物理第五章 传感器第四节 利用智能手机中的磁传感器研究磁现象导学案

这是一份物理第五章 传感器第四节 利用智能手机中的磁传感器研究磁现象导学案，共12页。
[学习目标] 1.进一步理解常用传感器的工作原理及应用.2.学会利用传感器制作自动控制装置．
一、光控电路的原理和设计
1．光控电路的设计原理
(1)将灯泡L、光敏电阻RG、电源、开关连成如图1所示的电路．
图1
(2)灯亮暗与光照强度的关系
①白天光线变强，光敏电阻RG阻值变小，电路路端电压变小，灯L亮度较暗．
②夜晚光线变弱，光敏电阻RG阻值变大，电路路端电压变大，灯L亮度增加．
2．光控自动照明装置制作
(1)电路设计如图2
图2
(2)光控原理分析
①白天光线较强，RG呈低电阻，通过VD和R后的电流主要分流到RG支路，流向门极G的电流变小，不足以触发导通VS，VS处于关断状态，灯泡不亮．
②夜晚光线弱，RG呈高电阻，流向门极G的电流增大，触发导通VS，灯泡L发亮．
二、用磁传感器研究磁现象
1．实验器材：智能手机、条形磁铁、磁力工具箱．
2．实验方案与实验操作
(1)探究磁体的磁场分布是否随时间变化
①将手机放置在条形磁铁一端的前方，如图3.
图3
②打开物理磁力工具箱应用软件，运行软件，观察条形磁铁在磁场空间中三个不同方向的分量随时间变化的图像．
(2)探究条形磁铁垂直和水平方向磁场强弱的分布规律
①将手机沿垂直于磁铁方向做直线运动，如图4，观察磁场强弱的变化曲线．

图4 图5
②将手机沿平行于磁铁方向做直线运动，如图5，观察磁场强弱的变化曲线．
(3)探究两平行排列的异名条形磁铁中间磁场强弱的分布规律，如图6，将手机沿平行于磁铁方向做直线运动，观察磁场强弱的变化曲线．
图6
一、光控电路的设计
把蜂鸣器、光敏电阻、干簧管继电器开关、电源连成电路如图7所示，制成光电报警装置．当报警器有光照射时，蜂鸣器发声，当没有光照或者光照很弱时，蜂鸣器不发声．①光敏电阻：光敏电阻受光照后，阻值会变小．②干簧管继电器开关：由干簧管和绕在干簧管外的线圈组成．当线圈中有一定的电流时，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化，两个簧片在磁力作用下由原来的分离状态变成闭合状态．当线圈中没有电流或者电流很微弱时，磁场消失，簧片在弹力的作用下恢复到分离状态．电路已经连接一部分，请将电路完整连接好．
图7
答案 见解析
解析 电池、光敏电阻与开关及干簧管继电器开关外面的接线构成一个回路；而另一组电池、蜂鸣器与干簧管继电器开关里面的接线构成又一个回路．当有光照时，光敏电阻阻值变小，使得干簧管继电器开关产生磁场，使开关接通，最终使得蜂鸣器发声，电路如图所示．
二、温控电路的设计
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60 ℃时，系统报警．提供的器材有：热敏电阻，报警器(内阻很小，流过的电流超过Ic时就会报警)，电阻箱(最大阻值为999.9 Ω)，直流电源(输出电压为U，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．已知U约为18 V，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；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60 ℃时阻值为650.0 Ω.
(1)完成如图8所示待调节的报警系统原理电路图的连线．
(2)电路中应选用滑动变阻器________(填“R1”或“R2”)．
(3)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________(填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是________________________________________________________________________．
②将开关向________(填“c”或“d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至_______．
(4)保持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．
图8
答案 (1)见解析图
(2)R2
(3)①650.0 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
解析 (1)热敏电阻工作温度达到60 ℃时，报警器报警，故需通过调节电阻箱使其电阻为60 ℃时的热敏电阻的阻值，即将阻值调节到650.0 Ω，使报警器能正常报警，电路图如图所示．
(2)U＝18 V，通过报警器的电流10 mA≤Ic≤20 mA，电路中总电阻R＝eq \f(U,Ic)，即900 Ω≤R≤
1 800 Ω，故滑动变阻器选R2.
(3)热敏电阻阻值为650.0 Ω时，报警器开始报警，模拟热敏电阻的电阻箱阻值也应为650.0 Ω，实验调试时，将开关置于c端，缓慢调节滑动变阻器，直到报警器开始报警．为防止通过报警器电流过大，造成报警器烧坏，应使滑动变阻器的滑片置于b端．
1．(光控电路)光敏电阻在各种自动化装置中有很多应用．街道路灯自动控制就是应用之一，如图9所示电路为模拟电路，其中A为一光敏电阻，B为电磁继电器，C为电流信号放大器，D为路灯．请连成正确的电路，达到日出路灯熄、日落路灯亮的效果．
图9
答案 见解析图
解析 当有光照射时，电流经过放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸合，使两个触点断开；当无光照时，电流减小，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个触点闭合，控制路灯电路接通，路灯开始工作，电路如图所示．
2．(温控电路)如图10甲所示为一热敏电阻的R－t图像，图乙为用此热敏电阻R和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路，继电器线圈的电阻为200 Ω.当线圈中的电流大于或等于
20 mA时，继电器的衔铁被吸合．为继电器线圈供电电池的电动势E＝8 V，内阻可以不计．图中的“电源”是恒温箱加热电源．
图10
(1)图甲说明热敏电阻的阻值随着温度的升高而______(选填“增大”“减小”或“不变”)．
(2)应该把恒温箱内加热器接________(选填“AB”或“CD”)端．
(3)如果要使恒温箱内的温度保持100 ℃，滑动变阻器R1接入电路的电阻值为________ Ω.
答案 (1)减小 (2)AB (3)150
解析 (1)由题图甲可知热敏电阻的阻值随着温度的升高而减小；
(2)当温度较低的时候，热敏电阻的阻值较大，电路中的电流较小，此时继电器的衔铁与AB部分连接，此时是需要加热的，恒温箱内的加热器要工作，所以应该把恒温箱内的加热器接在AB端．
(3)当温度达到100 ℃时，加热电路就要断开，此时继电器的衔铁要被吸合，即控制电路的电流要达到20 mA＝0.02 A，根据闭合电路欧姆定律可得：I＝eq \f(E,R＋R1＋R0)，解得：R1＝150 Ω.
1．图1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( )

图1
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
答案 A
解析 门关上时，磁条与触发器刚好靠在一起，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．
2.(多选)如图2所示是某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( )
图2
A．当有人通过而遮住光线时，A、B之间电压升高
B．当有人通过而遮住光线时，A、B之间电压降低
C．当仅增大R2的阻值时，可增大A、B之间的电压
D．当仅减小R2的阻值时，可增大A、B之间的电压
答案 BC
解析 R1是光敏电阻，有光照射时，电阻变小，当有人通过而遮住光线时，R1的阻值变大，回路中的电流I减小，A、B间的电压U＝IR2减小，故A项错误，B项正确；由闭合电路欧姆定律得：U＝E－I(R1＋r)，当仅增大R2的阻值时，电路中的电流减小，A、B间的电压U增大，故C项正确；当仅减小R2的阻值时，电路中的电流增大，A、B间的电压U减小，故D项错误．
3．如图3所示为一温度自动报警器的原理图，在水银温度计的顶端封入一段金属丝，下列说法正确的是( )
图3
A．温度升高至74 ℃时，灯L1亮报警
B．温度升高至74 ℃时，灯L2亮报警
C．温度升高至78 ℃时，灯L1亮报警
D．温度升高至78 ℃时，灯L2亮报警
答案 D
解析 当温度低于78 ℃时，线圈中没有电流，此时仅灯L1亮，不报警；当温度升高到78 ℃时，线圈中有电流，磁体吸引衔铁，灯L2被接通，所以灯L2亮报警，故选D.
4.如图4为用电源、电磁继电器、滑动变阻器、绿灯泡、小电铃、半导体热敏电阻、开关、导线等组成的一个高温报警器电路图，要求是：正常情况绿灯亮，有险情时电铃报警，则图中的甲、乙、丙分别是( )
图4
A．小电铃、半导体热敏电阻、绿灯泡
B．半导体热敏电阻、小电铃、绿灯泡
C．绿灯泡、小电铃、半导体热敏电阻
D．半导体热敏电阻、绿灯泡、小电铃
答案 B
解析 根据要求，在常温下半导体热敏电阻阻值较大，电磁铁磁性较弱，不能将衔铁吸下，此时绿灯泡所在电路接通，绿灯泡亮，所以丙为绿灯泡；温度升高，半导体热敏电阻阻值减小，控制电路中电流增大，电磁铁磁性增大，将衔铁吸下，丙电路断开，乙所在电路接通，电铃响，所以乙为小电铃；由以上分析可知，甲是半导体热敏电阻，故选B.
5．(多选)如图5所示的火灾报警装置，R1为热敏电阻，若温度升高，则R1的阻值会急剧减小，从而引起电铃两端电压增大，当电铃两端电压达到一定值时，电铃会响．下列说法正确的是( )
图5
A．要使报警的临界温度升高，可以适当增大电源的电动势
B．要使报警的临界温度升高，可以把R2的滑片P适当向下移
C．要使报警的临界温度降低，可以适当增大电源的电动势
D．要使报警的临界温度降低，可以把R2的滑片P适当向下移
答案 CD
解析 要使报警的临界温度升高，R1对应的阻值减小，电路中电流会增大，电铃两端的电压会增大，而当电铃两端电压达到一定值时，电铃会响，要使电铃的电压仍为原来的值，可以适当减小电源的电动势，相反，要使报警的临界温度降低，可以适当增大电源的电动势，故A错误，C正确；要使报警的临界温度升高，根据串联电路的特点可知，可以把R2的滑片P适当向上移，以减小R2接入电路的阻值，相反，要使报警的临界温度降低，可以把R2的滑片P适当向下移，故B错误，D正确．
6.如图6是磁报警装置中的一部分电路示意图，其中电源电动势为E，内阻为r，R1、R2是定值电阻．RB是磁敏传感器，它的电阻阻值随磁体的出现而减小，c、d接报警器．电路闭合后，当传感器RB所在处出现磁体时，则通过电流表的电流I，c、d两端的电压U将( )
图6
A．I变大，U变小 B．I变小，U变大
C．I变大，U变大 D．I变小，U变小
答案 A
解析 当传感器处出现磁体，RB减小时，干路电流变大，U变小，电流表示数变大，即I变大，故A对，B、C、D错．
7．(多选)用磁敏电阻作为传感器可以探测空间是否存在磁场，设计电路如图7所示．磁敏电阻在没有磁场时电阻很小(几乎为零)，在有磁场时电阻很大．闭合S1，断开S2，灯泡正常发光，下列说法正确的是( )
图7
A．探测头处在无磁场区域时，闭合S2，灯泡会变亮
B．探测头处在无磁场区域时，闭合S2，电流表示数会变大
C．闭合S2，探测头从无磁场区域进入磁场区域时，灯泡会变亮
D．闭合S2，探测头从无磁场区域进入磁场区域时，电流表的示数会变大
答案 BC
解析 探测头处在无磁场区域时，闭合S2，磁敏电阻的阻值几乎为零，此时灯泡相当于被短接，几乎不亮，选项A错误；探测头处在无磁场区域时，闭合S2，灯泡和磁敏电阻并联，电路中总电阻减小，由闭合电路欧姆定律可知总电流增大，选项B正确；闭合S2，探测头从无磁场区域进入磁场区域时，磁敏电阻的阻值增大，电路中总电阻变大，总电流减小，路端电压增大，而由于总电流减小，则R0两端电压减小，故灯泡两端电压增大，灯泡变亮，选项C正确，D错误．
8．如图8是某研究学习小组模拟街道路灯自动控制电路的电路图，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，利用照明电源为路灯供电．为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果，路灯应接在________(选填“AB”或“BC”)之间，请用笔画线代替导线，正确连接部分电路元件．
图8
答案 AB 见解析图
解析 该模拟电路原理是：由光敏电阻感知光照强度变化，调节电磁铁中电流的大小，即可调节电磁铁的磁性强弱，吸引或者释放衔铁，从而断开或接通路灯，达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果．因为天亮时光照强度大，光敏电阻阻值较小，电路的电流较大，电磁铁的磁性强，可将衔铁吸下，接通BC，断开AB；又因为天亮需要断开路灯，所以路灯应接在AB之间．电路如图所示．
9．传感器担负着信息采集的任务，在自动控制中发挥着重要作用，传感器能够将感受到的物理量(如温度、光、声等)转换成便于测量的量(电学量)，例如热敏传感器．某热敏电阻RT阻值随温度变化的图线如图9甲所示，图乙是由该热敏电阻RT作为传感器制作的简单自动报警器线路图．问：
图9
(1)为了使温度过高时报警器响铃，c应接在__________(选填“a”或“b”)处．
(2)若要使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器的滑片P向________(选填“左”或“右”)移动．
(3)如果在调试报警器达到最低报警温度时，无论如何调节滑动变阻器的滑片P都不能使报警器工作，且电路连接完好，各电路元件都能处于工作状态，则造成工作电路不能正常工作的原因可能是______________________________________________________________．
答案 (1)a (2)左 (3)电源提供的电压太小以至于电磁铁磁性太弱或弹簧劲度系数太大，电磁铁的吸引力小于弹力
解析 (1)由题图甲可知，热敏电阻RT在温度升高时阻值变小，电路中电流变大，电磁铁磁性增强，把右侧衔铁吸引过来，与a接触，故c应接在a处．
(2)若要使启动报警的温度提高，则应使电路中电阻更大，滑动变阻器的滑片P向左移动．
(3)电源提供的电压太小以至于电磁铁磁性太弱或弹簧劲度系数太大，电磁铁的吸引力小于弹力．
10.电饭煲的工作原理如图10所示，可分为两部分，即控制部分：由S1、S2、定值电阻R1和黄灯组成；工作(加热)部分：由发热电阻R3、定值电阻R2和红灯组成．S1是一个磁钢限温开关，手动闭合，当此开关的温度达到居里点(103 ℃)时，自动断开，且不能自动复位，S2是一个金属片自动开关，当温度达到70～80 ℃时，自动断开，低于70 ℃时，自动闭合，红灯、黄灯是指示灯，通过其电流必须较小，所以R1、R2起________作用．R3是发热电阻，接通电源并闭合S1后，黄灯熄而红灯亮，R3发热，当温度达到70～80 ℃时，S2断开，当温度达到103 ℃时饭熟，S1断开，当温度降到70 ℃以下时，S2闭合，电饭煲处于保温状态，由以上描述可知R2________R3(选填“”)，若用电饭煲烧水时，S1________(选填“会”或“不会”)自动断开．
图10
答案 限流 > 不会
解析 通过红灯、黄灯的电流必须较小，根据欧姆定律可知R1、R2起限流作用；R3是发热电阻，要产生很大的热量，所以电流要大一点，而通过R2的电流要小一点，且并联电路电压相等，根据欧姆定律可知R2>R3；若用电饭煲烧水时，温度达不到居里点(103 ℃)，S1不会自动断开．