人教版(新教材)高中物理选择性必修2学案1：5 3利用传感器制作简单的自动控制装置

人教版(新教材)高中物理选择性必修第二册PAGEPAGE15.3利用传感器制作简单的自动控制装置〖实验目标〗1.了解门窗防盗报警装置，会组装门窗防盗报警装置。2.了解光控开关电路及控制原理，会组装光控开关。〖自主预习探新知〗一、门窗防盗报警装置1．电路如图所示。2．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。3．实验器材干簧管、继电器、发光二极管LED、蜂鸣器H、电源、导线若干、开关、电阻。4.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，观察簧片能否正常动作。(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。3．实验器材发光二极管、三极管、可变电阻R1、电阻R2、光敏电阻、集成电路实验板、直流电源、导线若干、黑纸。4．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。5．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。〖合作探究攻重难〗〖例1〗为了节能和环保，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，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为lx)。某光敏电阻Rp在不同照度下的阻值如下表：照度(lx)0.20.40.60.81.01.2电阻(kΩ)754028232018①根据表中数据，请在给定的坐标系(见答题卡)中描绘出阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点。②如图所示，当1、2两端所加电压上升至2V时，控制开关自动启动照明系统，请利用下列器材设计一个简单电路。给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至1.0(lx)时启动照明系统，在虚线框内完成电路原理图。(不考虑控制开关对所设计电路的影响)提供的器材如下：光敏电源E(电动势3V，内阻不计)；定值电阻：R1＝10kΩ，R2＝20kΩ，R3＝40kΩ(限选其中之一并在图中标出)开关S及导线若干。〖例2〗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℃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(输出电压为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。(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。〖随堂达标测试〗1．如图所示，图甲为热敏电阻的R­t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，继电器的电阻为100Ω。当线圈的电流大于或等于20mA时，继电器的衔铁被吸合。为继电器线圈供电的电池的电动势E＝9.0V，内阻可以不计。图中的“电源”是恒温箱加热器的电源。则：甲乙(1)应该把恒温箱内的加热器接在(选填“A、B端”或“C、D端”)。(2)如果要使恒温箱内的温度保持在50℃，可变电阻R′的阻值应调节为Ω2．某同学尝试把一个灵敏电流表改装成温度表，他所选用的器材有：灵敏电流表(待改装)，学生电源(电动势为E，内阻不计)，滑动变阻器，单刀双掷开关，导线若干，导热性能良好的防水材料，标准温度计，PTC热敏电阻R1(PTC线性热敏电阻的阻值与摄氏温度t的关系为Rt＝a＋kt，a＞0，k＞0)。设计电路图如图所示，并按如下步骤进行操作。(1)按电路图连接好实验器材。(2)将滑动变阻器滑片P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P使电流表满偏，并在以后的操作中保持滑片P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。请根据温度表的设计原理和电路图，写出电流与温度的关系式I＝(用题目中给定的符号)(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，改装成温度表。根据改装原理，此温度表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”)。3．(1)热敏电阻常用于温度控制或过热保护装置中。图为某种热敏电阻和金属热电阻的阻值R随温度t变化的示意图。由图可知，这种热敏电阻在温度上升时导电能(选填“增强”或“减弱”)；相对金属热电阻而言，热敏电阻对温度变化的响应更(选填“敏感”或“不敏感”)。(2)利用传感器可以探测、感受外界的信号、物理条件等。图甲所示为某同学用传感器做实验得到的小灯泡的U­I关系图线。甲乙丙(a)实验室提供的器材有：电流传感器、电压传感器、滑动变阻器A(阻值范围0～10Ω)、滑动变阻器B(阻值范围0～100Ω)、电动势为6V的电源(不计内阻)、小灯泡、电键、导线若干。该同学做实验时，滑动变阻器选用的是(选填“A”或“B”)；请在图乙的方框中画出该实验的电路图。(b)将该小灯泡接入如丙图所示的电路中，已知电流传感器的示数为0.3A，电源电动势为3V。则此时小灯泡的电功率为W，电源的内阻为Ω。▁▃▅▇█参*考*答*案█▇▅▃▁〖合作探究攻重难〗〖例1〗〖〖解析〗〗(1)光敏电阻的阻值随光照变化的曲线如图所示。特点：光敏电阻的阻值随光照强度的增大非线性减小。(2)电路原理图如图所示。控制开关自动启动照明系统，给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至1.0(lx)时启动照明系统，即此时光敏电阻阻值为20kΩ，两端电压为2V，电源电动势为3V，所以应加上一个分压电阻，分压电阻阻值为10kΩ，即选用R1。〖〖答案〗〗见〖解析〗〖例2〗〖〖解析〗〗(1)电压为18V，而报警时的电流为10mA；此时电阻约为：R＝eq\f(18,10×10－3)Ω＝1800Ω；而热敏电阻的阻值约为650Ω，故滑动变阻器接入电阻约为1150Ω，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700Ω，故应将电阻箱调节至700Ω，然后由最大调节滑动变阻器，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(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650Ω，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〖随堂达标测试〗1．〖〖解析〗〗(1)当线圈中的电流较小时，继电器的衔铁在上方，恒温箱的加热器处于工作状态，恒温箱内温度升高，故恒温箱内的加热器应该接在A、B端。(2)要使恒温箱内的温度保持在50℃，即50℃时线圈内的电流为I＝20mA。由闭合电路欧姆定律得I＝eq\f(E,R＋R′＋r)，式中r为继电器的电阻，解得R＋R′＋r＝450Ω。由题图甲可知，50℃时热敏电阻的阻值为90Ω，所以R′＝450Ω－R－r＝260Ω。〖〖答案〗〗(1)A、B端(2)2602．〖〖解析〗〗(2)根据实验的原理可知，需要先选取合适的滑动变阻器的电阻值，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P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P使电流表满偏，设此时电路总电阻为R，断开电路。(3)当温度为t时，热敏电阻的阻值与摄氏温度t的关系为：R1＝a＋kt，根据闭合电路的欧姆定律可得，I＝eq\f(E,R＋R1)＝eq\f(E,R＋a＋kt)(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。〖〖答案〗〗(2)ac满偏(或指针到最大电流刻度)(3)eq\f(E,R＋a＋kt)(4)右，否3．〖〖解析〗〗(1)图中横轴表示温度，纵轴表示电阻，随着温度的增加，金属热电阻的阻值略增大，而热敏电阻的阻值显著减小。所以这种热敏电阻在温度上升时导电能力增强；相对金属热电阻而言，热敏电阻对温度变化的影响更敏感。(2)(a)为方便实验操作，滑动变阻器可以选A；小灯泡电阻较小，电流传感器应采用