人教版(新教材)高中物理選擇性必修第二冊PAGEPAGE1第3節利用傳感器制作簡單的自動控制裝置實驗目的1.通過練習組裝電子電路，獲得對自動控制電路設計的感性認識。2.了解兩個傳感器的工作原理，利用傳感器實現簡單自動控制。實驗一門窗防盜報警裝置一、實驗器材和裝置干簧管SA、繼電器、發光二極管LED、電阻R、蜂鳴器H、電源(干電池6V)、小磁體、開關二、電路工作原理閉合電路開關S，系統處于防盜狀態。當門窗緊閉時，磁體M靠近干簧管SA，干簧管兩個簧片被磁化相吸而接通繼電器線圈K，使繼電器工作。繼電器的動觸點c與常開觸點a接觸，發光二極管LED發光，顯示電路處于正常工作狀態。當門窗開啟時，磁體離開干簧管，干簧管失磁斷開，繼電器被斷電。繼電器的動觸點c與常閉觸點b接觸，蜂鳴器H發聲報警。干簧管在電路中起傳感器和控制開關的作用，繼電器則相當于一個自動的雙向開關。三、實驗操作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，按照上圖所示連接電路。3.接通電源后，將磁體靠近和離開干簧管，分別觀察實驗現象。實驗二光控開關一、實驗器材和裝置可調電阻R1、限流電阻R2、光敏電阻RG。三極管VT、發光二極管LED、繼電器、小燈泡L、二極管D、電源。二、電路工作原理1.三極管及其工作原理晶體三極管是半導體基本元件之一，具有電流放大作用，在控制電路中常用作電子開關。本實驗采用三極管配合光敏電阻完成光控開關的任務。三極管由三個電極組成，分別是發射極e，基極b和集電極c，有NPN型和PNP型兩種(如圖甲所示)。三極管的一個重要特性是，從基極輸入一個較小的電流，就會在集電極獲得較大的電流。此外，三極管還具有完成斷路和接通的開關作用。甲2.光控開關電路乙當環境光比較強時，光敏電阻RG的阻值很小，三極管不導通，發光二極管或繼電器所在的回路相當于斷路，即發光二極管不工作；繼電器處于常開狀態，小燈泡L不亮。當環境光比較弱時，光敏電阻RG的阻值變大，三極管導通，且獲得足夠的基極電流，產生較大的集電極電流，點亮發光二極管或驅動繼電器吸合而點亮小燈泡L。三、實驗操作1.按照圖乙所示連接電路，檢查無誤后，接通電源。2.讓光敏電阻RG受到白天較強的自然光照射，調節電阻R1使發光二極管LED或小燈泡L剛好不發光。3.遮擋RG，當光照減弱到某種程度時，就會看到發光二極管LED或小燈泡L發光。4.讓光照加強，當光照強到某種程度時，則發光二極管LED或小燈泡L熄滅。如果實驗現象不明顯，可用手電筒加強光照，或遮蓋光敏電阻，再進行觀察。核心要點光控開關電路分析與設計〖試題案例〗〖例1〗光敏電阻在各種自動化裝置中有很多應用，其中就可用于街道路燈的自動控制開關，如圖所示為模擬電路，其中A為光敏電阻，B為電磁繼電器，C為照明電路，D為路燈，請連成正確的電路，達到日出燈熄、日落燈亮的效果。〖解析〗電路連接如圖所示。當天亮時，光線照射光敏電阻A，其阻值迅速減小，控制回路電流增大，電磁繼電器B工作，吸下銜鐵使觸點斷開，路燈熄滅。當夜晚降臨，光線變暗，光敏電阻A的阻值增大，控制回路電流減小，彈簧將銜鐵拉起，觸點接通，路燈點亮。〖答案〗見〖解析〗圖〖針對訓練1〗如圖所示，某小型電磁繼電器，其中L為含鐵芯的線圈。P為可繞O點轉動的鐵片，K為彈簧，S為一對觸頭，A、B、C、D為四個接線柱。電磁繼電器與傳感器配合，可完成自動控制的要求，其工作方式是()A.A與B接信號電壓，C與D跟被控電路串聯B.A與B接信號電壓，C與D跟被控電路并聯C.C與D接信號電壓，A與B跟被控電路串聯D.C與D接信號電壓，A與B跟被控電路并聯〖解析〗A、B接電磁繼電器的線圈，所以A、B應接信號電壓，線圈電流隨信號電壓變化使電磁繼電器相吸或釋放，從而使C、D接通或斷開，進而起到控制作用，故選項A正確。〖答案〗A核心要點傳感器在自動控制電路中的應用〖試題案例〗〖例2〗如圖所示是電飯煲的電路圖，S1是一個溫控開關，手動閉合后，當此開關溫度達到居里點(103℃)時，會自動斷開。S2是一個自動溫控開關，當溫度低于70℃時會自動閉合；溫度高于80℃時，會自動斷開。紅燈是加熱時的指示燈，黃燈是保溫時的指示燈。分流電阻R1＝R2＝500Ω，加熱電阻絲R3＝50Ω，兩燈電阻不計。(1)分析電飯煲的工作原理；(2)計算加熱和保溫兩種狀態下，電飯煲消耗的電功率之比；(3)簡要回答，如果不閉合開關S1，能將飯煮熟嗎？〖解析〗(1)電飯煲盛上食物后，接上電源，S2自動閉合，同時手動閉合S1，這時黃燈被短路，紅燈亮，電飯煲處于加熱狀態，加熱到80℃，S2自動斷開，S1仍閉合；繼續加熱，當鍋內水分被吸收，食物溫度升高到103℃時，S1自動斷開，這時飯已煮熟，黃燈亮，電飯煲處于保溫狀態；由于散熱，待溫度降至70℃時，S2自動閉合，電飯煲重新加熱，溫度達到80℃時，S2又自動斷開，再次處于保溫狀態。(2)加熱時電飯煲消耗的電功率為P加＝eq\f(U2,R并)，保溫時電飯煲消耗的電功率為P保＝eq\f(U2,R1＋R并)，R并＝eq\f(R2R3,R2＋R3)＝eq\f(500×50,500＋50)Ω＝eq\f(500,11)Ω則eq\f(P加,P保)＝eq\f(R1＋R并,R并)＝eq\f(500Ω＋\f(500,11)Ω,\f(500,11)Ω)＝eq\f(12,1)。(3)如果不閉合開關S1，開始S2總是閉合的，R1被短路，功率為P加，當溫度上升到80℃時，S2自動斷開，功率為P保，溫度降低到70℃，S2自動閉合。溫度只能在70℃～80℃之間變化，不能煮熟飯。〖答案〗(1)見〖解析〗(2)12∶1(3)不能〖針對訓練2〗如圖甲所示為某賓館的房卡，只有把房卡插入槽中，房間內的燈和插座才會有電。房卡的作用相當于一個________(填電路元件名稱)接在干路上。如圖乙所示，當房客進門時，只要將帶有磁鐵的卡P插入盒子Q中，這時由于磁鐵吸引簧片，開關B就接通，通過繼電器J使整個房間的電器的總開關接通，房客便能使用室內各種用電器。當繼電器工作時，cd相吸，ab便接通。請你將各接線端1、2、3、4、5、6、7、8、9、10適當地連接起來，構成正常的電門卡電路。〖解析〗(1)房卡可以控制房間內的燈和插座，不插入槽中，所有房間內的燈和插座都不工作，所以房卡相當干路上的電鍵。(2)將開關B與電源E、線圈連成一個回路；將三個燈泡所在電路與交流電源接成回路，即按8—7，4—5，6—9，1—3，2—10連接起來，構成正常的電門卡電路。如圖。〖答案〗(1)電鍵(2)見〖解析〗圖1.(溫度傳感器)如圖所示為一種溫度自動報警器的原理圖，在水銀溫度計的頂端封入一段金屬絲，以下說法正確的是()A.溫度升高至74℃時，L1亮燈報警B.溫度升高至74℃時，L2亮燈報警C.溫度升高至78℃時，L1亮燈報警D.溫度升高至78℃時，L2亮燈報警〖解析〗當溫度低于78℃時，線圈中沒有電流，此時僅燈L1亮；當溫度升高到78℃時，線圈中有電流，磁鐵吸引銜鐵，燈L2被接通，所以燈L2亮報警；溫度升高至74℃時，線圈中沒有電流，只是燈L1亮。〖答案〗D2.(自動水位報警裝置)如圖所示是自動水位報警的示意圖，其中繼電器的線圈通過電流時，磁鐵吸引銜鐵1，使它與觸頭3斷開，與觸頭2接觸。若要求水位正常時綠燈亮，高出一定水位時紅燈亮，現有紅、綠燈泡各一個，紅燈泡應安在________位置，綠燈泡應安在______位置(填“A”或“B”)。〖解析〗水位正常時，線圈中沒有電流，銜鐵1與觸頭3接觸，這時應綠燈亮，所以綠燈泡應安在A位置，當高出一定水位時，線圈中有電流，磁鐵吸引銜鐵1，使它與觸頭3斷開，與觸頭2接觸，這時應紅燈亮，所以紅燈泡應安在B位置。〖答案〗BA3.(磁傳感器)(多選)某同學設計的家庭電路保護裝置如圖所示，鐵芯左側線圈L1由火線和零線并行繞成。當右側線圈L2中產生電流時，電流經放大器放大后，使電磁鐵吸起鐵質開關K，從而切斷家庭電路。僅考慮L1在鐵芯中產生的磁場，下列說法正確的有()A.家庭電路正常工作時，L2中的磁通量為零B.家庭電路中使用的電器增多時，L2中的磁通量不變C.家庭電路發生短路時，開關K將被電磁鐵吸起D.地面上的人接觸火線發生觸電時，開關K將被電磁鐵吸起〖解析〗由于零線、火線中電流方向相反，產生的磁場方向相反，所以家庭電路正常工作時，L2中的磁通量為零，選項A正確；家庭電路短路和用電器增多時均不會引起L2的磁通量的變化，選項B正確，C錯誤；地面上的人接觸火線發生觸電時，線圈L1中磁場變化引起L2中磁通量的變化，產生感應電流，吸起K，切斷家庭電路，選項D正確。〖答案〗ABD4.(光控開關)目前有些居民區內樓道燈的控制，使用的是一種延時開關。該延時開關的簡化原理如圖所示。圖中D是紅色發光二極管(只要有很小的電流通過就能使其發出紅色亮光)，R為限流電阻，K為按鈕式開關，虛線框內S表示延時開關電路，當按下K接通電路瞬間，延時開關觸發，相當于S閉合，這時釋放K后，延時開關S約在1min后斷開，電燈熄滅。根據上述信息和原理圖，我們可推斷：按鈕開關K按下前，發光二極管是________(填“發光的”或“熄滅的”)，按鈕開關K按下再釋放后，電燈L發光持續時間約________min。這一過程中發光二極管是________。限流電阻R的阻值和燈絲電阻RL相比，應滿足R________RL的條件。〖解析〗開關K按下前，S為斷開，有電流經過發光二極管，故發光二極管是發光的。當按下開關K后，延時開關S閉合，二極管和R被短路，二極管不發光，由于延時開關S約1min后斷開，故電燈L能持續發光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光，故應滿足R?RL。〖答案〗發光的1熄滅的?5.(熱敏傳感器)利用負溫度系數熱敏電阻制作的熱敏傳感器，一般體積很小，可以用來測量很小范圍內的溫度變化，反應快，而且精確度高。(1)如果將負溫度系數熱敏電阻與電源、電流表和其他元件串聯成一個電路，其他因素不變，只要熱敏電阻所處區域的溫度降低，電路中電流將變________(選填“大”或“小”)。(2)上述電路中，我們將電流表中的電流刻度換成相應的溫度刻度，就能直接顯示出熱敏電阻附近的溫度。如果刻度盤正中的溫度為20℃(如圖甲所示)，則25℃的刻度應在20℃的刻度的________(選填“左”或“右”)側。(3)為了將熱敏電阻放置在某蔬菜大棚內檢測大棚內溫度變化，請用圖乙中的器材(可增加元器件)設計一個電路。〖解析〗(1)因為負溫度系數熱敏電阻溫度升高時電阻減小，溫度降低時，電阻增大。故電路中電流會減小。(2)由(1)的分析知，溫度越高，電流越大，25℃的刻度應對應較大電流，故在20℃對應電流刻度的右側。(3)如圖所示。〖答案〗(1)小(2)右(3)見〖解析〗圖第3節利用傳感器制作簡單的自動控制裝置實驗目的1.通過練習組裝電子電路，獲得對自動控制電路設計的感性認識。2.了解兩個傳感器的工作原理，利用傳感器實現簡單自動控制。實驗一門窗防盜報警裝置一、實驗器材和裝置干簧管SA、繼電器、發光二極管LED、電阻R、蜂鳴器H、電源(干電池6V)、小磁體、開關二、電路工作原理閉合電路開關S，系統處于防盜狀態。當門窗緊閉時，磁體M靠近干簧管SA，干簧管兩個簧片被磁化相吸而接通繼電器線圈K，使繼電器工作。繼電器的動觸點c與常開觸點a接觸，發光二極管LED發光，顯示電路處于正常工作狀態。當門窗開啟時，磁體離開干簧管，干簧管失磁斷開，繼電器被斷電。繼電器的動觸點c與常閉觸點b接觸，蜂鳴器H發聲報警。干簧管在電路中起傳感器和控制開關的作用，繼電器則相當于一個自動的雙向開關。三、實驗操作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，按照上圖所示連接電路。3.接通電源后，將磁體靠近和離開干簧管，分別觀察實驗現象。實驗二光控開關一、實驗器材和裝置可調電阻R1、限流電阻R2、光敏電阻RG。三極管VT、發光二極管LED、繼電器、小燈泡L、二極管D、電源。二、電路工作原理1.三極管及其工作原理晶體三極管是半導體基本元件之一，具有電流放大作用，在控制電路中常用作電子開關。本實驗采用三極管配合光敏電阻完成光控開關的任務。三極管由三個電極組成，分別是發射極e，基極b和集電極c，有NPN型和PNP型兩種(如圖甲所示)。三極管的一個重要特性是，從基極輸入一個較小的電流，就會在集電極獲得較大的電流。此外，三極管還具有完成斷路和接通的開關作用。甲2.光控開關電路乙當環境光比較強時，光敏電阻RG的阻值很小，三極管不導通，發光二極管或繼電器所在的回路相當于斷路，即發光二極管不工作；繼電器處于常開狀態，小燈泡L不亮。當環境光比較弱時，光敏電阻RG的阻值變大，三極管導通，且獲得足夠的基極電流，產生較大的集電極電流，點亮發光二極管或驅動繼電器吸合而點亮小燈泡L。三、實驗操作1.按照圖乙所示連接電路，檢查無誤后，接通電源。2.讓光敏電阻RG受到白天較強的自然光照射，調節電阻R1使發光二極管LED或小燈泡L剛好不發光。3.遮擋RG，當光照減弱到某種程度時，就會看到發光二極管LED或小燈泡L發光。4.讓光照加強，當光照強到某種程度時，則發光二極管LED或小燈泡L熄滅。如果實驗現象不明顯，可用手電筒加強光照，或遮蓋光敏電阻，再進行觀察。核心要點光控開關電路分析與設計〖試題案例〗〖例1〗光敏電阻在各種自動化裝置中有很多應用，其中就可用于街道路燈的自動控制開關，如圖所示為模擬電路，其中A為光敏電阻，B為電磁繼電器，C為照明電路，D為路燈，請連成正確的電路，達到日出燈熄、日落燈亮的效果。〖解析〗電路連接如圖所示。當天亮時，光線照射光敏電阻A，其阻值迅速減小，控制回路電流增大，電磁繼電器B工作，吸下銜鐵使觸點斷開，路燈熄滅。當夜晚降臨，光線變暗，光敏電阻A的阻值增大，控制回路電流減小，彈簧將銜鐵拉起，觸點接通，路燈點亮。〖答案〗見〖解析〗圖〖針對訓練1〗如圖所示，某小型電磁繼電器，其中L為含鐵芯的線圈。P為可繞O點轉動的鐵片，K為彈簧，S為一對觸頭，A、B、C、D為四個接線柱。電磁繼電器與傳感器配合，可完成自動控制的要求，其工作方式是()A.A與B接信號電壓，C與D跟被控電路串聯B.A與B接信號電壓，C與D跟被控電路并聯C.C與D接信號電壓，A與B跟被控電路串聯D.C與D接信號電壓，A與B跟被控電路并聯〖解析〗A、B接電磁繼電器的線圈，所以A、B應接信號電壓，線圈電流隨信號電壓變化使電磁繼電器相吸或釋放，從而使C、D接通或斷開，進而起到控制作用，故選項A正確。〖答案〗A核心要點傳感器在自動控制電路中的應用〖試題案例〗〖例2〗如圖所示是電飯煲的電路圖，S1是一個溫控開關，手動閉合后，當此開關溫度達到居里點(103℃)時，會自動斷開。S2是一個自動溫控開關，當溫度低于70℃時會自動閉合；溫度高于80℃時，會自動斷開。紅燈是加熱時的指示燈，黃燈是保溫時的指示燈。分流電阻R1＝R2＝500Ω，加熱電阻絲R3＝50Ω，兩燈電阻不計。(1)分析電飯煲的工作原理；(2)計算加熱和保溫兩種狀態下，電飯煲消耗的電功率之比；(3)簡要回答，如果不閉合開關S1，能將飯煮熟嗎？〖解析〗(1)電飯煲盛上食物后，接上電源，S2自動閉合，同時手動閉合S1，這時黃燈被短路，紅燈亮，電飯煲處于加熱狀態，加熱到80℃，S2自動斷開，S1仍閉合；繼續加熱，當鍋內水分被吸收，食物溫度升高到103℃時，S1自動斷開，這時飯已煮熟，黃燈亮，電飯煲處于保溫狀態；由于散熱，待溫度降至70℃時，S2自動閉合，電飯煲重新加熱，溫度達到80℃時，S2又自動斷開，再次處于保溫狀態。(2)加熱時電飯煲消耗的電功率為P加＝eq\f(U2,R并)，保溫時電飯煲消耗的電功率為P保＝eq\f(U2,R1＋R并)，R并＝eq\f(R2R3,R2＋R3)＝eq\f(500×50,500＋50)Ω＝eq\f(500,11)Ω則eq\f(P加,P保)＝eq\f(R1＋R并,R并)＝eq\f(500Ω＋\f(500,11)Ω,\f(500,11)Ω)＝eq\f(12,1)。(3)如果不閉合開關S1，開始S2總是閉合的，R1被短路，功率為P加，當溫度上升到80℃時，S2自動斷開，功率為P保，溫度降低到70℃，S2自動閉合。溫度只能在70℃～80℃之間變化，不能煮熟飯。〖答案〗(1)見〖解析〗(2)12∶1(3)不能〖針對訓練2〗如圖甲所示為某賓館的房卡，只有把房卡插入槽中，房間內的燈和插座才會有電。房卡的作用相當于一個________(填電路元件名稱)接在干路上。如圖乙所示，當房客進門時，只要將帶有磁鐵的卡P插入盒子Q中，這時由于磁鐵吸引簧片，開關B就接通，通過繼電器J使整個房間的電器的總開關接通，房客便能使用室內各種用電器。當繼電器工作時，cd相吸，ab便接通。請你將各接線端1、2、3、4、5、6、7、8、9、10適當地連接起來，構成正常的電門卡電路。〖解析〗(1)房卡可以控制房間內的燈和插座，不插入槽中，所有房間內的燈和插座都不工作，所以房卡相當干路上的電鍵。(2)將開關B與電源E、線圈連成一個回路；將三個燈泡所在電路與交流電源接成回路，即按8—7，4—5，6—9，1—3，2—10連接起來，構成正常的電門卡電路。如圖。〖答案〗(1)電鍵(2)見〖解析〗圖1.(溫度傳感器)如圖所示為一種溫度自動報警器的原理圖，在水銀溫度計的頂端封入一段金屬絲，以下說法正確的是()A.溫度升高至74℃時，L1亮燈報警B.溫度升高至74℃時，L2亮燈報警C.溫度升高至78℃時，L1亮燈報警D.溫度升高至78℃時，L2亮燈報警〖解析〗當溫度低于78℃時，線圈中沒有電流，此時僅燈L1亮；當溫度升高到78℃時，線圈中有電流，磁鐵吸引銜鐵，燈L2被接通，所以燈L2亮報警；溫度升高至74℃時，線圈中沒有電流，只是燈L1亮。〖答案〗D2.(自動水位報警裝置)如圖所示是自動水位報警的示意圖，其中繼電器的線圈通過電流時，磁鐵吸引銜鐵1，使它與觸頭3斷開，與觸頭2接觸。若要求水位正常時綠燈亮，高出一定水位時紅燈亮，現有紅、綠燈泡各一個，紅燈泡應安在________位置，綠燈泡應安在______位置(填“A”或“B”)。〖解析〗水位正常時，線圈中沒有電流，銜鐵1與觸頭3接觸，這時應綠燈亮，所以綠燈泡應安在A位置，當高出一定水位時，線圈中有電流，磁鐵吸引銜鐵1，使它與觸頭3斷開，與觸頭2接觸，這時應紅燈亮，所以紅燈泡應安在B位置。〖答案〗BA3.(磁傳感器)(多選)某同學設計的家庭電路保護裝置如圖所示，鐵芯左側線圈L1由火線和零線并行繞成。當右側線圈L2中產生電流時，電流經放大器放大后，使電磁鐵吸起鐵質開關K，從而切斷家庭電路。僅考慮L1在鐵芯中產生的磁場，下列說法正確的有()A.家庭電路正常工作時，L2中的磁通量為零B.家庭電路中使用的電器增多時，L2中的磁通量不變C.家庭電路發生短路時，開關K將被電磁鐵吸起D.地面上的人接觸火線發生觸電時，開關K將被電磁鐵吸起〖解析〗由于零線、火線中電流方向相反，產生的磁場方向相反，所以家庭電路正常工作時，L2中的磁通量為零，選項A正確；家庭電路短路和用電器增多時均不會引起L2的磁通量的變化，選項B正確，C錯誤；地面上的人接觸火線發生觸電時，線圈L1中磁場變化引起L2中磁通量的變化，產生感應電流，吸起K，切斷家庭電路，選項D正確。〖答案〗A