人教版(新教材)高中物理選擇性必修第二冊PAGEPAGE15.3利用傳感器制作簡單的自動控制裝置〖實驗目標〗1.了解門窗防盜報警裝置，會組裝門窗防盜報警裝置。2.了解光控開關電路及控制原理，會組裝光控開關。〖自主預習探新知〗一、門窗防盜報警裝置1．電路如圖所示。2．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接通，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接通，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。3．實驗器材干簧管、繼電器、發光二極管LED、蜂鳴器H、電源、導線若干、開關、電阻。4.實驗步驟(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。二、光控開關1．電路如圖所示。2．工作原理：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。3．實驗器材發光二極管、三極管、可變電阻R1、電阻R2、光敏電阻、集成電路實驗板、直流電源、導線若干、黑紙。4．實驗步驟(1)按照圖所示連接電路，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。5．注意事項(1)安裝前，對實驗器材進行測試，確保各元件性能良好后，再進行安裝。(2)光控開關實驗中，二極管連入電路的極性不能反接。(3)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。〖合作探究攻重難〗〖例1〗為了節能和環保，一些公共場所使用光控開關控制照明系統。光控開關可采用光敏電阻來控制，光敏電阻是阻值隨著光的照度而發生變化的元件(照度可以反映光的強弱，光越強照度越大，照度單位為lx)。某光敏電阻Rp在不同照度下的阻值如下表：照度(lx)0.20.40.60.81.01.2電阻(kΩ)754028232018①根據表中數據，請在給定的坐標系(見答題卡)中描繪出阻值隨照度變化的曲線，并說明阻值隨照度變化的特點。②如圖所示，當1、2兩端所加電壓上升至2V時，控制開關自動啟動照明系統，請利用下列器材設計一個簡單電路。給1、2兩端提供電壓，要求當天色漸暗照度降低至1.0(lx)時啟動照明系統，在虛線框內完成電路原理圖。(不考慮控制開關對所設計電路的影響)提供的器材如下：光敏電源E(電動勢3V，內阻不計)；定值電阻：R1＝10kΩ，R2＝20kΩ，R3＝40kΩ(限選其中之一并在圖中標出)開關S及導線若干。〖例2〗現要組裝一個由熱敏電阻控制的報警系統，要求當熱敏電阻的溫度達到或超過120℃熱敏電阻(該熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，在120℃時阻值為700.0Ω)；報警器(內阻很小，流過的電流超過Ic時就會報警，Ic約為10mA；流過報警器的電流超過20mA時，報警器可能損壞)電阻箱(最大阻值為999.9Ω)；直流電源(輸出電壓為U約為18V，內阻不計)；滑動變阻器R1(最大阻值為1000Ω)；滑動變阻器R2(最大阻值為2000Ω)；單刀雙擲開關一個，導線若干。在室溫下對系統進行調節，調節的報警系統原理電路圖如圖所示。(1)電路中應選用滑動變阻器(選填“R1”或“R2”(2)按照下列步驟調節此報警系統：①電路接通前，需將電阻箱調到一固定的阻值，根據實驗要求，這一阻值為Ω；滑動變阻器的滑片應置于(選填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是。②將開關向(選填“c”或“d”)端閉合，緩慢移動滑動變阻器的滑片，直至。(3)滑動變阻器滑片的位置(選填“不變”“向左滑動”或“向右滑動”)，將開關向另一端閉合，報警系統即可正常使用。(4)若要將此系統改為光敏電阻控制的報警系統，要求當光敏電阻的光照達到或超過某一特定值時，系統報警，且光敏電阻在這一特定值時的電阻為650Ω，則需將上述電路中的換成光敏電阻，并將電阻箱的阻值調到Ω，然后重復上述操作即可。〖隨堂達標測試〗1．如圖所示，圖甲為熱敏電阻的R-t圖像，圖乙為用此熱敏電阻R和繼電器組成的一個簡單恒溫箱溫控電路，繼電器的電阻為100Ω。當線圈的電流大于或等于20mA時，繼電器的銜鐵被吸合。為繼電器線圈供電的電池的電動勢E＝9.0V，內阻可以不計。圖中的“電源”是恒溫箱加熱器的電源。則：甲乙(1)應該把恒溫箱內的加熱器接在(選填“A、B端”或“C、D端”)。(2)如果要使恒溫箱內的溫度保持在50℃，可變電阻R′的阻值應調節為Ω2．某同學嘗試把一個靈敏電流表改裝成溫度表，他所選用的器材有：靈敏電流表(待改裝)，學生電源(電動勢為E，內阻不計)，滑動變阻器，單刀雙擲開關，導線若干，導熱性能良好的防水材料，標準溫度計，PTC熱敏電阻R1(PTC線性熱敏電阻的阻值與攝氏溫度t的關系為Rt＝a＋kt，a＞0，k＞0)。設計電路圖如圖所示，并按如下步驟進行操作。(1)按電路圖連接好實驗器材。(2)將滑動變阻器滑片P滑到(選填“a”或“b”)端，單刀雙擲開關S擲于(選填“c”或“d”)端，調節滑片P使電流表滿偏，并在以后的操作中保持滑片P位置不動，設此時電路總電阻為R，斷開電路。(3)容器中倒入適量開水，觀察標準溫度計，每當標準溫度計示數下降5℃，就將開關S置于d端，并記錄此時的溫度t和對應的電流表的示數I，然后斷開開關。請根據溫度表的設計原理和電路圖，寫出電流與溫度的關系式I＝(用題目中給定的符號)(4)根據對應溫度記錄的電流表示數，重新刻制電流表的表盤，改裝成溫度表。根據改裝原理，此溫度表表盤刻度線的特點是：低溫刻度在(選填“左”或“右”)側，刻度線分布是否均勻？(選填“是”或“否”)。3．(1)熱敏電阻常用于溫度控制或過熱保護裝置中。圖為某種熱敏電阻和金屬熱電阻的阻值R隨溫度t變化的示意圖。由圖可知，這種熱敏電阻在溫度上升時導電能(選填“增強”或“減弱”)；相對金屬熱電阻而言，熱敏電阻對溫度變化的響應更(選填“敏感”或“不敏感”)。(2)利用傳感器可以探測、感受外界的信號、物理條件等。圖甲所示為某同學用傳感器做實驗得到的小燈泡的U-I關系圖線。甲乙丙(a)實驗室提供的器材有：電流傳感器、電壓傳感器、滑動變阻器A(阻值范圍0～10Ω)、滑動變阻器B(阻值范圍0～100Ω)、電動勢為6V的電源(不計內阻)、小燈泡、電鍵、導線若干。該同學做實驗時，滑動變阻器選用的是(選填“A”或“B”)；請在圖乙的方框中畫出該實驗的電路圖。(b)將該小燈泡接入如丙圖所示的電路中，已知電流傳感器的示數為0.3A，電源電動勢為3V。則此時小燈泡的電功率為W，電源的內阻為Ω。▁▃▅▇█參*考*答*案█▇▅▃▁〖合作探究攻重難〗〖例1〗〖〖解析〗〗(1)光敏電阻的阻值隨光照變化的曲線如圖所示。特點：光敏電阻的阻值隨光照強度的增大非線性減小。(2)電路原理圖如圖所示。控制開關自動啟動照明系統，給1、2兩端提供電壓，要求當天色漸暗照度降低至1.0(lx)時啟動照明系統，即此時光敏電阻阻值為20kΩ，兩端電壓為2V，電源電動勢為3V，所以應加上一個分壓電阻，分壓電阻阻值為10kΩ，即選用R1。〖〖答案〗〗見〖解析〗〖例2〗〖〖解析〗〗(1)電壓為18V，而報警時的電流為10mA；此時電阻約為：R＝eq\f(18,10×10－3)Ω＝1800Ω；而熱敏電阻的阻值約為650Ω，故滑動變阻器接入電阻約為1150Ω，故應選擇R2。(2)①因要求熱敏電阻達到120℃時報警，此時電阻為700Ω，故應將電阻箱調節至700Ω，然后由最大調節滑動變阻器，直至報警器報警，故開始時滑片應在b端，目的是避免接通電源后，流過報警器的電流會超過20mA，報警器可能損壞；②將開關接到c(3)滑動變阻器滑片的位置不變，將開關向另一端閉合，報警系統即可正常使用。(4)需將上述電路中的熱敏電阻換成光敏電阻，并將電阻箱的阻值調到650Ω，然后重復上述操作即可。〖〖答案〗〗(1)R2(2)①700.0b接通電源后，流過報警器的電流會超過20mA，報警器可能損壞②c報警器開始報警(3)不變(4)熱敏電阻650〖隨堂達標測試〗1．〖〖解析〗〗(1)當線圈中的電流較小時，繼電器的銜鐵在上方，恒溫箱的加熱器處于工作狀態，恒溫箱內溫度升高，故恒溫箱內的加熱器應該接在A、B端。(2)要使恒溫箱內的溫度保持在50℃，即50℃時線圈內的電流為I＝20mA。由閉合電路歐姆定律得I＝eq\f(E,R＋R′＋r)，式中r為繼電器的電阻，解得R＋R′＋r＝450Ω。由題圖甲可知，50℃時熱敏電阻的阻值為90Ω，所以R′＝450Ω－R－r＝260Ω。〖〖答案〗〗(1)A、B端(2)2602．〖〖解析〗〗(2)根據實驗的原理可知，需要先選取合適的滑動變阻器的電阻值，結合滑動變阻器的使用的注意事項可知，開始時需要將滑動變阻器滑片P滑到a端，以保證電流表的使用安全；然后將單刀雙擲開關S擲于c端，調節滑片P使電流表滿偏，設此時電路總電阻為R，斷開電路。(3)當溫度為t時，熱敏電阻的阻值與攝氏溫度t的關系為：R1＝a＋kt，根據閉合電路的歐姆定律可得，I＝eq\f(E,R＋R1)＝eq\f(E,R＋a＋kt)(4)由上式可知，溫度越高，電流表中的電流值越小，所以低溫刻度在表盤的右側；由于電流與溫度的關系不是線性函數，所以表盤的刻度是不均勻的。〖〖答案〗〗(2)ac滿偏(或指針到最大電流刻度)(3)eq\f(E,R＋a＋kt)(4)右，否3．〖〖解析〗〗(1)圖中橫軸表示溫度，縱軸表示電阻，隨著溫度的增加，金屬熱電阻的阻值略增大，而熱敏電阻的阻值顯著減小。所以這種熱敏電阻在溫度上升時導電能力增強；相對金屬熱電阻而言，熱敏電阻對溫度變化的影響更敏感。(2)(a)為方便實驗操作，滑動變阻器可以選A；小燈泡電阻較小，電流傳感器應采用外接法，描繪小燈泡伏安特性曲線，電壓與電流應從零開始變化，滑動變阻器應采用分壓接法，電路圖如圖所示；(b)由圖甲可知，通過燈泡的電流是0.3A時，燈泡兩端電壓是2.5V，則燈泡功率P＝UI＝2.5V×0.3A＝0.75W；電源電動勢是3V，過點(0.3A,2.5V)和縱軸上3V的點作一直線，該直線是電源的U-I圖像，如圖所示，根據閉合電路歐姆定律應有E＝U＋Ir，解得r＝1.67Ω。〖〖答案〗〗(1)增強敏感(2)(a)A電路如圖所示(b)0.751.675.3利用傳感器制作簡單的自動控制裝置〖實驗目標〗1.了解門窗防盜報警裝置，會組裝門窗防盜報警裝置。2.了解光控開關電路及控制原理，會組裝光控開關。〖自主預習探新知〗一、門窗防盜報警裝置1．電路如圖所示。2．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接通，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接通，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。3．實驗器材干簧管、繼電器、發光二極管LED、蜂鳴器H、電源、導線若干、開關、電阻。4.實驗步驟(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。二、光控開關1．電路如圖所示。2．工作原理：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。3．實驗器材發光二極管、三極管、可變電阻R1、電阻R2、光敏電阻、集成電路實驗板、直流電源、導線若干、黑紙。4．實驗步驟(1)按照圖所示連接電路，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。5．注意事項(1)安裝前，對實驗器材進行測試，確保各元件性能良好后，再進行安裝。(2)光控開關實驗中，二極管連入電路的極性不能反接。(3)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。〖合作探究攻重難〗〖例1〗為了節能和環保，一些公共場所使用光控開關控制照明系統。光控開關可采用光敏電阻來控制，光敏電阻是阻值隨著光的照度而發生變化的元件(照度可以反映光的強弱，光越強照度越大，照度單位為lx)。某光敏電阻Rp在不同照度下的阻值如下表：照度(lx)0.20.40.60.81.01.2電阻(kΩ)754028232018①根據表中數據，請在給定的坐標系(見答題卡)中描繪出阻值隨照度變化的曲線，并說明阻值隨照度變化的特點。②如圖所示，當1、2兩端所加電壓上升至2V時，控制開關自動啟動照明系統，請利用下列器材設計一個簡單電路。給1、2兩端提供電壓，要求當天色漸暗照度降低至1.0(lx)時啟動照明系統，在虛線框內完成電路原理圖。(不考慮控制開關對所設計電路的影響)提供的器材如下：光敏電源E(電動勢3V，內阻不計)；定值電阻：R1＝10kΩ，R2＝20kΩ，R3＝40kΩ(限選其中之一并在圖中標出)開關S及導線若干。〖例2〗現要組裝一個由熱敏電阻控制的報警系統，要求當熱敏電阻的溫度達到或超過120℃熱敏電阻(該熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，在120℃時阻值為700.0Ω)；報警器(內阻很小，流過的電流超過Ic時就會報警，Ic約為10mA；流過報警器的電流超過20mA時，報警器可能損壞)電阻箱(最大阻值為999.9Ω)；直流電源(輸出電壓為U約為18V，內阻不計)；滑動變阻器R1(最大阻值為1000Ω)；滑動變阻器R2(最大阻值為2000Ω)；單刀雙擲開關一個，導線若干。在室溫下對系統進行調節，調節的報警系統原理電路圖如圖所示。(1)電路中應選用滑動變阻器(選填“R1”或“R2”(2)按照下列步驟調節此報警系統：①電路接通前，需將電阻箱調到一固定的阻值，根據實驗要求，這一阻值為Ω；滑動變阻器的滑片應置于(選填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是。②將開關向(選填“c”或“d”)端閉合，緩慢移動滑動變阻器的滑片，直至。(3)滑動變阻器滑片的位置(選填“不變”“向左滑動”或“向右滑動”)，將開關向另一端閉合，報警系統即可正常使用。(4)若要將此系統改為光敏電阻控制的報警系統，要求當光敏電阻的光照達到或超過某一特定值時，系統報警，且光敏電阻在這一特定值時的電阻為650Ω，則需將上述電路中的換成光敏電阻，并將電阻箱的阻值調到Ω，然后重復上述操作即可。〖隨堂達標測試〗1．如圖所示，圖甲為熱敏電阻的R-t圖像，圖乙為用此熱敏電阻R和繼電器組成的一個簡單恒溫箱溫控電路，繼電器的電阻為100Ω。當線圈的電流大于或等于20mA時，繼電器的銜鐵被吸合。為繼電器線圈供電的電池的電動勢E＝9.0V，內阻可以不計。圖中的“電源”是恒溫箱加熱器的電源。則：甲乙(1)應該把恒溫箱內的加熱器接在(選填“A、B端”或“C、D端”)。(2)如果要使恒溫箱內的溫度保持在50℃，可變電阻R′的阻值應調節為Ω2．某同學嘗試把一個靈敏電流表改裝成溫度表，他所選用的器材有：靈敏電流表(待改裝)，學生電源(電動勢為E，內阻不計)，滑動變阻器，單刀雙擲開關，導線若干，導熱性能良好的防水材料，標準溫度計，PTC熱敏電阻R1(PTC線性熱敏電阻的阻值與攝氏溫度t的關系為Rt＝a＋kt，a＞0，k＞0)。設計電路圖如圖所示，并按如下步驟進行操作。(1)按電路圖連接好實驗器材。(2)將滑動變阻器滑片P滑到(選填“a”或“b”)端，單刀雙擲開關S擲于(選填“c”或“d”)端，調節滑片P使電流表滿偏，并在以后的操作中保持滑片P位置不動，設此時電路總電阻為R，斷開電路。(3)容器中倒入適量開水，觀察標準溫度計，每當標準溫度計示數下降5℃，就將開關S置于d端，并記錄此時的溫度t和對應的電流表的示數I，然后斷開開關。請根據溫度表的設計原理和電路圖，寫出電流與溫度的關系式I＝(用題目中給定的符號)(4)根據對應溫度記錄的電流表示數，重新刻制電流表的表盤，改裝成溫度表。根據改裝原理，此溫度表表盤刻度線的特點是：低溫刻度在(選填“左”或“右”)側，刻度線分布是否均勻？(選填“是”或“否”)。3．(1)熱敏電阻常用于溫度控制或過熱保護裝置中。圖為某種熱敏電阻和金屬熱電阻的阻值R隨溫度t變化的示意圖。由圖可知，這種熱敏電阻在溫度上升時導電能(選填“增強”或“減弱”)；相對金屬熱電阻而言，熱敏電阻對溫度變化的響應更(選填“敏感”或“不敏感”)。(2)利用傳感器可以探測、感受外界的信號、物理條件等。圖甲所示為某同學用傳感器做實驗得到的小燈泡的U-I關系圖線。甲乙丙(a)實驗室提供的器材有：電流傳感器、電壓傳感器、滑動變阻器A(阻值范圍0～10Ω)、滑動變阻器B(阻值范圍0～100Ω)、電動勢為6V的電源(不計內阻)、小燈泡、電鍵、導線若干。該同學做實驗時，滑動變阻器選用的是(選填“A”或“B”)；請在圖乙的方框中畫出該實驗的電路圖。(b)將該小燈泡接入如丙圖所示的電路中，已知電流傳感器的示數為0.3A，電源電動勢為3V。則此時小燈泡的電功率為W，電源的內阻為Ω。▁▃▅▇█參*考*答*案█▇▅▃▁〖合作探究攻重難〗〖例1〗〖〖解析〗〗(1)光敏電阻的阻值隨光照變化的曲線如圖所示。特點：光敏電阻的阻值隨光照強度的增大非線性減小。(2)電路原理圖如圖所示。控制開關自動啟動照明系統，給1、2兩端提供電壓，要求當天色漸暗照度降低至1.0(lx)時啟動照明系統，即此時光敏電阻阻值為20kΩ，兩端電壓為2V，電源電動勢為3V，所以應加上一個分壓電阻，分壓電阻阻值為10kΩ，即選用R1。〖〖答案〗〗見〖解析〗〖例2〗〖〖解析〗〗(1)電壓為18V，而報警時的電流為10mA；此時電阻約為：R＝eq\f(18,10×10－3)Ω＝1800Ω；而熱敏電阻的阻值約為650Ω，故滑動變阻器接入電阻約為1150Ω，故應選擇R2。(2)①因要求熱敏電阻達到120℃時報警，此時電阻為700Ω，故應將電阻箱調節至700Ω，然后由最大調節滑動變阻器，直至報警器報警，故開始時滑片應在b端，目的是避免接通電源后，流過報警器的電流會超過20mA，報警器可能損壞；②將開關接到c(3)滑動變阻器滑片的位置不變，將開關向另一端閉合，報警系統即可正常使用。(4)需將上述電路中的熱敏電阻換成光敏電阻，并將電阻箱的阻值調到650Ω，然后重復上述操作即可。〖〖答案〗〗(1)R2(2)①700.0b接通電源后，流過報警器的電流會超過20mA，報警器可能損壞②c報警器開始報警(3)不變(4)熱敏電阻