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人教版 (2019)选择性必修 第二册3 利用传感器制作简单的自动控制装置学案
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这是一份人教版 (2019)选择性必修 第二册3 利用传感器制作简单的自动控制装置学案，共13页。学案主要包含了门窗防盗报警装置实验，光控开关实验等内容，欢迎下载使用。
实验必备·自主学习
实验目的
1.了解与传感器技术相关的物理知识。
2.练习用传感器制作自动控制装置。
实验器材
1.门窗防盗报警装置实验：
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、小磁体。
2.光控开关实验：
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、继电器、小灯泡、导线若干、黑纸
实验原理与设计
一、门窗防盗报警装置实验：
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，蜂鸣器不响，指示灯亮；当门窗被打开时，蜂鸣器发出声音报警，指示灯灭。
2.实验电路图：
3.工作原理：
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、光控开关实验：
1.实验的基本思想：
利用光敏电阻作为光控开关实现在天黑到一定程度时让路灯自动开启，而在天明时自动熄灭。
2.实验电路图：
3.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。
实验过程·探究学习
实验步骤
一、门窗防盗报警装置实验步骤：
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，按照图所示连接电路。
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、光控开关实验步骤：
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或小灯泡L熄灭。如现象不明显，可用手电筒加强光照或遮盖光敏电阻再进行观察。
（1）日光灯的启动器（结构如图甲所示）也可看成是一个热敏传感装置，它的热敏功能器是双金属片，你知道启动器的工作原理吗？
（2）如图乙所示，水箱水位自动报警器是如何工作的？
提示：（1）日光灯启动器内有一双金属片，热膨胀系数不同。开关闭合后，启动器两极之间有电压使氖气放电而发出辉光，辉光发出的热量使U形动触片受热膨胀向外延伸，碰到静触片触点，电路接通；温度降低时，U形动触片向里收缩，离开触点，电路断开。
（2）正常生产时，水位较高。继电器中的线圈有电流通过，衔铁1被向下吸引，与触头2接触，B灯亮。水位下降到一定高度后，继电器中线圈没有电流通过了，则衔铁1与触头3接触，A灯亮。
数据收集与分析
一、门窗防盗报警装置实验
二、光控开关实验
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。
4.安装完毕，先检查无误后，再闭合开关进行测试。
实验研析·创新学习
类型一 教材原型实验
角度1实验原理和实验操作
【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 Ω）；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 Ω）；
直流电源（输出电压U约为18 V，内阻不计）；
滑动变阻器R1（最大阻值为1 000 Ω）；
滑动变阻器R2（最大阻值为2 000 Ω）；
单刀双掷开关一个，导线若干。
在室温下对系统进行调节，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：
①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________Ω；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____________________________________。
②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 Ω，则需将上述电路中的______________换成光敏电阻，并将电阻箱的阻值调到________ Ω，然后重复上述操作即可。
【解析】（1）电压为18 V，而报警时的电流为10 mA；此时电阻约为： R＝ eq \f(18,10×10－3) Ω＝1 800 Ω； 而热敏电阻的阻值约为700 Ω，故滑动变阻器接入电阻约为1 100 Ω，故应选择R2。
（2）①因要求热敏电阻达到120 ℃时报警，此时电阻为700 Ω，故应将电阻箱调节至700 Ω，然后由最大阻值处调节滑动变阻器，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20 mA，报警器可能损坏；②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 Ω，然后重复上述操作即可。
答案：（1）R2 （2）①700.0 b 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 ②c 报警器开始报警 （3）不变 （4）热敏电阻 650
角度2实验数据处理
【典例2】（2021·淄博高二检测）为了节能和环保，一些公共场所用光控开关控制照明系统，光控开关可用光敏电阻控制，如图甲所示是某光敏电阻阻值随光照强度变化曲线，照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为：勒克斯（lx）。
（1）如图乙所示，电源电动势为3 V，内阻不计，当控制开关两端电压上升至2 V时控制开关自动启动照明系统。要求当天色渐暗照度降至1.0 lx时控制开关接通照明系统，则R1＝________kΩ。
（2）某同学为了测量光敏电阻在不同照度下的阻值，设计了如图戊所示的电路进行测量，电源（E＝3 V，内阻未知），电阻箱（0～99 999 Ω）。实验时将电阻箱阻值置于最大，闭合S1，将S2与1相连，减小电阻箱阻值，使灵敏电流计的示数为I，图丙为实验时电阻箱的阻值，其读数为__________kΩ；然后将S2与2相连，调节电阻箱的阻值如图丁所示，此时灵敏电流计的示数恰好为I，则光敏电阻的阻值R0＝__________kΩ（结果保留3位有效数字）。
【解析】（1）电阻R1和R0串联， eq \f(R0,R1) ＝ eq \f(U0,U1) ＝ eq \f(2,1) ，当照度为1.0 lx时，电阻R0＝20 kΩ，则R1＝10 kΩ；
（2）由图可知，图丙的电阻为R2＝62.5 kΩ，图丁的电阻R′2＝22.5 kΩ，本题采用等效替代法测电阻，前后两次电路中的电流相等，则电路中的电阻相等，则有R2＝R0＋R′2，所以R0＝40.0 kΩ。
答案：（1）10 （2）62.5 40.0
对于有关传感器应用的实验电路问题，解答时应先弄清楚电路中所用传感器的类型及其工作原理，然后根据电路特点进行分析。
类型二 创新型实验
【典例3】如图甲所示是大型机械厂里用来称重的电子吊秤，其中实现称重的关键元件是拉力传感器。其工作原理是：挂钩上挂上重物，传感器中拉力敏感电阻丝在拉力作用下发生形变，拉力敏感电阻丝的电阻也随着发生变化，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成将所称物体重量变换为电信号的过程。
（1）简述拉力敏感电阻丝的阻值随拉力变化的原因_______________。
（2）小明找到一根拉力敏感电阻丝RL，其阻值随拉力变化的图像如图乙所示，再按图丙所示电路制作了一个简易“吊秤”。电路中电源电动势E约15 V，内阻约2 Ω；灵敏毫安表量程为10 mA，内阻约5 Ω；R是电阻箱，最大阻值是9 999 Ω；RL接在A、B两接线柱上，通过光滑绝缘滑环可将重物吊起，接通电路完成下列操作。
a．滑环下不吊重物时，调节电阻箱，当电流表为某一合适示数I时，读出电阻箱的读数R1；
b．滑环下吊上待测重物，测出电阻丝与竖直方向的夹角为θ；
c．调节电阻箱，使__________，读出此时电阻箱的读数R2；
d．算得图乙直线的斜率k和截距b；则待测重物的重力G的表达式为G＝__________（用以上测得的物理量表示），测得θ＝53°（sin53°＝0.8，cs53°＝0.6），R1、R2分别为1 052 Ω和1 030 Ω，结合乙图信息，可得待测重物的重力G＝________N（结果保留三位有效数字）。
（3）针对小明的设计方案，为了提高测量重量的精度，你认为下列措施可行的是__________。
A．将毫安表换成量程不同，内阻更小的毫安表
B．将毫安表换成量程为10 μA的微安表
C．将电阻箱换成精度更高的电阻箱
D．适当增大A、B接线柱之间的距离
【解析】（1）电阻丝受拉力时，长度增加而横截面积减小，根据电阻定律知其阻值增大；
（2）根据等效替代法测电阻，调节电阻箱，使电流表的示数仍为I；由其阻值随拉力变化的图像可得：
k＝ eq \f(ΔR,ΔF) ＝ eq \f(1 040－1 000,200) Ω/N＝0.2 Ω/N
由平衡条件得：2ΔF cs θ＝G
由等效替代法测电阻得：ΔR＝R1－R2
联立解得：G＝ eq \f(2（R1－R2）cs θ,k)
可得待测重物的重力
G＝ eq \f(2×（1 052－1 030）×0.6,0.2) N＝132 N
（3）为了提高测量重量的精度，将电阻箱换成精度更高的电阻箱，适当增大A、B接线柱之间的距离，使得拉力敏感电阻丝的受力大一些。根据闭合电路欧姆定律得电流I＝ eq \f(E,R总) 只有几毫安，所以不能将毫安表换成量程为10 μA的微安表，或不能将毫安表换成其他量程，故选C、D。
答案：（1）电阻丝受拉力时，长度增加而横截面积减小，根据电阻定律知其阻值增大 （2）c.电流表的示数仍为I
d． eq \f(2（R1－R2）cs θ,k) 132 （3）C、D
课堂检测·素养达标
1.如图，某学校创建绿色校园，甲为新装的一批节能路灯，该路灯通过光控开关实现自动控制：电灯的亮度可自动随周围环境的亮度改变而改变。如图乙为其内部电路简化原理图，电源电动势为E，内阻为r，R1为光敏电阻（光照强度增大时，其电阻值减小）。现增大光照强度，则下列判断正确的是（ ）
A．路端电压不变B．R0两端电压变大
C．B灯变暗，A灯变亮 D．电源总功率不变
【解析】选B。增大光照强度，光敏电阻的阻值减小，电路总电阻减小，总电流增大，电源内电压增大，路端电压减小，A错误；通过A灯上的电流减小，则通过R0的电流增大，R0两端的电压变大，B灯上的电压减小，A、B两灯均变暗，B正确，C错误；电源的总功率P＝EI会随着总电流的增大而增大，D错误。
2.（2021·北京高二检测）如图所示是温度自动报警器的工作原理图，图中1是电磁铁、2是衔铁、3是触点、4是水银温度计（水银导电）。则下列说法正确的是（ ）
A．温度高于警戒温度时，电铃不报警、指示灯亮
B．温度低于警戒温度时，电铃报警、指示灯熄灭
C．温度高于警戒温度时，指示灯亮、电铃报警
D．温度低于警戒温度时，指示灯亮、电铃不响
【解析】选D。温度低于警戒温度时，水银柱下降，控制电路处于断路状态，电磁铁没有电流通过，电磁铁没有磁性，此时指示灯通过常闭触点与工作电路接通，通路状态指示灯亮，电铃不报警，故B错误，D正确；温度高于警戒温度时，水银柱上升，控制电路处于接通状态，电磁铁中有电流通过，电磁铁有磁性，此时电铃通过触点3与工作电路接通，电铃报警，此通路状态，指示灯的电路中没有电流，灯不亮，故A、C错误。
【加固训练】
（多选）某一热敏电阻的阻值随温度的变化关系如图（a）所示，利用此热敏电阻制作温控报警器，其电路的一部分如图（b）所示，E为直流电源（电动势为9 V，内阻可忽略），当输出电压达到或超过6.0 V时，便触发报警器（图中未画出）报警。若要求开始报警时环境温度为50 ℃，则下列说法中正确的是
（ ）
A.R1应使用热敏电阻
B．R2应使用热敏电阻
C．R1为固定电阻，阻值为0.4 kΩ
D．R2为固定电阻，阻值为1.6 kΩ
【解析】选A、D。温度升高时，该热敏电阻阻值减小，分得电压减少。而温度高时要求输出电压升高，以触发报警，所以R1为热敏电阻，R2为固定电阻；由图线可知，温度为50 ℃时，R1＝0.8 kΩ，由欧姆定律可得E＝I（R1＋R2），U＝IR2，代入数据解得R2＝1.6 kΩ，故A、D正确，B、C错误。
3.（2021·海口高二检测）如图是电熨斗的结构图，下列说法不正确的是
（ ）
A．双金属片上层金属的膨胀系数小于下层金属
B．常温下，上下触点接触；温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分离
C．需要较高温度熨烫时，要调节调温旋钮，使升降螺丝下移并推动弹性铜片下移
D．双金属片温度传感器的作用是控制电路的通断
【解析】选A。由电路可知：温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分离，因此双金属片上层金属的膨胀系数应大于下层金属，A错误，B正确；需要较高温度熨烫时，要调节调温旋钮，双金属片虽发生弯曲但不使触点分离，应使升降螺丝下移并推动弹性铜片下移，C正确；利用双金属片热胀冷缩控制电路的通断，D正确。
4.（2021·菏泽高二检测）如图所示为某居住小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，R1为光敏电阻、R2为定值电阻，A、B接监控装置，则下列说法正确的是（ ）
①当有人通过而遮蔽光线时，A、B间的电压增大
②当有人通过而遮蔽光线时，A、B间的电压减小
③当仅增大R2的阻值时，A、B间的电压增大
④当仅减小R2的阻值时，A、B间的电压增大
A．①③B．①④C．②③ D．②④
【解析】选C。由电路图可知，两电阻串联，监控装置与R2并联。当有人通过通道而遮蔽光线时，R1阻值变大，电路中的总电阻变大，电路中的电流变小，根据U＝IR可知，R2阻值不变时，其两端的电压变小，即A、B间电压降低，故①错误，②正确；当仅增大R2的阻值时，电路中的总电阻变大，电路中的电流变小，电源的内阻和R1阻值不变时，内阻和R1两端的电压变小，则R2上的电压变大，即A、B间电压变大，故③正确；当仅减小R2的阻值时，电路中的总电阻变小，电路中的电流变大，电源的内阻和R1阻值不变时，内阻和R1两端的电压变大，即A、B间电压减小，故④错误。
5.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（a）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（b）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（c）中用笔画线代替导线，完成电路的连接；
（4）已知电源电动势为3 V，内阻很小，电磁铁线圈电阻R0＝20.0 Ω，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（c）中定值电阻R＝______Ω。
【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）由图（a）所示图线可知，2 cd对应的光敏电阻阻值R光敏＝18 Ω，由闭合电路欧姆定律可知I＝ eq \f(E,R光敏＋R＋R0) ，代入数据解得R＝22 Ω。
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）图见解析 （4）22
【加固训练】
用压敏电阻可制成压力传感器，它受到的压力越大，输出的电压就越大，用它可以对汽车称重。经实测，某压力传感器输出电压与力的关系式为U＝ eq \f(5,6) ×
10－5F，将该压力传感器水平放置，并和电阻箱R′（最大电阻999.9 Ω）及部分其他器材组成了如图所示的电路，闭合开关S，当线圈中的电流I≥20 mA 时，电磁继电器的衔铁被吸合。已知继电器线圈的电阻为30 Ω，继电器控制电路的电压由传感器的输出电压U提供。（假设U不受继电器电路影响）
（1）当压力增加到一定程度时，电铃报警，说明汽车超载，则图中电铃应接在________（选填“A、B”或“C、D”）两端。
（2）为使车重G≥3.6×105 N时启动报警系统，则电阻箱R′的电阻应调节到________Ω。
（3）通过调整电阻箱R′的阻值，可以调整报警车重，能使该装置报警的最小车重为__________N。
【解析】（1）当压力增大到一定程度时，压力传感器输出电压达到一定数值，线圈中电流大于或等于20 mA时，电磁继电器的衔铁被吸合，C、D间的电路就会被接通，因此电铃应接在C、D之间。
（2）当F＝3.6×105 N时，由U＝ eq \f(5,6) ×10－5F，可得U＝3 V，而使得电磁继电器的衔铁被吸合的最小电流为20 mA，故电路总电阻R总＝ eq \f(3.0,0.02) Ω＝150 Ω，所以电阻箱接入电路的阻值R′＝R总－R线＝150 Ω－30 Ω＝120 Ω。
（3）因为使电磁继电器衔铁被吸合的最小电流I＝20 mA＝0.02 A，继电器线圈的电阻R线＝30 Ω，所以要使该装置报警，压力传感器输出的电压最小值为U最小＝IR线＝0.02 A×30 Ω＝0.6 V，由公式可知，输出电压为0.6 V时，对应的压力为7.2×104 N。
答案：（1）C、D （2）120 （3）7.2×104
实验必备·自主学习
实验目的
1.了解与传感器技术相关的物理知识。
2.练习用传感器制作自动控制装置。
实验器材
1.门窗防盗报警装置实验：
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、小磁体。
2.光控开关实验：
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、继电器、小灯泡、导线若干、黑纸
实验原理与设计
一、门窗防盗报警装置实验：
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，蜂鸣器不响，指示灯亮；当门窗被打开时，蜂鸣器发出声音报警，指示灯灭。
2.实验电路图：
3.工作原理：
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、光控开关实验：
1.实验的基本思想：
利用光敏电阻作为光控开关实现在天黑到一定程度时让路灯自动开启，而在天明时自动熄灭。
2.实验电路图：
3.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。
实验过程·探究学习
实验步骤
一、门窗防盗报警装置实验步骤：
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，按照图所示连接电路。
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、光控开关实验步骤：
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或小灯泡L熄灭。如现象不明显，可用手电筒加强光照或遮盖光敏电阻再进行观察。
（1）日光灯的启动器（结构如图甲所示）也可看成是一个热敏传感装置，它的热敏功能器是双金属片，你知道启动器的工作原理吗？
（2）如图乙所示，水箱水位自动报警器是如何工作的？
提示：（1）日光灯启动器内有一双金属片，热膨胀系数不同。开关闭合后，启动器两极之间有电压使氖气放电而发出辉光，辉光发出的热量使U形动触片受热膨胀向外延伸，碰到静触片触点，电路接通；温度降低时，U形动触片向里收缩，离开触点，电路断开。
（2）正常生产时，水位较高。继电器中的线圈有电流通过，衔铁1被向下吸引，与触头2接触，B灯亮。水位下降到一定高度后，继电器中线圈没有电流通过了，则衔铁1与触头3接触，A灯亮。
数据收集与分析
一、门窗防盗报警装置实验
二、光控开关实验
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。
4.安装完毕，先检查无误后，再闭合开关进行测试。
实验研析·创新学习
类型一 教材原型实验
角度1实验原理和实验操作
【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 Ω）；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 Ω）；
直流电源（输出电压U约为18 V，内阻不计）；
滑动变阻器R1（最大阻值为1 000 Ω）；
滑动变阻器R2（最大阻值为2 000 Ω）；
单刀双掷开关一个，导线若干。
在室温下对系统进行调节，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：
①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________Ω；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____________________________________。
②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 Ω，则需将上述电路中的______________换成光敏电阻，并将电阻箱的阻值调到________ Ω，然后重复上述操作即可。
【解析】（1）电压为18 V，而报警时的电流为10 mA；此时电阻约为： R＝ eq \f(18,10×10－3) Ω＝1 800 Ω； 而热敏电阻的阻值约为700 Ω，故滑动变阻器接入电阻约为1 100 Ω，故应选择R2。
（2）①因要求热敏电阻达到120 ℃时报警，此时电阻为700 Ω，故应将电阻箱调节至700 Ω，然后由最大阻值处调节滑动变阻器，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20 mA，报警器可能损坏；②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 Ω，然后重复上述操作即可。
答案：（1）R2 （2）①700.0 b 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 ②c 报警器开始报警 （3）不变 （4）热敏电阻 650
角度2实验数据处理
【典例2】（2021·淄博高二检测）为了节能和环保，一些公共场所用光控开关控制照明系统，光控开关可用光敏电阻控制，如图甲所示是某光敏电阻阻值随光照强度变化曲线，照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为：勒克斯（lx）。
（1）如图乙所示，电源电动势为3 V，内阻不计，当控制开关两端电压上升至2 V时控制开关自动启动照明系统。要求当天色渐暗照度降至1.0 lx时控制开关接通照明系统，则R1＝________kΩ。
（2）某同学为了测量光敏电阻在不同照度下的阻值，设计了如图戊所示的电路进行测量，电源（E＝3 V，内阻未知），电阻箱（0～99 999 Ω）。实验时将电阻箱阻值置于最大，闭合S1，将S2与1相连，减小电阻箱阻值，使灵敏电流计的示数为I，图丙为实验时电阻箱的阻值，其读数为__________kΩ；然后将S2与2相连，调节电阻箱的阻值如图丁所示，此时灵敏电流计的示数恰好为I，则光敏电阻的阻值R0＝__________kΩ（结果保留3位有效数字）。
【解析】（1）电阻R1和R0串联， eq \f(R0,R1) ＝ eq \f(U0,U1) ＝ eq \f(2,1) ，当照度为1.0 lx时，电阻R0＝20 kΩ，则R1＝10 kΩ；
（2）由图可知，图丙的电阻为R2＝62.5 kΩ，图丁的电阻R′2＝22.5 kΩ，本题采用等效替代法测电阻，前后两次电路中的电流相等，则电路中的电阻相等，则有R2＝R0＋R′2，所以R0＝40.0 kΩ。
答案：（1）10 （2）62.5 40.0
对于有关传感器应用的实验电路问题，解答时应先弄清楚电路中所用传感器的类型及其工作原理，然后根据电路特点进行分析。
类型二 创新型实验
【典例3】如图甲所示是大型机械厂里用来称重的电子吊秤，其中实现称重的关键元件是拉力传感器。其工作原理是：挂钩上挂上重物，传感器中拉力敏感电阻丝在拉力作用下发生形变，拉力敏感电阻丝的电阻也随着发生变化，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成将所称物体重量变换为电信号的过程。
（1）简述拉力敏感电阻丝的阻值随拉力变化的原因_______________。
（2）小明找到一根拉力敏感电阻丝RL，其阻值随拉力变化的图像如图乙所示，再按图丙所示电路制作了一个简易“吊秤”。电路中电源电动势E约15 V，内阻约2 Ω；灵敏毫安表量程为10 mA，内阻约5 Ω；R是电阻箱，最大阻值是9 999 Ω；RL接在A、B两接线柱上，通过光滑绝缘滑环可将重物吊起，接通电路完成下列操作。
a．滑环下不吊重物时，调节电阻箱，当电流表为某一合适示数I时，读出电阻箱的读数R1；
b．滑环下吊上待测重物，测出电阻丝与竖直方向的夹角为θ；
c．调节电阻箱，使__________，读出此时电阻箱的读数R2；
d．算得图乙直线的斜率k和截距b；则待测重物的重力G的表达式为G＝__________（用以上测得的物理量表示），测得θ＝53°（sin53°＝0.8，cs53°＝0.6），R1、R2分别为1 052 Ω和1 030 Ω，结合乙图信息，可得待测重物的重力G＝________N（结果保留三位有效数字）。
（3）针对小明的设计方案，为了提高测量重量的精度，你认为下列措施可行的是__________。
A．将毫安表换成量程不同，内阻更小的毫安表
B．将毫安表换成量程为10 μA的微安表
C．将电阻箱换成精度更高的电阻箱
D．适当增大A、B接线柱之间的距离
【解析】（1）电阻丝受拉力时，长度增加而横截面积减小，根据电阻定律知其阻值增大；
（2）根据等效替代法测电阻，调节电阻箱，使电流表的示数仍为I；由其阻值随拉力变化的图像可得：
k＝ eq \f(ΔR,ΔF) ＝ eq \f(1 040－1 000,200) Ω/N＝0.2 Ω/N
由平衡条件得：2ΔF cs θ＝G
由等效替代法测电阻得：ΔR＝R1－R2
联立解得：G＝ eq \f(2（R1－R2）cs θ,k)
可得待测重物的重力
G＝ eq \f(2×（1 052－1 030）×0.6,0.2) N＝132 N
（3）为了提高测量重量的精度，将电阻箱换成精度更高的电阻箱，适当增大A、B接线柱之间的距离，使得拉力敏感电阻丝的受力大一些。根据闭合电路欧姆定律得电流I＝ eq \f(E,R总) 只有几毫安，所以不能将毫安表换成量程为10 μA的微安表，或不能将毫安表换成其他量程，故选C、D。
答案：（1）电阻丝受拉力时，长度增加而横截面积减小，根据电阻定律知其阻值增大 （2）c.电流表的示数仍为I
d． eq \f(2（R1－R2）cs θ,k) 132 （3）C、D
课堂检测·素养达标
1.如图，某学校创建绿色校园，甲为新装的一批节能路灯，该路灯通过光控开关实现自动控制：电灯的亮度可自动随周围环境的亮度改变而改变。如图乙为其内部电路简化原理图，电源电动势为E，内阻为r，R1为光敏电阻（光照强度增大时，其电阻值减小）。现增大光照强度，则下列判断正确的是（ ）
A．路端电压不变B．R0两端电压变大
C．B灯变暗，A灯变亮 D．电源总功率不变
【解析】选B。增大光照强度，光敏电阻的阻值减小，电路总电阻减小，总电流增大，电源内电压增大，路端电压减小，A错误；通过A灯上的电流减小，则通过R0的电流增大，R0两端的电压变大，B灯上的电压减小，A、B两灯均变暗，B正确，C错误；电源的总功率P＝EI会随着总电流的增大而增大，D错误。
2.（2021·北京高二检测）如图所示是温度自动报警器的工作原理图，图中1是电磁铁、2是衔铁、3是触点、4是水银温度计（水银导电）。则下列说法正确的是（ ）
A．温度高于警戒温度时，电铃不报警、指示灯亮
B．温度低于警戒温度时，电铃报警、指示灯熄灭
C．温度高于警戒温度时，指示灯亮、电铃报警
D．温度低于警戒温度时，指示灯亮、电铃不响
【解析】选D。温度低于警戒温度时，水银柱下降，控制电路处于断路状态，电磁铁没有电流通过，电磁铁没有磁性，此时指示灯通过常闭触点与工作电路接通，通路状态指示灯亮，电铃不报警，故B错误，D正确；温度高于警戒温度时，水银柱上升，控制电路处于接通状态，电磁铁中有电流通过，电磁铁有磁性，此时电铃通过触点3与工作电路接通，电铃报警，此通路状态，指示灯的电路中没有电流，灯不亮，故A、C错误。
【加固训练】
（多选）某一热敏电阻的阻值随温度的变化关系如图（a）所示，利用此热敏电阻制作温控报警器，其电路的一部分如图（b）所示，E为直流电源（电动势为9 V，内阻可忽略），当输出电压达到或超过6.0 V时，便触发报警器（图中未画出）报警。若要求开始报警时环境温度为50 ℃，则下列说法中正确的是
（ ）
A.R1应使用热敏电阻
B．R2应使用热敏电阻
C．R1为固定电阻，阻值为0.4 kΩ
D．R2为固定电阻，阻值为1.6 kΩ
【解析】选A、D。温度升高时，该热敏电阻阻值减小，分得电压减少。而温度高时要求输出电压升高，以触发报警，所以R1为热敏电阻，R2为固定电阻；由图线可知，温度为50 ℃时，R1＝0.8 kΩ，由欧姆定律可得E＝I（R1＋R2），U＝IR2，代入数据解得R2＝1.6 kΩ，故A、D正确，B、C错误。
3.（2021·海口高二检测）如图是电熨斗的结构图，下列说法不正确的是
（ ）
A．双金属片上层金属的膨胀系数小于下层金属
B．常温下，上下触点接触；温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分离
C．需要较高温度熨烫时，要调节调温旋钮，使升降螺丝下移并推动弹性铜片下移
D．双金属片温度传感器的作用是控制电路的通断
【解析】选A。由电路可知：温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分离，因此双金属片上层金属的膨胀系数应大于下层金属，A错误，B正确；需要较高温度熨烫时，要调节调温旋钮，双金属片虽发生弯曲但不使触点分离，应使升降螺丝下移并推动弹性铜片下移，C正确；利用双金属片热胀冷缩控制电路的通断，D正确。
4.（2021·菏泽高二检测）如图所示为某居住小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，R1为光敏电阻、R2为定值电阻，A、B接监控装置，则下列说法正确的是（ ）
①当有人通过而遮蔽光线时，A、B间的电压增大
②当有人通过而遮蔽光线时，A、B间的电压减小
③当仅增大R2的阻值时，A、B间的电压增大
④当仅减小R2的阻值时，A、B间的电压增大
A．①③B．①④C．②③ D．②④
【解析】选C。由电路图可知，两电阻串联，监控装置与R2并联。当有人通过通道而遮蔽光线时，R1阻值变大，电路中的总电阻变大，电路中的电流变小，根据U＝IR可知，R2阻值不变时，其两端的电压变小，即A、B间电压降低，故①错误，②正确；当仅增大R2的阻值时，电路中的总电阻变大，电路中的电流变小，电源的内阻和R1阻值不变时，内阻和R1两端的电压变小，则R2上的电压变大，即A、B间电压变大，故③正确；当仅减小R2的阻值时，电路中的总电阻变小，电路中的电流变大，电源的内阻和R1阻值不变时，内阻和R1两端的电压变大，即A、B间电压减小，故④错误。
5.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（a）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（b）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（c）中用笔画线代替导线，完成电路的连接；
（4）已知电源电动势为3 V，内阻很小，电磁铁线圈电阻R0＝20.0 Ω，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（c）中定值电阻R＝______Ω。
【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）由图（a）所示图线可知，2 cd对应的光敏电阻阻值R光敏＝18 Ω，由闭合电路欧姆定律可知I＝ eq \f(E,R光敏＋R＋R0) ，代入数据解得R＝22 Ω。
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）图见解析 （4）22
【加固训练】
用压敏电阻可制成压力传感器，它受到的压力越大，输出的电压就越大，用它可以对汽车称重。经实测，某压力传感器输出电压与力的关系式为U＝ eq \f(5,6) ×
10－5F，将该压力传感器水平放置，并和电阻箱R′（最大电阻999.9 Ω）及部分其他器材组成了如图所示的电路，闭合开关S，当线圈中的电流I≥20 mA 时，电磁继电器的衔铁被吸合。已知继电器线圈的电阻为30 Ω，继电器控制电路的电压由传感器的输出电压U提供。（假设U不受继电器电路影响）
（1）当压力增加到一定程度时，电铃报警，说明汽车超载，则图中电铃应接在________（选填“A、B”或“C、D”）两端。
（2）为使车重G≥3.6×105 N时启动报警系统，则电阻箱R′的电阻应调节到________Ω。
（3）通过调整电阻箱R′的阻值，可以调整报警车重，能使该装置报警的最小车重为__________N。
【解析】（1）当压力增大到一定程度时，压力传感器输出电压达到一定数值，线圈中电流大于或等于20 mA时，电磁继电器的衔铁被吸合，C、D间的电路就会被接通，因此电铃应接在C、D之间。
（2）当F＝3.6×105 N时，由U＝ eq \f(5,6) ×10－5F，可得U＝3 V，而使得电磁继电器的衔铁被吸合的最小电流为20 mA，故电路总电阻R总＝ eq \f(3.0,0.02) Ω＝150 Ω，所以电阻箱接入电路的阻值R′＝R总－R线＝150 Ω－30 Ω＝120 Ω。
（3）因为使电磁继电器衔铁被吸合的最小电流I＝20 mA＝0.02 A，继电器线圈的电阻R线＝30 Ω，所以要使该装置报警，压力传感器输出的电压最小值为U最小＝IR线＝0.02 A×30 Ω＝0.6 V，由公式可知，输出电压为0.6 V时，对应的压力为7.2×104 N。
答案：（1）C、D （2）120 （3）7.2×104
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