資源簡介

(共63張PPT)
第十二章　交變電流　電磁波　傳感器
實驗探究課十六　利用傳感器制作簡單的自動控制裝置
原理與裝置圖
門窗防盜報警裝置 光控開關

實驗儲備·一覽清
原理與裝置圖
實驗一：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、小磁體。
實驗二：發光二極管、三極管、可調電阻R1、限流電阻R2、光敏電阻、繼電器、小燈泡L，二極管D，集成電路實驗板、直流電源、導線若干、黑紙。
操作要求
(一)門窗防盜報警裝置
1．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。
操作要求
2．實驗操作
(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。
操作要求
(二)光控開關
1．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。
操作要求
2．實驗操作
(1)按照電路圖連接電路，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，會看到發光二極管LED或小燈泡L熄滅。
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，或用黑布遮蓋光敏電阻，再進行觀察。
實驗類型·全突破
類型1　教材原型實驗
[典例1]　純電動汽車的蓄電池的安全性，主要體現在對其溫度的控制上，當電池溫度過高時，必須立即啟動制冷系統進行降溫。如圖甲是小明設計的模擬控溫裝置的示意圖，電磁繼電器與熱敏電阻Rt、滑動變阻器RP串聯接在電壓為5 V的電源兩端。當電磁鐵線圈(電阻不計)中的電流I大于或等于 20 mA 時，銜鐵被吸合，熱敏電阻置于溫度監測區域，其阻值Rt與溫度t的關系如圖乙所示，滑動變阻器的最大阻值為200 Ω。則：
(1)圖甲中應將b端與________(選填“a”或“c”)端相連。
(2)若設置電池溫度為50 ℃時啟動制冷系統，則滑動變阻器阻值應為________ Ω。
(3)該電路可設置啟動制冷系統的最高溫度是________ ℃。
c
150
74
[解析]　(1)由題意可知，當控制電路電流達到 20 mA 時銜鐵被吸合，制冷系統工作，所以題圖甲中，應將b端與c端相連。
(2) 若設置電池溫度為50 ℃時啟動制冷系統，由題圖乙可知，當溫度為50 ℃時，Rt的阻值為100 Ω，此時控制電路的總電阻R＝＝ Ω＝250 Ω
由串聯電路的電阻規律可知，滑動變阻器接入的電阻為RP＝R－Rt＝250 Ω－100 Ω＝150 Ω。
(3)當滑動變阻器為最大阻值200 Ω時，熱敏電阻的阻值R′t＝R－R′P＝250 Ω－200 Ω＝50 Ω
由題圖乙可知此時對應的溫度為74 ℃，所以該電路可設置啟動制冷系統的最高溫度是74 ℃。
[典例2]　(2024·河北卷)某種花卉喜光，但陽光太強時易受損傷。某興趣小組決定制作簡易光強報警器，以便在光照過強時提醒花農。該實驗用到的主要器材如下：學生電源、多用電表、數字電壓表(0～20 V)、數字電流表(0～20 mA)、滑動變阻器R(最大阻值50 Ω，1.5 A)、白熾燈、可調電阻R1(0～50 kΩ)、發光二極管LED、光敏電阻RG、NPN型三極管VT、開關和若干導線等。
(1)判斷發光二極管的極性
使用多用電表的“×10 k”電阻擋測量二極管的電阻。如圖1所示，當黑表筆與接線端M接觸、紅表筆與接線端N接觸時，多用電表指針位于表盤中a位置(見圖2)；對調紅、黑表筆后指針位于表盤中b位置(見圖2)。由此判斷M端為二極管的________(選填“正極”或“負極”)。
負極
(2)研究光敏電阻在不同光照條件下的伏安特性
①采用圖3中的器材進行實驗，部分實物連接已完成。要求閉合開關后電壓表和電流表的讀數從0開始。導線L1、L2和L3的另一端應分別連接滑動變阻器的________、________、________接線柱(以上三空選填接線柱標號“A”“B”“C”或“D”)。
A
A
C(或D)
②圖4為不同光照強度下得到的光敏電阻伏安特性曲線，圖中曲線Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ對應光敏電阻受到的光照由弱到強。由圖像可知，光敏電阻的阻值隨其表面受到光照的增強而__________(選填“增大”或“減小”)。
減小
(3)組裝光強報警器電路并測試其功能
圖5為利用光敏電阻、發光二極管、三極管(當b、e間電壓達到一定程度后，三極管被導通)等元件設計的電路。組裝好光強報警器后，在測試過程中發現，當照射到光敏電阻表面的光強達到報警值時，發光二極管并不發光，為使報警器正常工作，
應________(選填“增大”或“減小”)可調電
阻R1的阻值，直至發光二極管發光。
增大
[解析]　(1)使用多用電表時，通過多用電表的電流流向遵循“紅進黑出”，使用多用電表的電阻擋時，當黑表筆與M端接觸、紅表筆與N端接觸時，若有電流，則二極管中電流方向為M→N，而由題圖2可知此時多用電表指針位于a位置，即此時二極管電阻無窮大，由二極管的單向導電性可知，此時二極管所接電壓為反向電壓，則M端為二極管的負極。
(2)①由于要求閉合開關后電壓表和電流表的讀數從0開始，則滑動變阻器應采用分壓式接法，L1、L2的另一端應接A接線柱，L3另一端應接C(或D)接線柱。
②I-U圖像上某點與坐標原點連線的斜率的倒數表示光敏電阻的阻值，由題圖4可知，光照增強時，光敏電阻的阻值減小，即光敏電阻的阻值隨其表面受到光照的增強而減小。
(3)三極管未導通時，RG與R1串聯。隨著光照增強，RG電阻減小，此時三極管仍未導通，說明R1分壓小，故需要增大R1。
類型2　拓展創新實驗
[典例3]　利用霍爾效應制作的霍爾元件，被廣泛應用于測量、自動控制等領域。某同學想設計一個研究霍爾電壓與通過某霍爾元件電流關系的實驗，查閱資料得知該霍爾元件(導電微粒帶負電)的工作電流在0～500 mA之間，C、D間產生的霍爾電壓在0～5 V之間。可供選擇的器材如下：
A．電流表A1(量程0.6 A，內阻約為0.15 Ω)
B．電流表A2(量程20 mA，內阻約為40 Ω)
C．電壓表V1(量程6.0 V，內阻約為20 kΩ)
D．電壓表V2(量程15 V，內阻約為20 kΩ)
E．保護電阻
F．滑動變阻器(最大阻值為50 Ω，允許通過的最大電流為1.5 A)
G．電源、單刀單擲開關各一個，導線若干
實驗時將該霍爾元件放在磁鐵S極的正上方，要求多測量幾組數據，且霍爾電壓從零開始變化。
(1)為了完成實驗，電流表應選用________(選填“A1”或“A2”)，電壓表應選用________(選填“V1”或“V2”)。
(2)請結合(1)中所選的器材和實驗要求將圖甲中的實物圖連線補充完整。
A1
V1
見解析圖
(3)該同學將記錄的實驗數據描繪在U-I坐標系中，如圖乙所示，請將圖像補充完整，結合所作圖像可得，在誤差允許的范圍內，霍爾電壓U與電流大小I的關系為________(選填“U＝kI”“U＝kI2”或“U＝k”)。
見解析圖
U＝kI
[解析]　(1)根據題意可知，霍爾元件最大電流為0.5 A，最大電壓為5 V，電流表應選A1，電壓表應選V1。
(2)要求霍爾電壓從零開始變化，則回路中的電流應從零開始變化，滑動變阻器應采用分壓式接法；保護電阻應與霍爾元件串聯，根據電流的方向、導電微粒電性和左手定則可知，D端的電勢較低，電路圖如圖(a)所示，電路連線如圖(b)所示。
(3)結合所描數據點，用平滑曲線連線，可以看出所作圖線近似為過原點的直線，如圖(c)所示，則在誤差允許的范圍內，霍爾電壓U與電流大小I的關系為U＝kI。
創新點解讀　(1)創新思路：通過霍爾元件和定值電阻控制電路，實現簡易的霍爾效應傳感器。
(2)根據電流方向判斷粒子偏轉方向，再根據粒子電性判斷電勢高低。
[典例4]　(2025·湖北武漢高三階段檢測)圖甲所示為蘋果自動分揀裝置的示意圖，該裝置把大小不同的蘋果，按一定質量標準自動分揀為大蘋果和小蘋果。該裝置的托盤秤壓在一個以O1為轉動軸的杠桿上，杠桿末端壓在壓力傳感器R上，R的阻值隨壓力變化的曲線如圖乙所示。調節托盤秤壓在杠桿上的位置，使質量等于分揀標準(0.15 kg)的大蘋果經過托盤秤時，杠桿對R的壓力為1 N。調節可調電阻R0，可改變R、R0兩端的電壓比，使質量等于分揀標準的大蘋果通過托盤秤時，R0兩端的電壓恰好能使放大電路中的電磁鐵吸動分揀開關的銜鐵，此電壓叫作放大電路的激勵電壓。該放大電路中包含保持電路，能夠確保大蘋果在銜鐵上運動時電磁鐵始終保持吸動狀態。
(1)當大蘋果通過托盤秤時，R所受的壓力較大，電阻________(選填“較大”或“較小”)。
(2)自動分揀裝置正常工作時，大蘋果通過________(選填“通道A”或“通道B”)。
較小
通道B
(3)若電源電動勢為5 V，內阻不計，放大電路的激勵電壓為2 V：
①為使該裝置達到上述分揀目的，R0的阻值等于________ kΩ。(結果保留2位有效數字)
②某同學想在托盤秤壓在杠桿上的位置不變的情況下，利用一塊電壓表測出每個蘋果的質量，電壓表的示數隨蘋果質量的增大而增大，則電壓表應該并聯在電阻________(選填“R”“R0”或“電源”)兩端。
20
R0
③若要提高分揀標準到0.33 kg，僅將R0的阻值調為________ kΩ即可實現。(結果保留2位有效數字)(提示：托盤秤壓在杠桿上的位置不變的情況下，壓力傳感器受到的壓力與蘋果的質量成正比)
16
[解析]　(1)由題圖乙可知當大蘋果通過托盤秤時，R所受的壓力較大，電阻較小。
(2)大蘋果通過托盤秤時，R0兩端的電壓達到放大電路的激勵電壓，使放大電路中的電磁鐵吸動分揀開關的銜鐵，大蘋果進入下面的通道B。
(3)①杠桿對R的壓力為1 N，R阻值為30 kΩ，為使該裝置達到上述分揀目的，R0的阻值需滿足＝，則R0＝20 kΩ。
②隨著蘋果質量增大，R阻值減小，分壓減小，電源電動勢不變，R0分壓增大，為了滿足電壓表的示數隨蘋果質量的增大而增大，需要將電壓表并聯在R0兩端。
③根據＝可知，分揀標準到0.33 kg時，壓力為2.2 N，此時R的阻值為24 kΩ，根據①分析知R0的阻值應該調至16 kΩ。
創新點解讀　本實驗創新之處在于利用壓力傳感器對電路的影響，通過電磁鐵吸動分揀開關的銜鐵完成自動控制，替代了光敏電阻或熱敏電阻對電路的控制。
實驗對點訓練(十六)
1．光控路燈可以根據光照的變化自動開啟或關閉，如圖所示是利用光敏電阻和晶體三極管制作的光控開關的原理電路圖。當天色逐漸變暗時，LED燈自動點亮，關于此時光控電路的判斷，下列說法正確的是(　　)
A．光敏電阻RG的阻值逐漸變小
B．光敏電阻RG的電壓變小
C．晶體三極管被斷開
D．如果想要在更暗的時候LED燈被點亮，
應將R1調大一點
√
D　[由光敏電阻的特性可知，光照逐漸變暗時，RG的電阻逐漸變大，所以光敏電阻RG的分壓逐漸變大，當光敏電阻兩端的電壓即晶體三極管b極的電壓增大到一定值時，晶體三極管被導通，A、B、C錯誤；想要在更暗的時候接通LED燈，即三極管恰好導通時光敏電阻對應的阻值更大，應將R1的電阻調大，D正確。]
2．(多選)如圖所示是具有自動報警功能的防盜門，它利用干簧管作為傳感器，繼電器(虛線方框部分)作為執行裝置。下列說法正確的是(　　)
A．當門緊閉時，磁體M處在干簧管SA附近，開關觸點c、b接通
B．當門緊閉時，磁體M處在干簧管SA附近，開關觸點c、a接通
C．當門被推開時，磁體M遠離干簧管SA，繼電器被斷電，開關觸點c、b接通
D．當門被推開時，磁體M遠離干簧管SA，開關觸點c、b接通，蜂鳴器H發聲報警
√
√
√
BCD　[當門緊閉時，磁體處在干簧管附近，干簧管兩個簧片被磁化而接通，觸點c、a接通，LED燈亮；當門被推開時，磁體遠離干簧管，干簧管兩簧片失去磁性而斷開，繼電器斷電，觸點c、b接通，LED燈不亮，蜂鳴器H發聲報警，B、C、D正確，A錯誤。]
3．(2024·廣東卷)某科技小組模仿太陽能發電中的太陽光自動跟蹤系統，制作光源跟蹤演示裝置，實現太陽能電池板方向的調整，使電池板正對光源。圖甲是光照方向檢測電路，所用器材有：電源E(電動勢3 V)；電壓表 和 (量程均有3 V和15 V，內阻均可視為無窮大)；滑動變阻器R；兩個相同的光敏電阻RG1和RG2；開關S；手電筒；導線若干。圖乙是實物圖，圖中電池板上垂直安裝有半透明隔板，隔板兩側裝有光敏電阻，電池板固定在電動機轉軸上。控制單元與檢測電路的連接未畫出，控制單元對光照方向檢測電路無影響。請完成下列實驗操作和判斷。
(1)電路連接。
圖乙中已正確連接了部分電路，請完成虛線框中滑動變阻器R、電源E、開關S和電壓表 間的實物圖連線。
(2)光敏電阻阻值與光照強度關系測試。
①將圖甲中R的滑片置于________端。用手電筒的光斜照射到RG1和RG2，使RG1表面的光照強度比RG2表面的小。
見解析圖
b
②閉合S，將R的滑片緩慢滑到某一位置。 的示數如圖丙所示，讀數U1為________ V，U2的示數為1.17 V。由此可知，表面光照強度較小的光敏電阻的阻值________(選填“較大”或“較小”)。
③斷開S。
1.60
較大
(3)光源跟蹤測試。
①將手電筒的光從電池板上方斜照射到RG1和RG2。②閉合S，并啟動控制單元?？刂茊卧獧z測并比較兩光敏電阻的電壓，控制電動機轉動。此時兩電壓表的示數U1逆時針
U1＝U2
[解析]　(1)滑動變阻器分壓連接，電路連線如圖。
(2)①將題圖甲中的R的滑片置于b端。
②電壓表量程為3 V，最小刻度為0.1 V，則U1的讀數為1.60 V；由此可知表面光照強度較小的RG1兩端電壓較大，說明表面光照強度較小的光敏電阻阻值較大。
(3)由于兩電壓表的示數U14．(2025·河北9月聯考)磁敏電阻是一種對磁敏感、具有磁阻效應的電阻元件。物質在磁場中電阻發生變化的現象稱為磁阻效應。某實驗小組利用伏安法測量一磁敏電阻RM的阻值(約幾千歐)隨磁感應強度的變化關系。所用器材如下：
電源E(電動勢為6 V，內阻不計)，滑動變阻器R(最大阻值為20 Ω)，電壓表(量程為0～3 V，內阻為 2 kΩ)，毫安表(量程為0～3 mA，內阻不計)和定值電阻R0(阻值為1 kΩ)，以及開關、導線若干。
(1)為了使磁敏電阻兩端電壓調節范圍盡可能大，實驗小組設計了電路圖甲，請用筆畫線代替導線在乙圖中將實物連線補充完整。
(2)某次測量時電壓表的示數如圖丙所示，電壓表的讀數為________ V，電流表讀數為0.5 mA，則此時磁敏電阻的阻值為___________。
見解析圖
1.30
　3.9×103 Ω
(3)實驗中得到該磁敏電阻阻值RM隨磁感應強度B變化的曲線如圖丁所示，某同學利用該磁敏電阻制作了一種報警器，其電路的一部分如圖戊所示。圖中E為直流電源(電動勢為6.0 V，內阻可忽略)，當圖中的輸出電壓達到或超過2.0 V時，便觸發報警器(圖中未畫出)報警。若要求磁感應強度增大為0.2 T時開始報警，則圖中________(選填“R1”或“R2”)應使用磁敏電阻，另一定值電阻的阻值應為________ kΩ(保留3位有效數字)。
R2
2.80
[解析]　(1)根據電路題圖甲，在題圖乙中補充實物連線圖如圖所示。
(2)電壓表的最小刻度值為0.1 V，如題圖丙所示，電壓表的讀數為
1.30 V，根據串聯電路電壓與電阻成正比的關系，磁敏電阻兩端的電壓為×(2 kΩ＋1 kΩ)＝1.95 V，電流表讀數為0.5 mA，此時磁敏電阻的阻值RM＝ Ω＝3.9×103 Ω。
(3)根據閉合電路歐姆定律可得輸出電壓U＝，要求輸出電壓達到或超過2.0 V時開始報警，則R2應為磁敏電阻，由題圖丁知磁感應強度增大為0.2 T時R2＝1.4 kΩ，此時磁敏電阻兩端的電壓U＝2.0 V，代入上式，解得另一定值電阻的阻值應為R1＝2.80 kΩ。
5．氣敏電阻在安全領域有著廣泛的應用。有一個對甲醛氣體非常敏感的氣敏電阻Rq，正常情況下阻值為幾百歐，當甲醛濃度升高時，其阻值可以增大到幾千歐。為了研究其阻值隨甲醛濃度變化的規律，供選用的器材如下：
A．電源E0(電動勢6 V，內阻不計)；
B．滑動變阻器R；
C．導線若干及開關S；
D．電壓表V(量程3 V，內阻1 kΩ)；
E．毫安表mA(量程50 mA，內阻100.0 Ω)。
(1)探究小組設計了如圖(a)所示實驗電路，其中毫安表用來測定________，量程為________。
電壓
5 V
(2)將氣敏電阻置于密封小盒內，通過注入甲醛改變盒內甲醛濃度，記錄不同甲醛濃度下電表的示數，計算出氣敏電阻對應阻值，得到如圖(b)所示阻值隨甲醛濃度變化的圖像(Rq-η圖像)。當氣敏電阻阻值為Rq＝2.3 kΩ時，盒內甲醛濃度為_____________________。
5.8×10-8 kg·m-3　
(3)已知國家室內甲醛濃度標準是η≤0.1 mg·m-3。探究小組利用該氣敏電阻設計了如圖(c)所示的簡單測試電路，用來測定室內甲醛是否超標，電源電動勢為E＝5.0 V(內阻不計)，電路中D1、D2分別為紅、綠發光二極管，紅色發光二極管D1的啟動(導通)電壓為2.0 V，即發光二極管兩端電壓UD1≥ 2.0 V 時點亮，綠色發光
二極管D2的啟動電壓為3.0 V，發光二極管啟動時對電
路電阻的影響不計。實驗要求當室內甲醛濃度正常時
綠燈亮，超標時紅燈亮，則兩電阻R1、R2中為定值電
阻的是______，其阻值為________。
R2
3.9 kΩ
[解析]　(1)毫安表與氣敏電阻并聯，因此用來測定電壓，其量程為U0＝IgRg＝50×10-3×100.0 V＝5 V。
(2)由題圖(b)可讀出，當氣敏電阻阻值為Rq＝2.3 kΩ 時，甲醛濃度為5.8×10-8 kg·m-3。
(3)R1、R2串聯分壓，當甲醛濃度升高，氣敏電阻的阻值Rq增大時，紅色發光二極管D1兩端電壓應升高，所以R1為氣敏電阻，R2為定值電阻，且＝為紅色發光二極管D1處于點亮的臨界狀態，由題圖(b)可知當η＝0.1 mg/m3＝1×10-7 kg/m3時，Rq＝2.6 kΩ，故R2＝Rq＝3.9 kΩ。
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