1、实验17利用传感器制作简单的自动控制装置必备知识预案自诊一、实验目的1.知道干簧管、光敏电阻、三极管、二极管、电磁继电器的功能。2.会利用传感器制作简单的自动控制装置。了解门窗防盗报警装置,会组装门窗防盗报警装置。了解光控开关电路及控制原理,会组装光控开关。二、实验器材实验一:干簧管、继电器、发光二极管LED、蜂鸣器H、电源、导线若干、开关、电阻。实验二:发光二极管、三极管、可变电阻R1、电阻R2、光敏电阻、集成电路实验板、直流电源、导线若干、黑纸。三、实验思路(一)门窗防盗报警装置1.电路如图所示。2.原理:闭合电路开关S,系统处于防盗状态。当门窗紧闭时,磁体M靠近干簧管SA,干簧管两个簧片
2、被磁化相吸而接通继电器线圈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,磁体离开干簧管,干簧管失磁断开,继电器被断电。继电器的动触点c与常闭触点b接通,蜂鸣器H发声报警。干簧管在电路中起传感器和控制开关的作用,继电器则相当于一个自动的双向开关。(二)光控开关1.电路如图所示。2.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,且获得足够的基极电流,产生较大的集电极
3、电流,点亮发光二极管或驱动继电器吸合而点亮小灯泡L。四、进行实验(一)门窗防盗报警装置(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,观察簧片能否正常动作。(2)确定各元件可以正常工作后,按照电路图连接电路。(3)接通电源后,将磁体靠近和离开干簧管,分别观察实验现象。(二)光控开关(1)按照图所示连接电路,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)让光照加强,当光照强到某种程度时,则发光二极管LED或小灯
4、泡L熄灭。五、注意事项(1)安装前,对实验器材进行测试,确保各元件性能良好后,再进行安装。(2)光控开关实验中,二极管连入电路的极性不能反接。(3)如果实验现象不明显,可用手电筒加强光照,或遮盖光敏电阻,再进行观察。关键能力学案突破传感器问题一般有两大类问题:一是通过实验探究传感器特性,比如研究某元件的光敏特性或热敏特性或磁敏特性等;二是用传感器控制电路。不管哪类问题,明确考查角度,搞清其工作原理是求解问题的关键。对于用传感器控制电路问题,要结合题目提供的信息,认真分析传感器所在的电路结构,并注意以下两个方面:(1)确定传感器所感受到的物理量(如力、热、光、声、磁等);(2)经转换电路转换成电
5、学量信号,最后借助于转换电路把电学量信号转换成便于处理显示、记录或控制的量。【典例1】现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统,要求当热敏电阻的温度达到或超过120 时,系统报警。提供的器材有:热敏电阻(该热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,在120 时阻值为700.0 );报警器(内阻很小,流过的电流超过Ic时就会报警,Ic约为10 mA;流过报警器的电流超过20 mA时,报警器可能损坏);电阻箱(最大阻值为999.9 );直流电源(输出电压为U约为18 V,内阻不计);滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 );滑动变阻器R2(最大阻值为2 000 );单刀双掷开关一个,导线若干。在室温下对系统进
6、行调节,调节的报警系统原理电路图如图所示。(1)电路中应选用滑动变阻器(选填“R1”或“R2”)。(2)按照下列步骤调节此报警系统:电路接通前,需将电阻箱调到一固定的阻值,根据实验要求,这一阻值为;滑动变阻器的滑片应置于(选填“a”或“b”)端附近,不能置于另一端的原因是。将开关向(选填“c”或“d”)端闭合,缓慢移动滑动变阻器的滑片,直至。(3)滑动变阻器滑片的位置(选填“不变”“向左滑动”或“向右滑动”),将开关向另一端闭合,报警系统即可正常使用。(4)若要将此系统改为光敏电阻控制的报警系统,要求当光敏电阻的光照达到或超过某一特定值时,系统报警,且光敏电阻在这一特定值时的电阻为650 ,则
7、需将上述电路中的换成光敏电阻,并将电阻箱的阻值调到,然后重复上述操作即可。【典例2】电子体温计利用某些物质的物理参数,如电阻、电压、电流等,与环境温度之间存在的确定关系,将体温以数字的形式显示出来。甲图为某同学设计的电路图,用以测量25.080.0 范围内环境的温度。所用器材有:热敏电阻RT,其标称值(25.0 时的阻值为900.0 );电源20 V,内阻可忽略;滑动变阻器(最大阻值为10 );电阻箱R2(阻值范围0999.9 );单刀开关S1,单刀双掷开关S2,图中为电表。实验时,按电路图连好电路,将热敏电阻放在温控箱内,先将温度调为80.0 ,将S2与1端接通,闭合S1,调节R1的滑片位置
8、,电路中电表示数为某一定值X;保持R1的滑片位置不变,将R2置于最大值,将S2与2端接通,调节R2,使电表读数仍为X;断开S1,记下此时R2的读数,逐步降低温控室的温度t,得到相应温度下R2的阻值,直至温度降到25.0 实验得到R2-t的数据见表。甲乙丙t/25.030.040.050.060.070.080.0R2/900.0680.0500.0390.0320.0270.0240.0回答下列问题:(1)实验室中有以下规格电表:电流表A1(00.6 A,0.2 ),电流表A2(03 A,0.04 ),电压表V(10 V,1 000 )。实验中应选择的电表为(选填器材前的数字编号);(2)在闭
9、合S1前,图甲中R1的滑片应移动到(选填“左”或“右”)端;(3)在图乙的坐标纸上补齐数据表中所给数据点,并作出R2-t的曲线;(4)将RT握于手心,手心温度下R2的相应读数如图丙所示,该读数为,则手心温度为。情境剖析本题属于综合类问题,以教材中常见的分压电路为素材,创设学习探索问题情境,构建探究热敏电阻的温度特性,考查电路、器材选择等问题。【典例3】(1)利用负温度系数热敏电阻制作的热传感器,一般体积很小,可以用来测量很小范围内的温度变化,反应快,而且精确度高。如果将负温度系数热敏电阻与电源、电流表和其他元件串联成一个电路,其他因素不变,只要热敏电阻所处区域的温度降低,电路中电流将变(选填“
10、大”或“小”)。上述电路中,我们将电流表中的电流刻度换成相应的温度刻度,就能直接显示出热敏电阻附近的温度。如果刻度盘正中的温度为20 (如图甲所示),则25 的刻度应在20 的刻度的(选填“左”或“右”)侧。为了将热敏电阻放置在某蔬菜大棚内检测大棚内温度变化,请在图乙中用图中的器材(可增加元器件)设计一个电路。(2)图丙为一测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路,电源电压恒定,内阻不计,开关闭合后,调节滑动变阻器滑片,使小灯泡发光逐渐增强,测得流过电阻的电流和光强的关系曲线如图丁所示,试根据这一特性,由图戊中给定的器材设计一个自动光控电路。情境剖析本题属于创新应用类问题,以热敏电阻、光敏电阻设计一个
11、自动光控电路为素材,创设了学习探索问题情境。对应演练迁移应用1.(2021黑龙江大庆实验中学高三月考)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R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。图甲中给继电器供电的电源电压U1=4 V,内阻不计,继电器线圈用漆包线绕成,其电阻R0为30 。当线圈中的电流大于等于40 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。甲乙(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
12、连(均选填“A”或“B”);(2)当环境温度升高时,继电器的磁性将(选填“增大”“减小”或“不变”),当环境温度达到时,警铃报警;(3)如果要使报警电路在更高的温度报警,下列方案可行的是()A.适当减小U1B.适当增大U1C.适当减小U2D.适当增大U22.热敏陶瓷是一类电阻率随温度发生明显变化的新型材料,可用于测温。某同学利用实验室提供的一种电阻阻值随温度呈线性变化(关系式为:Rt=kt+b,其中k0,b0,t为摄氏温度)的热敏电阻,把一灵敏电流计改装为温度计。除热敏电阻和灵敏电流计外,还用到如下器材:1.直流电源(电动势为E,内阻不计);2.滑动变阻器;3.单刀双掷开关;4.标准温度计;5
13、.导线及其他辅助材料。该同学设计电路如下图所示,按如下步骤进行操作。(1)按电路图连接好器材。(2)将滑动变阻器滑片P滑到(选填“a”或“b”)端,单刀双掷开关S掷于(选填“c”或“d”)端,调节滑片P使电流计满偏,并在以后的操作中保持滑片P位置不动,设此时电路总电阻为R,断开电路。(3)容器中倒入适量开水,观察标准温度计,每当标准温度计示数下降5 ,就将开关S置于d端,并记录此时的温度t和对应的电流计的示数I,然后断开开关。请根据温度计的设计原理和电路图,写出电流与温度的关系式(用题目中给定的符号)I=。(4)根据对应温度记录的电流计示数,重新刻制电流计的表盘,改装成温度计。根据改装原理,此
14、温度计表盘刻度线的特点是:低温刻度在(选填“左”或“右”)侧,刻度线分布是否均匀?(选填“是”或“否”)。3.(2020福建厦门第六中学高三月考)某同学用光敏电阻和电磁继电器等器材设计自动光控照明电路。(1)光强(E)是表示光强弱程度的物理量,单位为坎德拉(cd)。如图甲所示是光敏电阻阻值随光强变化的图线,由此可得到的结论是:;(2)如图乙为电磁继电器的构造示意图,其中L为含有铁芯的线圈,P为可绕O点转动的衔铁,K为弹簧,S为一对触头,A、B、C、D为四个接线柱。工作时,应将(选填“A、B”或“C、D”)接照明电路;(3)请在图丙中用笔画线代替导线,完成实物电路的连接;(4)已知电源电动势为3
15、 V,内阻很小,电磁铁线圈电阻R0=20.0 ,电流超过50 mA时可吸合衔铁。如果要求光强达到2 cd时,照明电路恰好接通,则图丙中定值电阻R=。丙实验17利用传感器制作简单的自动控制装置关键能力学案突破典例1答案(1)R2(2)700.0b接通电源后,流过报警器的电流会超过20 mA,报警器可能损坏c报警器开始报警(3)不变(4)热敏电阻650解析(1)电压为18V,而报警时的电流为10mA;此时电阻约为:R=181010-3=1800;而热敏电阻的阻值约为650,故滑动变阻器接入电阻约为1150,故应选择R2。(2)因要求热敏电阻达到120时报警,此时电阻为700,故应将电阻箱调节至70
16、0,然后由最大调节滑动变阻器,直至报警器报警,故开始时滑片应在b端,目的是避免接通电源后,流过报警器的电流会超过20mA,报警器可能损坏;将开关接到c端与电阻箱连接,调节滑动变阻器直至报警器开始报警即可,然后再接入热敏电阻,电路即可正常工作。(3)滑动变阻器滑片的位置不变,将开关向另一端闭合,报警系统即可正常使用。(4)需将上述电路中的热敏电阻换成光敏电阻,并将电阻箱的阻值调到650,然后重复上述操作即可。典例2答案(1)(2)左(3)见解析(4)580.034(或35)解析(1)如果接电流表,根据题意可得,通过热敏电阻的电流约为I=20900A=0.02A比两电流表的量程小得多,不易准确测量
17、,故不选;电压表V内阻与热敏电阻的阻值相差不多,而量程为电源一半,可以准确测量,故选;(2)为了安全,在闭合S1前,分压电路的电压应该为0,所以图甲中R1的滑片应移动到左端;(3)在图乙的坐标纸上补齐数据表中所给数据点,并作出R2-t的曲线,如图所示(4)将RT握于手心,手心温度下R2的相应读数如图丙所示,该读数为R=(5100+810+01+00.1)=580.0当R2=580.0时,由第(3)问做出的图可知,手心温度为34或35典例3答案(1)小右(2)见解析解析(1)因为温度降低时,负温度系数热敏电阻的阻值增大,故电路中电流会减小。由的分析知,温度越高,电流越大,25的刻度应对应较大电流
18、,故在20的刻度的右侧。电路如图所示:(2)由光敏电阻的特性曲线可以看出,当入射光增强时,流过光敏电阻的电流增大,光敏电阻的阻值减小。根据题意设计一个自动光控电路,如图所示:控制过程是:当有光照时,放大器输出一个较大的电流,驱动电磁继电器吸引衔铁使两个触点断开;当无光照时,放大器输出电流减小,电磁继电器释放衔铁,使两个触点闭合,工作电路接通,电灯开始工作。对应演练迁移应用1.(1)BA(2)增大40(3)A解析(1)由于B接通时警铃响,A接通时指示灯亮,因此C接B,D接A。(2)由于热敏电阻随温度升高,阻值减小,回路的电流强度增大,因此继电器的磁性增强。当电流等于40mA时,回路的总电阻R=U
19、I=4V40mA=100而继电器电阻R0为30,因此当热敏电阻等于70时,由题图乙可知对应温度为40时,警铃报警。(3)温度更高时,热敏电阻阻值更小,而报警电流为40mA不变,因此应适当降低U1值,因此A正确。2.答案(2)ac(3)ER+kt+b(4)右否解析(2)根据实验的原理可知,需要先选取合适的滑动变阻器的电阻值,结合滑动变阻器的使用的注意事项可知,开始时需要将滑动变阻器滑片P滑到a端,以保证电流表的使用安全;然后将单刀双掷开关S掷于c端,调节滑片P使电流表满偏。(3)当温度为t时,热敏电阻的阻值与摄氏温度t的关系为:Rt=kt+b,根据闭合电路的欧姆定律可得:I=ER+Rt=ER+k
20、t+b。(4)由上式可知,温度越高,电流表中的电流值越小,所以低温刻度在表盘的右侧;由于电流与温度的关系不是线性函数,所以表盘的刻度是不均匀的。3.答案(1)随着光照强度的增加,光敏电阻的阻值迅速下降,进一步增大光照强度,电阻值变化减小,然后逐渐趋向平缓(2)C、D(3)(4)22解析(1)由图像可得到的结论是:随着光照强度的增加,光敏电阻的阻值迅速下降,进一步增大光照强度,电阻值变化减小,然后逐渐趋向平缓;(2)由电磁继电器的工作原理可知,电磁铁连接的是控制电路,衔铁连通的是工作电路,故工作时,应将“C、D”接照明电路;(3)光敏电阻、定值电阻、电源与L组成控制电路,C、D与灯泡组成工作电路,电路图如图所示(4)由题图甲所示图线可知,2cd对应的光敏电阻阻值R光敏=18由闭合电路欧姆定律可知I=ER光敏+R+R0代入数据解得R=22
