高中物理人教版 (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课后作业题

3.利用传感器制作简单的自动控制装置

实验1　门窗防盗报警装置

(1)功能：当门窗紧闭时，蜂鸣器不响，指示灯亮；当门窗被打开时，蜂鸣器发出声音警报，指示灯灭。

(2)电路设计

如图1，门的上沿嵌入一小块永磁体M，门框内与M相对的位置嵌入干簧管SA，并将干簧管接入报警电路。干簧管可将门与门框的相对位置这一非电学量转换为电路的通断。

(3)实验器材和装置

如图2，采用干簧管作为传感器，用于感知磁体磁场是否存在。继电器(虚线方框部分)作为执行装置。发光二极管LED作为电路正常工作提示。发光二极管和普通二极管一样具有单向导电性，而且在导电时还能发光，有红、绿、黄等多种颜色。R为发光二极管的限流电阻，起保护作用。蜂鸣器H作为报警提醒。

(4)电路工作原理

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。干簧管在电路中起到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。

(5)实验操作

①连接电路前，要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。

实验2　光控开关

(1)功能：在天色暗到一定程度时让路灯自动开启，而在天明时自动熄灭。

(2)实验器材和装置

①晶体三极管：具有电流放大作用，在控制电路中常用作电子开关。三极管由三个电极组成，分别是发射极e、基极b和集电极c，有NPN型和PNP型两种(图1)，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。

②电路设计

实验电路如图2所示。光控电路用发光二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻，R2为发光二极管的限流电阻。可调电阻R1与光敏电阻RG组成串联分压电路，把光敏电阻因光照而发生的电阻变化，转换为电压的变化，加载到三极管VT的基极b上(图2甲)。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。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。

为了能够驱动更大功率的负载，如采用小灯泡模仿路灯，就要使用继电器来启、闭另外的供电电路，如图2乙中K为继电器的线圈，S为它的常开触点。为了防止继电器释放衔铁时线圈中的自感电动势损坏三极管，必须给线圈并联一只二极管D，以提供自感电流释放的通路。

(3)电路工作原理

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。

(4)实验操作

①按照图2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。

典型考点　利用传感器制作简单的自动控制装置

1．电控调光玻璃能根据光照强度自动调节玻璃的透明度，将光敏电阻Rx和定值电阻R0接在电动势为9 V的电源上，电源内阻不计，光敏电阻阻值随光强变化关系如表所示。

[“光强”是表示光照强弱程度的物理量，符号为E，单位为坎德拉(cd)]

(1)当光照强度为4坎德拉(cd)时，光敏电阻Rx的阻值大小为________Ω。

(2)其原理是：光照增强，光敏电阻Rx阻值减小，施加于玻璃两端的电压降低，玻璃透明度下降，反之则玻璃透明度上升。则下列电路图中符合要求的是________(填序号)。

(3)现已知定值电阻R0为12 Ω，用电压表测得光敏电阻两端的电压为3 V，则此时光照强度为________。

答案　(1)4.5　(2)C　(3)3 cd

解析　(1)由表格数据可知，光敏电阻Rx的阻值与光强E的乘积均为18 Ω·cd，则当E＝4 cd时，光敏电阻的阻值Rx＝ Ω＝4.5 Ω。

(2)A、C中光敏电阻Rx与定值电阻R0串联连接，光照增强时，光敏电阻Rx的阻值减小，电路的总电阻减小，由欧姆定律可知，电路中的电流增大，根据U＝IR可知，R0两端的电压增大，因串联电路中总电压等于各分电压之和，所以Rx两端的电压减小；反之光照减弱时，光敏电阻Rx的阻值增大，R0两端的电压减小，Rx两端的电压增大，则玻璃并联在R0两端时不符合要求，玻璃并联在Rx两端时符合要求，故A错误，C正确；若玻璃接在电源两端，光照强度变化时，玻璃两端的电压不变，故B、D错误。

(3)定值电阻R0为12 Ω，光敏电阻两端的电压Ux＝3 V，因串联电路中总电压等于各分电压之和，则R0两端的电压U0＝U－Ux＝9 V－3 V＝6 V，因串联电路中各处的电流相等，所以有：I＝＝，解得：Rx′＝6 Ω，对照题中光敏电阻阻值随光强变化关系表可知，此时的光照强度为：E′＝ cd＝3 cd。

2．(2019·黑龙江铁人中学高二期末)小明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。图甲中继电器的供电电压U1＝3 V，继电器线圈用漆包线绕成，其电阻R0的阻值为30 Ω。当线圈中的电流大于等于50 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。

(1)由图乙可知，当环境温度为40 ℃时，热敏电阻阻值为________Ω。

(2)由图乙可知，当环境温度升高时，热敏电阻阻值将________，继电器电磁铁的磁性将________(均选填“增大”“减小”或“不变”)。

(3)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________相连。(均选填“A”或“B”)

(4)图甲中线圈下端的磁极是________极(选填“N”或“S”)。

(5)请计算说明，环境温度在________范围内时，警铃报警。

答案　(1)70　(2)减小　增大　(3)B　A

(4)S　(5)大于等于80 ℃

解析　(1)根据题图乙知，当环境温度为40 ℃时，热敏电阻的阻值为70 Ω。

(2)由题图乙可知：当温度升高时，热敏电阻阻值将减小；热敏电阻阻值减小，根据串联电路特点，控制电路总阻值将减小，根据欧姆定律，电路中的电流将增大，则继电器电磁铁的磁性将增大。

(3)由题中“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”，可知警铃的接线柱C应与接线柱B相连，指示灯的接线柱D应与接线柱A相连。

(4)由安培定则可判断出线圈的下端是S极。

(5)当线圈中的电流I≥50 mA＝0.05 A时，继电器的衔铁将被吸合，警铃报警。

当线圈中的电流恰好等于0.05 A时，控制电路的总电阻R总＝＝＝60 Ω，

此时热敏电阻的阻值R＝R总－R0＝60 Ω－30 Ω＝30 Ω，

由题图乙可知，此时环境温度t＝80 ℃，所以当环境温度t≥80 ℃时，警铃报警。

1. (多选)在一些学校的教室中，为了保证照明条件，采用了智能照明系统，在自然光不足时接通电源启动日光灯，而在自然光充足时，自动关闭日光灯。其原理图如图所示，R为一光敏电阻，L为一带铁芯的螺线管。在螺线管上方有一用细弹簧悬着的轻质衔铁，衔铁的一端用铰链固定使其可以自由转动，另一端用一绝缘棒连接两动触头。关于该智能照明系统的工作原理，下列描述正确的是(　　)

A．光照越强时，光敏电阻的阻值越大，衔铁被吸引下来

B．光线不足时，光敏电阻的阻值变大，所在电路电流变小，衔铁被弹簧拉上去，日光灯接通

C．上面的两接线柱应该和日光灯电路连接

D．下面的两接线柱应该和日光灯电路连接

答案　BC

解析　由光敏电阻的特性可知，光照强度越强，阻值越小，由欧姆定律知电路中电流越大，衔铁被吸引下来，日光灯电路断开；光线不足时，光敏电阻阻值变大，电路中电流变小，衔铁被弹簧拉上去，日光灯电路接通。因此，上面的两接线柱应该和日光灯电路连接。综上所述，B、C正确，A、D错误。

2．(多选)如图是电饭锅结构示意图，感温磁体常温下具有铁磁性，但是温度上升到约103 ℃时，就失去了铁磁性，这个温度在物理学中称为该材料的“居里温度”或“居里点”。关于电饭锅，下列说法正确的是(　　)

A．电饭锅中的传感器是感温磁体

B．开始煮饭时，压下开关按钮的原因是克服弹簧的弹力使永磁体一端上升，上、下触点接触接通电路

C．用电饭锅煮米饭，当锅底的温度升高到“居里温度”时，电饭锅会自动断电

D．用电饭锅烧水，水沸腾后也可以自动断电

答案　ABC

解析　电饭锅应用了温度传感器，它的主要元件是感温磁体，A正确；开始煮饭时，压下开关按钮的原因是克服弹簧的弹力使永磁体一端上升，上、下触点接触接通电路，从而开始加热，B正确；饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，当温度升至“居里点”103 ℃时，感温磁体失去磁性，在弹簧作用下，切断电源，C正确；如果在1标准大气压下，用电饭锅烧水，水沸腾后，温度只能达到100 ℃，不会达到103 ℃，因此不可以自动断电，D错误。

3．如图甲所示，斯密特触发器可以将连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号，当加在它的输入端A的电势逐渐上升到1.6 V，输出端Y会突然从高电平跳到低电平0.25 V，而当输入端A的电势下降到0.8 V时，输出端Y会从低电平跳到高电平3.4 V。如图乙所示是一个温度报警器的简易电路图，RT为热敏电阻，R1为可变电阻(最大阻值为1 kΩ)，蜂鸣器工作电压为3～5 V，热敏电阻的阻值随温度变化如图丙所示，若要求热敏电阻在感测到80 ℃时报警，则R1应调至______kΩ；若要求热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，R1的阻值应________(选填“增大”“减小”或“不变”)。

答案　0.42　减小

解析　温度升高时，RT阻值减小，A端电势降低。当温度升高到80 ℃时，由题图丙知，热敏电阻的阻值RT＝80 Ω，要在此时报警，则斯密特触发器输入端A的电势是0.8 V，输出端Y的电压为3.4 V，这时蜂鸣器开始工作。由串联电路分压特点知：＝＝，所以R1＝80× Ω＝420 Ω＝0.42 kΩ。

由热敏电阻的阻值随温度变化的图像可知，温度升高时，热敏电阻的阻值减小，而报警时，斯密特触发器输入端的电压仍保持0.8 V不变，则电阻R1的阻值应减小。