選擇性必修二

第五章傳感器

利用傳感器制作簡單的自動控制裝置認識傳感器

一、新課標(biāo)要求

1.了解門窗防盜報警裝置的工作原理。了解干簧管和繼電器的特點和在裝置中的作用。

2.了解光控開關(guān)的工作原理。練習(xí)利用光控開關(guān)制作自動控制設(shè)備。

二、科學(xué)素養(yǎng)要求

1.物理觀念：門窗防盜報警裝置，光控開關(guān)

2.科學(xué)思維：培養(yǎng)歸納總結(jié)、分析推理能力。

3.科學(xué)探究：通過實驗，體驗科學(xué)探究過程。

4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：學(xué)習(xí)科學(xué)家的科學(xué)精神，實事求是的科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)探究科學(xué)的興趣。

三、教材研習(xí)

實驗一門窗防盜報警裝置

一、實驗?zāi)康?/p>

1.了解門窗防盜報警裝置的工作原理。

2.了解干簧管和繼電器的特點和在裝置中的作用。

二、實驗原理

1.干簧管

(1)特點：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：繼電器線圈中有電流通過時，開關(guān)與觸點a接通，無電流時，開關(guān)與觸點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)于一個自動

的雙向開關(guān)。

3.實驗電路

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，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a接通，二極管LED發(fā)光。當(dāng)門窗開后時，磁體離開十簧管，十簧管

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)聲報警。

三、實驗器材

干簧管SA、繼電器、發(fā)光二極管LED、電阻及(33。。)、蜂鳴器H、電源、小磁體、開

關(guān)等。

四、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，按照實驗電路圖連接電路。

3.接通電源后，將磁體靠近和離開干簧管，分別觀察實驗現(xiàn)象。

實驗二光控開關(guān)

一、實驗?zāi)康?/p>

1.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。

二、實驗原理

1.晶體三極管

⑴兩種類型

NPN型三極管PNP型三極管

(2)三個電極

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)

(I)電路圖

+V,

LED.多

—^VT

e

----------）0V

（2）工作原理

當(dāng)光照較強時，RG較小,加在基極上電壓較小，三極管不導(dǎo)通，LED不亮；當(dāng)光線較

弱時，氏阻值增大，加在基極上電壓增大，當(dāng)達到一定程度后，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

Orov

（2）工作原理

當(dāng)環(huán)境光比較強時，光敏電阻心的阻值很小，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，光敏電阻也阻值較大，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，

以保護三極管不被燒壞。）

三、實驗器材

可調(diào)電阻Ri（最大電忸為51kQ）、限流電阻/?2（330C）、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。

四、實驗步驟

1.按照實驗電路圖連接電路，檢查無誤后，接通屯源。

2.讓光敏電阻RG受到白天較強的自然光照射，調(diào)節(jié)電阻體使發(fā)光一極管LED或小燈

泡L剛好不發(fā)光。

3.遮擋及；，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，當(dāng)光照增強到某種程度時，發(fā)光二極管LED或小燈泡L熄滅。

五、注意事項

1.安裝前，對器材進行測試，確保各元件性能良好后，再進行安裝。

2.光控開關(guān)實驗中，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)實驗中要想天更暗時“路燈”才會亮，應(yīng)該把Q的阻值調(diào)大些。

四、題型研習(xí)

題型?報警系統(tǒng)的電路問題

［例題1J把蜂鳴器、光敏電阻、十簧管繼電器、開關(guān)、電源按如圖所示電路連接，制

成光電報警裝置。當(dāng)有光照射報警裝置且光照較強時，蜂鳴器發(fā)聲，當(dāng)沒有光照或者光照很

弱時，蜂鳴器不發(fā)聲。①光敏電阻：受光照射后，阻值會變小。②干簧管繼電器：由干簧管

和繞在干簧管外的線圈組成，當(dāng)線圈中有一定的電流時，線圈產(chǎn)生的磁場使密封在干簧管內(nèi)

的兩個鐵質(zhì)簧片磁化，兩個簧片在磁力作用下由原來的分離狀態(tài)變成閉合狀態(tài)。當(dāng)線圈中沒

有電流或者電流很微弱時，簧片在彈力的作用下恢復(fù)到分離狀態(tài)。請將下面的電路連接完整。

干警管繼電器

光敏電網(wǎng)

［解析］如圖所示，當(dāng)有光照且光照較強時，光敏電阻的阻值變小，使得干黃管繼電器

線圄中有較大的電流，從而產(chǎn)生磁場，導(dǎo)致兩個鐵質(zhì)簧片閉合，最終使得蜂鳴器發(fā)聲。

干簧管繼電器

I

［答案］如解析圖所示

［針對訓(xùn)練］

傳感器擔(dān)負著信息采集的任務(wù)，在自動控制中發(fā)揮著重要作用，傳感器能夠?qū)⒏惺艿?/p>

的物理量（如溫度、光、聲等）轉(zhuǎn)換成便于測量的最（通常是電學(xué)量），例如熱敏傳感器，主要

是應(yīng)用了半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻。某熱敏電阻所任值隨溫度變化的圖像如圖甲所示，

圖乙是由該熱敏電阻刈作為傳感器制作的簡單自動報警器線路圖。問：

0t/V

（1）為了使溫度過高時報警器鈴響，C應(yīng)接在（填力”或“”）處；

（2）若要使啟動報警的溫度提高些，應(yīng)將滑動變阻器的滑片尸向移動（填“左”

或“右”）;

（3）如果在調(diào)試報警器達到最低報警溫度時，無論如何調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片P都不能

使報警器工作，且電路連接完好，各電路元件都能處于工作狀態(tài)，則造成工作電路不能正常

工作的原因可能是：____________________________________________________________

____________________________________________________________________________O

解析：（1）由題圖甲可知，熱敏電阻在溫度升高時阻值變小，電路中電流變大，電磁

鐵磁性增強，把右側(cè)銜■鐵吸引過來，與。接觸，故C?應(yīng)接在。處。

(2)為使達到啟動報警的溫度提高，則應(yīng)使電路中電阻更大，故滑動變阻器的滑片應(yīng)左

移。

(3)在最低報警溫度時不能報警，說明此時電路產(chǎn)生的電流不能讓豎直片與。接觸，這

可能由多種原因造成，如：①電源提供的電流太小，導(dǎo)致磁鐵的磁性太弱；②彈簧的勁度系

數(shù)太大，電磁鐵的吸引力小于彈簧的彈力等。

答案：⑴〃(2)左

(3)電源提供的電壓太小以至于電磁鐵磁性太弱或彈簧勁度系數(shù)太大

題型二光控開關(guān)的應(yīng)用

［例題2］如圖甲所示是一測量硫化鎘光敏電阻特性的實驗電路，電源電壓恒定，電流

表內(nèi)阻不計，開關(guān)閉合后，調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片，使小燈泡發(fā)光逐漸增強，測得流過電阻的

電流和光強的關(guān)系曲線如圖乙所示，試根據(jù)內(nèi)圖所給器材設(shè)計一個路燈自動光控電路。要求

有光照時路燈不亮，無光照時路燈工作。

［解析］由流過光敏電阻的電流和光強的關(guān)系曲線可以看出,當(dāng)入射光增強時，流過光

敏電阻的電流增大。根據(jù)題意設(shè)計一個路燈自動控制電路如圖所示。

電流信號

放大器

控制過程：當(dāng)有光照射時，流過光敏電阻的電流增大，并經(jīng)過放大器輸出一個較大的電

流，驅(qū)動電磁繼電器吸合：使兩個常閉觸點斷開，當(dāng)無光照時，電流減小，放大器榆出電流

也減小，電磁繼電器釋放潛鐵，使兩個觸點閉合，控制路燈電路接通，路燈開始工作。

［答案］見解析

［針對訓(xùn)練］

為了節(jié)能和環(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，光敏電阻是阻值隨著光的照度變化而發(fā)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IX）。某光敏電阻心在不同照度下的阻值如下表所示。

照度/lx1.01.2

電阻/kQ754028232018

（1）根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，請在給定的坐標(biāo)系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(dāng)1、2兩端所加電壓上升至2V時，控制開關(guān)自動啟

動照明系統(tǒng)。請利用下列器材設(shè)計一個簡單電路，給I、2兩端提供電壓,

要求當(dāng)天色漸暗照度降低至1.Olx時啟動照明系統(tǒng)，在虛線框內(nèi)完成電

路原理圖。（不考慮控制開關(guān)對所設(shè)計電路的影響）

提供的器材如下:

光敏電阻RG（符號上一，阻值見表）；

直流電源￡（電動勢3V,內(nèi)阻不計）；

定值電阻Ri=10kQ,&=20kC,&=40kC（限選其中之一并在圖中標(biāo)出）;

開關(guān)S及導(dǎo)線若干。

解析：（1）阻值隨照度變化曲線如圖甲所示。

照明系統(tǒng)

II

控制開關(guān)

乙

（2）原理：利用串聯(lián)電路的分壓規(guī)律設(shè)計電路。當(dāng)照度降低至1.Olx時，光敏電阻火G

=20kQ,由題中信息可知52=2V,E=3V,CZ12=￡-C/,2代入數(shù)據(jù)解得R=1（）kC,所

RGR

以定值電阻應(yīng)選R。電路原理圖如圖乙所示。

答案：（1）見解析圖光敏電阻的阻值隨光的照度的增大而非線性減小（2）見解析

【達標(biāo)i川練】

1.如圖所示是一位同學(xué)設(shè)計的防盜門報警器的簡化電路示意圖。門打開時，紅外光敏

電阻必受到紅外線照射，電阻減小；門關(guān)閉時會遮蔽紅外線源（紅外線源沒有畫出）。經(jīng)實際

試驗，可知燈的亮滅情況能反映門的開關(guān)狀態(tài)。門打開時兩燈的發(fā)光情況及治兩端電壓〃2

與門關(guān)閉時相比（）

A.紅燈亮，S?2變大B.綠燈電，S?2變大

C.綠燈亮，以2變小D.紅燈亮，U也變小

【答案】D

【解析】當(dāng)門打開時，足受紅外線照射，電阻減小，則總電阻減小，總電流/增大，&

兩潴電壓UA2=E-/（R+r）減小，&中電流幾="也減小，所以心中電流加=/一/底增大，

電磁繼電器產(chǎn)生的磁場增強，把銜鐵吸下，紅燈亮，選項D正確。

2.設(shè)計一個自動防盜報警電路，要求：晚間房門被打開，細導(dǎo)線反被扯斷，電鈴發(fā)

聲自動報瞥。把如圖所示的電路元件連成電路。

房門

房

間

解析：印斷開時，電鈴發(fā)聲，應(yīng)使包給與導(dǎo)線￡尸并聯(lián)后，再與電阻串聯(lián)，如圖所示。

房門

答案：見解析

3.目前有些居民區(qū)樓道燈的控制使用的是?種延時開關(guān)，該延時開關(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），K為限

流電阻，K為按鈕式開關(guān)，虛線框內(nèi)S表示延時開關(guān)電路，當(dāng)按下K接通電路瞬間，延時

開關(guān)觸發(fā)，相當(dāng)于S閉合，這時釋放K后，延時開關(guān)S約在1min后斷開，燈泡熄滅。根

據(jù)上述信息和原理圖，我們可推斷：按鈕式開關(guān)K按下前，發(fā)光二極管是（填“發(fā)

光的”或“熄滅的”）;將按鈕式開關(guān)K按下再釋放后，燈泡L發(fā)光持續(xù)時間約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〃的阻值和燈絲

電阻HL相比，應(yīng)滿足RR.的條件。

D

解析：按鈕式開關(guān)K按下前，發(fā)光二極管、限流也阻與燈泡串聯(lián)，有電流通過發(fā)光二

極管，因此發(fā)光二極管處于發(fā)光狀態(tài)。當(dāng)將按鈕式開關(guān)K按下再釋放后，由于接通包路瞬

間延時開關(guān)觸發(fā)，相當(dāng)于S閉合，二極管被短路，所以處于熄滅狀態(tài)。由于延時開關(guān)S約1

min后斷開，燈泡熄滅，則知燈泡L發(fā)光持續(xù)時間約1min。由于火為限流電阻，且二極管

只要有很小的也流通過就能發(fā)光，若要保證延時開關(guān)斷開時，二極管發(fā)光，燈泡L不發(fā)光,

則應(yīng)滿足R》RL。

答案：發(fā)光的1熄火的》

4.某研究學(xué)習(xí)小組設(shè)計的模擬街道路燈自動控制系統(tǒng)的電路圖如圖所示，光控開關(guān)可

采用光敏電阻來控制，光敏電阻的阻值隨著光照強度增強而減小，利用直流電源為電磁鐵供

電，利用照明電源為電燈供電。為達到天亮燈熄、天黑燈亮的效果，電燈應(yīng)接在（選

填"力、B”或"B、C”）之間，請用筆畫線代替導(dǎo)線，將電路補充完整。

解析：該模擬業(yè)路的工作原理是：由光敏也阻感知光照強度變化，調(diào)節(jié)電磁鐵線圖中電

流的大小，即可調(diào)節(jié)電磁帙磁性的強弱，吸下或者釋放銜鐵，從而控制燈的亮滅，即達到天

亮燈熄、天黑燈亮的效果。因為天亮?xí)r光照強度大，光歙電阻阻值較小，電磁鐵線圈中電流

較大，磁性較強，可將銜鐵吸下；又因為天亮?xí)r需要使燈熄滅，所以燈應(yīng)接在力、8之間。

電路連線時直接將。、石丙端與光敏電阻、滑動變阻器、開關(guān)以及電源串聯(lián)即可。電路如圖

所示：

答案：A、B見解析圖

5.（2022福建龍巖三模）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/而發(fā)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IX）。

（1）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)，請在圖甲的坐標(biāo)系

中描繪雷阻值隨照度變化的曲線（），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〃1X

阻值R/kQ

（2）圖乙為街道路燈自現(xiàn)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。為達到天亮燈熄、天暗燈亮的效果，路燈應(yīng)接在（填“AB”或“CQ”）

之間。

(3)已知線圈的電阻為140。，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*的阻值應(yīng)調(diào)為Q時,

才能使天色漸暗照度低于1.Olx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，變阻器火'的阻值應(yīng)適當(dāng)調(diào)_______些(選填“大”或“小”)。

=

if_=

=_

!!_=

【答案】①.=

!!-=

!!_=

②.否③.48?.1460⑤.小

【解析】

⑵若光敏電阻的阻值/?與照度/成反比關(guān)系，則有/?/為定值，由圖像中點的數(shù)據(jù)可得

5.8x0.2<3.7x0.4<2.7x0.6<2.3x0.8<2.0xl.0<1.8x1.2

可知光敏電阻的阻值R與照度/不是反比關(guān)系:

(2)[3]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，AB

間斷開，CO間接通，故燈泡應(yīng)接在48間;

(3)⑷由題意可知，當(dāng)照度降到l.Olx時，電路電流降低到10mA,此時電路中的總電阻

為

p36

=-=------=3600Q

I10x10-3

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

R'=RLR_%=3600。-2000Q-1400=1460Q

（4）⑸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)小嗎。

6.（2023重慶涪陵重點高中質(zhì)檢）如圖所示，圖