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实验十三　利用传感器制作简单的自动控制装置
一、传感器及其工作原理
1.传感器的工作原理：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。通常转换成的可用信号是电压、电流等　电学　量，或转换为电路的　通断　。把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、　传输　、处理和　控制　。
传感器应用的一般模式如图所示：
2.传感器的核心元件
(1)敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。
(2)转换元件：能将敏感元件输出的信号直接转换成　电信号　的部分。
(3)信号调整与转换电路：能把输出的微弱的电信号放大的部分。
3.传感器的分类
类别 工作原理 举例
物理 传感器 利用物质的物理特性或物理效应感知并检测出待测对象的信息 力传感器、磁传感器、声传感器等
化学 传感器 利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度转换为电信号 离子传感器、气体传感器等
生物 传感器 利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质 酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等
二、常见敏感元件
1.光敏电阻
(1)特点：一般情况下，光照越强，电阻越小。
(2)原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能　差　；随着光照的　增强　，载流子增多，导电性　变好　。
(3)作用：把　光照强弱　这个光学量转换为　电阻　这个电学量。
2.热敏电阻和金属热电阻
(1)热敏电阻
热敏电阻一般由半导体材料制成，其电阻随温度的变化明显，温度升高电阻　减小　，如图甲所示为某一热敏电阻的阻值随温度变化的特性曲线。
　　
甲 乙
(2)金属热电阻
有些金属的电阻率随温度的升高而　增大　，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。
(3)作用：热敏电阻和金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
注意：在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻。
3.电阻应变片
(1)电阻应变片的作用：电阻应变片能够把物体　形变　这个力学量转换为　电阻　这个电学量。
(2)电子秤的组成及敏感元件：由　金属梁　和电阻　应变片　组成，敏感元件是　应变片　。
(3)电子秤的工作原理
金属梁自由端受力F 金属梁发生弯曲 应变片的电阻变化 两应变片上电压的差值变化
4.霍尔元件的应用
霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的一种磁敏元件。一般用于电机中测定转子的转速，如录像机的磁鼓、电脑中的散热风扇等。
(1)霍尔元件的工作原理：E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M、N间出现电压(如图所示)。
(2)霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受静电力和洛伦兹力二力平衡。
(3)霍尔电压：UH=k(d为薄片的厚度，k为霍尔系数)。其中UH与B成正比，所以霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
[例1]　某兴趣小组为了研究一光敏电阻RG的阻值随光的照度(表示光的强弱，单位为“lx”)变化的规律，进行了下列实验。
甲
　
乙
丙
(1)为了精确测量一定照度下此光敏电阻的阻值，按图甲连接好电路进行测量，请把下列实验步骤补充完整。
①闭合开关S1前，应将滑动变阻器RP的滑片滑到　b　(填“a”或“b”)端；
②用一定照度的光源照射光敏电阻，开关S2打到1，调节滑动变阻器RP，记录电流表的示数I1，断开开关S1；
③保持滑动变阻器RP的阻值不变，将开关S2由“1”拨到“2”，闭合开关S1，调节电阻箱R0的阻值，使电流表的示数仍为I1，记录电阻箱R0的阻值为R01，断开开关S1；
④由此测得在该照度条件下，光敏电阻的阻值RG=　R01　。
(2)用上述方法，该小组继续测得多组不同照度下该光敏电阻的阻值，并描绘出其阻值随照度变化的曲线，如图乙所示。小组利用该光敏电阻RG、直流电源E(电动势为3 V，内阻不计)、定值电阻(R1=15 kΩ，R2=20 kΩ，R3=40 kΩ，限选其中之一)、开关S及导线若干，设计一自动控制照明电路(天暗后启动照明)，如图丙所示，当1、2两端所加电压大于或等于2 V时，控制开关将自动启动照明系统，电路中1、2两端应接在　RG　(填“RG”或“R”)两端；若要求照度降低至0.6 lx时启动照明系统，定值电阻R应选用　R1　(填“R1”“R2”或“R3”)。
【解析】 (1)①闭合开关S1前，应将滑动变阻器R的滑片滑到b端，滑动变阻器的有效电阻最大，开始接通电路时的电流最小，从而起到安全保护电路的作用；
④开关S2打到1，设滑动变阻器接入电路的电阻为RP，电源内阻为r，由闭合电路欧姆定律I1=，保持滑动变阻器RP的阻值不变，将开关S2由“1”拨到“2”，闭合开关S1，调节电阻箱R0的阻值，使电流表的示数仍为I1，由闭合电路欧姆定律I1=，由此测得在该照度条件下，光敏电阻的阻值RG=R01。
(2)由图乙可知，光敏电阻RG的阻值随照度的降低而增大，光敏电阻RG和定值电阻是串联关系，光敏电阻阻值越大分得的电压越多，为使当1、2两端所加电压等于或大于2 V时，控制开关将自动启动照明系统，电路中1、2两端应接在RG两端；
由图乙可知，照度为0.6 lx时，光敏电阻的阻值RG=30 kΩ，若要求照度降低至0.6 lx时启动照明系统，由题意可知，解得R=10 kΩ，定值电阻R应选用R1。
[例2]　某同学通过实验制作一个简易的温控装置，实验原理电路图如图甲所示，继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端，当继电器的电流超过15 mA时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控。继电器的电阻约为20 Ω，热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如表所示。
t/℃ 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0
Rt/ Ω 199.5 145.4 108.1 81.8 62.9 49.1
甲
乙
(1)通过对上面数据分析得到热敏电阻的阻值Rt随温度t变化的特点是：　热敏电阻阻值随温度升高而变小，且温度越高，阻值的变化越慢　；
(2)提供的实验器材有：电源E1(3 V，内阻不计)、电源E2(6 V，内阻不计)、滑动变阻器R1(0~200 Ω)、滑动变阻器R2(0~500 Ω)、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱(0~999.9 Ω)、开关S、导线若干。
为使该装置实现对30~80 ℃之间任一温度的控制，电源E应选用　E2　(填“E1”或“E2”)，滑动变阻器R应选用　R2　(填“R1”或“R2”)。
(3)实验发现电路不工作。某同学为排查电路故障，用多用电表测量各接点间的电压，则应将
如图乙所示的选择开关旋至　C　(填“A”“B”“C”或“D”)挡。
(4)合上开关S，用调节好的多用电表进行排查，在图甲电路图中，若只有b、c间断路，则应发现表笔接入a、b时指针不偏转，接入a、c时指针　偏转　(填“偏转”或“不偏转”)。
【解析】 (2)因通过继电器的电流超过15 mA时加热器停止加热，为使该装置实现对30~80 ℃之间任一温度的控制，要求电路在30~80 ℃之间的任一温度下的电流能通过调节达到15 mA。当控制到30 ℃时，电路的最小阻值为Rmin=199.5 Ω＋20 Ω=219.5 Ω。要使电流达到15 mA，则所需电源电动势至少为Emin=IRmin≈3.29 V，故电源只能选用电动势为6 V的E2。为使温度控制在80 ℃，则在6 V电源下电路中的电流能达到15 mA，故此时滑动变阻器接入电路中的阻值为R=－(Rt＋R继)=330.9 Ω，故滑动变阻器应选用R2。
(3)本实验使用的是直流电源，用多用电表测量各接点间的电压，则应将选择开关旋至直流电压挡位，即将选择开关旋至C。
(4)若只有b、c间断路，多用电表的表笔接入a、c时，两表笔与电源的两极是接通的，则多用电表的指针会发生偏转。
[例3]　(2024·河北卷)某种花卉喜光，但阳光太强时易受损伤。某兴趣小组决定制作简易光强报警器，以便在光照过强时提醒花农。该实验用到的主要器材如下：学生电源、多用电表、数字电压表(0~20 V)、数字电流表(0~20 mA)、滑动变阻器R(最大阻值50 Ω，1.5 A)、白炽灯、可调电阻R1(0~50 kΩ)、发光二极管LED、光敏电阻RG、NPN型三极管VT、开关和若干导线等。
(1)判断发光二极管的极性。
使用多用电表的“×10 k”欧姆挡测量二极管的电阻。如图甲所示，当黑表笔与接线端M接触、红表笔与接线端N接触时，多用电表指针位于表盘中a位置(见图乙)；对调红、黑表笔后指针位于表盘中b位置(见图乙)，由此判断M端为二极管的　负极　(填“正极”或“负极”)。
甲
　
乙
(2)研究光敏电阻在不同光照条件下的伏安特性。
①采用图丙中的器材进行实验，部分实物连接已完成。要求闭合开关后电压表和电流表的读数从0开始。导线L1、L2和L3的另一端应分别连接滑动变阻器的　　　　、　　　　、　　　　接线柱。(均填“A”“B”“C”或“D”)
丙
【答案】 见解析
②图丁为不同光照强度下得到的光敏电阻伏安特性曲线，图中曲线Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ对应光敏电阻受到的光照由弱到强。由图像可知，光敏电阻的阻值随其表面受到光照的增强而　减小　(填“增大”或“减小”)。
丁
(3)组装光强报警器电路并测试其功能。
图戊为利用光敏电阻、发光二极管、三极管(当b、e间电压达到一定程度后，三极管被导通)等元件设计的电路。组装好光强报警器后，在测试过程中发现，当照射到光敏电阻表面的光强达到报警值时，发光二极管并不发光，为使报警器正常工作，应　增大　(填“增大”或“减小”)可调电阻R1的阻值，直至发光二极管发光。
戊
【解析】 (1)根据欧姆表结构，使用时欧姆表黑表笔接内部电源正极，故当黑表笔接M端，电阻无穷大，说明二极管反向截止，即M端连接电源负极。
(2)①题干要求电压表、电流表读数从零开始，所以滑动变阻器采用分压式接法连接电路，故L1、L2接滑动变阻器A接线柱，L3必须接在金属杆两端接线柱任意一个，即C或D。②由图像可知，随光照强度增加，I－U图像斜率增大，所以电阻减小。
(3)三极管未导通时，RG与R1串联。随着光强增强，RG电阻减小，此时三极管仍未导通，说明R1分压小，故需要增大R1。
[例4]　城市街道的路灯用光敏电阻作为传感器控制路灯电路的开关，实现自动控制。光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化，作为简化模型，可以近似认为，照射光较强(如白天)时电阻几乎为0；照射光较弱(如夜晚)时电阻接近于无穷大。利用光敏电阻作为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭，在夜晚打开。电磁开关的内部结构如图所示。1、2两接线柱之间是励磁线圈，3、4两接线柱分别与弹簧片和触点连接。当励磁线圈中电流大于50 mA时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分离，3、4断开；电流小于50 mA时，3、4接通。励磁线圈中允许通过的最大电流为100 mA。
(1)利用以下器材设计一个自动控制路灯的电路，在虚线框中画出电路原理图：
A.光敏电阻R1，符号为
B.灯泡L，额定功率40 W，额定电压36 V，符号为
C.保护电阻R2，符号为
D.电磁开关，符号为
E.蓄电池E，电压36 V，内阻很小；开关S，导线若干
答图
(2)回答下列问题：
①如果励磁线圈的电阻为200 Ω，励磁线圈允许加的最大电压为　20　V，保护电阻R2的阻值范围是　160~520　Ω；
②在有些应用电磁开关的场合，为了安全，往往需要在电磁铁吸合铁片时，接线柱3、4之间从断开变为接通。为此，电磁开关内部结构应如何改造？请结合本题中电磁开关内部结构图说明。答：　见解析　。
【解析】 (1)要使光敏电阻能够对电路进行控制，且有光照时灯泡熄灭，则光敏电阻应与1、2串联，灯泡与3、4串联，电路图如图所示(电路图不唯一，合理即可)。
(2)①由题意知，励磁线圈的最大电流为100 mA，励磁线圈电阻为200 Ω，则有Umax=ImaxR=100×10－3×200 V=20 V。允许通过励磁线圈的电流最大值为100 mA，允许通过的电流最小值为50 mA，则有R2min=－R=160 Ω，R2max=－R=520 Ω，则阻值范围应为160~520 Ω。②把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当电磁铁吸合铁片时，3、4之间接通；不吸合时，3、4之间断开。(共30张PPT)
内
容
索
引
教材原型实验
创新拓展实验
课时作业
实验十三　利用传感器制作简单的自动控制装置
一、传感器及其工作原理
1.传感器的工作原理：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。通常转换成的可用信号是电压、电流等________量，或转换为电路的________。把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、________、处理和________。
传感器应用的一般模式如图所示：
电学
通断
传输
控制
2.传感器的核心元件
(1)敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。
(2)转换元件：能将敏感元件输出的信号直接转换成___________的部分。
(3)信号调整与转换电路：能把输出的微弱的电信号放大的部分。
3.传感器的分类
电信号
类别 工作原理 举例
物理 传感器 利用物质的物理特性或物理效应感知并检测出待测对象的信息 力传感器、磁传感器、声传感器等
化学 传感器 利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度转换为电信号 离子传感器、气体传感器等
生物 传感器 利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质 酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等
二、常见敏感元件
1.光敏电阻
(1)特点：一般情况下，光照越强，电阻越小。
(2)原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能______；随着光照的________，载流子增多，导电性________。
(3)作用：把______________这个光学量转换为________这个电学量。
差
增强
变好
光照强弱
电阻
2.热敏电阻和金属热电阻
(1)热敏电阻
热敏电阻一般由半导体材料制成，其电阻随温度的变化明显，温度升高电阻________，如图甲所示为某一热敏电阻的阻值随温度变化的特性曲线。

(2)金属热电阻
有些金属的电阻率随温度的升高而________，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。
(3)作用：热敏电阻和金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
注意：在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻。
减小
甲 乙
增大
3.电阻应变片
(1)电阻应变片的作用：电阻应变片能够把物体________这个力学量转换为________这个电学量。
(2)电子秤的组成及敏感元件：由_____________和电阻_____________组成，敏感元件是___________。
(3)电子秤的工作原理
形变
电阻
金属梁
应变片
应变片
4.霍尔元件的应用
霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的一种磁敏元件。一般用于电机中测定转子的转速，如录像机的磁鼓、电脑中的散热风扇等。
(1)霍尔元件的工作原理：E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M、N间出现电压(如图所示)。

(2)霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受静电力和洛伦兹力二力平衡。
(3)霍尔电压：UH=k(d为薄片的厚度，k为霍尔系数)。其中UH与B成正比，所以霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
某兴趣小组为了研究一光敏电阻RG的阻值随光的照度(表示光的强弱，单位为“lx”)变化的规律，进行了下列实验。
例 1
甲 乙 丙
(1)为了精确测量一定照度下此光敏电阻的阻值，按图甲连接好电路进行测量，请把下列实验步骤补充完整。
①闭合开关S1前，应将滑动变阻器RP的滑片滑到______(填“a”或“b”)端；
②用一定照度的光源照射光敏电阻，开关S2打到1，调节滑动变阻器RP，记录电流表的示数I1，断开开关S1；
③保持滑动变阻器RP的阻值不变，将开关S2由“1”拨到“2”，闭合开关S1，调节电阻箱R0的阻值，使电流表的示数仍为I1，记录电阻箱R0的阻值为R01，断开开关S1；
④由此测得在该照度条件下，光敏电阻的阻值RG=_________。
【解析】 ①闭合开关S1前，应将滑动变阻器R的滑片滑到b端，滑动变阻器的有效电阻最大，开始接通电路时的电流最小，从而起到安全保护电路的作用；
④开关S2打到1，设滑动变阻器接入电路的电阻为RP，电源内阻为r，由闭合电路欧姆定律I1=，保持滑动变阻器RP的阻值不变，将开关S2由“1”拨到“2”，闭合开关S1，调节电阻箱R0的阻值，使电流表的示数仍为I1，由闭合电路欧姆定律I1=，由此测得在该照度条件下，光敏电阻的阻值RG=R01。
b
R01
(2)用上述方法，该小组继续测得多组不同照度下该光敏电阻的阻值，并描绘出其阻值随照度变化的曲线，如图乙所示。小组利用该光敏电阻RG、直流电源E(电动势为3 V，内阻不计)、定值电阻(R1=15 kΩ，R2=20 kΩ，R3=40 kΩ，限选其中之一)、开关S及导线若干，设计一自动控制照明电路(天暗后启动照明)，如图丙所示，当1、2两端所加电压大于或等于2 V时，控制开关将自动启动照明系统，电路中1、2两端应接在________(填“RG”或“R”)两端；若要求照度降低至0.6 lx时启动照明系统，定值电阻R应选用________(填“R1”“R2”或“R3”)。
【解析】 由图乙可知，光敏电阻RG的阻值随照度的降低而增大，光敏电阻RG和定值电阻是串联关系，光敏电阻阻值越大分得的电压越多，为使当1、2两端所加电压等于或大于2 V时，控制开关将自动启动照明系统，电路中1、2两端应接在RG两端；
由图乙可知，照度为0.6 lx时，光敏电阻的阻值RG=30 kΩ，若要求照度降低至0.6 lx时启动照明系统，由题意可知，解得R=10 kΩ，定值电阻R应选用R1。
RG
R1
某同学通过实验制作一个简易的温控装置，实验原理电路图如图甲所示，继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端，当继电器的电流超过15 mA时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控。继电器的电阻约为20 Ω，热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如表所示。
例 2
t/℃ 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0
Rt/ Ω 199.5 145.4 108.1 81.8 62.9 49.1
甲
(1)通过对上面数据分析得到热敏电阻的阻值Rt随温度t变化的特点是：_______________________________________________________________；
(2)提供的实验器材有：电源E1(3 V，内阻不计)、电源E2(6 V，内阻不计)、滑动变阻器R1(0~200 Ω)、滑动变阻器R2(0~500 Ω)、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱(0~999.9 Ω)、开关S、导线若干。
为使该装置实现对30~80 ℃之间任一温度的控制，电源E应选用________(填“E1”或“E2”)，滑动变阻器R应选用________(填“R1”或“R2”)。
【解析】 因通过继电器的电流超过15 mA时加热器停止加热，为使该
装置实现对30~80 ℃之间任一温度的控制，要求电路在30~80 ℃之间的
任一温度下的电流能通过调节达到15 mA。当控制到30 ℃时，电路的最
小阻值为Rmin=199.5 Ω＋20 Ω=219.5 Ω。要使电流达到15 mA，则所需电
源电动势至少为Emin=IRmin≈3.29 V，故电源只能选用电动势为6 V的E2。
为使温度控制在80 ℃，则在6 V电源下电路中的电流能达到15 mA，故此时滑动变阻器接入电路中的阻值为R=－(Rt＋R继)=330.9 Ω，故滑动变阻器应选用R2。
乙
热敏电阻阻值随温度升高而变小，且温度越高，阻值的变化越慢
E2
R2
(3)实验发现电路不工作。某同学为排查电路故障，用多用电表测量各接点间的电压，则应将
如图乙所示的选择开关旋至______(填“A”“B”“C”或“D”)挡。
【解析】 本实验使用的是直流电源，用多用电表测量各接点间的电压，则应将选择开关旋至直流电压挡位，即将选择开关旋至C。
(4)合上开关S，用调节好的多用电表进行排查，在图甲电路图中，若只有b、c间断路，则应发现表笔接入a、b时指针不偏转，接入a、c时指针________(填“偏转”或“不偏转”)。
【解析】 若只有b、c间断路，多用电表的表笔接入a、c时，两表笔与电源的两极是接通的，则多用电表的指针会发生偏转。
C
偏转
(2024·河北卷)某种花卉喜光，但阳光太强时易受损伤。某兴趣小组决定制作简易光强报警器，以便在光照过强时提醒花农。该实验用到的主要器材如下：学生电源、多用电表、数字电压表(0~20 V)、数字电流表(0~20 mA)、滑动变阻器R(最大阻值50 Ω，1.5 A)、白炽灯、可调电阻R1(0~50 kΩ)、发光二极管LED、光敏电阻RG、NPN型三极管VT、开关和若干导线等。
例 3
(1)判断发光二极管的极性。
使用多用电表的“×10 k”欧姆挡测量二极管的电阻。如图甲所示，当黑表笔与接线端M接触、红表笔与接线端N接触时，多用电表指针位于表盘中a位置(见图乙)；对调红、黑表笔后指针位于表盘中b位置(见图乙)，由此判断M端为二极管的________(填“正极”或“负极”)。
【解析】 根据欧姆表结构，使用时欧姆表黑表笔接内部电源正极，故当黑表笔接M端，电阻无穷大，说明二极管反向截止，即M端连接电源负极。
负极
甲 乙
(2)研究光敏电阻在不同光照条件下的伏安特性。
①采用图丙中的器材进行实验，部分实物连接已完成。要求闭合开关后电压表和电流表的读数从0开始。导线L1、L2和L3的另一端应分别连接滑动变阻器的________、________、________接线柱。(均填“A”“B”“C”或“D”)
【解析】 ①题干要求电压表、电流表读数从零开始，所以滑动变阻器采用分压式接法连接电路，故L1、L2接滑动变阻器A接线柱，L3必须接在金属杆两端接线柱任意一个，即C或D。
【答案】 见解析
丙
②图丁为不同光照强度下得到的光敏电阻伏安特性曲线，图中曲线Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ对应光敏电阻受到的光照由弱到强。由图像可知，光敏电阻的阻值随其表面受到光照的增强而________ (填“增大”或“减小”)。
【解析】 由图像可知，随光照强度增加，I－U图像斜率增大，所以电阻减小。
减小
丁
(3)组装光强报警器电路并测试其功能。
图戊为利用光敏电阻、发光二极管、三极管(当b、e间电压达到一定程度后，三极管被导通)等元件设计的电路。组装好光强报警器后，在测试过程中发现，当照射到光敏电阻表面的光强达到报警值时，发光二极管并不发光，为使报警器正常工作，应________(填“增大”或“减小”)可调电阻R1的阻值，直至发光二极管发光。
【解析】 三极管未导通时，RG与R1串联。随着光强增强，RG电阻减小，此时三极管仍未导通，说明R1分压小，故需要增大R1。
戊
增大
城市街道的路灯用光敏电阻作为传感器控制路灯电路的开关，实现自动控制。光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化，作为简化模型，可以近似认为，照射光较强(如白天)时电阻几乎为0；照射光较弱(如夜晚)时电阻接近于无穷大。利用光敏电阻作为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭，在夜晚打开。电磁开关的内部结构如图所示。1、2两接线柱之间是励磁线圈，3、4两接线柱分别与弹簧片和触点连接。当励磁线圈中电流大于50 mA时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分离，3、4断开；电流小于50 mA时，3、4接通。励磁线圈中允许通过的最大电流为100 mA。
例 4
(1)利用以下器材设计一个自动控制路灯的电路，在虚线框中画出电路原理图：
A.光敏电阻R1，符号为
B.灯泡L，额定功率40 W，额定电压36 V，符号为
C.保护电阻R2，符号为
D.电磁开关，符号为
E.蓄电池E，电压36 V，内阻很小；开关S，导线若干
【解析】 要使光敏电阻能够对电路进行控制，且有光照时灯泡熄灭，则光敏电阻应与1、2串联，灯泡与3、4串联，电路图如图所示(电路图不唯一，合理即可)。
(2)回答下列问题：
①如果励磁线圈的电阻为200 Ω，励磁线圈允许加的最大电压为________V，保护电阻R2的阻值范围是______________Ω；
②在有些应用电磁开关的场合，为了安全，往往需要在电磁铁吸合铁片时，接线柱3、4之间从断开变为接通。为此，电磁开关内部结构应如何改造？请结合本题中电磁开关内部结构图说明。答：___________。
【解析】 ①由题意知，励磁线圈的最大电流为100 mA，励磁线圈电阻为200 Ω，则有Umax=ImaxR=100×10－3×200 V=20 V。允许通过励磁线圈的电流最大值为100 mA，允许通过的电流最小值为50 mA，则有R2min=－R=160 Ω，R2max=－R=520 Ω，则阻值范围应为160~520 Ω。②把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当电磁铁吸合铁片时，3、4之间接通；不吸合时，3、4之间断开。
20
160~520
见解析
课时作业
答案速对
第十三单元　实验十三　利用传感器制作简单的自动控制装置 题号 1 2 3
答案 C 见答案 见答案
1.(2022·北京卷)某同学利用压力传感器设计水库水位预警系统。如图所示，电路中的R1和R2，其中一个是定值电阻，另一个是压力传感器(可等效为可变电阻)。水位越高，对压力传感器的压力越大，压力传感器的电阻值越小。当a、b两端的电压大于U1时，控制开关自动开启低水位预警；当a、b两端的电压小于U2(U1、U2为定值)时，控制开关自动开启高水位预警。下列说法中，正确的是(　 　)
A.U1＜U2
B.R2为压力传感器
C.若定值电阻的阻值越大，开启高水位预警时的水位越低
D.若定值电阻的阻值越大，开启低水位预警时的水位越高
C
【解析】 由题意可知，水位越高，对压力传感器的压力越大，压力传感器的电阻值越小。控制开关自动开启低水位预警，此时水位较低，压力传感器的电阻值较大，由于a、b两端此时的电压大于U1，根据串联电路电压分布特点可知，R1为压力传感器，故高水位时压力传感器的电阻值变小，压力传感器R1两端电压变小，U1＞U2，A、B错误；根据闭合电路欧姆定律可知，a、b两端的电压为U=R1=，若定值电阻R2的阻值越大，当开启低水位预警a、b两端的电压大于U1时，压力传感器阻值R1越大，水位越低；当a、b两端的电压小于U2开启高水位预警时，压力传感器阻值R1越大，水位越低，C正确，D错误。
2.热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化。实验小组用伏安法测量某热敏电阻的阻值，并研究其阻值与温度的关系，实验室可提供的器材有：热敏电阻Rt(阻值在几百到几千欧的范围内)；电压表V(量程为15 V，内阻约3 kΩ)；电流表A(量程为10 mA，内阻约1 Ω)；滑动变阻器R(最大阻值20 Ω)；蓄电池(电动势为E=12 V，内阻不计)；开关、导线若干。
甲　 乙 丙
(1)为了减小热敏电阻测量误差，图甲中电压表右侧导线接_________(填“a”或“b”)；正确连接电路后，调节恒温箱中的温度t，调节滑动变阻器的滑片P，使电流表和电压表示数在合适数值，记录对应的电流表和电压表的示数，并算出热敏电阻的阻值Rt。多次改变温度t，算出对应的阻值Rt；
【解析】 因，为减小误差，电流表应采用内接法，题图甲中电压表右侧导线接b。
b
(2)在坐标纸上作出Rt与温度t的关系图像如图乙所示。由图可知，当电压表的示数为9.0 V，电流表的示数为3.0 mA时，热敏电阻所在处的温度约为___________ ℃；
【解析】 当电压表示数为9.0 V，电流表的示数为3.0 mA时，热敏电阻的阻值为Rt= Ω=3.0×103 Ω，根据题图乙可知热敏电阻所处的温度约为48 ℃。
48
(3)实验小组用该热敏电阻设计了如图丙所示的保温箱温度控制电路，Rt为热敏电阻，R2为电阻箱，控制系统可视为R=300 Ω的电阻，电源的电动势E0=10 V(内阻不计)。当通过控制系统的电流小于2 mA时，加热系统将开启，为保温箱加热；当通过控制系统的电流达到2 mA时，加热系统将关闭。若要使得保温箱内温度低于48 ℃，加热系统就开启，应将R2调为_________ Ω。
【解析】 取控制系统电流为I0=2 mA=0.002 A，由题图乙知，当温度为48 ℃时热敏电阻的阻值为3.0×103 Ω，根据闭合电路欧姆定律，有I0=，代入数据得R2=1 700 Ω。所以若要使得保温箱内温度低于48 ℃，加热系统就开启，应将R2调为1 700 Ω。
1 700
3.磁敏电阻是一种对磁敏感、具有磁阻效应的电阻元件。磁敏电阻在磁场中电阻值发生变化的现象称为磁阻效应。某同学利用伏安法测量一磁敏电阻的阻值(几千欧)随磁感应强度的变化关系。所用器材：电源E，开关S，滑动变阻器R(最大阻值为20 Ω)，电压表(内阻约为3 000 Ω)和毫安表(可视为理想电表)。
(1)在图甲所给的器材符号之间画出连线，组成测量电路图。
甲
【解析】 因毫安表可视为理想电表，则采用电流表的内接法可以消除因电流表内阻而产生的系统误差；滑动变阻器的最大阻值为20 Ω，待测磁敏电阻为几千欧，则滑动变阻器采用分压式接法以便于操作和多测数据，电路图如图所示。
(2)实验时，将磁敏电阻置于待测磁场中，记录不同磁感应强度下电压表和毫安表的示数，计算出相应的磁敏电阻阻值。若某次测量中电压表和毫安表的示数分别为6.2 V和2.8 mA，则此时磁敏电阻的阻值为_________ kΩ(结果保留2位有效数字)。实验中得到的该磁敏电阻阻值R磁随磁感应强度B变化的曲线如图乙所示。
【解析】 根据部分电路的欧姆定律可得磁敏电阻的阻值为R磁= Ω≈2.2 kΩ。
2.2
乙
(3)某次测量中，测得磁敏电阻的阻值为10.0 kΩ，此时磁感应强度为________________1.4×10－4 T (结果保留2位有效数字)。
【解析】 根据R磁－B图像可知，当R磁=10.0 kΩ时，磁感应强度B的大小约为1.4×10－4 T。
1.4×10－4

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