第3節(jié) 利用傳感器制作簡單的自動控制裝置

實(shí)驗(yàn)原理1．干簧管(1)特點(diǎn)：感知磁場是否存在的傳感器。(2)作用：將磁場的存在與否轉(zhuǎn)換為電路的通斷。2．繼電器(1)特點(diǎn)：繼電器線圈中有電流通過時(shí)，開關(guān)與觸點(diǎn)a接通，無電流時(shí)，開關(guān)與觸點(diǎn)b接通。(2)作用：將繼電器中電流的有無轉(zhuǎn)換為指示燈和蜂鳴器電路的控制，相當(dāng)于一個(gè)自動的雙向開關(guān)。3．實(shí)驗(yàn)電路4．工作原理閉合開關(guān)S，系統(tǒng)處于防盜狀態(tài)，當(dāng)門窗緊閉時(shí)，磁體M使干簧管處于導(dǎo)通狀態(tài)，繼電器使開關(guān)c與觸點(diǎn)a接通，二極管LED發(fā)光。當(dāng)門窗開啟時(shí)，磁體離開干簧管，干簧管失磁斷開，繼電器被斷電，使開關(guān)轉(zhuǎn)換為c、b接通，蜂鳴器H發(fā)聲報(bào)警。

實(shí)驗(yàn)器材干簧管SA、繼電器、發(fā)光二極管LED、電阻R(330Ω)、蜂鳴器H、電源、小磁體、開關(guān)等。

實(shí)驗(yàn)步驟1．連接電路前，要先判斷一下干簧管是否可以正常工作。用磁體直接靠近干簧管，觀察簧片能否正常動作。2．確定各元件可以正常工作后，按照實(shí)驗(yàn)電路圖連接電路。3．接通電源后，將磁體靠近和離開干簧管，分別觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)(二)光控開關(guān)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解光控開關(guān)的工作原理。2.練習(xí)利用光控開關(guān)制作自動控制設(shè)備。

實(shí)驗(yàn)原理1．晶體三極管(1)兩種類型(2)三個(gè)電極①發(fā)射極e，②基極b，③集電極c。(3)重要特性①從基極輸入一個(gè)較小的電流，就會在集電極獲得較大的電流，這就是三極管的電流放大作用。②在控制電路中具有完成斷路和接通的開關(guān)作用。2．光控開關(guān)(1)電路圖(2)工作原理當(dāng)光照較強(qiáng)時(shí)，RG較小，加在基極上電壓較小，三極管不導(dǎo)通，發(fā)光二極管LED不亮；當(dāng)光線較弱時(shí)，RG阻值增大，加在基極上電壓增大，當(dāng)達(dá)到一定程度后，三極管被導(dǎo)通，發(fā)光二極管LED開始發(fā)光。3．光控開關(guān)控制電路(1)電路圖(2)工作原理當(dāng)環(huán)境光比較強(qiáng)時(shí)，光敏電阻RG的阻值很小，三極管不導(dǎo)通，繼電器所在的回路相當(dāng)于斷路；當(dāng)環(huán)境光線比較暗時(shí)，光敏電阻RG阻值較大，三極管導(dǎo)通，集電極電流較大，驅(qū)動繼電器吸合開關(guān)S，點(diǎn)亮燈泡L。(注：與繼電器并聯(lián)的二極管D，提供自感電流釋放通路，以保護(hù)三極管不被燒壞。)

實(shí)驗(yàn)器材可調(diào)電阻R1(最大電阻為51kΩ)、限流電阻R2(330Ω)、光敏電阻RG、三極管VT、發(fā)光二極管LED、繼電器、小燈泡L(6V、0.3A)、二極管D、電源等。

實(shí)驗(yàn)步驟1．按照實(shí)驗(yàn)電路圖連接電路，檢查無誤后，接通電源。2．讓光敏電阻RG受到白天較強(qiáng)的自然光照射，調(diào)節(jié)電阻R1使發(fā)光二極管LED或小燈泡L剛好不發(fā)光。3．遮擋RG，當(dāng)光照減弱到某種程度時(shí)，就會看到發(fā)光二極管LED或小燈泡L發(fā)光。4．讓光照加強(qiáng)，當(dāng)光照增強(qiáng)到某種程度時(shí)，則發(fā)光二極管LED或小燈泡L熄滅。

注意事項(xiàng)1．安裝前，對器材進(jìn)行測試，確保各元件性能良好后，再進(jìn)行安裝。2．光控開關(guān)實(shí)驗(yàn)中，二極管連入電路的極性不能反接，否則將燒壞門電路集成塊。3．光控開關(guān)實(shí)驗(yàn)中要想天更暗時(shí)“路燈”才會亮，應(yīng)該把R1的阻值調(diào)大些。[典例]把蜂鳴器、光敏電阻、干簧管繼電器開關(guān)(干簧管和繞在干簧管外的線圈組成)、電源連成電路，如甲圖所示，制成光電報(bào)警裝置，設(shè)計(jì)要求：當(dāng)有光照時(shí)，蜂鳴器發(fā)聲，當(dāng)沒有光照或者光照很弱時(shí)，蜂鳴器不發(fā)聲，電路已經(jīng)連接一部分，請將電路連接完整。實(shí)驗(yàn)原理與操作[解析]電池、光敏電阻與開關(guān)及干簧管繼電器開關(guān)的外面線圈兩個(gè)接線端構(gòu)成一個(gè)回路；而另一組電池、蜂鳴器與干簧管繼電器開關(guān)里面的兩個(gè)接線端構(gòu)成另一個(gè)回路。當(dāng)有光照時(shí)，光敏電阻變小，使得干簧管繼電器開關(guān)存在磁場，導(dǎo)致開關(guān)接通，最終使得蜂鳴器發(fā)聲；若沒有光照或者光照很弱時(shí)，光敏電阻阻值變大，干簧管外的線圈產(chǎn)生的磁場較弱，干簧管開關(guān)自動斷開。連接如圖所示。[答案]見解析圖[典例]

(2021·山東等級考)熱敏電阻是傳感器中經(jīng)常使用的元件，某學(xué)習(xí)小組要探究一熱敏電阻的阻值隨溫度變化的規(guī)律?？晒┻x擇的器材有：待測熱敏電阻RT(實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，阻值約幾百歐到幾千歐)；電源E(電動勢1.5V，內(nèi)阻r約為0.5Ω)；電阻箱R(阻值范圍0～9999.99Ω)；滑動變阻器R1(最大阻值20Ω)；滑動變阻器R2(最大阻值2000Ω)；微安表(量程100μA，內(nèi)阻等于2500Ω)；開關(guān)兩個(gè)，溫控裝置一套，導(dǎo)線若干。數(shù)據(jù)處理和誤差分析同學(xué)們設(shè)計(jì)了如圖甲所示的測量電路，主要實(shí)驗(yàn)步驟如下：①按圖示連接電路；②閉合S1、S2，調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片P的位置，使微安表指針滿偏；③保持滑動變阻器滑片P的位置不變，斷開S2，調(diào)節(jié)電阻箱，使微安表指針半偏；④記錄此時(shí)的溫度和電阻箱的阻值。回答下列問題：(1)為了更準(zhǔn)確地測量熱敏電阻的阻值，滑動變阻器應(yīng)選用________(填“R1”或“R2”)。(2)請用筆畫線代替導(dǎo)線，在圖乙中將實(shí)物圖(不含溫控裝置)連接成完整電路。(3)某溫度下微安表半偏時(shí)，電阻箱的讀數(shù)為6000.00Ω，該溫度下熱敏電阻的測量值為____________Ω(結(jié)果保留到個(gè)位)，該測量值________(填“大于”或“小于”)真實(shí)值。(4)多次實(shí)驗(yàn)后，學(xué)習(xí)小組繪制了如圖丙所示的圖像。由圖像可知，該熱敏電阻的阻值隨溫度的升高逐漸________(填“增大”或“減小”)。[解析]

(1)用半偏法測量熱敏電阻的阻值，盡可能讓該電路的電壓在S2閉合前后保持不變，由于該支路與滑動變阻器前半部分并聯(lián)，滑動變阻器的阻值越小，S2閉合前后該并聯(lián)部分電阻變化越小，從而電路兩端的電壓變化越小，故滑動變阻器應(yīng)選R1。(2)電路連接圖如圖所示。

[答案]

(1)R1

(2)見解析圖(3)3500大于(4)減小1．(實(shí)驗(yàn)原理的創(chuàng)新)如圖所示是用斯密特觸發(fā)器控制某宿舍樓道內(nèi)照明燈的示意圖，試說明其工作原理。創(chuàng)新考查角度和創(chuàng)新思維

解析：天較亮?xí)r，光敏電阻RG阻值較小，斯密特觸發(fā)器輸入端A電勢較低，則輸出端Y輸出高電平，線圈中無電流，工作電路不通。天較暗時(shí)，光敏電阻RG電阻增大，斯密特觸發(fā)器輸入端A電勢升高，當(dāng)升高到一定值，輸出端Y由高電平突然跳到低電平，有電流通過線圈F，電磁繼電器工作，接通工作電路，使照明燈自動開啟。天明后，RG阻值減小，斯密特觸發(fā)器輸入端A電勢逐漸降低，降到一定值，輸出端Y突然由低電平跳到高電平，則線圈F不再有電流，電磁繼電器自動切斷工作電路的電源，照明燈熄滅。答案：見解析2．(實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新)(2021·廣東高考)某小組研究熱敏電阻阻值隨溫度的變化規(guī)律。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要已選用了規(guī)格和量程合適的器材。(1)先用多用電表預(yù)判熱敏電阻阻值隨溫度的變化趨勢。選擇適當(dāng)倍率的歐姆擋，將兩表筆________，調(diào)節(jié)歐姆調(diào)零旋鈕，使指針指向右邊“0Ω”處。測量時(shí)觀察到熱敏電阻溫度越高，相同倍率下多用電表指針向右偏轉(zhuǎn)角度越大，由此可判斷熱敏電阻阻值隨溫度的升高而________。(2)再按圖連接好電路進(jìn)行測量。①閉合開關(guān)S前，將滑動變阻器R1的滑片滑到________端(選填“a”或“b”)。將溫控室的溫度設(shè)置為T，電阻箱R0調(diào)為某一阻值R01。閉合開關(guān)S，調(diào)節(jié)滑動變阻器R1，使電壓表和電流表的指針偏轉(zhuǎn)到某一位置。記錄此時(shí)電壓表和電流表的示數(shù)、T和R01。斷開開關(guān)S。再將電壓表與熱敏電阻C端間的導(dǎo)線改接到D端，閉合開關(guān)S。反復(fù)調(diào)節(jié)R0和R1，使電壓表和電流表的示數(shù)與上述記錄的示數(shù)相同。記錄此時(shí)電阻箱的阻值R02。斷開開關(guān)S。②實(shí)驗(yàn)中記錄的阻值R01________R02(選填“大于”“小于”或“等于”)。此時(shí)熱敏電阻阻值RT＝________。(3)改變溫控室的溫度，測量不同溫度時(shí)的熱敏電阻阻值，可以得到熱敏電阻阻值隨溫度的變化規(guī)律。解析：(1)選擇倍率適當(dāng)?shù)臍W姆擋，將兩表筆短接進(jìn)行歐姆調(diào)零；歐姆表指針向右偏轉(zhuǎn)角度越大，則阻值越小，可判斷熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小。(2)①閉合開關(guān)S前，應(yīng)將滑動變阻器R1的阻值調(diào)到最大，即將滑片滑到b端。②因兩次電壓表和電流表的示數(shù)相同，則R01＝R02＋RT，即RT＝R01－R02，可知R01大于R02。答案：(1)短接減小(2)①b

②大于R01－R021.目前有些居民區(qū)內(nèi)樓道燈的控制，使用的是一種延時(shí)開關(guān)。

該延時(shí)開關(guān)的簡化原理如圖所示。圖中D是紅色發(fā)光二極

管(只要有很小的電流通過就能使其發(fā)出紅色亮光)，R為

限流電阻，K為按鈕式開關(guān)，虛線框內(nèi)S表示延時(shí)開關(guān)電

路，當(dāng)按下K接通電路瞬間，延時(shí)開關(guān)觸發(fā)，相當(dāng)于S閉合，這時(shí)釋放K后，延時(shí)開關(guān)S約在1min后斷開，電燈熄滅。根據(jù)上述信息和原理圖，我們可推斷：按鈕開關(guān)K按下前，發(fā)光二極管是________(填“發(fā)光的”或“熄滅的”)，按鈕開關(guān)K按下再釋放后，電燈L發(fā)光持續(xù)時(shí)間約________min。這一過程中發(fā)光二極管是________(填“發(fā)光的”或“熄滅的”)。限流電阻R的阻值和燈絲電阻RL相比，應(yīng)滿足R________RL的條件。解析：開關(guān)K按下前，S為斷開，有電流經(jīng)過發(fā)光二極管，故發(fā)光二極管是發(fā)光的。當(dāng)按下開關(guān)K后，延時(shí)開關(guān)S閉合，二極管和R被短路，二極管不發(fā)光，由于延時(shí)開關(guān)S約1min后斷開，故電燈L能持續(xù)發(fā)光1min，由于R為限流電阻，且二極管只要有很小的電流通過就能發(fā)光，故應(yīng)滿足R?RL。答案：發(fā)光的1熄滅的?(1)當(dāng)壓力增加到一定程度時(shí)，電鈴報(bào)警，說明汽車超載，則圖中電鈴應(yīng)接在________(選填“A、B”或“C、D”)兩端。(2)為使車重G≥3.6×105N時(shí)啟動報(bào)警系統(tǒng)，則電阻箱R′的電阻應(yīng)調(diào)節(jié)到________Ω。(3)通過調(diào)整電阻箱R′的阻值，可以調(diào)整報(bào)警車重，能使該裝置報(bào)警的最小車重為________N。解析：(1)當(dāng)壓力增大到一定程度時(shí)，壓力傳感器輸出電壓達(dá)到一定數(shù)值，線圈中電流大于或等于20mA時(shí)，電磁繼電器的銜鐵被吸合，C、D間的電路就會被接通，因此電鈴應(yīng)接在C、D之間。答案：(1)C、D

(2)120

(3)7.2×1043．電控調(diào)光玻璃能根據(jù)光照強(qiáng)度自動調(diào)節(jié)玻璃的透明度，將光敏電阻Rx和定值電阻R0接在9V的電源上，光敏電阻阻值隨照度變化關(guān)系如表所示：“照度”是表示光的強(qiáng)弱的物理量，單位為勒克斯(lx)(1)當(dāng)強(qiáng)度為4lx時(shí)光敏電阻Rx的阻值大小為____________Ω。照度/lx12345電阻值/Ω1896

3.6(2)其原理是光照增強(qiáng)，光敏電阻Rx阻值變小，施加于玻璃兩端的電壓降低，玻璃透明度下降，反之則玻璃透明度上升。若電源電壓不變(內(nèi)阻忽略不計(jì))，R0是定值電阻，則下列電路圖中符合要求的是________(填序號)。答案：(1)4.5

(2)C4．高二物理課外興趣小組的一同學(xué)在科技創(chuàng)新大賽中根據(jù)所學(xué)物理知識設(shè)計(jì)了一種“闖紅燈違規(guī)證據(jù)模擬記錄器”，如圖(a)所示，它可以通過拍攝照片來記錄機(jī)動車輛闖紅燈時(shí)的情景。它的工作原理是：當(dāng)光控開關(guān)接收到某種顏色光時(shí)，開關(guān)自動閉合，且當(dāng)壓敏電阻受到車的壓力，它的阻值變化(如圖b)引起電流變化達(dá)到一定值時(shí)，繼