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第三节　用传感器制作自动控制装置
第四节　利用智能手机中的磁传感器研究磁现象
[学习目标]
1.了解光控电路的实验电路图及工作原理.
2.知道利用智能手机传感器测量磁感应强度的原理.
知识点一　用传感器制作自动控制装置
一、实验目的
1.会利用传感器制作简单的自动控制装置.
2.掌握光控开关的工作原理.
二、实验原理
1.路灯自动化管理
(1)电路图如图所示
(2)原理
当白天光线变强时,光敏电阻RG的阻值减小,干路电流增大,根据闭合电路欧姆定律,可知此时路端电压变小,因此灯泡L的亮度较暗;当夜晚光线变弱时,光敏电阻RG的阻值反而增大,此时路端电压变大,灯泡L的亮度增加.上述电路不能实现天亮自动熄灭的要求.
2.单向晶闸管的工作原理
(1)电路如图所示
(2)原理
电子电路中常见的元件——单向晶闸管VS可以实现电路的自动通断控制.它很像二极管,但比二极管多了一个控制极G,通过控制极G可以控制VS的通断.一个阴极受控VS的工作原理图如图所示,其中A、K、G分别为VS的阳极、阴极、门极(控制极).当单向晶闸管VS受到正向阳极电压并且门极有触发电流IG时才会导通.这正符合设计的需要.
3.利用单向晶闸管对电路通断的控制
(1)电路如图所示
(2)原理
当白天光线较强时,光敏电阻RG呈现低电阻,此时,通过VD和R后的电流主要分流到RG支路,而流向门极G的电流变小,不足以触发导通VS,VS处于关断状态,灯泡不亮.当夜幕降临时,光线减弱,RG呈现高电阻,流向门极G的电流增大,从而触发导通VS,灯泡L发亮.
三、实验器材
学生电源、二极管VD、单向晶闸管VS、电阻R、光敏电阻RG、灯泡、导线等.
四、实验步骤
1.测试所有器材,确定是否完好.
2.按图布线、焊接,并检查焊接是否正确.
3.接通电源,逐渐减小光敏电阻的光照强度,观察L的发光情况,自动控制电路完成.
知识点二　利用传感器进行的实用电路设计
[例1] (自动报警电路的设计)某同学利用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路”,如图甲所示.将热敏电阻RT安装在需要探测温度的地方,当环境温度正常时,继电器的上触点接触,下触点分离,指示灯亮;当环境温度超过某一值时,继电器的下触点接触,上触点分离,警铃响.图甲中继电器的供电电压U1=3 V,继电器线圈用漆包线绕成,其电阻R0为40 Ω.当线圈中的电流大于或等于50 mA时, 继电器的衔铁将被吸合,警铃响.图乙是热敏电阻的阻值随温度变化的图像.
(1)图甲中警铃的接线柱C应与接线柱　　相连,指示灯的接线柱D应与接线柱　　相连.
(均选填“A”或“B”)
(2)当环境温度升高时,热敏电阻的阻值将　　　　,继电器的磁性将　　　　,当环境温度达到　　　　℃时,警铃报警.(前两空均选填“增大”“减小”或“不变”)
(3)如果要使报警电路在更低的温度就报警,下列方案可行的是　　　 　.
[A] 适当减小U1　　[B] 适当增大U1
[C] 适当减小U2 [D] 适当增大U2
【答案】 (1)B　A　(2)减小　增大　100　(3)B
【解析】 (1)当环境温度正常时,继电器的上触点接触,下触点分离,指示灯亮;当环境温度超过某一值时,继电器的下触点接触,上触点分离,警铃响,可知警铃的接线柱C应与接线柱B相连,指示灯的接线柱D应与接线柱A相连.
(2)当环境温度升高时,热敏电阻阻值减小,由欧姆定律知电路中的电流增大,则继电器的磁性将增大.当线圈中的电流等于50 mA时,继电器的衔铁刚好被吸合,则控制电路中电阻最大值为R总== Ω=60 Ω,此时热敏电阻的阻值为RT=R总-R0=60 Ω-40 Ω=20 Ω,由题图乙知,此时环境温度为100 ℃,所以环境温度在t≥100 ℃时,警铃报警.
(3)要使报警电路在更低的温度就报警,则线圈中的电流等于50 mA时,热敏电阻RT变大,由(2)知,热敏电阻RT=-R0,则可通过适当增大U1达到这个目的,故B正确,A、C、D错误.
[例2] (温控开关的设计与分析)(2023·广州天河区期末)如图所示,图甲为热敏电阻的R-t图像,图乙为用此热敏电阻和继电器组成的一简易温控开关,继电器的电阻为60 Ω.当继电器电流超过10 mA时,衔铁吸合,加热器停止加热,实现温控.为继电器线圈供电的电池E的内阻不计.图中的“电源”是恒温箱加热器的电源.
(1)提供以下实验器材:电源E1(3 V),电源E2(6 V),滑动变阻器R1(0～20 Ω),滑动变阻器R2(0～220 Ω),为使该装置实现对20～60 ℃之间任意温度的控制,电源应选　　 　(填“E1”或“E2”);滑动变阻器应选　　　(填“R1”或“R2”).
(2)为了实现恒温箱系统保持温度为40 ℃,实验时进行了以下操作:
①断开开关,滑动变阻器调节至　　 　　(填“最大”或“最小”),需将电阻箱调到一固定的阻值　　　 Ω.
②将单刀双掷开关向c端闭合.
③缓慢调节滑动变阻器的阻值观察到继电器的衔铁恰好被吸合.
④保持滑动变阻器的位置不变,将单刀双掷开关向另一端闭合,恒温箱系统正常工作.
(3)若恒温箱系统要保持温度为40 ℃,则需把滑动变阻器调节到　　　 Ω;若恒温箱系统要保持温度为35 ℃,则滑动变阻器正常工作时须向　　 (填“左”或“右”)移动滑片.
【答案】 (1)E1　R2　(2)①最大　60　(3)180　左
【解析】 (1)为使该装置实现对20～60 ℃之间任意温度的控制,滑动变阻器的最大阻值必定大于热敏电阻的电阻变化,故R>110 Ω,滑动变阻器选用R2;又有继电器电阻r=60 Ω,电路中的电流I=,计算可知,若选用E2=6 V的电源,电路中的最小电流仍大于10 mA,无法实现温控功能,而E1=3 V的电源可以满足实验要求,故选用电源E1.
(2)将滑动变阻器调节至最大,起保护作用,由题图甲可知40 ℃时热敏电阻对应阻值为
60 Ω,因此需将电阻箱阻值调到60 Ω.
(3)若恒温箱系统要保持温度为40 ℃,应调节滑动变阻器R的阻值,使电流达到10 mA,由闭合电路欧姆定律得I=,即R=-r-Rt=180 Ω,即滑动变阻器R的阻值应调节为180 Ω;恒温箱系统要保持温度为35 ℃,热敏电阻阻值变大,滑动变阻器R的阻值须变小,即向左移动滑片.
[例3] (光控开关的设计)为了节能和环保,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,光敏电阻是阻值随着光的照度变化而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱,光越强照度越大,照度单位为lx).某光敏电阻RG在不同照度下的阻值如表所示:
照度/lx 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
电阻/kΩ 75 40 28 23 20 18
(1)根据表中数据,请在图甲中描绘出阻值随照度变化的曲线,并说明阻值随照度变化的
特点:　　　　　　　　　　.
(2)如图乙所示,当1、2两端所加电压上升至2 V时,控制开关自动启动照明系统,请利用下列器材设计一个简单电路.给1、2两端提供电压,要求当天色渐暗照度降低至1.0 lx时启动照明系统,在虚线框内完成电路原理图.(不考虑控制开关对所设计电路的影响)
提供的器材如下:
光敏电阻RG(符号,阻值见表);
电源E(电动势3 V,内阻不计);
定值电阻:R1=10 kΩ,R2=20 kΩ,R3=40 kΩ(限选其中之一并在图中标出);
开关S及导线若干.
【答案】 见解析
【解析】 (1)光敏电阻的阻值随照度变化的曲线如图a所示.
光敏电阻的阻值随照度的增大非线性减小.
(2)电路原理图如图b所示.控制开关自动启动照明系统,给1、2两端提供电压,要求当天色渐暗照度降低至1.0 lx时启动照明系统,即此时光敏电阻的阻值为20 kΩ,两端电压为2 V,电源电动势为3 V,所以应加上一个分压电阻,分压电阻的阻值为10 kΩ,即选用R1.
课时作业(二十九)　用传感器制作自动控制装置　
利用智能手机中的磁传感器研究磁现象
(分值:60分)
(选择题每题6分)
1.图甲为一种家用门磁防盗报警器,由磁条和主机组成,门窗均可使用,乙图为其简化示意图,安装时,将磁条固定在门框上,主机安装在与其等高的门板边缘,门关上时,两者刚好靠在一起.主机开关闭合时,若门被打开,磁条与主机分离,主机内的触发器就会工作,带动报警器发出报警声.下列有关说法正确的是(　　)
[A] 触发器内是一个开关,当主机与磁条靠近时,开关是断开的
[B] 触发器可以由铜制成
[C] 磁条的两极对调后,该报警器不能正常工作
[D] 本装置是利用电流的磁效应工作的
【答案】 A
【解析】 门关上时,磁条与触发器刚好靠在一起,此时报警器不工作,说明电路是断开的;当主机开关闭合时,若门被打开,磁条与主机分离,主机内的触发器就会工作,带动报警器发出报警声,说明此时触发器内的开关是闭合的,A正确.触发器与磁条之间存在磁力的作用,所以触发器不可能是铜制成的,因为铜没有磁性,B错误.无论磁条哪个磁极靠近触发器,都存在磁力作用,所以两极对调后,该报警器仍能正常工作,C错误.本装置是利用磁体能够吸引磁性物体的特点工作的,D错误.
2.(2025·广东揭阳高二统考)交警使用的某型号酒精测试仪如图甲所示,其工作原理如图乙所示,传感器的电阻R的阻值随酒精气体浓度的增大而减小,电源的电动势为E,内阻为r,电路中的电表均为理想电表,且定值电阻R0=r.当一位酒驾驾驶员对着测试仪吹气时,下列说法正确的是(　　)
[A] 电压表的示数减小,电流表的示数减小
[B] 电压表的示数增大,电流表的示数增大
[C] 定值电阻的功率增大
[D] 电源对外输出功率减小
【答案】 C
【解析】 当酒驾驾驶员对着测试仪吹气时,传感器的电阻减小,电路中的电流增大,内阻和R0的分电压增大,则传感器电阻上的电压减小,电压表示数减小,A、B错误;因电路中电流增大,故定值电阻的功率增大,C正确;当内阻、外电阻相等时,电源的输出功率最大,当传感器的电阻减小时,外电阻的阻值接近内阻,所以电源的输出功率增大,D错误.故选C.
3.(多选)(2024·广州执信中学)图甲为某厂商生产的平行板电容式电子体重秤,其内部电路简化图如图乙所示,称重时,人站在体重秤面板上,使平行板上层膜片电极在压力作用下向下移动,则下列说法正确的有(　　)
[A] 上层膜片下移过程中,电流表有b到a的电流
[B] 电容器的电容减小,上、下极板间的电压减小
[C] 电容器的电容增大,所带电荷量增大
[D] 上层膜片稳定后,平行板电容器上、下极板均不带电荷
【答案】 AC
【解析】 电容器与电源保持连接,两板间的电势差不变,上层膜片下移的过程中,根据C=,C=可知,两板间距减小,电容增大,电荷量增大,电容器充电,因为上极板带正电,电流表有b到a的电流,A、C正确,B错误;上层膜片稳定后,平行板电容器上、下极板均带电,D错误.
4.(12分)行人闯红灯是造成交通事故的违法行为之一,为记录并处罚这种行为,有人设计了一种闯红灯测量器,其原理为路口人行道两头停止处均浅埋阻值R随压力F变化(如图甲所示)的压敏电阻,将压敏电阻接入如图乙所示的电路中,已知控制电路中电源的电动势为12 V,内阻为12 Ω,继电器线圈电阻为38 Ω,滑动变阻器连入电路的电阻为130 Ω;当控制
电路中的电流大于0.05 A时,衔铁会被吸合,从而启动工作电路,电控照相机拍照记录违法
行为.
(1)(4分)当绿灯亮起时,光控开关应处于　　　　(选填“闭合”或“断开”)状态.
(2)(4分)当红灯亮起时,某人经过人行道停止处,电流表A的示数会变　　 　　(选填“大”或“小”).
(3)(4分)质量超过　　　　kg的行人闯红灯时才会被拍照记录.(重力加速度g取10 m/s2)
【答案】 (1)断开　(2)大　(3)20
【解析】 (1)当绿灯亮起时,上面的工作电路应该是断开的,此时光控开关应处于断开状态.
(2)当红灯亮起时,某人经过人行道停止处,对压敏电阻产生压力,由题图甲可知压敏电阻的阻值减小,控制电路的电流变大,则电流表A的示数会变大.
(3)当照相机拍摄时,控制电路的电流达到I=0.05 A,由闭合电路欧姆定律有I=,解得R=60 Ω,由题图甲可知F=200 N,即质量超过20 kg的行人闯红灯时才会被拍照记录.
5.(16分)有一种自动控制装置,利用热敏电阻作为传感器,借助电磁开关可实现自动监控温度,从而进行火灾报警.电磁开关的内部结构如图甲所示,1、2接线柱之间是励磁线圈,3、4两接线柱分别与触点和弹簧片连接,当励磁线圈中电流大于50 mA时,电磁铁吸合衔铁,弹簧片和触点连接,3、4接通;电流小于50 mA时,3、4分开.正常情况下,环境温度保持在24 ℃左右,为使环境温度高于40 ℃时报警器开始报警,请根据以下提供的器材完成监测火灾的自控电路.
热敏电阻:其电阻随温度变化的图像如图乙所示;
电磁开关:线圈电阻为150 Ω;
电源:电动势为20 V,内阻可忽略;
定值电阻:R1=200 Ω,R2=210 Ω;
报警器;开关;导线若干.
(1)(4分)由图乙可知,此热敏电阻的阻值随温度按　　　 　(选填“线性”或“非线性”)规律变化.
(2)(4分)图丙中定值电阻应选择　　 　　(选填“R1”或“R2”).
(3)(4分)请在图丙中补充完整电路图.
(4)(4分)若考虑保护电阻和励磁线圈电阻因长时间通电导致升温,而使电阻值增大,则报警将会　　　 　(选填“提前”“延后”或“不变”).
【答案】 (1)非线性　(2)R2　(3)图见解析 (4)延后
【解析】 (1)由题图乙可知,热敏电阻的阻值随温度按非线性规律变化.
(2)由题意可得,当电路电阻为R总== Ω=400 Ω时,电磁铁吸合衔铁,弹簧片和触点连接,3、4接通,报警器报警.由题图乙可知,当温度为40 ℃时,热敏电阻阻值为40 Ω,
则R=400 Ω-40 Ω-150 Ω=210 Ω,故定值电阻应选择R2.
(3)由题意得,电路图如图所示.
(4)若保护电阻和励磁线圈电阻因长时间通电导致升温,而使电阻值增大,则热敏电阻小于40 Ω时,电路电流才能达到50 mA,则对应温度高于40 ℃,即报警器会延后报警.
6.(14分)(2025·深圳市高二期末)某实验小组设计了一个灯光控制系统.声、光控制开关需要同时满足光线较暗、有活动声音时才接通电路的工作要求.其示意图如图甲所示.
(1)(4分)声、光控制开关中的声控继电器与光控继电器是　　　 　(填“并联”或“串联”)关系.
(2)(5分)其中光控继电器的电路结构如图乙所示.已知环境光亮度越大,光敏电阻的阻值越小,当电路电流小于某阈值I0时,继电器开始工作.在设定的光亮度条件下调节滑动变阻器,使继电器恰好开始工作,此时电流表示数如图丙所示,此时I0=　　 　　A.
(3)(5分)为了节约用电,需要降低光亮度阈值,应该把滑动变阻器的阻值调　　　　.
【答案】 (1)串联　(2)0.42　(3)小
【解析】 (1)由于声、光控制开关需要同时满足光线较暗、有活动声音时才接通电路的工作要求,可知声、光控制开关中的声控继电器与光控继电器是串联关系.
(2)题图丙中电流表的量程为0～0.6 A,精确度为0.02 A,根据电流表的读数规则可知,该电流表的读数为0.42 A,即I0=0.42 A.
(3)由于环境光亮度越大,光敏电阻的阻值越小,则当降低光亮度阈值时,对应光敏电阻的阻值增大,由于电路电流小于某阈值I0时,继电器开始工作,可知此时应把滑动变阻器的阻值调小.(共24张PPT)
第三节　用传感器制作自动控制装置
第四节　利用智能手机中的磁传感器研究
磁现象
[学习目标]　
1.了解光控电路的实验电路图及工作原理.
2.知道利用智能手机传感器测量磁感应强度的原理.
知识点一　用传感器制作自动控制装置
一、实验目的
1.会利用传感器制作简单的自动控制装置.
2.掌握光控开关的工作原理.
二、实验原理
1.路灯自动化管理
(1)电路图如图所示
(2)原理
当白天光线变强时,光敏电阻RG的阻值减小,干路电流增大,根据闭合电路欧姆定律,可知此时路端电压变小,因此灯泡L的亮度较暗;当夜晚光线变弱时,光敏电阻RG的阻值反而增大,此时路端电压变大,灯泡L的亮度增加.上述电路不能实现天亮自动熄灭的要求.
2.单向晶闸管的工作原理
(1)电路如图所示
(2)原理
电子电路中常见的元件——单向晶闸管VS可以实现电路的自动通断控制.它很像二极管,但比二极管多了一个控制极G,通过控制极G可以控制VS的通断.一个阴极受控VS的工作原理图如图所示,其中A、K、G分别为VS的阳极、阴极、门极(控制极).当单向晶闸管VS受到正向阳极电压并且门极有触发电流IG时才会导通.这正符合设计的需要.
3.利用单向晶闸管对电路通断的控制
(1)电路如图所示
(2)原理
当白天光线较强时,光敏电阻RG呈现低电阻,此时,通过VD和R后的电流主要分流到RG支路,而流向门极G的电流变小,不足以触发导通VS,VS处于关断状态,灯泡不亮.当夜幕降临时,光线减弱,RG呈现高电阻,流向门极G的电流增大,从而触发导通VS,灯泡L发亮.
三、实验器材
学生电源、二极管VD、单向晶闸管VS、电阻R、光敏电阻RG、灯泡、导线等.
四、实验步骤
1.测试所有器材,确定是否完好.
2.按图布线、焊接,并检查焊接是否正确.
3.接通电源,逐渐减小光敏电阻的光照强度,观察L的发光情况,自动控制电路完成.
知识点二　利用传感器进行的实用电路设计
[例1] (自动报警电路的设计)某同学利用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路”,如图甲所示.将热敏电阻RT安装在需要探测温度的地方,当环境温度正常时,继电器的上触点接触,下触点分离,指示灯亮;当环境温度超过某一值时,继电器的下触点接触,上触点分离,警铃响.图甲中继电器的供电电压U1=3 V,继电器线圈用漆包线绕成,其电阻R0为40 Ω.当线圈中的电流大于或等于50 mA时, 继电器的衔铁将被吸合,警铃响.图乙是热敏电阻的阻值随温度变化的图像.
(1)图甲中警铃的接线柱C应与接线柱　　　　相连,指示灯的接线柱D应与接线柱　　　　相连.(均选填“A”或“B”)
B
A
【解析】 (1)当环境温度正常时,继电器的上触点接触,下触点分离,指示灯亮;当环境温度超过某一值时,继电器的下触点接触,上触点分离,警铃响,可知警铃的接线柱C应与接线柱B相连,指示灯的接线柱D应与接线柱A相连.
(2)当环境温度升高时,热敏电阻的阻值将　　　 ,继电器的磁性将　　　　,当环境温度达到　 　℃时,警铃报警.(前两空均选填“增大”“减小”或“不变”)
减小
增大
100
(3)如果要使报警电路在更低的温度就报警,下列方案可行的是　　　　.
[A] 适当减小U1 　　[B] 适当增大U1
[C] 适当减小U2 [D] 适当增大U2
B
[例2] (温控开关的设计与分析)(2023·广州天河区期末)如图所示,图甲为热敏电阻的R-t图像,图乙为用此热敏电阻和继电器组成的一简易温控开关,继电器的电阻为60 Ω.当继电器电流超过10 mA时,衔铁吸合,加热器停止加热,实现温控.为继电器线圈供电的电池E的内阻不计.图中的“电源”是恒温箱加热器的电源.
(1)提供以下实验器材:电源E1(3 V),电源E2(6 V),滑动变阻器R1(0～20 Ω),滑动变阻器R2(0～220 Ω),为使该装置实现对20～60 ℃之间任意温度的控制,电源应选　　　(填“E1”或“E2”);滑动变阻器应选　　　(填“R1”或“R2”).
E1
R2
(2)为了实现恒温箱系统保持温度为40 ℃,实验时进行了以下操作:
①断开开关,滑动变阻器调节至　　　　(填“最大”或“最小”),需将电阻箱调到一固定的阻值　　　 Ω.
②将单刀双掷开关向c端闭合.
③缓慢调节滑动变阻器的阻值观察到继电器的衔铁恰好被吸合.
④保持滑动变阻器的位置不变,将单刀双掷开关向另一端闭合,恒温箱系统正常工作.
最大
60
【解析】 (2)将滑动变阻器调节至最大,起保护作用,由题图甲可知40 ℃时热敏电阻对应阻值为60 Ω,因此需将电阻箱阻值调到60 Ω.
(3)若恒温箱系统要保持温度为40 ℃,则需把滑动变阻器调节到　　 　 Ω;若恒温箱系统要保持温度为35 ℃,则滑动变阻器正常工作时须向　　 (填“左”或“右”)移动滑片.
180
左
[例3] (光控开关的设计)为了节能和环保,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,光敏电阻是阻值随着光的照度变化而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱,光越强照度越大,照度单位为lx).某光敏电阻RG在不同照度下的阻值如表所示:
照度/lx 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
电阻/kΩ 75 40 28 23 20 18
(1)根据表中数据,请在图甲中描绘出阻值随照度变化的曲线,并说明阻值随照度变化的特点:　　　　　　　　　　.
【答案及解析】 (1)光敏电阻的阻值随照度变化的曲线如图a所示.
光敏电阻的阻值随照度的增大非线性减小.
(2)如图乙所示,当1、2两端所加电压上升至2 V时,控制开关自动启动照明系统,请利用下列器材设计一个简单电路.给1、2两端提供电压,要求当天色渐暗照度降低至1.0 lx时启动照明系统,在虚线框内完成电路原理图.(不考虑控制开关对所设计电路的影响)
提供的器材如下:
电源E(电动势3 V,内阻不计);
定值电阻:R1=10 kΩ,R2=20 kΩ,R3=40 kΩ(限选其中之一并在图中标出);
开关S及导线若干.
【答案及解析】 (2)电路原理图如图b所示.控制开关自动启动照明系统,给1、2两端提供电压,要求当天色渐暗照度降低至1.0 lx时启动照明系统,即此时光敏电阻的阻值为20 kΩ,两端电压为2 V,电源电动势为3 V,所以应加上一个分压电阻,分压电阻的阻值为10 kΩ,即选用R1.
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