利用傳感器制作簡單的自動控制裝置

課程標準素養(yǎng)目標

1.r解門商防盜報警裝置的原理?了解光控開關(guān)的原理（物理觀念）

公利用傳感器制作箍單的自動控制裝置

2.培養(yǎng)實驗動產(chǎn)能力.體會物理知識在實際中的應用（科學思維）

3.體驗從原理到應用的過程.培界科學嚴課的學習態(tài)度和勇于探索的創(chuàng)新精神

（科學態(tài)度與責任）

實驗屬性學生必做實繪

實驗必備-自主學習

?實驗目的?

1.了解與傳感器技術(shù)相關(guān)的物理知識。

2.練習用傳感器制作自動控制裝置。

?實驗器材?

1.門窗防盜報警裝置實驗：

干簧管、繼電器、發(fā)光二極管LED、蜂鳴器H、電源、導線若干、開關(guān)、電阻、小磁體。

2.光控開關(guān)實驗：

發(fā)光二極管、三極管、可變電阻R、電阻R2、光敏電阻、集成電路實驗板、直流電源、繼電

器、小燈泡、導線若干、黑紙

?實驗原理與設(shè)計e

一、門窗防盜報警裝置實險：

1.實驗的基本思想：

利用干簧管作為控制器實現(xiàn)：當門窗緊閉時，蜂鳴器不響，指示燈亮；當門窗被打開時，峰

鳴器發(fā)出聲音報警，指示燈火。

2.實驗電路圖：

W\s

LED

衛(wèi)多丁

3.工作原理：

閉合電路開關(guān)S,系統(tǒng)處亍防盜狀態(tài)。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(fā)光二極管LED發(fā)光，顯示電路處于正常工作狀態(tài)。當門窗開啟時，磁體離?開干簧管,干簧

管失磁斷開，繼電器被甑電。繼電器的動觸點c與常閉觸點b接通，蜂鳴器H發(fā)聲報警。干

簧管在電路中起傳感器和控制開關(guān)的作用,繼電器則相當于一個自動的雙向開關(guān)。

二、光控開關(guān)實驗：

1.實驗的基本思想：

利用光敏電阻作為光控開關(guān)實現(xiàn)在天黑到一定程度時讓路燈自動開啟,而在天明時自動熄

滅。

2.實驗電路圖：

3.工作原理：

當環(huán)境光比較強時，光敏電阻R,；的阻值很小,三極管不導通，發(fā)光二極管或繼電器所在的

回路相當于斷路,即發(fā)光二極管不工作；繼電器處于常開狀態(tài)，小燈泡L不亮。當環(huán)境光

比較弱時，光敏電阻/的阻值變大,三極管導通，且獲得足夠的基極電流，產(chǎn)生較大的集

電極電流，點亮發(fā)光二極管或驅(qū)動繼電器吸合而直曷小燈泡Lo

實驗過程-探究學習

?實驗步驟?

一、門窗防盜報警裝置實驗步驟：

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

能否正常工作。

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(xiàn)象。

二、光控開關(guān)實驗步驟：

1.按照圖所示連接電路，檢杳無誤后，接通電源。

°受到白天較強的自然光照射，調(diào)節(jié)電阻R使發(fā)光二極管LED或小燈泡L剛好不發(fā)光。

G,當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，當光照強到某種程度時，則發(fā)光二極管LED或小燈泡L熄滅。如現(xiàn)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。

口思考?討論―

（1）口光燈的啟動器（結(jié)構(gòu)如圖甲所示）也可看成是一個熱敏傳感裝置，它的熱敏功能器

是雙金屬片，你知道啟動器的工作原理嗎？

於泡

6/U形

靜觸片、I,動觸片

網(wǎng)

甲

（2）如圖乙所小，水箱水位自動報警黯是如何工作的？

提示：（1）口光燈啟動器內(nèi)有一雙金屬片，熱膨脹系數(shù)不同“開關(guān)閉合后，啟動器兩極之間

有電壓使發(fā)氣放電而發(fā)出輝光，輝光發(fā)出的熱晶使U形動觸片受熱膨脹向外延伸，碰到靜觸

片觸點，電路接通；溫度驛低時，U形動觸片向里收縮，離開觸點，電路斷開。

（2）正常生產(chǎn)時，水位較高。繼電器中的線圈有電流通過，銜鐵1被向下吸引，與觸頭2

接觸，B燈亮。水位下降到一定而度后，繼電器中線圈沒有電流通過了，則銜鐵1與觸頭3

接觸，A燈亮。

@數(shù)據(jù)收集與分析0

一、門窗防盜報警裝置實臉

磁鐵保近干簧圖用彈簧片接觸］川繼電得「.作|川二極管發(fā)光

T把磁體拿開|一怫簧片斷開|1維電器不T.作口|蜂鳴器報警

二、光控開關(guān)實驗

光比較強時f光敏電阻阻值很小f三極管不導通

繼電器開路f燈泡不亮f環(huán)境較暗時f光敏電阻阻值變大

三極管導通f繼電器接通f點亮燈泡

?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(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，可用手電筒加強光照，或遮蓋光敏電阻，再進行觀察。

4.安裝完畢，先檢查無誤后，再閉合開關(guān)進行測試。

實驗研析-創(chuàng)新學習

類型一教材原型實驗

物度11實驗.原理和實驗操作

【典例1】現(xiàn)要組裝一個由熱敏電阻控制的報警系統(tǒng)，要求當熱敏電阻的溫度達到或超過

120℃時，系統(tǒng)報警。提供的器材有：

熱敏電阻（該熱敏電阻的限值隨溫度的升高而減小，在120c時阻值為700.0Q）；報警器

（內(nèi)阻很小，流過的電流超過L時就會報警，L約為10mA；流過報警器的電流超過2（）mA

時，報警器可能損壞）；

電阻箱（最大阻值為999.9Q）；

直流電源（輸出電壓U約為18V,內(nèi)阻不計）；

滑動變阻器R（最大阻值為1000Q）；

滑動變阻器R（最大阻值為2000Q）；

單刀雙擲開關(guān)一個，導線若干。

熱敏電阻

（1）電路中應選用滑動變阻器（選填"RJ或"R」）。

（2）按照下列步驟調(diào)節(jié)此報警系統(tǒng)：

①電路接通前，需將電阻箱調(diào)到一固定的阻值，根據(jù)實驗要求，這一阻值為________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(guān)向（選填"c”或"d”）端閉合，緩慢移動滑動變阻器的滑片，宜至

（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(guān)向另一端閉合，報警系統(tǒng)即可正常使用。

（4）若要將此系統(tǒng)改為光敏電阻控制的報警系統(tǒng)，要求當光敏電阻的光照達到或超過某?

特定值時，系統(tǒng)報警，且光敏電阻在這一特定值時的電阻為650Q,則需將上述電路中的

換成光敏電阻，并將電阻箱的阻值調(diào)到然后重復上述操作即

可。

1O

【解析】（1）電壓為18V,而報警時的電流為10mA；此時電阻約為：R=invin-.Q=

1800Q；而熱敏電阻的阻值約為700Q,故滑動變?nèi)纹鹘尤腚娮杓s為1100Q,故應選

擇R?。

（2）①因要求熱敏電阻達到120C時報警，此時電阻為7（）0Q,故應將電阻箱調(diào)節(jié)至70（）

Q,然后由最大阻值處調(diào)節(jié)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(guān)接到c端與

電阻箱連接，調(diào)節(jié)滑動變阻器直至報警器開始報警即可，然后再接入熱敏電阻，電路即可正

常工作。

（3）滑動變阻器滑片的位置不變，將開關(guān)向另一端閉合，報警系統(tǒng)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(diào)到650Q,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

角.度2上實驗數(shù)據(jù)處理

【典例2】（2021?淄博高二檢測）為了節(jié)能和環(huán)保，一些公共場所用光控開關(guān)控制照明系

統(tǒng)，光控開關(guān)可用光敏電阻控制，如圖甲所示是某光敏電阻阻值隨光照強度變化曲線，照度

可以反映光的強弱，光越強照度越大，照度單位為：勒克斯（lx）。

甲

(1)如圖乙所示，電源電動勢為3V,內(nèi)阻不計，當控制開關(guān)兩端電壓上升至2V時控制

開關(guān)自動啟動照明系統(tǒng)。要求當天色漸暗照度降至L0lx時控制開關(guān)接通照明系統(tǒng)，則艮

=k。。

(2)某同學為了測量光敏電阻在不同照度下的阻值，設(shè)計了如圖戊所示的電路進行測量，

電源(E=3V,內(nèi)阻未知)，電阻箱(0-99999Q)。實驗時將電阻箱阻值置于最大，閉合

Si,將S2與1相連，減小電阻箱阻值，使靈敏電流計的示數(shù)為I,圖丙為實驗時電阻箱的阻

值，其讀數(shù)為__________kQ；然后將S2與2相連，調(diào)節(jié)電阻箱的阻值如圖丁所示，此時靈

敏電流計的示數(shù)恰好為I,則光敏電阻的阻值Ro=kQ(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。

【解析】⑴電阻R和R。串聯(lián)，機坐=7,當照度為1.0lx時，電阻R°=20k"則

KiUi1

R>=10kQ；

(2)由圖可知，圖丙的電阻為R?=62.5kQ,圖丁的電阻R'2=22.5kQ,本題采用等效

替代法測電阻，前后兩次電路中的電流相等，則電路中的電阻相等，則有R2=R0+R'：，所

以Ro=4O.0kQ。

答案:

速堂返對于有關(guān)傳感器應用的實驗電路問題，解答時應先弄清楚電路中所用傳感器的

類型及具工作原埋，然后根據(jù)電路特點進行分析。

類型二創(chuàng)新型實驗

【典例3】如圖甲所示是大型機械廠里用來稱重的電子吊秤，其中實現(xiàn)稱重的關(guān)鍵元件是拉

力傳感器。其工作原理是：掛鉤上掛上重物，傳感器中拉力敏感電阻絲在拉力作用下發(fā)生形

變，拉力敏感電阻絲的電阻也隨著發(fā)生變化，再經(jīng)相應的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電

信號（電壓或電流），從而完成將所稱物體重量變換為電信號的過程。

（1）簡述拉力敏感電阻絲的阻值隨拉力變化的原因。

（2）小明找到一根拉力敏感電阻絲R.,其阻值隨拉力變化的圖像如圖乙所示，再按圖內(nèi)所

示電路制作了一個簡易“吊秤”。電路中電源電動勢E約15V,內(nèi)阻約2Q；靈敏毫安表

量程為10mA,內(nèi)阻約5Q：R是電阻箱，最大阻值是9999Q；R接在A、B兩接線柱上，

通過光滑絕緣滑環(huán)可將重物吊起，接通電路完成下列操作。

a.滑環(huán)下不吊重物時，調(diào)節(jié)電阻箱，當電流表為某一合適示數(shù)I時，讀出電阻箱的讀數(shù)％；

b.滑環(huán)下吊上待測重物，測出電阻絲與豎直方向的夾角為（）；

c.調(diào)節(jié)電阻箱，使,讀出此時電阻箱的讀數(shù)也；

d.算得圖乙直線的斜率k和截距b；則待測重物的重力G的表達式為G=（用以

上測得的物理量表示）測得0=53°（sin53°=0.8,co物理=0.6）,上比分別為1052

Q和1030Q,結(jié)合乙圖信息，可得待測重物的重力G=N（結(jié)果保留三位有效數(shù)

字）。

（3）針對小明的設(shè)計方案，為了提高測量重量的精度，你認為下列措施可行的是。

A.將毫安表換成量程不同，內(nèi)阻更小的毫安表

B.將亳安表換成量程為10UA的微安表

C.將電阻箱換成精度更高的電阻箱

D.適當增大A、B接線柱之間的距離

【解析】（1）電阻絲受拉力時，氏度增加而橫截面積減小，根據(jù)電阻定律知其阻值增大；

（2）根據(jù)等效替代法測電阻，調(diào)節(jié)電阻箱，使電流表的示數(shù)仍為I；由其阻值隨拉力變化

的圖像可得：

△R

由平衡條件得：2AFcos0=G

由等效替代法測電阻得：AR=R-他

2(R|—Rj)cos

聯(lián)立解得：G=

可得待測重物的重力

八2X（1052-1030）X0.6、，…、

G=---------------------N=132N

V?乙

（3）為了提高測量重量的精度，將電阻箱換成精度更高的甩阻箱，適當增大A、B接線柱之

F

間的距離，使得拉力敏感電阻絲的受力大一些。根據(jù)閉合電路歐姆定律得電流1=丁只有

Kg

幾亳安，所以不能將亳安表換成量程為10UA的微安表，或不能將亳安表換成其他量程，

故選C、Do

答案：

2(Ri-R?)cos

132(3)C、D

課堂檢測-素養(yǎng)達標

1.如圖，某學校創(chuàng)建綠色校園，甲為新裝的一批節(jié)能路燈，該路燈通過光控開關(guān)實現(xiàn)自動控

制：電燈的亮度可自動隨周圍環(huán)境的亮度改變而改變。如圖乙為其內(nèi)部電路簡化原理圖，電

源電動勢為E,內(nèi)阻為r,&為光敏電阻（光照強度增大對，其電阻值減小）。現(xiàn)增大光照強

度，則下列判斷正確的是（）

A

A.路端電壓不變B.R。兩端電壓變大

C.B燈變暗，A燈變亮D.電源總功率不變

【解析】選B。增大光照強度，光敏電阻的阻值減小，電路總電阻減小，總電流增大，電源

內(nèi)電壓增大，路端電壓減小，A錯誤；通過A燈上的電流減小，則通過R。的電流增大，Ro

兩端的電壓變大，B燈上的電壓減小，A、B兩燈均變暗，B正確，C錯誤；電源的總功率P

=EI會隨著總電流的增大而增大，D錯誤。

2.（2021?北京高二檢測）如圖所示是溫度自動報警器的工作原理圖，圖中1是電磁鐵、2

是銜鐵、3是觸點、4是水銀溫度計（水銀導電）。則下列說法正確的是（）

電源電源

A.溫度高于警戒溫度時,電鈴不報警、指示燈亮

B.溫度低于警戒溫度時,電鈴報警、指示燈熄滅

C.溫度高于警戒溫度時,指示燈鳧、電鈴報警

D.溫度低于警戒溫度時,指小燈亮、電鈴不響

【解析】選D。溫度低十警戒溫度時，水銀柱卜降，控制電路處十斷路狀態(tài)，電磁鐵收用電

流通過，電磁鐵沒有磁性，此時指示燈通過常閉觸點與工作電路接通，通路狀態(tài)指示燈亮,

電鈴不報警，故B錯誤，D正確；溫度高于警戒溫度時，水銀柱上升，控制電路處「接通狀

態(tài)，電磁鐵中有電流通過，電磁鐵有磁性，此時電鈴通過觸點3與工作電路接通，電鈴報警,

此通路狀態(tài)，指示燈的電路中沒有電流，燈不亮，故A、C錯誤。

教師

專用

（多選）某一熱敏電阻的阻值隨溫度的變化關(guān)系如圖（a）所示，利用此熱敏電阻制作溫控

報警器，其電路的一部分如圖（b）所示，E為直流電源（電動勢為9V,內(nèi)阻可忽略），當

輸出電壓達到或超過6.07時，便觸發(fā)報警器（圖中未畫出）報警。若要求開始報警時環(huán)境

溫度為50°C,則下列說法中正確的是

()

?應使用熱敏電阻

B.Rz應使用熱敏電阻

C.R1為固定電阻，阻值為0.4kQ

D.R2為固定電阻，阻值為1.6kQ

【解析】選A、Do溫度升高時，該熱敏電阻阻值減小，分得電壓減少。而溫度高時要求輸

出電壓升高，以觸發(fā)報警，所以R1為熱敏電阻，R?為固定電阻；由圖線可知，溫度為50℃

時，Ri=0.8kQ,由歐姆定律可得E=I（R1+R2）,U=IR2,代入數(shù)據(jù)解得R2=1.6kC,故

A、D正確，B、C錯誤。

3.（2021?海口高二檢測）如圖是電熨斗的結(jié)構(gòu)圖，下列說法不正確的是

A.雙金屬片上層金屬的膨脹系數(shù)小于下層金屬

B.常溫下，上下觸點接觸；溫度過高時，雙金屬片發(fā)生彎曲使上下觸點分離

C.需要較高溫度熨燙時，要調(diào)節(jié)調(diào)溫旋鈕，使升降螺絲下移并推動彈性銅片下移

D.雙金屬片溫度傳感器的作用是控制電路的通斷

【解析】選A。由電路可知：溫度過高時，雙金屬片發(fā)生彎曲使上下觸點分離，因此雙金屬

片上層金屬的膨脹系數(shù)應大于下層金屬，A錯誤，B正確：需要較高溫度熨燙時，要調(diào)節(jié)調(diào)

溫旋鈕，雙金屬片雖發(fā)生彎曲但不使觸點分離，應使升降螺絲下移并推動彈性銅片卜.移，C

正確；利用雙金屬片熱脹冷縮控制電路的通斷，D正確。

4.（2021?荷澤高二檢測）如圖所示為某居住小區(qū)門口利用光敏電阻設(shè)計的行人監(jiān)控裝置，

比為光敏電阻、k為定值電阻，A、B接監(jiān)控裝置，則下列說法正確的是（）

通

道----廠力

Ri口&

光源

E,r

①當有人通過而遮蔽光線時，A、B間的電壓增大

②當有人通過而遮蔽光線時，A、B間的電壓減小

③當僅增大上的阻值時，A、B間的電壓增大

④當僅減小L的阻值時，A、B間的電壓增大

A.①③B.①④C.（2X3）I）.②④

【解析】選C。由電路圖可知，兩電阻串聯(lián)，監(jiān)控裝置與Rz并聯(lián)。當有人通過通道而遮蔽光

線時，R阻值變大，電路中的總電阻變大，電路中的電流變小，根據(jù)U=IR可知，電阻值不

變時，其兩端的電壓變小：即A、B間電壓降低，故①錯誤，②正確；當僅增大R?的阻值時,

電路中的總電阻變大，電珞中的電流變小，電源的內(nèi)阻和R阻值不變時，內(nèi)阻和R兩端的

電壓變小，則R?上的電壓變大，即A、B間電壓變大，故③正確；當僅減小R?的阻值時，電

路中的總電阻變小，電路中的電流變大，電源的內(nèi)阻和R阻值不變時，內(nèi)阻和比兩端的電

壓變大，即A、B間電壓減小，故④錯誤。

5.某同學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。

（1）光強（E）是表示光皿弱程度的物理量，單位為坎德拉（cd）。如圖（a）所示是光敏電

阻阻值隨光強變化的圖線，由此可得到的結(jié)論是:

（2）如圖（b）為電磁繼電器的構(gòu)造示意圖，其中L為含有鐵芯的線圈，P為可繞0點轉(zhuǎn)動

的銜鐵，K為彈簧，S為一對觸頭，A、B、C、D為四個接線柱。工作時，應將（選

填"A、B”或"C、D”）接照明電路;

（3）請在圖（c）中用筆畫線代替導線，完成電路的連接;

光敏電阻定值電阻

電源開關(guān)

圖⑹

（4）已知電源電動勢為3V,內(nèi)阻很小,電磁鐵線圈電阻電=20.0Q,電流超過501nA時

可吸合銜鐵。如果要求光強達到2cd時,照明電路恰好接通，則圖（c）中定值電阻R=

【解析】（1）由圖像可得到的結(jié)論是：隨著光照強度的增加，光敏電阻的阻值迅速下降，進

一步增大光照強度，電阻值變化減小，然后逐漸趨向平緩；

（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，應將“C、D”接照明電路；

（3）光敏電阻、定值電阻、電源與L組成控制電路，C、D與燈泡組成工作電路，電路圖如

圖所示

（4）由圖（a）所示圖線可知，2cd對應的光敏電阻阻值R機=18Q,由閉合電路歐姆定

律可知人=餐’代入數(shù)據(jù)解得R