这一改进目标。乙解析：(1)亮度降低R0变大，电流减小，电磁继电器吸引力减小，衔铁被放开，此时照明灯应被点亮，所以单刀双掷开关应接b。(2)电磁继电器的衔铁被吸下或放开有一个电流的临界值，对应一个总电阻的临界值，所以滑动变阻器调得越大，对应R0的触发值越小，能使照明灯在不太暗的时候就点亮。(3)电动势为3V，触发电流为10mA，可得对应总电阻为300Ω。滑动变阻器选100Ω，R0可触发的阻值范围约为194～200Ω，范围太小，对应亮度太低；300Ω的阻值足够调控，对应R0触发值范围足够大；3000Ω阻值太大，对于某一亮度对应阻值的调节不精准。(4)为了实现“亮度降低到一定程度触发衔铁吸下”可让R0与电磁继电器并联，这样亮度降低时R0增大，电磁继电器中的电流增大，可触发衔铁被吸下，电路图如图。答案：(1)b(2)调大(3)300(4)见解析图【跟踪训练】1.小明设计了一种“自动限重器”，如图甲所示。该装置由控制电路和工作电路组成，其主要元件有电磁继电器、货物装载机(实质是电动机)、压敏电阻R1和滑动变阻器R2等。压敏电阻R1的阻值随压力F变化的关系如图乙所示。当货架承受的压力达到限定值，电磁继电器会自动控制货物装载机停止向货架上摆放物品。已知控制电路的电源电压U＝6V，电磁继电器线圈的阻值忽略不计。请你解答下列问题：甲乙(1)由图乙的图像可知，随着压力F的增大，压敏电阻R1的阻值将___________。(2)用笔画线代替导线将图甲的电路连接完整。(3)随着控制电路电流的增大，电磁铁的磁性将_________，当电磁继电器线圈中的电流大小为30mA时，衔铁被吸下。若货架能承受的最大压力为800N，则所选滑动变阻器R2的最大阻值至少为_________Ω。解析：(1)由图乙中的图像可知，压敏电阻R1的阻值随压力的增大而减小。(2)将货物装载机和上触点串联组成工作电路，将R1、滑动变阻器R2、电磁铁串联接入控制电路；补充电路如图所示。(3)随着控制电路电流的增大，电磁铁的磁性将增强。R1与R2串联I1＝I2＝Imax＝30mA＝0.03A，由图乙可知F＝800N时，R1＝80Ω，由I＝eq\f(U,R)得U1＝I1R1＝0.03A×80Ω＝2.4V，U2＝U－U1＝6V－2.4V＝3.6V，R2＝eq\f(U2,I2)＝eq\f(3.6V,0.03A)＝120Ω，即滑动变阻器R2的最大阻值至少为120Ω。答案：(1)减小(2)见解析图(3)增强1202.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，黑夜打开。某同学利用如下器材制作了一个简易的路灯自动控制装置。A.励磁线圈电源E1B.路灯电源E2C.路灯灯泡LD.定值电阻R0E.光敏电阻R1F.电磁开关G.导线、开关等甲乙丙(1)电磁开关的内部结构如图甲所示。1、2两接线柱接励磁线圈(电磁铁上绕的线圈)，3、4两接线柱分别与弹簧片和触点连接，相当于路灯的开关。当流过励磁线圈的电流大于某个值时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分离，3、4断开，路灯熄灭。该同学首先用多用电表的欧姆挡测量励磁线圈的电阻，将选择开关置于“×1”挡，调零后测量时的示数如图丙所示，则励磁线圈的电阻约为_________Ω。(2)图乙为光敏电阻的阻值随照度的变化关系(照度可以反映光的强弱，光越强，照度越大，单位为lx)。从图中可以看出，光敏电阻的阻值随照度的增大而_________(选填“减小”“不变”或“增大”)。(3)如图丁所示，请你用笔画线代替导线，将该同学设计的自动控制电路补充完整。丁(4)已知励磁线圈电源E1＝6.0V(内阻不计)，定值电阻R0＝60Ω。若设计要求当流过励磁线圈的电流为0.05A时点亮路灯，则此时的照度约为_________lx。解析：(1)由多用电表欧姆挡的读数规则可知，励磁线圈的电阻约为r＝20Ω。(2)从图乙中可以看出，光敏电阻的阻值随照度的增大而逐渐减小。(3)根据电磁开关的内部构造和图乙可得，自动控制电路图如图所示。(4)当控制电路中的电流为0.05A时，控制电路的总电阻为R＝eq\f(E1,I)＝eq\f(6.0,0.05)Ω＝120Ω，因定值电阻R0＝60Ω，励磁线圈的电阻r＝20Ω，故此时光敏电阻的阻值应为R1＝R－R0－r＝40Ω，由图乙可知此时的照度约为0.4lx。答案：(1)20(2)减小(3)图见解析(4)0.43.(2023·湖南卷)某探究小组利用半导体薄膜压力传感器等元件设计了一个测量微小压力的装置，其电路如图(a)所示，R1、R2、R3为电阻箱，RF为半导体薄膜压力传感器，C、D间连接电压传感器(内阻无穷大)。图(a)图(b)(1)先用欧姆表“×100”挡粗测RF的阻值，示数如图(b)所示，对应的读数是_________Ω；(2)适当调节R1、R2、R3，使电压传感器示数为0，此时，RF的阻值为_________(用R1、R2、R3表示)；(3)依次将0.5g的标准砝码加载到压力传感器上(压力传感器上所受压力大小等于砝码重力大小