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精品同步达标检测题

第五章 传感器

课时5.3 利用传感器制作简单的自动控制装置

1. 了解光控开关的工作原理。
2. 了解二极管、三极管的特点，知道常见的报警器。
3. 会利用传感器制作简单的自动控制装置。

一、门窗防盗报警装置

1．电路如图所示。

2．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。

3．实验器材

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。

4. 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，观察簧片能否正常动作。

(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

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，产生较大的集电极电流， 点亮发光二极管或驱动继电器吸合而点亮小灯泡L。

3．实验器材

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。

4．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。

5．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。

题组一　门窗防盗报警装置

1.如图所示是某保密室的防盗报警电路，当有人闯入保密室时会使开关S闭合。下列说法正确的是 (　　)

A.电磁继电器与发电机工作原理相同

B.电磁铁的磁性强弱只与电流大小有关

C.电磁铁工作时，上端为S极

D.当有人闯入保密室时，b灯亮

2.图甲为一种家用门磁防盗报警器，由磁条和主机组成，门窗均可使用。乙图为其简化示意图，安装时，将磁条固定在门框上，主机安装在与其等高的门板边缘，门关上时，两者刚好靠在一起。当主机开关闭合时，若门被打开，磁条与主机分离，主机内的触发器就会工作，带动报警器发出报警声。下列有关说法正确的是 (　　)

甲

乙

A.触发器内是一个开关，当主机与磁条靠近时，开关是断开的

B.触发器可以由铜制成

C.磁条的两极对调后，该报警器不能正常工作

D.本装置是利用电流的磁效应工作的

3.如图所示是一位同学设计的防盗门报警器的简化电路示意图。门打开时，红外光敏电阻R3受到红外线照射，电阻减小；门关闭时会遮蔽红外线源(红外线源没有画出)。经实际试验，可知灯的亮灭情况能反映门的开关状态。门打开时两灯的发光情况及R2两端电压UR2与门关闭时相比 (　　)

A.红灯亮，UR2变大

B.绿灯亮，UR2变大

C.绿灯亮，UR2变小

D.红灯亮，UR2变小

4.设计一个自动防盗报警电路，要求：晚间房门被打开，细导线EF被扯断，电铃发声自动报警。把如图所示的电路元件连成电路。

题组二　光控开关

5.如图是某研究学习小组设计的模拟街道路灯自动控制系统的电路图，光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻的阻值随着光照强度增强而减小，利用直流电源为电磁铁供电，利用照明电源为电灯供电。为达到天亮灯熄、天黑灯亮的效果，电灯应接在　　　　(选填“A、B”或“B、C”)之间，请用笔画线代替导线，将电路补充完整。 

6.目前有些居民区内楼道灯的控制使用的是一种延时开关，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，灯泡熄灭。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　　　　(填“发光的”或“熄灭的”)；将按钮式开关K按下再释放后，灯泡L发光持续时间约　　　　min，这一过程中发光二极管是　　　　(填“发光的”或“熄灭的”)。限流电阻R的阻值和灯丝电阻RL相比，应满足R　　　　RL的条件。 

7.为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统。光控开关的通断可通过光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度变化而变化的元件(照度可以反映光的强弱，光越强，照度越大，照度的单位为lx)。某光敏电阻RG在不同照度下的阻值如下表：

(1)请根据表中数据在图甲所示的坐标系中描绘出光敏电阻的阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点。

甲

(2)如图乙所示，当1、2两端所加电压上升至2 V时，控制开关自动启动照明系统。请利用下列器材设计一个简单电路：给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至1.0 lx时启动照明系统。在虚线框内完成电路原理图。(不考虑控制开关对所设计电路的影响)

提供的器材如下：

光敏电阻RG(符号，阻值见表)；

直流电源E(电动势3 V，内阻不计)；

定值电阻R1=10 kΩ，R2=20 kΩ，R3=40 kΩ(限选其中之一，并在图中标出)；

开关S及导线若干。

乙

题组三　温控装置

8.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20 Ω，热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如下表所示。

(1)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　　　　(选填“E1”或“E2”)，滑动变阻器R应选用　　　　(选填“R1”或“R2”)。 

(2)欲使衔铁在热敏电阻为50 ℃时被吸合，下列操作步骤的正确顺序是　　　　。(填写各步骤前的序号) 

①将热敏电阻接入电路

②观察到继电器的衔铁被吸合

③断开开关，将电阻箱从电路中移除

④合上开关，调节滑动变阻器的阻值

⑤断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，将阻值调至108.1 Ω

答案全解全析

基础过关练

1.D　电磁继电器是利用电流的磁效应工作的，发电机是利用电磁感应原理制成的，选项A错误；电磁铁的磁性强弱和电流大小、线圈的匝数及有无铁芯有关，选项B错误；根据安培定则可知，电磁铁工作时，上端为N极，选项C错误；当有人闯入保密室时会使开关S闭合，电磁铁有磁性，吸引衔铁向下移动，b灯所在电路接通，b灯亮，选项D正确。

2.A　门关上时，磁条与主机刚好靠在一起，此时报警器不工作，说明电路是断开的；当主机开关闭合时，若门被打开，磁条与主机分离，主机内的触发器就会工作，带动报警器发出报警声，说明此时触发器内开关是闭合的，选项A正确。触发器与磁条之间存在磁力的作用，所以触发器不可能是铜制成的，因为铜没有磁性，选项B错误。无论磁条哪个磁极靠近触发器，都存在磁力作用，所以两极对调后，该报警器仍能正常工作，选项C错误。本装置是利用磁体能够吸引磁性物体的特点工作的，选项D错误。

3.D　当门打开时，R3受红外线照射，电阻减小，则总电阻减小，总电流I增大，R2两端电压UR2=E-I(R1+r)减小，R2中电流IR2=减小，所以R3中电流IR3=I-IR2增大，电磁继电器产生的磁场增强，把衔铁吸下，红灯亮，选项D正确。

4.答案　见解析

解析　EF断开时，电铃发声，应使电铃与导线EF并联后，再与电阻串联，如图所示。

5.答案　A、B　图见解析

解析　该模拟电路的工作原理是：由光敏电阻感知光照强度变化，调节电磁铁线圈中电流的大小，即可调节电磁铁磁性的强弱，吸下或者释放衔铁，从而控制灯的亮灭，即达到天亮灯熄、天黑灯亮的效果。因为天亮时光照强度大，光敏电阻阻值较小，电磁铁线圈中电流较大，磁性较强，可将衔铁吸下；又因为天亮时需要使灯熄灭，所以灯应接在A、B之间。电路连线时直接将D、E两端与光敏电阻、滑动变阻器、开关以及电源串联即可。电路如图所示：

6.答案　发光的　1　熄灭的　≫

解析　按钮式开关K按下前，发光二极管、限流电阻与灯泡串联，有电流通过发光二极管，因此发光二极管处于发光状态。当将按钮式开关K按下再释放后，由于接通电路瞬间延时开关触发，相当于S闭合，二极管被短路，所以处于熄灭状态。由于延时开关S约1 min后断开，灯泡熄灭，则知灯泡L发光持续时间约1 min。由于R为限流电阻，且二极管只要有很小的电流通过就能发光，若要保证延时开关断开时，二极管发光，灯泡L不发光，则应满足R≫RL。

7.答案　见解析

解析　(1)根据题表中的数据，在坐标系中描点连线，得到如图甲所示的变化曲线。

甲

由图可知光敏电阻的阻值随照度的增大非线性减小。

(2)天色渐暗，照度降低，光敏电阻的阻值增大，两端电压升高，因此，光敏电阻应接在1、2端之间。要求照度降低至1.0 lx时启动照明系统，此时光敏电阻的阻值为20 kΩ，两端电压为2 V，电源电动势为3 V，故应串联一个阻值为10 kΩ的分压电阻，即选用R1。电路原理图如图乙所示。

乙

8.答案　(1)E2　R2　(2)⑤④②③①

解析　(1)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)= Ω-49.1 Ω-20 Ω=330.9 Ω，故滑动变阻器应选用R2。

(2)欲使衔铁在50 ℃时被吸合，则要求温度达到50 ℃时电路中电流达到15 mA，而此时热敏电阻的阻值为108.1 Ω。为确定滑动变阻器应接入电路中的阻值，先将电阻箱调到108.1 Ω并替代热敏电阻接入电路，调节滑动变阻器使衔铁恰好被吸合，然后再保持滑动变阻器滑片位置不动，将热敏电阻再替换回电阻箱即可，故合理的顺序应为⑤④②③①。