2024屆高考物理復(fù)習(xí)講義：實驗十七 利用傳感器制作簡單的自動控制裝置

實驗十七利用傳感器制作簡單的自動控制裝置

學(xué)習(xí)目標(biāo)1.知道什么是傳感器，知道光敏電阻和熱敏電阻等敏感元件的特性和

應(yīng)用。2.學(xué)會傳感器的簡單使用并會制作簡單的自動控制裝置。

夯實必備知識

一、五種敏感元件的作用和特點

敏感元

作用特點

件

熱敏電將溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換一般情況下，熱敏電阻的阻值隨溫度的升高

阻為電阻這個電學(xué)量而減小，隨溫度的降低而增大

金屬熱將溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換一般情況下，金屬熱電阻的阻值隨溫度的升

電阻為電阻這個電學(xué)量高而增大，隨溫度的降低而減小

光敏電將光照強(qiáng)度這個光學(xué)量一般情況下，光敏電阻的阻值隨光照強(qiáng)度的

阻轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量增強(qiáng)而減小，隨光照強(qiáng)度的減弱而增大

對于某個確定的霍爾元件，它的厚度從霍

一將磁感應(yīng)強(qiáng)度這個磁學(xué)爾系數(shù)為定值，如果保持電流/恒定，則

霍爾兀Z

量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)霍爾電壓就與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比

件UH

量

(UH=瑞)

壓敏電將壓力這個力學(xué)量轉(zhuǎn)換

壓敏電阻的阻值隨力的變化而變化

阻為電阻這個電學(xué)量

二、自動控制裝置設(shè)計與制作示例

1.門窗防盜報警裝置的設(shè)計

(1)電路如圖1所示。

圖1

(2)實驗操作

①連接電路前，要先判斷干簧管是否正常工作。月磁體直接靠近干簧管，觀察簧

片的動作。

②連接電路，接通電源后，將磁體靠近和離開干簧管，觀察實驗現(xiàn)象。

2.光控開關(guān)的設(shè)計

⑴電路如圖2所示。

(2)實驗操作

①按照如圖所示連接電路，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Ri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，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)光照強(qiáng)到某種程度時，則發(fā)光二極管LED或小燈泡L熄滅。

(3)注意事項

①安裝前，對實驗器材進(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)實驗中，二極管連入電路的極性不能反接。

③如果實驗現(xiàn)象不明顯，可用手電筒加強(qiáng)光照，或遮蓋光敏電阻，再進(jìn)行觀察。

研透

考點一用溫度傳感器設(shè)計控制電路

例1(2022?河北省新高考測評卷)熱敏電阻有很多的應(yīng)用領(lǐng)域，如家電、開關(guān)電源、

新能源汽車等。某實驗小組的同學(xué)為了研究某保溫式自動電飯鍋中用于監(jiān)測溫度

的熱敏電阻RT的特性設(shè)計了以下實驗。

⑴首先利用多用電表粗略測量與電飯鍋中型號相同的熱敏電阻常溫狀態(tài)下的阻

值，多用電表的旋鈕置于“義100”的擋位時示數(shù)如圖3甲所示，則該熱敏電阻

的阻值為C。

(2)該實驗小組的同學(xué)為了進(jìn)一步探究熱敏電阻的特性，設(shè)計了圖乙所示的電路,

電路中的電壓表均可看成理想電壓表，定值電阻的阻值為2kQo

102030405()6()70〃七

丙

圖3

①開關(guān)閉合前，滑動變阻器的滑動觸頭應(yīng)置于最(填“左”或“右”)

端。

②某次實驗時，電壓表V］、V2的示數(shù)分別為3.0V、4.5V,則熱敏電阻的阻值

應(yīng)為kQo

(3)通過多次實驗，得出熱敏電阻的阻值隨溫度變化的規(guī)律圖像如圖丙所示，當(dāng)

熱敏電阻的阻值為RT=2kQ時，熱敏電阻所處環(huán)境的溫度約為°C。

(4)該種保溫式自動電飯鍋，采用感溫磁控元件(可視為用熱敏電阻控制的電腕鐵

開關(guān)，通過的電流大于某一值時開關(guān)斷開)控制電路閉合與斷開，從而控制加熱

電路，鍋內(nèi)米飯溫度低于60℃后，加熱電路開始工作，則下列電路圖可能是該

電飯鍋中加熱電路的是

()20406080100t/X：

乙

圖4

(1)圖甲中警鈴的接線柱。應(yīng)與接線柱相連，指示燈的接線柱力應(yīng)與接

線柱相連(均選填"”或"夕)。

(2)當(dāng)環(huán)境溫度升高時，繼電器的磁性將(選填“增大”“減小”或“不

變”)，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到℃時，警鈴報警。

(3)如果要使報警電路在更高的溫度報警，下列方案可行的是。

A.適當(dāng)減小UyB.適當(dāng)增大5

C.適當(dāng)減小UiD.適當(dāng)增大S

答案(1)BA(2)增大40(3)A

解析(1)由于8接通時警鈴響，A接通時指示燈亮，因此。接8,。接A。

⑵由于該熱敏電阻隨溫度升高，阻值減小，回路的電流增大，因此繼電器的磁

性增強(qiáng)。

當(dāng)電流等于40mA時，回路的總電阻

U4V

R=7=/八7'=100Q

I40mA

而繼電器電阻Ro為30Q,因此當(dāng)熱敏電阻等于70。時，由題圖乙可知對應(yīng)溫度

為40。(2時，警鈴報警。

(3)溫度更高時，熱敏電阻值更小，而報警電流為40mA不變，因此應(yīng)適當(dāng)降低

Ui值，因此A正確。

考點二用光傳感器設(shè)計控制電路

例2為了節(jié)能環(huán)保，一些公共場所使用光控開關(guān)控制照明系統(tǒng)。光控開關(guān)可采

用光敏電阻來控制，光敏電阻是阻值R隨光的照度I而發(fā)生變化的元件(照度可

以反映光的強(qiáng)弱，光越強(qiáng)，照度越大，照度單位為lx)。

⑴某光敏電阻在不同照度下的阻值R如下表所示，根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，請在圖5

甲的坐標(biāo)系中描繪出阻值隨照度變化的仙線，并判斷光敏電阻的阻值R與照度/

是否成反比關(guān)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照明電源I--

乙

圖5

(2)圖乙為街道路燈自動控制電路，利用直流電源E為電磁鐵供電，利用照明電

源為路燈供電。為達(dá)到天亮燈熄、天暗燈亮的效果，路燈應(yīng)接在(填“AB”

或“CD")之間。

(3)已知線圈的電阻為140Q,直流電源E的電動勢E=36V,內(nèi)阻忽略不計。當(dāng)

線圈中的電流大于10mA時，繼電器的銜鐵將被吸合，滑動變阻器R的阻值應(yīng)

調(diào)為Q時，才能使天色漸暗照度低于1.0lx時點亮路燈。

(4)使用一段時間后發(fā)現(xiàn)，路燈在天色更亮?xí)r就已點亮了，為了使路燈能按設(shè)計

要求點亮和熄滅，變阻器R的阻值應(yīng)適當(dāng)調(diào)_______些(選填“大”或“小”)。

答案(1)圖見解析否(3)1460(4)小

解析(1)如圖所示

若光敏電阻的阻值R與照度/成反比關(guān)系，則有R/為定值，由圖像中的點的數(shù)

據(jù)可得5.8X0.2<3.7X0.4<2.7X0.6<2.3X0.8<2.0X1.0<1.8X1.2

可知光敏電阻的阻值H與照度/不是反比關(guān)系。

⑵由于天亮?xí)r照度較大，光敏電阻的阻值較小，電路中的電流較大，銜鐵被吸

下，間斷開，間接通，故路燈應(yīng)接在48間。

(3)由題意可知，當(dāng)照度降到l.Olx時，電路電流降低到10mA,此時電路中的總

E36

電阻為R患=~y=?m-3。=3600Q

/1UA1U

此時光敏電阻的阻值為R=2000C,則滑動變阻器斤的阻值應(yīng)調(diào)為

R'=R「R—R好=3600。一2000Q-140C=1460C。

(4)使用一段時間后發(fā)現(xiàn)，路燈在天色更亮?xí)r就已點亮了，說明在天色更亮?xí)r電

路電流就降到了10mA,為了使路燈能按設(shè)計要求點亮和熄滅，應(yīng)使天色更亮?xí)r

電路電流大于10mA,應(yīng)使電路的總電阻適當(dāng)減小，故應(yīng)將變阻器的阻值應(yīng)適

當(dāng)調(diào)小些。

跟蹤訓(xùn)練

2.某同學(xué)用光敏電阻和電磁繼電器等器材設(shè)計自動光控照明電路。

R/Q

(1)光強(qiáng)(E)是表示光照強(qiáng)弱程度的物理量，單位為坎德拉(cd)。圖6甲是光敏電阻

阻值隨光強(qiáng)變化的圖線，由此可得到的結(jié)論是：

(2)圖乙為電磁繼電器的構(gòu)造示意圖，其中L為含有鐵芯的線圈，產(chǎn)為可繞。點

轉(zhuǎn)動的銜鐵，K為彈簧，S為一對觸頭，A、B、C、。為四個接線柱。工作時，

應(yīng)將(選填“4、B”或“。、?！?接照明電路。

(3)請在圖7中用筆畫線代替導(dǎo)線，完成實物電路的連接。

(4)已知電源電動勢為3V,內(nèi)阻很小，電磁鐵線圖電阻Ro=20.0Q,電流超過

50mA時可吸合銜鐵。如果要求光強(qiáng)達(dá)到2cd時，照明電路恰好接通，則圖7

中定值電阻R=Q。

電源開關(guān)

圖7

答案(1)隨著光強(qiáng)的增加，光敏電阻的阻值迅速下降，進(jìn)一步增大光強(qiáng)，電阻

值變化減小，然后逐漸趨向平緩(2)C、D(3)見解析圖(4)22

解析(2)由電磁繼電器的工作原理可知，電磁鐵連接的是控制電路，銜鐵連通

的是工作電路，故工作時，應(yīng)將“C、接照明電路。

(3)光敏電阻、定值電阻、電源、開關(guān)與L組成控制電路，C、。與燈泡組成工作

電路，電路圖如圖所示。

o

=零線f

L

i

i火線1

5

A

光敏電阻定值電阻

-----------電源開關(guān)

（4）由題圖甲所示圖線可知，2cd對應(yīng)的光敏電阻阻值R光效=18。

E

由閉合電路的歐姆定律可知/=P

代入數(shù)據(jù)解得R=22C。

提升

1.某同學(xué)用熱敏電阻制作高溫報警器。實瞼器材如下，熱敏電阻R、電磁繼電器、

蜂鳴器、小燈泡（額定電壓2.5V）、保護(hù)電阻r（阻值5。）、變阻箱R（（）?9999.9Q）、

電池組兩組（內(nèi)阻不計）、多用電表（有溫度擋）、鐵架臺、燒杯、開關(guān)及導(dǎo)線若干。

圖1

⑴如圖1所示是該熱敏電阻的R-/曲線，由圖像可以得到熱敏電阻的阻值隨溫

度的升高而（選填“減小”“不變”或“增大”）o

⑵如圖2是某同學(xué)設(shè)計的高溫報警器電路圖，左邊部分是控制電路，右邊部分

是報警裝置，實驗發(fā)現(xiàn)控制電路不工作，合上開關(guān)S,用多用電表排查電路故障,

則應(yīng)將如圖3所示的選擇開關(guān)旋至_______（選域4"”“仁或7T）,若只有繼電

器線圈斷路，則應(yīng)發(fā)現(xiàn)表筆接入繼電器線圈兩端時多用電表的指針（選

填“偏轉(zhuǎn)”或“不偏轉(zhuǎn)”），接入熱敏電阻兩端時多用電表的指針（選填

“偏轉(zhuǎn)”或“不偏轉(zhuǎn)”）。

=

NTC

熱敏電阻?~蜂

氏小燈泡陽鳴

Rx器

變阻箱保電阻

圖2

圖3

(3)根據(jù)電磁繼電器的技術(shù)數(shù)據(jù)，當(dāng)熱敏電阻R達(dá)到設(shè)定溫度M，電磁繼電器應(yīng)

自動吸合，報警裝置報警。已知控制電路電池組電動勢為6V,實測電磁繼電器

正常吸合時的電流為37.6mA?40.2mA,繼電器內(nèi)阻為61.0C,如果設(shè)置報警

溫度為55°C,至少應(yīng)將變阻箱的電阻R調(diào)節(jié)到Qo想要讓熱敏電阻在

高溫報警中更加“敏感”(即溫度不是太高就報警)，需要(選填“增

大”“減小”或“不變”)變阻箱的電阻。

答案⑴減小(2)C偏轉(zhuǎn)小偏轉(zhuǎn)(3)56.3減小

解析(1)由題圖可以得到熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小。

(2)合上開關(guān)S,應(yīng)用多用電表的直流電壓擋去排查電路故障，故應(yīng)將選擇開關(guān)旋

至Co

若只有繼電器線圈斷路，則應(yīng)發(fā)現(xiàn)表筆接入繼電器線圈兩端時，多用電表電壓接

近電源電動勢，多用電表的指針偏轉(zhuǎn)；若只有繼電器線圈斷路，表筆接入熱敏電

阻兩端時，由于繼電器線圈斷路，回路中沒有電流，熱敏電阻兩端電壓為零，多

用電表的指針不偏轉(zhuǎn)。

(3)如果設(shè)置報警溫度為55℃,由圖像可知該溫度對應(yīng)的熱敏電阻阻值為

R=32Q

E

根據(jù)閉合電路歐姆定律可得/=

R+&

可得至少應(yīng)將變阻箱的電阻A調(diào)節(jié)到

E（6、

R=Q_RLR/=140.2X10一3—32—61J。弋56.3Q

想要讓熱敏電阻在高溫報警中更加“敏感”（即溫度不是太高就報警），說明報警

時熱敏電阻的限值比原來大，故為了使電流達(dá)到電磁繼電器正常吸合時的電流，

需要減小變阻箱的電但。

2.（2023?北京市第八十中學(xué)月考）利用光敏電阻作為傳感器，借助電磁開關(guān)，可以

實現(xiàn)路燈自動在白大關(guān)閉，黑夜打開。某同學(xué)利用如卜器材制作了一個簡易的路

燈自動控制裝置。

A.勵磁線圈電源E^B.路燈電源歷

C.路燈燈泡LD.定值電阻Ro

E.光敏電阻凡F.電磁開關(guān)

G導(dǎo)線、開關(guān)等

3nn4

v]]卜彈簧片

產(chǎn)!」觸點

2o-

目…鐵片

loj--電磁鐵

,絕緣

支架

甲乙

丙