高考物理一轮复习讲义65　第十二章　实验探究课十六　利用传感器制作简单的自动控制装置

这是一份高考物理一轮复习讲义65　第十二章　实验探究课十六　利用传感器制作简单的自动控制装置，共9页。

教材原型实验
[典例1] 纯电动汽车的蓄电池的安全性，主要体现在对其温度的控制上，当电池温度过高时，必须立即启动制冷系统进行降温。如图甲是小明设计的模拟控温装置的示意图，电磁继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器RP串联接在电压为5 V的电源两端。当电磁铁线圈(电阻不计)中的电流I大于或等于 20 mA 时，衔铁被吸合，热敏电阻置于温度监测区域，其阻值Rt与温度t的关系如图乙所示，滑动变阻器的最大阻值为200 Ω。则：
(1)图甲中应将b端与________(选填“a”或“c”)端相连。
(2)若设置电池温度为50 ℃时启动制冷系统，则滑动变阻器阻值应为________ Ω。
(3)该电路可设置启动制冷系统的最高温度是________ ℃。
[听课记录]



[典例2] (2024·河北卷)某种花卉喜光，但阳光太强时易受损伤。某兴趣小组决定制作简易光强报警器，以便在光照过强时提醒花农。该实验用到的主要器材如下：学生电源、多用电表、数字电压表(0～20 V)、数字电流表(0～20 mA)、滑动变阻器R(最大阻值50 Ω，1.5 A)、白炽灯、可调电阻R1(0～50 kΩ)、发光二极管LED、光敏电阻RG、NPN型三极管VT、开关和若干导线等。
(1)判断发光二极管的极性
使用多用电表的“×10 k”电阻挡测量二极管的电阻。如图1所示，当黑表笔与接线端M接触、红表笔与接线端N接触时，多用电表指针位于表盘中a位置(见图2)；对调红、黑表笔后指针位于表盘中b位置(见图2)。由此判断M端为二极管的________(选填“正极”或“负极”)。

(2)研究光敏电阻在不同光照条件下的伏安特性
①采用图3中的器材进行实验，部分实物连接已完成。要求闭合开关后电压表和电流表的读数从0开始。导线L1、L2和L3的另一端应分别连接滑动变阻器的________、________、________接线柱(以上三空选填接线柱标号“A”“B”“C”或“D”)。
②图4为不同光照强度下得到的光敏电阻伏安特性曲线，图中曲线Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ对应光敏电阻受到的光照由弱到强。由图像可知，光敏电阻的阻值随其表面受到光照的增强而__________(选填“增大”或“减小”)。
(3)组装光强报警器电路并测试其功能
图5为利用光敏电阻、发光二极管、三极管(当b、e间电压达到一定程度后，三极管被导通)等元件设计的电路。组装好光强报警器后，在测试过程中发现，当照射到光敏电阻表面的光强达到报警值时，发光二极管并不发光，为使报警器正常工作，应________(选填“增大”或“减小”)可调电阻R1的阻值，直至发光二极管发光。
[听课记录]



拓展创新实验
[典例3] 利用霍尔效应制作的霍尔元件，被广泛应用于测量、自动控制等领域。某同学想设计一个研究霍尔电压与通过某霍尔元件电流关系的实验，查阅资料得知该霍尔元件(导电微粒带负电)的工作电流在0～500 mA之间，C、D间产生的霍尔电压在0～5 V之间。可供选择的器材如下：
A．电流表A1(量程0.6 A，内阻约为0.15 Ω)
B．电流表A2(量程20 mA，内阻约为40 Ω)
C．电压表V1(量程6.0 V，内阻约为20 kΩ)
D．电压表V2(量程15 V，内阻约为20 kΩ)
E．保护电阻
F．滑动变阻器(最大阻值为50 Ω，允许通过的最大电流为1.5 A)
G．电源、单刀单掷开关各一个，导线若干
实验时将该霍尔元件放在磁铁S极的正上方，要求多测量几组数据，且霍尔电压从零开始变化。
(1)为了完成实验，电流表应选用________(选填“A1”或“A2”)，电压表应选用________(选填“V1”或“V2”)。
(2)请结合(1)中所选的器材和实验要求将图甲中的实物图连线补充完整。
(3)该同学将记录的实验数据描绘在U-I坐标系中，如图乙所示，请将图像补充完整，结合所作图像可得，在误差允许的范围内，霍尔电压U与电流大小I的关系为________(选填“U＝kI”“U＝kI2”或“U＝kI”)。
[听课记录]



(1)创新思路：通过霍尔元件和定值电阻控制电路，实现简易的霍尔效应传感器。
(2)根据电流方向判断粒子偏转方向，再根据粒子电性判断电势高低。
[典例4] (2025·湖北武汉高三阶段检测)图甲所示为苹果自动分拣装置的示意图，该装置把大小不同的苹果，按一定质量标准自动分拣为大苹果和小苹果。该装置的托盘秤压在一个以O1为转动轴的杠杆上，杠杆末端压在压力传感器R上，R的阻值随压力变化的曲线如图乙所示。调节托盘秤压在杠杆上的位置，使质量等于分拣标准(0.15 kg)的大苹果经过托盘秤时，杠杆对R的压力为1 N。调节可调电阻R0，可改变R、R0两端的电压比，使质量等于分拣标准的大苹果通过托盘秤时，R0两端的电压恰好能使放大电路中的电磁铁吸动分拣开关的衔铁，此电压叫作放大电路的激励电压。该放大电路中包含保持电路，能够确保大苹果在衔铁上运动时电磁铁始终保持吸动状态。
(1)当大苹果通过托盘秤时，R所受的压力较大，电阻________(选填“较大”或“较小”)。
(2)自动分拣装置正常工作时，大苹果通过________(选填“通道A”或“通道B”)。
(3)若电源电动势为5 V，内阻不计，放大电路的激励电压为2 V：
①为使该装置达到上述分拣目的，R0的阻值等于________ kΩ。(结果保留2位有效数字)
②某同学想在托盘秤压在杠杆上的位置不变的情况下，利用一块电压表测出每个苹果的质量，电压表的示数随苹果质量的增大而增大，则电压表应该并联在电阻________(选填“R”“R0”或“电源”)两端。
③若要提高分拣标准到0.33 kg，仅将R0的阻值调为________ kΩ即可实现。(结果保留2位有效数字)(提示：托盘秤压在杠杆上的位置不变的情况下，压力传感器受到的压力与苹果的质量成正比)
[听课记录]



本实验创新之处在于利用压力传感器对电路的影响，通过电磁铁吸动分拣开关的衔铁完成自动控制，替代了光敏电阻或热敏电阻对电路的控制。
原理与装置图
操作要求
注意事项
门窗防盗报警装置
光控开关
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、小磁体。
实验二：发光二极管、三极管、可调电阻R1、限流电阻R2、光敏电阻、继电器、小灯泡L，二极管D，集成电路实验板、直流电源、导线若干、黑纸。
(一)门窗防盗报警装置
1．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。
2．实验操作
(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．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。
2．实验操作
(1)按照电路图连接电路，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，会看到发光二极管LED或小灯泡L熄灭。
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，或用黑布遮盖光敏电阻，再进行观察。