新教材高考物理一轮复习第12章交变电流传感器实验17利用传感器制作简单的自动控制装置课件

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一、实验目的1.知道干簧管、光敏电阻、三极管、二极管、电磁继电器的功能。2.会利用传感器制作简单的自动控制装置。了解门窗防盗报警装置,会组装门窗防盗报警装置。了解光控开关电路及控制原理,会组装光控开关。二、实验器材实验一:干簧管、继电器、发光二极管LED、蜂鸣器H、电源、小磁体、导线若干、开关、电阻。实验二:发光二极管、三极管、可调电阻R1、限流电阻R2、光敏电阻、集成电路实验板、直流电源、导线若干、黑纸。
三、实验思路　　　　(一)门窗防盗报警装置1.电路如图所示。
2.原理:闭合电路开关S,系统处于防盗状态。当门窗紧闭时,磁体M靠近干簧管SA,干簧管两个簧片被磁化相吸而接通继电器线圈K,使继电器工作。继电器的动触点c与常开触点a接通,发光二极管LED发光,显示电路处于正常工作状态。当门窗开启时,磁体离开干簧管,干簧管失磁断开,继电器被断电。继电器的动触点c与常闭触点b接通,蜂鸣器H发声报警。干簧管在电路中起传感器和控制开关的作用,继电器则相当于一个自动的双向开关。
有电流通过时,线圈有磁性
(二)光控开关1.电路如图所示。
2.工作原理:当环境光比较强时,光敏电阻RG的阻值很小,三极管不导通,发光二极管所在的回路相当于断路,即发光二极管不工作。当环境光比较弱时,光敏电阻RG的阻值变大,三极管导通,且获得足够的基极电流,产生较大的集电极电流,点亮发光二极管。
四、进行实验(一)门窗防盗报警装置(1)连接电路前,要先判断一下干簧管是否可以正常工作。用磁体直接靠近干簧管,观察簧片能否正常动作。(2)确定各元件可以正常工作后,按照电路图连接电路。(3)接通电源后,将磁体靠近和离开干簧管,分别观察实验现象。
(二)光控开关(1)按照相应电路图连接电路,检查无误后,接通电源。(2)让光敏电阻RG受到白天较强的自然光照射,调节电阻R1使发光二极管LED刚好不发光。(3)遮挡RG,当光照减弱到某种程度时,就会看到发光二极管LED发光。(4)让光照加强,当光照强到某种程度时,则发光二极管LED熄灭。
典例1.(2023河北新高考测评)热敏电阻有很多的应用领域,如家电、开关电源、新能源汽车等。某实验小组的同学为了研究某保温式自动电饭锅中用于监测温度的热敏电阻RT的特性设计了以下实验。(1)首先利用多用电表粗略测量与电饭锅中型号相同的热敏电阻常温状态下的阻值,多用电表的旋钮置于“×100”的挡位时示数如图甲所示,则该热敏电阻的阻值为　　　　Ω。 
(2)该实验小组的同学为了进一步探究热敏电阻的特性,设计了图乙所示的电路,电路中的电压表均可看成理想电压表,定值电阻的阻值为2 kΩ。①开关闭合前,滑动变阻器的滑片应置于最　　　　(选填“左”或“右”)端。②某次实验时,电压表V1、V2的示数分别为3.0 V、4.5 V,则热敏电阻的阻值应为　　　　 kΩ。 
(3)通过多次实验,得出热敏电阻的阻值随温度变化的规律图像如图丙所示,当热敏电阻的阻值为RT=2 kΩ时,热敏电阻所处环境的温度约为　 　℃。
(4)该种保温式自动电饭锅,采用感温磁控元件(可视为用热敏电阻控制的电磁铁开关,通过的电流大于某一值时开关断开)控制电路闭合与断开,从而控制加热电路,锅内米饭温度低于60 ℃后,加热电路开始工作,则下列电路图可能是该电饭锅中加热电路的是　　　　。 
答案 (1)3.2×103　(2)①左　②3　(3)38　(4)AB解析 (1)由多用电表的读数规则可知,该热敏电阻的阻值为32×100 Ω=3.2×103 Ω。(2)①为了保护实验器材,开关闭合后应使两电压表的读数均为零,所以滑动变阻器的滑片应置于最左端。
代入数据解得RT=3 000 Ω。(3)由题图丙可知,热敏电阻的阻值为RT=2 kΩ时,热敏电阻所处环境的温度约为38 ℃。(4)当电饭锅内温度降低时,热敏电阻的阻值增大,根据串并联电路的规律可知A、B满足要求。故选A、B。
典例2.为了节能环保,一些公共场所使用光控开关控制照明系统。光控开关可采用光敏电阻来控制,光敏电阻是阻值R随光的照度I而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱,光越强,照度越大,照度单位为lx)。(1)某光敏电阻在不同照度下的阻值R如下表所示,根据表中的数据,请在图甲的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线,并判断光敏电阻的阻值R与照度I是否成反比关系。答:　　　　(选填“是”或“否”)。 
(2)图乙为街道路灯自动控制电路,利用直流电源E为电磁铁供电,利用照明电源为路灯供电。为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果,路灯应接在　　　　(选填“AB”或“CD”)之间。 (3)已知线圈的电阻为140 Ω,直流电源E的电动势E=36 V,内阻忽略不计。当线圈中的电流大于10 mA时,继电器的衔铁将被吸合,滑动变阻器R'的阻值应调为　　　　Ω时,才能使照度低于1.0 lx时点亮路灯。 (4)使用一段时间后发现,路灯在天色更亮时就已点亮了,为了使路灯能按设计要求点亮和熄灭,变阻器R'的阻值应适当调　　　　(选填“大”或“小”)些。 
答案 (1)见解析　否　(2)AB　(3)1 460　(4)小解析 (1)如图所示若光敏电阻的阻值R与照度I成反比关系,则有RI为定值,由图像中的点的数据可得5.8×0.2<3.7×0.4<2.7×0.6<2.3×0.8<2.0×1.0<1.8×1.2可知光敏电阻的阻值R与照度I不是反比关系。(2)由于天亮时照度较大,光敏电阻的阻值较小,电路中的电流较大,衔铁被吸下,AB间断开,CD间接通,故路灯应接在AB间。
(3)由题意可知,当照度降到1.0 lx时,电路电流降低到10 mA,
此时光敏电阻的阻值为R=2 000 Ω,则滑动变阻器R'的阻值应调为R'=R总-R-R线=3 600 Ω-2 000 Ω-140 Ω=1 460 Ω。(4)使用一段时间后发现,路灯在天色更亮时就已点亮了,说明在天色更亮时电路电流就降到了10 mA,为了使路灯能按设计要求点亮和熄灭,应使天色更亮时电路电流大于10 mA,电路的总电阻适当减小,则变阻器R'的阻值应适当调小些。
典例3.(2022河北卷)某物理兴趣小组利用废弃电饭煲的部分器材自制简易电饭煲,设计电路如图甲所示。选用的器材有:限温开关S1(手动将其按下,开始持续加热煮饭,当锅内温度高于103 ℃时自动断开,之后不能自动闭合);保温开关S2(当锅内温度高于80 ℃时自动断开,温度低于70 ℃时自动闭合);电饭煲的框架(结构如图乙所示)。自备元件有:加热电阻丝R(阻值为60 Ω,用于加热煮饭);限流电阻R1和R2(阻值均为1 kΩ);指示灯L1和L2(2.5 V,0.6 W,当电流低于30 mA时可视为熄灭);保险丝T。
(1)按照兴趣小组设计的电路,下列说法正确的是　　　　。(多选) A.按下S1,L1和L2均发光B.当锅内温度高于103 ℃时,S1自动断开,L1和L2均发光C.保温过程中,S2自动在闭合、断开状态之间交替切换D.当锅内温度低于70 ℃时,S2自动闭合,L1发光,L2熄灭
(2)简易电饭煲制作完成后,试用时L1始终不亮,但加热和保温功能均正常,在不增加元件的前提下,断开电源,使用多用电表判断发生故障的元件,下列操作步骤的正确顺序是　　　　　　。(填写各步骤前的字母) A.将选择开关旋转到“×100”位置B.将两支表笔直接接触,调节“欧姆调零旋钮”,使指针指向欧姆零点C.调整“指针定位螺丝”,使指针指到零刻度D.测量指示灯L1两端的阻值E.将选择开关置于OFF位置或交流电压最高挡
操作时,将多用电表两表笔与L1两端接触,若指针如图丙所示,可判断是　　　断路损坏;若指针如图丁所示,可判断是　　　　断路损坏。(用电路中的元件符号表示) 
答案 (1)CD　(2)CABDE　L1　R1解析 (1)按下S1后L2支路被短路,则L2不会发光,A错误;当锅内温度高于103 ℃时,S1断开,而要温度降到70 ℃以下时S2才会闭合,则此时L2可能发光,此时电路中R与R1和L1的串联部分并联,并联的整体再和L2、R2串联,RL≈10.42 Ω,则回路中并联部分的电阻R并≈56.64 Ω则回路总电阻R总=1 067.06 Ω
则L2一定发光,此时并联的整体的电压为U并=I总R并≈11.89 V
(2)多用电表的操作步骤为:调整“指针定位螺丝”,使指针指到零刻度——机械调零;将选择开关旋转到“×100”位置——选挡;将两支表笔直接接触,调节“欧姆调零旋钮”,使指针指向欧姆零点——欧姆调零;测量指示灯L1两端的阻值——测量;将选择开关置于OFF位置或交流电压最高挡——关闭多用电表。故正确顺序为CABDE。由于使用时L1始终不亮,但加热和保温功能均正常,则说明R、L2、R2、T均正常,若指针如题图丙所示,可看出L1两端有1 100 Ω左右的电阻,则说明L1始终不亮的原因是L1断路损坏;若指针如题图丁所示,可看出欧姆表的示数几乎为零,但由于RL=10.42 Ω,此时选用的是“×100”挡,则说明灯泡L1正常,则L1始终不亮的原因是R1断路损坏。
1.(2022江苏苏州期中)为了节能环保,一些公共场所使用光控开关控制照明系统。光控开关可采用光敏电阻来控制,光敏电阻阻值随光照强度增大而减小。
(1)图甲是街道路灯自动控制设计电路,利用直流电源为电磁铁供电,利用照明电源为路灯供电。为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果,路灯应接在　　　　(选填“AB”或“BC”)之间。 (2)下列选项可以延长路灯工作时间的是　　　　。 A.增大滑动变阻器的阻值B.并联更多的路灯C.减小电源电动势
(3)用多用电表“×100 Ω”挡,按正确步骤测量图甲中电磁铁线圈电阻时,指针示数如图乙,则线圈的电阻为　　　　 Ω;已知当线圈中的电流大于或等于2 mA时,继电器的衔铁将被吸合,图乙中直流电源的电动势E=7 V,内阻忽略不计,滑动变阻器有两种规格可供选择:R1(0~200 Ω,1 A)、R2(0~2 000 Ω,0.1 A)。要求天色渐暗照度降低至1.0 lx时(此时光敏电阻阻值约为2 kΩ)点亮路灯,滑动变阻器应选择　　　　(选填“R1”或“R2”)。 
答案 (1)AB　(2)AC　(3)1 400　R1解析 (1)天亮时光照强度增大,光敏电阻的阻值减小,电磁铁中电流增大,磁场增强,吸引衔铁向下与C接通,灯熄灭,故路灯应接在AB之间。(2)由题意知,若增大滑动变阻器的阻值,则使路灯工作的光敏电阻临界阻值变小,临界光照强度变强,所以可以延长路灯工作时间,故A正确;并联更多的路灯,可以改变工作电路的阻值,但是对控制电路没有影响,不能延长路灯工作时间,故B错误;若减小电源电动势,则使路灯工作的光敏电阻临界阻值变小,临界光照强度变强,所以可以延长路灯工作时间,故C正确。
2.某同学利用实验室提供的一种电阻阻值随温度呈线性变化(关系式为:Rt=kt+b,其中k>0,b<0,t为摄氏温度)的热敏电阻,把一灵敏电流表改装为温度计。除热敏电阻和灵敏电流表外,还用到如下器材:1.直流电源(电动势为E,内阻不计);2.滑动变阻器;3.单刀双掷开关;4.标准温度计;5.导线及其他辅助材料。该同学设计电路如下图所示,按如下步骤进行操作。
(1)按电路图连接好器材。(2)将滑动变阻器滑片滑到　　　　　(选填“a”或“b”)端,单刀双掷开关S掷于　　　　　(选填“c”或“d”)端,调节滑片使电流表满偏,并在以后的操作中保持滑片位置不动,设此时电路总电阻为R,断开电路。 (3)容器中倒入适量开水,观察标准温度计,每当标准温度计示数下降5 ℃,就将开关S置于d端,并记录此时的温度t和对应的电流表的示数I,然后断开开关。请根据温度计的设计原理和电路图,写出电流与温度的关系式(用题目中给定的符号)I=　　　　　。 (4)根据对应温度记录的电流表示数,重新刻制电流表的表盘,改装成温度计。根据改装原理,此温度计表盘刻度线的特点是:低温刻度在　　　　　(选填“左”或“右”)侧,刻度线分布是否均匀?　　　　　(选填“是”或“否”)。 
答案 (2)a　c　(3)　 (4)右　否解析 (2)结合滑动变阻器的使用的注意事项可知,开始时需要将滑动变阻器滑片滑到a端,以保证电流表的使用安全;然后将单刀双掷开关S掷于c端,调节滑片使电流表满偏。(3)当温度为t时,热敏电阻的阻值与摄氏温度t的关系为Rt=kt+b,根据闭合电路的欧姆定律可得(4)由上式可知,温度越高,电流表中的电流值越小,所以低温刻度在表盘的右侧;由于电流与温度的关系不是线性函数,所以表盘的刻度是不均匀的。
3.(2023四川遂宁模拟)高速路入口都安装有称量汽车质量的地磅。如图甲所示是某工厂生产的小型地磅结构图和电路图,其中R是力敏元件,质量m0=500 kg的秤台平放在力敏元件上,被称汽车停放在秤台上。已知电路中电源电动势为26 V、内阻r=10 Ω,电流表量程为0.3 A、内阻RA=10 Ω,滑动变阻器R'的最大阻值为500 Ω。如图乙是力敏元件的阻值R随压力F变化曲线。某设计人员对电流表上刻度重新赋值,使之能够从表盘上直接读出秤台上汽车的质量,他先后进行了以下操作。重力加速度g取10 m/s2。
(1)断开开关S,撤去秤台上的汽车,把多用电表的旋钮旋到欧姆挡“×10”挡,通过正确调零后,用红、黑表笔接在力敏元件两端,多用电表的表针指到如图丙所示位置,则力敏元件此时的电阻值为　　　　Ω。 (2)闭合开关S,设计人员通过调节滑动变阻器,使电流表读数为0.10 A,并在此处标注为0 kg,则此时滑动变阻器R'接入电路的电阻值为　　　　Ω;2 500 kg处应标注在　　　　 A处。 (3)设计人员按上述操作逐个刻度赋值后,经长时间使用,发现电池的电动势略有减小、内阻有所增大。他重新调节滑动变阻器,使秤台空载时电流表读数仍为0.10 A,然后再去测量汽车的质量。则现在的测量值相比汽车真实质量　　　(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。