新教材適用2024-2025學年高中物理第5章傳感器3.利用傳感器制作簡單的自動控制裝置學案新人教版選擇性必修第二冊

3.利用傳感器制作簡潔的自動限制裝置課程標準1．了解門窗防盜報警裝置的原理。2．了解光控開關的原理。3．通過練習電子電路的組裝，獲得對自動限制電路的感性相識。素養(yǎng)目標1．物理觀念：知道干簧管、光敏電阻、三極管、二極管、電磁繼電器的功能；了解門窗防盜報警裝置及其工作原理；了解光控開關電路及其限制原理。2．科學思維：會利用傳感器制作簡潔的自動限制裝置。3．科學看法與責任：在試驗中體驗從原理到應用的過程，增加理論聯(lián)系實際的意識，培育學生科學嚴謹?shù)膶W習看法。試驗門窗防盜報警裝置一、試驗目的1．了解門窗防盜報警裝置和光控開關的工作原理。2．練習用傳感器制作自動限制設備。二、試驗器材干簧管SA、繼電器、發(fā)光二極管LED、電阻R(330Ω)、蜂鳴器H(有源型)、干電池(6V)、小磁體M、開關。三、試驗電路圖門窗防盜報警裝置電路圖如圖所示。四、工作原理閉合電路開關S，系統(tǒng)處于防盜狀態(tài)。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(fā)光二極管LED發(fā)光，顯示電路處于正常工作狀態(tài)。若門窗被盜賊開啟時，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(fā)聲報警。干簧管在電路中起傳感器和限制開關的作用，繼電器則相當于一個自動的雙向開關。五、試驗操作(1)連接電路前，要先推斷一下干簧管是否可以正常工作。用磁體干脆靠近干簧管，視察簧片能否正常動作。(2)確定各元件可以正常工作后，依據(jù)電路圖連接電路。(3)接通電源后，將磁體靠近和離開干簧管，分別視察試驗現(xiàn)象。典例剖析典例1把蜂鳴器、光敏電阻、干簧管繼電器開關(干簧管和繞在干簧管外的線圈組成如圖乙所示)、電源連成電路如甲圖所示，制成光電報警裝置，設計要求：當有光照時，蜂鳴器發(fā)聲，當沒有光照或者光照很弱時，蜂鳴器不發(fā)生，電路已經(jīng)連接一部分，請將電路連接完整。思路引導：解本題需理解以下兩個問題：(1)光敏電阻的特性是什么？(2)干簧管繼電器開關的工作原理是什么？解析：電池、光敏電阻與開關及干簧管繼電器開關的外面線圈兩個接線構成一個回路；而另一組電池、蜂鳴器與干簧管繼電器開關里面的兩個接線構成又一個回路。當有光照時，光敏電阻變小，使得干簧管繼電器開關存在磁場，導致開關接通，最終使得蜂鳴器發(fā)聲；若沒有磁場時，開關自動斷開。連接如圖所示。對點訓練?(2024·衡陽市八中高二階段練習)酒駕嚴峻危害了公共交通平安，打擊酒駕現(xiàn)象已成為日常。如圖甲為交警運用的某種酒精檢測儀，核心部件為酒精氣體傳感器，其電阻R1與酒精氣體濃度x的關系如圖乙所示。(1)某同學自行設計了簡易酒精檢測儀，如圖丙所示，用到的器材有酒精氣體傳感器R1、電源(電動勢為9.0V，內(nèi)阻未知)、電流表(滿偏電流為100mA，內(nèi)阻為9.5Ω)，閉合開關，四周無酒精氣體，發(fā)覺電流表剛好滿偏，則電源內(nèi)阻為_0.5__Ω；用該儀器_不能__(選填“能”或“不能”)檢測酒駕。駕駛員狀態(tài)非酒駕酒駕酒精氣體濃度標準(mg/mL)小于0.2大于或者等于0.2檢測器狀態(tài)只有綠燈亮綠燈紅燈都亮(2)另一位同學查閱酒精檢測儀說明書時看到題表，他依據(jù)自己的理解將酒精檢測儀的內(nèi)部電路簡化為圖丁。只有綠燈亮表示被測試者非酒駕，紅綠燈一起亮表示被測試者酒駕。圖丁中電源電動勢為9.0V，內(nèi)阻不計，R2為定值電阻，R1為酒精氣體傳感器，L1、L2是彩色小燈泡，顏色一紅一綠，小燈泡電壓達到0.7V才會發(fā)光，則紅燈為_L1__(選填“L1”或“L2”)，當紅燈剛亮時通過其的電流為_0.28__A(保留兩位有效數(shù)字)。解析：(1)當酒精濃度為零時，R1為80Ω，電流表剛好滿偏，則電源內(nèi)阻為r＝eq\f(E,IA)－R1－RA＝0.5Ω，當酒精濃度增大時，總電阻減小，電流超過滿偏值，說明該儀器不能檢測酒駕。(2)當酒精濃度增大時，R1減小，依據(jù)“串反并同”，燈泡L1電壓增大，達到0.7V會發(fā)光，說明L1是紅燈；當紅燈剛亮時，小燈泡電壓達到0.7V，R1兩端電壓為8.3V，此時R1阻值為30Ω，則紅燈電流為I＝eq\f(8.3,30)A≈0.28A。試驗光控開關要點提煉一、試驗目的模擬光控路燈依據(jù)光照的改變自動開啟或關閉。二、試驗器材可調(diào)電阻、限流電阻、光敏電阻、三極管、發(fā)光二極管、繼電器、小燈泡、二極管、電源。三、電路圖試驗電路圖如圖所示。四、工作原理當環(huán)境光比較強時，光敏電阻RG的阻值很小，三極管不導通，發(fā)光二極管或繼電器所在的回路相當于斷路，即發(fā)光二極管不工作；繼電器處于常開狀態(tài)，小燈泡L不亮。當環(huán)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(chǎn)生較大的集電極電流，點亮發(fā)光二極管或驅(qū)動繼電器吸合而點亮小燈泡L。五、試驗操作1．依據(jù)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耀，調(diào)整電阻R1使發(fā)光二極管LED或小燈泡L剛好不發(fā)光。3．遮擋RG，當光照減弱到某種程度時，就會看到發(fā)光二極管LED或小燈泡L發(fā)光。4．讓光照加強，當光照強到某種程度時，則發(fā)光二極管LED或小燈泡L熄滅。假如試驗現(xiàn)象不明顯，可用手電筒加強光照，或遮蓋光敏電阻，再進行視察。典例剖析典例2(2024·山東棗莊高二期中)電控調(diào)光玻璃能依據(jù)光照強度自動調(diào)整玻璃的透亮度，將光敏電阻Rx和定值電阻R0接在9V的電源上，電源內(nèi)阻不計，光敏電阻阻值隨光強改變關系如表所示：光強E/cd12345電阻值/Ω18964.5(“光強”表示光強弱程度的物理量，符號為E，單位坎德拉(cd))(1)當光照強度為5cd時，光敏電阻Rx的大小為_3.6__Ω。(2)電控調(diào)光玻璃的原理是光照增加，光敏電阻Rx阻值變小，施加于玻璃兩端的電壓降低，玻璃透亮度下降，反之則玻璃透亮度上升。若電源電壓不變，R0是定值電阻，下列電路圖中符合要求的是_A__(填字母代號)。ABCD(3)已知定值電阻R0＝9Ω，用電壓表測得定值電阻兩端的電壓為3V，此時間照強度為_1__cd。解析：(1)由表格數(shù)據(jù)可知，光敏電阻Rx與光強E的乘積均為18Ω·cd不變，則當E＝5cd時，光敏電阻的阻值Rx＝eq\f(18,5)Ω＝3.6Ω。(2)由題意可知，光敏電阻Rx與定值電阻R0串聯(lián)連接，光照增加時，光敏電阻Rx阻值減小，電路中的總電阻減小，由歐姆定律可知，電路中的電流增大，由U＝IR可知，R0兩端的電壓增大，因串聯(lián)電路中總電壓等于各分電壓之和，所以Rx兩端的電壓減小，反之光照減弱時，光敏電阻Rx阻值增大，R0兩端的電壓減小，Rx兩端的電壓增大，則玻璃并聯(lián)在R0兩端時不符合，玻璃并聯(lián)在Rx兩端時符合，故A正確，C錯誤；若玻璃與電源并聯(lián)，光照改變時，玻璃兩端的電壓不變，故B、D錯誤。(3)當R0＝9Ω，定值電阻兩端的電壓U0＝3V，因串聯(lián)電路中總電壓等于各分電壓之和，Rx兩端的電壓Ux＝U－U0＝9－3V＝6V，因串聯(lián)電路中各處的電流相等，所以電路中的電流I＝eq\f(U0,R0)＝eq\f(Ux,Rx′)，解得Rx′＝18Ω，此時間照強度E′＝eq\f(18,18)cd＝1cd。1．(多選)如圖所示為小型電磁繼電器的構造示意圖，其中L為含鐵芯的線圈，P為可繞O點轉(zhuǎn)動的鐵片，K為彈簧，S為一對觸頭，A、B、C、D為四個接線柱，繼電器與傳感器協(xié)作，可完成自動限制的要求，關于其工作方式，下列推斷正確的是(AC)A．A、B間接限制電路，C、D間接被控電路B．A、B間接被控電路，C、D間接限制電路C．流過L的電流減小時，C、D間電路斷開D．流過L的電流增大時，C、D間電路斷開解析：當較小的電流經(jīng)過接線柱A、B流入線圈時，電磁鐵把銜鐵吸下，使C、D兩個接線柱所連的觸點接通，較大的電流就可以通過C、D帶動機器工作了，A對，B錯誤。流過L的電流減小時，線圈L產(chǎn)生的磁場減弱，對銜鐵P的吸引力減弱，使C、D兩個接線柱所連的觸點斷開，C正確，D錯誤。2．(多選)(2024·山東臨沂高二期中)在今年4月份居家躲避新冠疫情期間，張華同學利用網(wǎng)課的課余時間，結合所學傳感器、電路的有關學問，自己在家設置了一個火警報警裝置，他設計的電路如圖所示，R1為熱敏電阻，溫度上升時，R1急劇減小，當電鈴兩端電壓低于某確定值時，報警電鈴響起，則下列說法正確的是(BD)A．若試驗時發(fā)覺當著火時裝置不響，應把R2的滑片P向下移B．若試驗時發(fā)覺當著火時裝置不響，應把R2的滑片P向上移C．增大電源電壓，會使報警的臨界溫度降低D．增大電源電壓，會使報警的臨界溫度上升解析：若試驗時發(fā)覺當著火時裝置不響，說明此時電鈴兩端電壓比較大，應增大滑動變阻器接入的阻值，從而減小電鈴兩端電壓，故應把R2的滑片P向上移，B正確，A錯誤；增大電源電壓，會使原來報警時電鈴兩端電壓增大，須要使溫度接著上升，減小熱敏電阻R1，從而使電鈴兩端電壓減小到報警時的電壓，故增大電源電壓，會使報警的臨界溫度上升，D正確，C錯誤。3．(2024·重慶市高二期中)光敏二極管在各種自動扮裝置中有許多應用，街道的路燈自動限制開關就是其應用之一，圖中所示為其模擬電路，其中A為光敏二極管，B為電磁繼電器，C為照明電路，D為路燈，下列說法正確的是(B)A．路燈自動限制電路中的光敏二極管的阻值隨光照增加而增大B．當沒有光照時(夜晚)，光敏二極管所在回路中的電流很小C．依據(jù)“日出路燈確定熄”的常識，分析可知白天電磁鐵與銜鐵不吸引D．假如換上靈敏度更高的光敏二極管，則相同的光照強度下，電磁鐵的磁性更弱解析：光敏二極管有光敏電阻的特征，阻值隨光照增加而減小，故A錯誤；依據(jù)“日出路燈熄、日落路燈亮”的常識，結合路燈自動限制電路中的特征，可知，沒有光照時(夜晚)，觸點接通，照明電路的路燈變亮，電磁鐵與銜鐵不吸引，電磁鐵的磁性不強，所在回路中的電流很小，反之白天電磁鐵與銜鐵吸引，觸點斷開，故B正確，C錯誤；假如換上靈敏度更高的光敏二極管，白天在相同的光照強度下，電磁鐵的磁性更強，與銜鐵的吸引力更大，故D錯誤。4．(2024·河北滄縣高二期中)熱敏電阻是傳感電路中常用的電子元件，其阻值隨溫度改變的圖線如圖甲所示，圖乙是某監(jiān)控溫度波動的報警原理圖，當報警器兩端的電壓改變量超出設定值時，報警器就會自動報警。(1)由圖甲可知，熱敏電阻R的阻值隨著溫度的上升而_減小__(選填“增大”或“減小”)；(2)環(huán)境溫度上升，報警器兩端電壓_減小__(選填“增大”或“減小”)。解析：(1)由甲圖可知，熱敏電阻R的阻值隨溫度的上升而減小。(2)報警器兩端的電壓為串聯(lián)的熱敏電阻和愛護電阻兩端的電壓，當溫度上升時，熱敏電阻阻值變小，電路總電阻變小，電路總電流增大，依據(jù)閉合回路歐姆定律，內(nèi)電壓及滑動變阻器的電壓增大，串聯(lián)的熱敏電阻和愛護電阻兩端的電壓減小，因此報警器兩端電壓減小。5．如圖甲所示為測量硫化鎘光敏電阻特性的試驗電路，電源電壓恒定，電流表內(nèi)阻不計，開關閉合后，調(diào)整滑動變阻器滑片，使小燈泡發(fā)