利用傳感器制作簡單的自動控制裝置-高二物理新教材基礎+鞏固+提升三級跳

新教材基礎鞏固提升三級跳第五章傳感器5.3利用傳感器制作簡單的自動控制裝置基礎知識知識點梳理：知識準備(1)普通二極管和發(fā)光二極管①都具有單向導電性。②發(fā)光二極管除了具有普通二極管的單向導電性外,導電時還能發(fā)光,它小巧玲瓏顏色鮮艷,又很省電,許多家用電器上都用發(fā)光二極管作指示燈。(2)門電路①對于與門電路,只要一個輸入端輸入為“0”,則輸出端一定是“0”,只有當所有輸入都為“1”時,輸出才是“1”。②對于或門電路,只要有一個輸入端輸入為“1”,則輸出一定是“1”,只有當所有輸入都為“0”時,輸出才是“0”。③非門電路中,當輸入為“0”時,輸出總是“1”,當輸入為“1”時,輸出反而是“0”。非門電路也稱反相器。(3)斯密特觸發(fā)器斯密特觸發(fā)器性能特別,當加在它的輸入端A的電壓逐漸上升到某個值(1.6V)時,輸出端Y會突然從高電平跳到低電平(0.25V),而當輸入端A的電壓下降到另一個值的時候(0.8V),Y會從低電平跳到高電平。斯密特觸發(fā)器可以將連續(xù)變化的模擬信號轉換為突變的數(shù)字信號,而這正是進行光控所需要的。(4)邏輯電路的高低電平在邏輯電路中,常把電勢的高低叫作電平的高低,“輸出低電平”的意義是輸出端處于低電勢的狀態(tài)。斯密特觸發(fā)器是具有特殊功能的非門,常用符號表示。知識點一、門窗防盜報警裝置1．電路如圖所示。2．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)。當門窗開啟時，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控制開關的作用，繼電器則相當于一個自動的雙向開關。3．實驗器材干簧管、繼電器、發(fā)光二極管LED、蜂鳴器H、電源、導線若干、開關、電阻。4.實驗步驟(1)連接電路前，要先判斷一下干簧管是否可以正常工作。用磁體直接靠近干簧管，觀察簧片能否正常動作。(2)確定各元件可以正常工作后，按照圖所示連接電路。(3)接通電源后，將磁體靠近和離開干簧管，分別觀察實驗現(xiàn)象。知識點二、光控開關(1)實驗目的:了解光控開關的工作原理,練習用傳感器制作自動控制設備。(2)實驗器材:斯密特觸發(fā)器、發(fā)光二極管、二極管、繼電器、燈泡(6V,0.3A)、可變電阻R1(最大阻值51kΩ)、電阻R2(330Ω)、光敏電阻、集成電路實驗板、直流電源(5V)、導線若干、黑紙。(3)實驗電路(如圖所示):(4)工作原理:甲圖(二極管光控電路):白天,光照強度較大時,光敏電阻RG阻值較小,加在斯密特觸發(fā)器輸入端A的電壓較低,則輸出端Y輸出高電平,發(fā)光二極管LED不導通;傍晚,當光照強度小到一定程度時,RG阻值增大到一定值,斯密特觸發(fā)器的輸入端A的電壓上升到1.6V,輸出端Y突然從高電平跳到低電平,則發(fā)光二極管LED導通發(fā)光(相當于路燈亮了),這樣就達到了使路燈天亮自動熄滅、天暗自動開啟的目的。乙圖(路燈光控電路):天較亮時,光敏電阻RG阻值較小,斯密特觸發(fā)器輸入端A電壓較低,則輸出端Y輸出高電平,線圈中無電流,工作電路不通;天較暗時,光敏電阻RG電阻增大,斯密特觸發(fā)器輸入端A電勢升高,當升高到一定值,輸出端Y由高電平突然跳到低電平,有電流通過線圈,電磁繼電器工作,接通工作電路,使路燈自動開啟;天亮后,RG阻值減小,斯密特觸發(fā)器輸入端A電勢逐漸降低,降到一定值,輸出端Y突然由低電平跳到高電平,則線圈中不再有電流,則電磁繼電器自動切斷工作電路的電源,路燈熄滅。(5)實驗步驟:①按照實驗電路圖將各元件組裝到集成電路實驗板上。②檢查各元件的連接,確保無誤。③接通電源,調節(jié)電阻R1,使發(fā)光二極管或燈泡在普通光照條件下不亮。④用黑紙逐漸遮住光敏電阻,觀察發(fā)光二極管或燈泡的狀態(tài)。⑤逐漸撤掉黑紙,觀察發(fā)光二極管或燈泡的狀態(tài)。【點睛】一、電磁繼電器的工作原理由于集成電路允許通過的電流較小,要用白熾燈泡模仿路燈,就要使用電磁繼電器來啟閉工作電路,如圖所示。其中圖中虛線框內即為電磁繼電器J,D為動觸點,E為靜觸點。當線圈A中通電時,鐵芯中產(chǎn)生磁場,吸引銜鐵B向下運動,從而帶動動觸點D向下與E接觸,將工作電路接通;當線圈A中電流為0時,電磁鐵失去磁性,銜鐵B在彈簧作用下拉起,帶動觸點D與E分離,自動切斷工作電路。在控制電路中并聯(lián)一只二極管,是為了防止電磁繼電器釋放銜鐵時線圈中的自感電動勢損壞集成電路。二極管的存在可以提供自感電流的通路。二、自動控制電路的分析與設計設計自動控制電路時,一般按照以下的思路進行。(1)根據(jù)題目給出的儀器和要求畫出控制電路和工作電路控制電路由電源、開關、光敏電阻(或熱敏電阻等其他敏感元件)、電磁繼電器和導線等組成;工作電路由電源、用電器(燈泡、電熱絲或其他用電器)、導線等組成。這兩個電路相互獨立,又通過電磁繼電器相關聯(lián),電磁繼電器實際上是工作電路的開關。(2)分析自控電路的合理性電路設計完成后,要對它的合理性進行分析,用光照射光敏電阻或對熱敏電阻加熱,檢查工作電路的接通和斷開是否符合實際要求。例如,自控路燈電路的設計要求是白天切斷工作電路,使路燈熄滅,晚上接通工作電路,使路燈點亮發(fā)光。預習基礎：一、填空題1．電熨斗裝有________________傳感器，其作用是____________________。2．光敏電阻在自動化裝置中有很多應用，街道路燈自動控制就是其應用之一，圖示電路為其模擬電路，其中干電池的內阻可忽略不計，A處接電磁繼電器，B為三極管（當時，間的電阻R可忽略不計，當時，R可視為無窮大），b點的電勢由與的比值決定，、中有一個是定值電阻，另一個是光敏電阻，阻值隨光照強度增強而減小，C為電磁繼電器，D為路燈。為了達到日出路燈熄，日落路燈亮的效果，請回答下列問題：(1)是___________（選填“光敏電阻”或“定值電阻”）；(2)請用筆畫線代替導線，將實物連接成正確的電路。()3．如圖所示，圖甲為熱敏電阻的圖象，圖乙為用此熱敏電阻R和繼電器組成的一個簡單恒溫箱溫控電路，繼電器的電阻為當線圈的電流大于或等于20mA時，繼電器的銜鐵被吸合。為繼電器線圈供電的電池的電動勢，內阻不計。圖中的“電源”是恒溫箱加熱器的電源。1）應該把恒溫箱內的加熱器接在______填“A、B端”或“C、D端”.（2）如果要使恒溫箱內的溫度保持在，可變電阻的阻值應調節(jié)為______。4．門窗防盜報警裝置（1）實驗器材和裝置干簧管作為傳感器，用于感知磁體磁場是否存在。繼電器（虛線框部分）作為執(zhí)行裝置。發(fā)光二極管LED作為電路正常工作提示，R為發(fā)光二極管的限流電阻，起保護作用。蜂鳴器H作為報警提醒。電路設計如圖。（2）電路工作原理當門窗緊閉時，磁體M靠近干簧管SA，干簧管兩簧片被磁化相吸，繼電器接通而工作。當門窗開啟時，磁體離開干簧管，干簧管失磁斷開，繼電器被斷電，動觸點c與常閉觸點b接通，蜂鳴器H發(fā)聲報警。（3）實驗操作①檢查干簧管：用_____直接靠近干簧管，觀察干簧管簧片能否正常動作。②連接電路：連接電路前，要檢查其他元件是否也能正常工作。③接通電源后，將_____，分別觀察實驗現(xiàn)象。5．如圖所示是飲水器的自動控制電路，左邊是一個在水溫較低時對水加熱的容器，內有密封絕緣的電熱絲發(fā)熱器和接觸開關。只要有水浸沒，它就會導通；水面低于時，不會加熱。（1）是一個熱敏電阻，低溫時呈現(xiàn)高電阻，右邊P是一______（選填“與”、“或”或“非”）邏輯門，接在電源之間，圖中J是一個繼電器，可以控制發(fā)熱器工作與否。是一個可變電阻，低溫時應______（選填“遠大于”或“遠小于”）。（2）請闡述此飲水機的自動加熱原理______。鞏固所學二、單選題6．利用光敏電阻制作的光傳感器，記錄了傳送帶上工件的輸送情況．如圖甲所示為某工廠成品包裝車間的光傳感器記錄器，光傳感器B能接收到發(fā)光元件A發(fā)出的光．每當工件擋住A發(fā)出的光時，光傳感器就輸出一個電信號，并在屏幕上顯示出電信號與時間的關系如圖乙所示．若傳送帶始終勻速運動，每兩個工件間的距離為0.2m，則下述說法正確的是（）A．該傳送帶每小時輸送1800個工件 B．該傳送帶每小時輸送7200個工件C．傳送帶運動的速度是0.2m/s D．傳送帶運動的速度是0.1m/s7．如圖是電熨斗的結構圖，下列說法不正確的是（）A．雙金屬片上層金屬的膨脹系數(shù)小于下層金屬B．常溫下，上下觸點接觸；溫度過高時，雙金屬片發(fā)生彎曲使上下觸點分離C．需要較高溫度熨燙時，要調節(jié)調溫旋鈕，使升降螺絲下移并推動彈性銅片下移D．雙金屬片溫度傳感器的作用是控制電路的通斷8．圖甲為一種家用門磁防盜報警器，由磁條和主機組成，門窗均可使用。乙圖為其簡化示意圖，安裝時，將磁條固定在門框上，主機安裝在與其等高的門板邊緣，門關上時，兩者剛好靠在一起。當主機開關閉合時，若門被打開，磁條與主機分離，主機內的觸發(fā)器就會工作，帶動報警器發(fā)出報警聲。下列有關說法正確的是（）A．觸發(fā)器內是一個開關，當主機與磁條靠近時，開關是斷開的B．觸發(fā)器可以由銅制成C．磁條的兩極對調后，該報警器不能正常工作D．本裝置是利用電流的磁效應工作的9．如圖所示為一種溫度自動報警器的原理圖，在水銀溫計的頂端封入一段金屬絲，以下說法正確的（）A．溫度升高至74℃時，燈亮報警B．溫度升高至74℃時，燈亮報警C．溫度升高至78℃時，燈亮報警D．溫度升高至78℃時，燈亮報警10．下列關于傳感器的結論中錯誤的是（）A．熱敏電阻可以作為溫度傳感器B．電子秤使用應變片作為測力傳感器C．話筒是一種常見的紅外線傳感器D．電熨斗內一般裝有雙金屬片溫度傳感器11．圖甲為斯密特觸發(fā)器，當加在它的輸入端A的電壓逐漸上升到某個值(1.6V)時，輸出端Y會突然從高電平跳到低電平(0.25V)，而當輸入端A的電壓下降到另一個值的時候(0.8V)，Y會從低電平跳到高電平(3.4V)．圖乙為一光控電路，用發(fā)光二極管LED模仿路燈，RG為光敏電阻．關于斯密特觸發(fā)器和光控電路的下列說法中錯誤的是()A．斯密特觸發(fā)器的作用是將數(shù)字信號轉換為模擬信號B．斯密特觸發(fā)器是具有特殊功能的非門C．要想在天更暗時路燈才會亮，應該把R1的阻值調大些D．當輸出端Y突然從高電平跳到低電平時，二極管發(fā)光能力提升三、多選題12．光敏電阻自動計數(shù)器的示意圖如圖所示，圖中虛線表示激光，圓柱體表示隨為光敏電阻，R1為定值電阻，R2此光電計數(shù)器的基本工作原理是（）A．當光照射R1時，信號處理系統(tǒng)獲得高電壓B．當光照射R1時，信號處理系統(tǒng)獲得低電壓C．信號處理系統(tǒng)每獲一次低電壓就計數(shù)一次D．信號處理系統(tǒng)每獲一次高電壓就計數(shù)一次13．傳感器已廣泛應用在生產(chǎn)、生活中，下列關于傳感器的說法正確的是（）A．電視機對無線遙控信號的接收主要是采用了紅外線傳感器B．電飯鍋能夠自動控制溫度的原因是它裝有溫度傳感器C．電子秤所使用的測力裝置是力傳感器D．電腦所用的光電鼠標主要采用聲波傳感器14．傳感器是智能社會的基礎元件。如圖為電容式位移傳感器的示意圖，觀測電容C的變化即可知道物體位移x的變化，表示該傳感器的靈敏度。電容器極板和電介質板長度均為L，測量范圍為，下列說法正確的是（

）A．電容器的電容變大，物體向方向運動B．電容器的電容變大，物體向方向運動C．電介質的介電常數(shù)越大，傳感器靈敏度越高D．電容器的板間電壓越大，傳感器靈敏度越高15．自行車速度計可以利用霍爾效應傳感器獲知自行車的運動速率。如圖甲所示，一塊磁鐵安裝在前輪上，輪子每轉一圈，磁鐵就靠近傳感器一次，傳感器就會輸出一個脈沖電壓。如圖乙所示，電源輸出電壓為U1，當磁場靠近霍爾元件時，在導體前后表面間出現(xiàn)電勢差U2（前表面的電勢低于后表面的電勢）。下列說法中正確的是（）A．圖乙中霍爾元件的載流子帶正電B．已知自行車車輪的半徑，再根據(jù)單位時間內的脈沖數(shù)，即獲得車速大小C．若傳感器的電源輸出電壓U1變大，則霍爾電勢差U2變大D．霍爾電勢差U2的大小與霍爾元件所用的材料有關四、實驗題16．某同學通過實驗制作一個簡易的溫控裝置，實驗原理電路圖如圖所示，繼電器與熱敏電阻Rt、滑動變阻器R串聯(lián)接在電源E兩端，當繼電器的電流超過15mA時，銜鐵被吸合，加熱器停止加熱，實現(xiàn)溫控。繼電器的電阻約20Ω，熱敏電阻的阻值Rt與溫度t的關系如下表所示。t/℃30.040.050.060.070.080.0Rt/Ω199.5145.4108.181.862.949.1（1）提供的實驗器材有:電源E1（3V，內阻不計）、電源E2（6V，內阻不計）、滑動變阻器R1（0~200Ω）、滑動變阻器R2（0~500Ω）、熱敏電阻Rt、繼電器、電阻箱（0~999.9Ω）、開關S、導線若干。為使該裝置實現(xiàn)對30~80℃之間任一溫度的控制，電源E應選用______（選填“E1”或“E2”），滑動變阻器R應選用______（選填“R1”或“R2”）；（2）欲使銜鐵在熱敏電阻為50℃時被吸合，下列操作步驟的正確順序是______。（填寫各步驟前的序號）①將熱敏電阻接入電路②觀察到繼電器的銜鐵被吸合③斷開開關，將電阻箱從電路中移除④合上開關，調節(jié)滑動變阻器的阻值⑤斷開開關，用電阻箱替換熱敏電阻，將阻值調至108.1Ω參考答案：1．

雙金屬片溫度

控制電路的通斷【來源】《2020-2021學年高中物理同步備課學案（2019人教版選擇性必修第二冊）》第五章第二節(jié)常見傳感器的工作原理及應用【詳解】[1][2]電熨斗能夠自動控制溫度的原因是它裝有雙金屬片溫度傳感器，這種傳感器的作用是控制電路的通斷。2．

光敏電阻

【來源】江蘇省蘇州市昆山文峰高級中學2021-2022學年高二下學期期末模擬物理試題【詳解】(1)[1]由于光敏電阻阻值隨著光照強度的增大而減小，為使路燈正常工作，在白天時電磁繼電器的觸點斷開，電磁鐵通電，，變小或變大，而白天時光敏電阻阻值變小，所以是光敏電阻；(2)[2]根據(jù)題述分析可知，A處與繼電器相連，路燈與火線、零線相連接，開關應接在火線上，畫導線時要避免交叉電路圖如圖所示3．

A、B端

300Ω【來源】5.3利用傳感器制作簡單的自動控制裝置（練習）—2022-2023學年高二物理課后培優(yōu)分級練人教版（2019）選擇性必修第二冊【詳解】（1）[1]當溫度較低的時候，熱敏電阻的電阻較大，電路中的電流較小，此時繼電器的銜鐵與AB部分連接，此時是需要加熱的，恒溫箱內的加熱器要工作，所以該把恒溫箱內的加熱器接在A、B端．（2）[2]當溫度達到100℃時，加熱電路就要斷開，此時的繼電器的銜鐵要被吸合，即控制電路的電流要到達20mA=0.02A，根據(jù)閉合電路歐姆定律可得即解得R′=300Ω．4．

磁體

磁體靠近和離開干簧管【來源】5.3利用傳感器制作簡單的自動控制裝置課前預習【詳解】①[1]用磁體直接靠近干簧管，觀察干簧管簧片能否正常動作。③[2]接通電源后，將磁體靠近和離開干簧管，分別觀察實驗現(xiàn)象。5．

與

遠大于

見解析【來源】華東師大版高二上第九章電路E學習包——自動控制與模塊機器人基礎鞏固拓展練習【詳解】(1)[1]與[2]遠大于。(2)[3]當水溫較低時，阻值較大，A為高電勢，且有水浸沒，B也為高電勢，則Q、C之間才有高電壓輸出，電磁繼電器有電流通過，將吸動閉合，發(fā)熱器工作。6．C【來源】5.3利用傳感器制作簡單的自動控制裝置（練習）—2022-2023學年高二物理課后培優(yōu)分級練人教版（2019）選擇性必修第二冊【詳解】兩個物件間的距離為0.2m，相鄰兩個物件需要1s的時間，故速度為，該傳送帶每小時輸送3600個工件，故選C【點睛】做本題的關鍵是能看懂圖像，能從題中找出相應的信息7．A【來源】5.3利用傳感器制作簡單的自動控制裝置（練習）—2022-2023學年高二物理課后培優(yōu)分級練人教版（2019）選擇性必修第二冊【詳解】AB．由電路可知：溫度過高時，雙金屬片發(fā)生彎曲使上下觸點分離，因此雙金屬片上層金屬的膨脹系數(shù)應大于下層金屬，A錯誤，B正確；C．需要較高溫度熨燙時，要調節(jié)調溫旋鈕，雙金屬片雖發(fā)生彎曲也不使觸點分離，應使升降螺絲下移并推動彈性銅片下移，C正確；D．利用雙金屬片熱脹冷縮是控制電路的通斷，D正確；故選A。8．A【來源】2023步步高選擇性必修2（通用）第五章3利用傳感器制作簡單的自動控制裝置【詳解】A．門關上時，磁條與主機剛好靠在一起，此時報警器不工作，說明電路是斷開的；當主機開關閉合時，若門被打開，磁條與主機分離，主機內的觸發(fā)器就會工作，帶動報警器發(fā)出報警聲，說明此時觸發(fā)器內開關是閉合的，選項A正確；B．觸發(fā)器與磁條之間存在磁力的作用，所以觸發(fā)器不可能是銅制成的，因為銅沒有磁性，選項B錯誤；C．無論磁條哪個磁極靠近觸發(fā)器，都存在磁力作用，所以兩極對調后，該報警器仍能正常工作，選項C錯誤；D．本裝置是利用磁體能夠吸引磁性物體的特點工作的，選項D錯誤；故選A。9．D【來源】2023步步高選擇性必修2（通用）第五章3利用傳感器制作簡單的自動控制裝置【詳解】由題干中圖可知：金屬絲下端所指的示數(shù)為78℃；當溫度升高到78℃，水銀溫度計頂端封入的一段金屬絲就和水銀相接，接通電路，電磁鐵有了磁性，把銜鐵吸引下來，L2亮，報警．故選D．【點睛】要解答本題需掌握：①題干中該溫度計的最小刻度值為2℃，直接根據(jù)液柱（或所指示）的位置即可讀出該點處的溫度值，讀數(shù)時要從絕對值小的示數(shù)向絕對值大的示數(shù)讀起；②電磁繼電器由兩部分構成：①低壓控制電路，②工作電路；其實質是一個自動控制開關．10．C【來源】北京八中2019-2020學年高二下學期期末物理試題【詳解】A．金屬熱電阻傳感器是利用導體或半導體的電阻隨溫度變化來測量溫度的一種溫度敏感元件，A正確；B．電子秤所使用的測力裝置是力轉換成電信號來顯示大小，屬于力傳感器，B正確；C．動圈式話筒是通電導體在磁場中受力，變化的電流通過線圈，產(chǎn)生變化的磁場，從而讓揚聲器的膜片振動，產(chǎn)生聲音，C錯誤；D．電熨斗通過溫度傳感器實現(xiàn)溫度的自動控制，D正確。故選C。11．A【來源】2019人教版選擇性必修第二冊第五章傳感器3利用傳感器制作簡單的自動控制裝置拔高練習【詳解】光敏電阻的電阻隨光照增強而減小，天暗時，電阻比較大，光敏電阻兩端的電勢差比較大，則輸入門電路為高電勢，而另一輸入端為低電勢，最后燈亮；天亮時，光敏電阻比較小，則光敏電阻兩端的電勢差比較小，則輸入門電路為低電勢，而另一輸入端為低電勢，燈熄滅．天暗時，光敏電阻阻值大，A端為高電勢經(jīng)過非門，輸出端Y為低電勢LED導通，路燈亮，D正確當R1調大時，光敏電阻的分壓減小，A端的電壓降低，輸出端Y為高電勢，LED燈不亮.,C正確斯密特觸發(fā)器的作用是將模擬信號轉換為數(shù)字信號，A錯誤，是特殊非門，B正確12．BD【來源】遼寧省朝陽市建平縣高級中學2021-2022學年高二下學期第一次月考物理試題【詳解】AB.當有光照射R1時，R1的電阻減小，則整個電路總電阻變小，電動勢不變，則電流增大，則R2兩端的電壓增大，所以R1兩端的電壓減小，即信號處理系統(tǒng)獲得低電壓，故A不符合題意，B符合題意；CD.當無光照射R1時，R1的電阻增大，則整個電路總電阻變大，電動勢不變，則電流減小，則R2兩端的電壓減小，所以R1兩端的電壓增大，即信號處理系統(tǒng)獲得高電壓，則信號處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就計數(shù)一次，所以C不符合題意，D符合題意．13．ABC【來源】2023新教材高考總復習首選用卷考點38傳感器實驗：利用傳感器制作簡單的自動控制裝置夯基礎【詳解】A．電視機對無線遙控信號的接收主要是采用了紅外線傳感器，故A正確；B．電飯鍋能夠自動控制溫度的原因是它裝有溫度傳感器，故B正確；C．電子秤所使用的測力裝置是力傳感器，故C正確；D．電腦所用的光電鼠標主要采用光傳感器，而不是聲波傳感器，故D錯誤。故選ABC。14．AC【來源】5.3利用傳感器制作簡單的自動控制裝置（練習）—2022-2023學年高二物理課后培優(yōu)分級練人教版（2019）選擇性必修第二冊【詳解】AB．根據(jù)電容決