1、3.利用传感器制作简单的自动控制装置实验自主学习【实验目的】1了解门窗防盗报警装置和光控开关的工作原理。2练习用传感器制作自动控制设备。【实验器材】1门窗防盗报警装置实验：_SA、继电器、发光二极管LED、电阻R(330)、蜂鸣器(有源型)、干电池(6 V)、小磁体、开关。2光控开关实验：发光二极管、可调电阻R1(最大电阻为 51 k)、限流电阻R2(330)、_(暗电阻1 M、亮电阻3 k)、_VT、继电器、小灯泡(6 V 0.3 A)、二极管D、干电池四节(6 V)、导线若干。干簧管光敏电阻三极管【实验原理与设计】一、门窗防盗报警装置1实验的基本思想：利用干簧管作为控制器实现：当门窗紧闭时
2、，蜂鸣器_响，指示灯_；当门窗被打开时，蜂鸣器发出声音报警，指示灯_。不亮灭2实验电路图：3电路工作原理：闭合电路开关S，系统处于_状态。当门窗紧闭时，磁体M_干簧管SA，干簧管两个簧片被_，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_干簧管，干簧管失磁断开，继电器被_。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_和_的作用，继电器则相当于一个自动的双向开关。防盗靠近磁化离开断电传感器控制开关二、光控开关实验1实验的基本思想利用_作为光控开关实现在天色暗到一定程度时让路灯自动开启
3、，而在天明时自动_。光敏电阻熄灭2实验电路图：3电路的关键元件及其工作原理：(1)晶体三极管的结构和作用：三极管由三个电极组成，分别是发射极e，_和集电极c，有NPN型和PNP型两种。三极管的一个重要特性是，从基极输入一个_的电流，就会在集电极获得_的电流。晶体三极管具有电流_作用，在控制电路中常用作电子开关。基极b较小较大放大(2)电路工作原理：甲电路图的工作原理：如甲中可调电阻R1 与光敏电阻RG组成串联分压电路，R2为发光二极管的限流电阻，用发光二极管LED模仿路灯。电路中光敏电阻RG因光照而发生电阻的变化，转换为电压的变化，加载到三极管VT的基极b上。当基极电压达到一定程度后，三极管被
4、导通，从而使得由电源正极经电阻R2、发光二极管、三极管集电极和发射极到达电源负极的回路被导通。可调电阻R1的作用是调整设定电路对周边光亮度的反应，在电路中能够控制三极管的基极电流。如果把R1阻值调得更大些，就会在天更暗时才点亮路灯。乙电路图的工作原理：当环境光比较强时，光敏电阻RG的阻值很小，三极管不导通，发光二极管或继电器所在的回路相当于断路，即发光二极管不工作；继电器处于常开状态，小灯泡L不亮。当环境光比较弱时，光敏电阻RG的阻值变大，三极管导通，且获得足够大的基极电流，产生较大的集电极电流，点亮发光二极管或驱动继电器吸合而点亮小灯泡L。实验互动探究【实验过程】实验步骤1门窗防盗报警装置实
5、验步骤：(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，观察簧片能否正常工作。(2)确定各元件可以正常工作后，按照图甲所示电路图，连接乙实物图。(3)闭合开关S，接通电源后，将磁体靠近干簧管，干簧管两个簧片被磁化接通继电器，c与a连接，二极管发光。(4)磁体离开干簧管，衔铁c与b连接，蜂鸣器发声报警。2光控开关实验步骤：(1)按照图甲所示电路图，连接乙实物图。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或小灯泡L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或小灯泡L发光。(4)让光
6、照加强，当光照强到某种程度时，则发光二极管LED或小灯泡L熄灭。【数据收集与分析】1门窗防盗报警装置：2光控开关实验：【注意事项】1门窗防盗报警装置实验：(1)安装前对电磁继电器进行测试，确保电磁继电器通电时能吸合，断电时在弹簧的作用下恢复原状。(2)安装前对干簧管进行检测，观察磁体靠近时弹簧片是否接触，磁体离开时弹簧片是否能断开。(3)选择合适的定值电阻，保证发光二极管能正常工作。2光控开关实验：(1)安装前对器材进行测试，确保各元件性能良好后，再进行安装。(2)二极管连入电路时，极性不能反接，否则继电器不能正常工作。(3)要想天暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大些。【实验探究】(1)三极
7、管的特性是什么？提示：从基极输入一个较小的电流，就会在集电极获得较大的电流。此外，三极管还具有完成断路和接通的开关作用。(2)光控电路中为什么在晚上时基极b上的电压增加呢？提示：在电路中可调电阻R1与光敏电阻RG组成串联分压电路，由于光敏电阻的阻值随光照强度的增加而减少，在晚上时，光敏电阻的阻值增加，两端的电压也增加，光敏电阻两端的电压等于三极管基极b与发射极e两端的电压，当基极电压达到一定程度后，三极管被导通，从而使得由电源正极经电阻R2、发光二极管、三极管集电极和发射极到达电源负极的回路被导通。实验素养迁移类型一 实验操作【典例1】把蜂鸣器、光敏电阻、干簧管继电器开关(干簧管和绕在干簧管外
8、的线圈组成)、电源连成电路如甲图所示，制成光电报警装置，设计要求：当有光照时，蜂鸣器发声，当没有光照或者光照很弱时，蜂鸣器不发声，电路已经连接一部分，请将电路完整连接好。【解题探究】(1)光敏电阻的特性是什么？提示：光敏电阻受光照后，阻值会变小。(2)如图乙是干簧管继电器开关，它的工作原理是什么？提示：由干簧管和绕在干簧管外的线圈组成，如图乙所示，当线圈中有一定的电流时，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化，两个簧片在磁力作用下由原来的分离状态变成闭合状态，当线圈中没有电流或者电流很微弱时，磁场消失，簧片在弹力的作用下回复到分离状态。【解析】电池、光敏电阻与开关及干簧管继电器开关外
9、面线圈的两个接线构成一个回路；而另一组电池、蜂鸣器与干簧管继电器开关里面的两个接线构成又一个回路。当有光照时，光敏电阻变小，使得干簧管继电器开关存在磁场，导致开关接通，最终使得蜂鸣器发声；若没有磁场时，开关自动断开。答案：连线如图所示。类型二 数据处理【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，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(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R在不同照度下的阻值如表，根据表中已知数据，在如图甲所示的坐标系中描绘出了阻值随照度变化的曲线。由图像可求出照度为1.0 lx时的电阻约
10、为_ k。照度/lx0.20.40.60.81.01.2电阻/k5.83.72.82.31.8(2)如图乙所示是街道路灯自动控制模拟电路，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，请用笔画线代替导线，正确连接电路元件。(3)用多用电表“10”挡，按正确步骤测量图乙中电磁铁线圈电阻时，指针示数如图丙所示，则线圈的电阻为_。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。图中直流电源的电动势E6 V，内阻忽略不计，滑动变阻器有三种规格可供选择：R1(010，2 A)、R2(0200，1 A)、R3(0
11、1 750，0.1 A)。要求天色渐暗照度降低至1.0 lx时点亮路灯，滑动变阻器应选择_(选填“R1”“R2”或“R3”)。为使天色更暗时才点亮路灯，应适当地_(选填“增大”或“减小”)滑动变阻器的电阻。【解析】(1)根据图像直接读出对应的照度为1.0 lx时的电阻约为 2.0 k。(2)光敏电阻的电阻值随光照强度的增大而减小，所以白天时光敏电阻的电阻值小，电路中的电流值大，衔铁将被吸住，静触点与C接通；晚上时的光线暗，光敏电阻的电阻值大，电路中的电流值小，所以静触点与A接通。所以要达到晚上灯亮，白天灯灭，则路灯应接在AB之间。电路图如图。(3)欧姆表的读数是先读出表盘的刻度，然后乘以倍率，
12、表盘的刻度是14，倍率是“10”，所以电阻值是1410 140；天色渐暗照度降低至1.0 lx时点亮路灯，此时光敏电阻的电阻值是2 k，电路中的电流是2 mA，REI R62103 2 000 1 000，所以要选择滑动变阻器R3。由于光变暗时，光敏电阻变大，分得的电压变大，所以为使天色更暗时才点亮路灯，应适当地减小滑动变阻器的电阻。答案：(1)2.0(2)AB 图见解析(3)140 R3 减小课堂素养达标1如图所示，将一光敏电阻连入多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射光敏电阻时表针的偏角为，现用手掌挡住部分光线，表针的偏角变为，则可判断()A.BC D不能确定和的关系【
13、解析】选B。光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，开始时有光照射，光敏电阻的阻值较小，当用手掌挡住部分光线时，光敏电阻的阻值增大，因为欧姆表的零刻度在表盘的右侧，所以用欧姆表测电阻时，阻值越大，表针偏角越小，所以选项B正确。2如图所示为小型电磁继电器的构造示意图，其中L为含铁芯的线圈，P为可绕O点转动的铁片，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线柱。电磁继电器与传感器配合，可完成自动控制的要求，其工作方式是()A.A与B接信号电压，C与D跟被控电路串联BA与B接信号电压，C与D跟被控电路并联CC与D接信号电压，A与B跟被控电路串联DC与D接信号电压，A与B跟被控电路并联【解析】选A。
14、由图可知A、B是电磁继电器线圈，所以A、B应接信号电压，线圈随信号电压变化使电磁继电器吸合或释放，从而使C、D接通或断开，进而起到控制作用，故正确答案为A。3某仪器内部的电路如图所示，其中M是一个质量较大的金属块，左右两端分别与金属丝制成的弹簧相连，并套在光滑水平细杆上，a、b、c三块金属片间隙很小(b固定在金属块上)。当金属块处于平衡时两根弹簧均处于原长状态，若将该仪器固定在一辆汽车上，下列说法正确的是()A.当汽车加速前进时，甲灯亮B当汽车加速前进时，乙灯亮C当汽车刹车时，乙灯亮D当汽车刹车时，甲、乙灯均不亮【解析】选B。汽车匀速前进时a、b、c金属片不接触，所以甲、乙灯都不亮，当加速前进
15、时，b与a接触，乙灯亮；当刹车时，b与c接触，甲灯亮，故选B。4某学生为测量一个物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面的压力(比例系数为k)，如图所示，测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为零；而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压U。现有下列器材：力电转换器、质量为m0的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个，开关及导线若干，待测物体(可置于力电转换器的受压面上)。请完成对该物体质量的测量。(1)设计一个电路图，要求力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大；(2)简要说明测量步骤，求出比例系数k，并测出待测物体的质量
16、m；(3)请设想实验中可能会出现的问题。【解析】(1)设计的电路图如图所示。(2)测量步骤与结果如下：闭合开关S，调节变阻器的滑片P，使力电转换器的输出电压为零。将质量为m0的砝码放在力电转换器的受压面上，记下此时的输出电压U0。取下砝码，将待测物体放在力电转换器的受压面上，记下此时的输出电压U。由以上测量可求出比例系数k及待测物体的质量m，因为U0km0g，所以有kU0m0g。又由于Ukmg，所以待测物体的质量为m UU0 m0。(3)实验中可能会出现的问题有：待测物体的质量超过此力电转换器的量程。因电源电压不够而导致输出电压调不到零。答案：见解析5目前有些居民区内楼道灯的控制，使用的是一种
17、延时开关。该延时开关的简化原理如图所示。图中D是红色发光二极管(只要有很小的电流通过就能使其发出红色亮光)，R为限流电阻，K为按钮式开关，虚线框内S表示延时开关电路，当按下K接通电路瞬间，延时开关触发，相当于S闭合，这时释放K后，延时开关S约在1 min后断开，电灯熄灭。根据上述信息和原理图，我们可推断：按钮式开关K按下前，发光二极管是_(选填“发光的”或“熄灭的”)，按钮式开关K按下再释放后，电灯L发光持续时间约_ min。这一过程中发光二极管是_。限流电阻R的阻值和灯丝电阻RL相比，应满足R_RL的条件。【解析】开关K按下前，S为断开，有电流经过发光二极管，故发光二极管是发光的。当按下开关K后，延时开关S闭合，发光二极管和R被短路，发光二极管不发光，由于释放K后，延时开关S约1 min后断开，故电灯L能持续发光1 min，由于R为限流电阻，且发光二极管只要有很小的电流通过就能发光，且为了保证K按下前电灯不发光，故应满足RRL。答案：发光的 1 熄灭的