2024届高考物理复习讲义：实验十七 利用传感器制作简单的自动控制装置

实验十七利用传感器制作简单的自动控制装置

学习目标1.知道什么是传感器，知道光敏电阻和热敏电阻等敏感元件的特性和

应用。2.学会传感器的简单使用并会制作简单的自动控制装置。

夯实必备知识

一、五种敏感元件的作用和特点

敏感元

作用特点

件

热敏电将温度这个热学量转换一般情况下，热敏电阻的阻值随温度的升高

阻为电阻这个电学量而减小，随温度的降低而增大

金属热将温度这个热学量转换一般情况下，金属热电阻的阻值随温度的升

电阻为电阻这个电学量高而增大，随温度的降低而减小

光敏电将光照强度这个光学量一般情况下，光敏电阻的阻值随光照强度的

阻转换为电阻这个电学量增强而减小，随光照强度的减弱而增大

对于某个确定的霍尔元件，它的厚度从霍

一将磁感应强度这个磁学尔系数为定值，如果保持电流/恒定，则

霍尔兀Z

量转换为电压这个电学霍尔电压就与磁感应强度B成正比

件UH

量

(UH=瑞)

压敏电将压力这个力学量转换

压敏电阻的阻值随力的变化而变化

阻为电阻这个电学量

二、自动控制装置设计与制作示例

1.门窗防盗报警装置的设计

(1)电路如图1所示。

图1

(2)实验操作

①连接电路前，要先判断干簧管是否正常工作。月磁体直接靠近干簧管，观察簧

片的动作。

②连接电路，接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，观察实验现象。

2.光控开关的设计

⑴电路如图2所示。

(2)实验操作

①按照如图所示连接电路，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。

(3)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。

研透

考点一用温度传感器设计控制电路

例1(2022•河北省新高考测评卷)热敏电阻有很多的应用领域，如家电、开关电源、

新能源汽车等。某实验小组的同学为了研究某保温式自动电饭锅中用于监测温度

的热敏电阻RT的特性设计了以下实验。

⑴首先利用多用电表粗略测量与电饭锅中型号相同的热敏电阻常温状态下的阻

值，多用电表的旋钮置于“义100”的挡位时示数如图3甲所示，则该热敏电阻

的阻值为C。

(2)该实验小组的同学为了进一步探究热敏电阻的特性，设计了图乙所示的电路,

电路中的电压表均可看成理想电压表，定值电阻的阻值为2kQo

102030405()6()70〃七

丙

图3

①开关闭合前，滑动变阻器的滑动触头应置于最(填“左”或“右”)

端。

②某次实验时，电压表V］、V2的示数分别为3.0V、4.5V,则热敏电阻的阻值

应为kQo

(3)通过多次实验，得出热敏电阻的阻值随温度变化的规律图像如图丙所示，当

热敏电阻的阻值为RT=2kQ时，热敏电阻所处环境的温度约为°C。

(4)该种保温式自动电饭锅，采用感温磁控元件(可视为用热敏电阻控制的电腕铁

开关，通过的电流大于某一值时开关断开)控制电路闭合与断开，从而控制加热

电路，锅内米饭温度低于60℃后，加热电路开始工作，则下列电路图可能是该

电饭锅中加热电路的是

()20406080100t/X：

乙

图4

(1)图甲中警铃的接线柱。应与接线柱相连，指示灯的接线柱力应与接

线柱相连(均选填"”或"夕)。

(2)当环境温度升高时，继电器的磁性将(选填“增大”“减小”或“不

变”)，当环境温度达到℃时，警铃报警。

(3)如果要使报警电路在更高的温度报警，下列方案可行的是。

A.适当减小UyB.适当增大5

C.适当减小UiD.适当增大S

答案(1)BA(2)增大40(3)A

解析(1)由于8接通时警铃响，A接通时指示灯亮，因此。接8,。接A。

⑵由于该热敏电阻随温度升高，阻值减小，回路的电流增大，因此继电器的磁

性增强。

当电流等于40mA时，回路的总电阻

U4V

R=7=/八7'=100Q

I40mA

而继电器电阻Ro为30Q,因此当热敏电阻等于70。时，由题图乙可知对应温度

为40。(2时，警铃报警。

(3)温度更高时，热敏电阻值更小，而报警电流为40mA不变，因此应适当降低

Ui值，因此A正确。

考点二用光传感器设计控制电路

例2为了节能环保，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R随光的照度I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)。

⑴某光敏电阻在不同照度下的阻值R如下表所示，根据表中的数据，请在图5

甲的坐标系中描绘出阻值随照度变化的仙线，并判断光敏电阻的阻值R与照度/

是否成反比关系。

答：(填“是”或“否”)。

照度〃1X0.20.40.60.81.01.2

阻值R；kQ5.83.72.72.32.01.8

R/kll

5

---1照明电源I--

乙

图5

(2)图乙为街道路灯自动控制电路，利用直流电源E为电磁铁供电，利用照明电

源为路灯供电。为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果，路灯应接在(填“AB”

或“CD")之间。

(3)已知线圈的电阻为140Q,直流电源E的电动势E=36V,内阻忽略不计。当

线圈中的电流大于10mA时，继电器的衔铁将被吸合，滑动变阻器R的阻值应

调为Q时，才能使天色渐暗照度低于1.0lx时点亮路灯。

(4)使用一段时间后发现，路灯在天色更亮时就已点亮了，为了使路灯能按设计

要求点亮和熄灭，变阻器R的阻值应适当调_______些(选填“大”或“小”)。

答案(1)图见解析否(3)1460(4)小

解析(1)如图所示

若光敏电阻的阻值R与照度/成反比关系，则有R/为定值，由图像中的点的数

据可得5.8X0.2<3.7X0.4<2.7X0.6<2.3X0.8<2.0X1.0<1.8X1.2

可知光敏电阻的阻值H与照度/不是反比关系。

⑵由于天亮时照度较大，光敏电阻的阻值较小，电路中的电流较大，衔铁被吸

下，间断开，间接通，故路灯应接在48间。

(3)由题意可知，当照度降到l.Olx时，电路电流降低到10mA,此时电路中的总

E36

电阻为R患=~y=।m-3。=3600Q

/1UA1U

此时光敏电阻的阻值为R=2000C,则滑动变阻器斤的阻值应调为

R'=R「R—R好=3600。一2000Q-140C=1460C。

(4)使用一段时间后发现，路灯在天色更亮时就已点亮了，说明在天色更亮时电

路电流就降到了10mA,为了使路灯能按设计要求点亮和熄灭，应使天色更亮时

电路电流大于10mA,应使电路的总电阻适当减小，故应将变阻器的阻值应适

当调小些。

跟踪训练

2.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。

R/Q

(1)光强(E)是表示光照强弱程度的物理量，单位为坎德拉(cd)。图6甲是光敏电阻

阻值随光强变化的图线，由此可得到的结论是：

(2)图乙为电磁继电器的构造示意图，其中L为含有铁芯的线圈，产为可绕。点

转动的衔铁，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、。为四个接线柱。工作时，

应将(选填“4、B”或“。、。”)接照明电路。

(3)请在图7中用笔画线代替导线，完成实物电路的连接。

(4)已知电源电动势为3V,内阻很小，电磁铁线图电阻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7

中定值电阻R=Q。

电源开关

图7

答案(1)随着光强的增加，光敏电阻的阻值迅速下降，进一步增大光强，电阻

值变化减小，然后逐渐趋向平缓(2)C、D(3)见解析图(4)22

解析(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“C、接照明电路。

(3)光敏电阻、定值电阻、电源、开关与L组成控制电路，C、。与灯泡组成工作

电路，电路图如图所示。

o

=零线f

L

i

i火线1

5

A

光敏电阻定值电阻

-----------电源开关

（4）由题图甲所示图线可知，2cd对应的光敏电阻阻值R光效=18。

E

由闭合电路的欧姆定律可知/=P

代入数据解得R=22C。

提升

1.某同学用热敏电阻制作高温报警器。实睑器材如下，热敏电阻R、电磁继电器、

蜂鸣器、小灯泡（额定电压2.5V）、保护电阻r（阻值5。）、变阻箱R（（）〜9999.9Q）、

电池组两组（内阻不计）、多用电表（有温度挡）、铁架台、烧杯、开关及导线若干。

图1

⑴如图1所示是该热敏电阻的R-/曲线，由图像可以得到热敏电阻的阻值随温

度的升高而（选填“减小”“不变”或“增大”）o

⑵如图2是某同学设计的高温报警器电路图，左边部分是控制电路，右边部分

是报警装置，实验发现控制电路不工作，合上开关S,用多用电表排查电路故障,

则应将如图3所示的选择开关旋至_______（选域4"”“仁或7T）,若只有继电

器线圈断路，则应发现表笔接入继电器线圈两端时多用电表的指针（选

填“偏转”或“不偏转”），接入热敏电阻两端时多用电表的指针（选填

“偏转”或“不偏转”）。

=

NTC

热敏电阻।~蜂

氏小灯泡阳鸣

Rx器

变阻箱保电阻

图2

图3

(3)根据电磁继电器的技术数据，当热敏电阻R达到设定温度M，电磁继电器应

自动吸合，报警装置报警。已知控制电路电池组电动势为6V,实测电磁继电器

正常吸合时的电流为37.6mA〜40.2mA,继电器内阻为61.0C,如果设置报警

温度为55°C,至少应将变阻箱的电阻R调节到Qo想要让热敏电阻在

高温报警中更加“敏感”(即温度不是太高就报警)，需要(选填“增

大”“减小”或“不变”)变阻箱的电阻。

答案⑴减小(2)C偏转小偏转(3)56.3减小

解析(1)由题图可以得到热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。

(2)合上开关S,应用多用电表的直流电压挡去排查电路故障，故应将选择开关旋

至Co

若只有继电器线圈断路，则应发现表笔接入继电器线圈两端时，多用电表电压接

近电源电动势，多用电表的指针偏转；若只有继电器线圈断路，表笔接入热敏电

阻两端时，由于继电器线圈断路，回路中没有电流，热敏电阻两端电压为零，多

用电表的指针不偏转。

(3)如果设置报警温度为55℃,由图像可知该温度对应的热敏电阻阻值为

R=32Q

E

根据闭合电路欧姆定律可得/=

R+&

可得至少应将变阻箱的电阻A调节到

E（6、

R=Q_RLR/=140.2X10一3—32—61J。弋56.3Q

想要让热敏电阻在高温报警中更加“敏感”（即温度不是太高就报警），说明报警

时热敏电阻的限值比原来大，故为了使电流达到电磁继电器正常吸合时的电流，

需要减小变阻箱的电但。

2.（2023•北京市第八十中学月考）利用光敏电阻作为传感器，借助电磁开关，可以

实现路灯自动在白大关闭，黑夜打开。某同学利用如卜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E^B.路灯电源历

C.路灯灯泡LD.定值电阻Ro

E.光敏电阻凡F.电磁开关

G导线、开关等

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v]]卜弹簧片

产!」触点

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目…铁片

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支架

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丙