資源簡介

(共36張PPT)
3．利用傳感器制作簡單的自動控制裝置
第五章　傳感器
整體感知·自我新知初探
[學習任務]　任務1．會利用干簧管制作簡單的自動控制裝置，如門窗防盜報警裝置。
任務2．會利用光敏電阻制作簡單的自動控制裝置，如光控開關。
任務3．通過制作自動控制裝置，初步養成針對學習和生活中的問題設計方案、動手實踐的意識和習慣。
[問題初探]　問題1．發光二極管、普通二極管都具有單向導電性嗎？
問題2．晶體三極管對電流有什么作用？
[自我感知]　經過你認真的預習，結合你對本節課的理解和認識，請畫出本節課的知識邏輯體系。
探究重構·關鍵能力達成
實驗1　門窗防盜報警裝置
一、實驗原理與方法
如圖所示，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。
二、實驗器材
干簧管、繼電器、發光二極管、蜂鳴器、電源、導線若干、開關、電阻。
三、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，分別觀察實驗現象。
【典例1】　(報警電路)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60 ℃時，系統報警。提供的器材有：熱敏電阻，報警器(內阻很小，流過的電流超過Ic時就會報警)，電阻箱(最大阻值為999.9 Ω)，直流電源(輸出電壓為U，內阻不計)，滑動變阻器R1(最大阻值為1 000 Ω)，滑動變阻器R2(最大阻值為2 000 Ω)，單刀雙擲開關一個，導線若干。
在室溫下對系統進行調節，已知U約為18 V，Ic約為10 mA；流過報警器的電流超過20 mA時，報警器可能損壞；該熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，在60 ℃時阻值為650.0 Ω。
(1)在圖中完成待調節的報警系統電路原理圖的連線。
(2)電路中應選用滑動變阻器________(選填“R1”或“R2”)。
見解析圖
R2
(3)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__________________________________________________________。
650.0
b
接通電源后，流過報警器
的電流會超過20 mA，報警器可能損壞　
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_________________。
(4)保持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。
c
報警器開始報警
[解析]　(1)熱敏電阻工作溫度達到60 ℃時，報警器報警，故需通過調節電阻箱使其電阻為60 ℃時的熱敏電阻的阻值，即調節阻值為650.0 Ω，使報警器能正常報警，電路圖如圖所示。
【教用·備選例題】　1．把蜂鳴器、光敏電阻、干簧管繼電器開關(干簧管和繞在干簧管外的線圈組成)、電源連成電路，如甲圖所示，制成光電報警裝置，設計要求：當有光照時，蜂鳴器發聲，當沒有光照或者光照很弱時，蜂鳴器不發聲，電路已經連接一部分，請將電路連接完整。
[解析]　電池、光敏電阻與開關及干簧管繼電器開關外面線圈的兩個接線端構成一個回路；而另一組電池、蜂鳴器與干簧管繼電器開關里面的兩個接線端構成另一個回路。當有光照時，光敏電阻變小，使得干簧管繼電器開關存在磁場，導致開關接通，最終使得蜂鳴器發聲；若沒有光照或者光照很弱時，光敏電阻阻值變大，干簧管外的線圈產生的磁場較弱，干簧管開關自動斷開。連接如圖所示。
[答案]　見解析圖
實驗2　光控開關
一、實驗原理與方法
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。
二、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。
三、實驗步驟
1．按照圖甲或乙所示連接電路，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。
四、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。
【典例2】　(光控開關)為了節能和環保，一些公共場所用光控開關控制照明系統，光控開關可用光敏電阻控制，如圖甲所示是某光敏電阻阻值隨光照強度變化的曲線，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)。
(1)如圖乙所示，電源電動勢為3 V，內阻不計，當控制開關兩端電壓上升至2 V時控制開關自動啟動照明系統。要求當天色漸暗照度降至1.0 lx時控制開關接通照明系統，則R1＝________kΩ。
10　
(2)某同學為了測量光敏電阻在不同照度下的阻值，設計了如圖戊所示的電路進行測量，電源(E＝3 V，內阻未知)，電阻箱(0～99 999 Ω)。實驗時將電阻箱阻值置于最大，閉合S1，將S2與1相連，減小電阻箱阻值，使靈敏電流計的示數為I，圖丙為實驗時電阻箱的阻值，其讀數為________kΩ；然后將S2與2相連，調節電阻箱的阻值如圖丁所示，此時靈敏電流計的示數恰好為I，則光敏電阻的阻值R0＝____________kΩ(結果保留三位有效數字)。
62.5
40.0
【教用·備選例題】　2．電磁繼電器在各種自動化裝置中有很多應用，街道路燈自動控制就是其應用之一。模擬電路如圖所示，其中A為電磁繼電器，B為照明電路，C為路燈，D為光敏電阻(白天光照強時，電阻變小；夜晚光照弱時，電阻變得很大)。請你將電路連接完整，達到白天燈熄、夜晚燈亮的效果。(連線時導線不能交叉)
[解析]　電路連接如圖所示。
[答案]　見解析圖
應用遷移·隨堂評估自測
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100 Ω。當線圈的電流大于或等于20 mA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＝9.0 V，內阻可以不計。圖中的“電源”是恒溫箱加熱器的電源。則：
2
4
3
題號
1
(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________Ω。
2
4
3
題號
1
[解析]　(1)當溫度較低時，熱敏電阻R較大，線圈中的電流較小，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。
A、B端
260
2
4
3
題號
1
2．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1 min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________(選填“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________
(選填“發光的”或“熄滅的”)。限流電阻R的阻值
和燈絲電阻RL相比，應滿足R________RL的條件。
2
3
題號
1
4
發光的
1
熄滅的

[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1 min后斷開，故電燈L能持續發光1 min，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。
2
3
題號
1
4
3．某地采用風力發電給蓄電池充電，為路燈提供電能。用光敏電阻作為傳感器控制路燈的開關，實現自動控制。光敏電阻的阻值隨照射光的強弱而變化，作為簡化模型，可以近似認為，照射光較強(如白天)時電阻幾乎為零；照射光較弱(如黑天)時電阻接近于無窮大。利用光敏電阻作為傳感器，借助電磁開關，可以實現路燈自動在白天關閉、夜晚點亮。電磁開關的內部結構如圖所示。1、2接線柱之間是勵磁線圈，3、4接線柱分別與彈簧片和觸點連接。當勵磁線圈中電流大于50 mA時，電磁鐵吸合鐵片，彈簧片和觸點分離，3、4斷開；當電流小于50 mA時，3、4接通。勵磁線圈中允許通過的最大電流為100 mA。
2
3
題號
4
1
請利用光敏電阻R1、燈泡L(額定功率40 W，額定電壓36 V)、保護電阻R2、電磁開關、蓄電池(電壓36 V，內阻很小)、開關S、導線若干，設計一個自動控制路燈的電路。畫出電路原理圖，部分器材的符號如圖所示。
2
3
題號
4
1
[解析]　由題意得，電路圖如圖所示
2
3
題號
4
1
[答案]　見解析
4．如圖甲所示是大型機械廠里用來稱重的電子吊秤，其中實現稱重的關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生形變，拉力敏感電阻絲的電阻也隨著發生變化，再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號(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。
2
4
3
題號
1
(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RL，其阻值隨拉力變化的圖像如圖乙所示，再按圖丙所示電路制作了一個簡易“吊秤”。電路中電源電動勢E約15 V，內阻約2 Ω；靈敏毫安表量程為10 mA，內阻約5 Ω；R是電阻箱，最大阻值是9 999 Ω；RL接在A、B兩接線柱上，通過光滑絕緣滑環可將重物吊起，接通電路完成下列操作。
2
4
3
題號
1
電阻絲受拉力
時，長度增加而橫截面積減小，根據電阻定律知其阻值增大
a．滑環下不吊重物時，調節電阻箱，當電流表為某一合適示數I時，讀出電阻箱的讀數R1；
b．滑環下吊上待測重物，測出電阻絲與豎直方向的夾角為θ；
c．調節電阻箱，使_________________，讀出此時電阻箱的讀數R2；
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θ＝53°(sin 53°＝0.8，cos 53°＝0.6)，R1、R2分別為1 052 Ω和1 030 Ω，結合乙圖信息，可得待測重物的重力G＝________N(結果保留三位有效數字)。
2
4
3
題號
1
電流表的示數仍為I

132　
(3)針對小明的設計方案，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，內阻更小的毫安表
B．將毫安表換成量程為10 μA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
2
4
3
題號
1
CD
2
4
3
題號
1
2
4
3
題號
1

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