高中第5章 传感器及其应用第2节 科学制作: 简单的自动控制装置备课ppt课件

5.2　科学制作：简单的自动控制装置

1. 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)在图中完成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__________(选填“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；滑动变阻器的滑片置于______(选填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是______________________________________________________

_________________________________________________________________。

②将开关向______(选填“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。

【解析】(1)先用电阻箱替代热敏电阻，连接成闭合回路进行调试。电路图连接如图所示。

(2)当电路中电流Ic＝10 mA时，根据闭合电路欧姆定律有Ic＝，解得R总＝1 800 Ω，此时热敏电阻的阻值为650.0 Ω，则滑动变阻器的阻值为1 150 Ω，所以滑动变阻器选R2。

(3)①当热敏电阻阻值达到650.0 Ω时，报警器就会报警，用电阻箱替代热敏电阻进行调节，应把电阻箱的阻值调到650.0 Ω。若接通电源后电路中的电流过大(超过20 mA)，报警器就会损坏，电流越小越安全，所以为了电路安全，闭合开关前滑片应置于b端。

②用电阻箱替代热敏电阻进行调试，应将开关向c端闭合，开关闭合后要减小电路中的电阻直至报警器开始报警。

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

2. 由半导体材料制成的热敏电阻阻值是温度的函数。基于热敏电阻对温度敏感原理制作一个火灾报警系统，要求热敏电阻温度升高到50 ℃时，系统开始自动报警。所用器材有：直流电源E(36 V，内阻不计)；电流表(量程250 mA，阻值约0.1 Ω)；电压表(量程50 V，内阻约1 MΩ)；热敏电阻RT；报警器(内阻很小，流过的电流超过10 mA时就会报警，超过30 mA时就会损伤)；滑动变阻器R1(最大阻值4 000 Ω)；电阻箱R2(最大阻值9 999.9 Ω)；单刀单掷开关S1；单刀双掷开关S2；导线若干。

(1)用图(a)所示电路测量热敏电阻RT的阻值。当温度为27 ℃时，电压表读数为30.0 V，电流表读数为15.0 mA；当温度为50 ℃时，调节R1，使电压表读数仍为30.0 V，电流表指针位置如图(b)所示。

温度为50 ℃时，热敏电阻的阻值为__________Ω。从实验原理上看，该方法测得的阻值比真实值略微__________(选填“偏大”或“偏小”)。如果热敏电阻阻值随温度升高而变大，则其为正温度系数热敏电阻，反之为负温度系数热敏电阻。基于以上实验数据可知，该热敏电阻RT为__________(选填“正”或“负”)温度系数热敏电阻。

(2)某同学搭建一套基于该热敏电阻的火灾报警系统，实物图连线如图(c)所示。其中有一个器件的导线连接有误，该器件为__________(填器件名称)。正确连接后，先使用电阻箱R2进行调试，其阻值设置为__________Ω，滑动变阻器R1阻值从最大逐渐减小，直至报警器开始报警，此时滑动变阻器R1连入电路的阻值为__________Ω。调试完毕后，再利用单刀双掷开关S2的选择性开关功能，把热敏电阻RT接入电路，可方便实现调试系统和工作系统的切换。

【解析】(1)当温度为50 ℃时，电流表的读数为I＝50.0 mA，热敏电阻的阻值为RT＝＝600 Ω；由于电流表的分压作用，代入计算的电压偏大，因此测量值大于真实值；27 ℃时待测电阻为RT＝＝2 000 Ω，即温度升高，电阻减小，热敏电阻为负温度系数。

(2)滑动变阻器R1接入电路时，使用了最上面的两个接线柱，即把滑动变阻器短路了，因此滑动变阻器R1的接法错误；本实验的实验原理为替代法，因此变阻箱的电阻设置为R2＝600 Ω，根据报警温度对应的电流可得回路内的总电阻R1＋R2＝ Ω＝3 600 Ω，解得R1＝3 000 Ω。

答案：(1)600　偏大　负　(2)R1　600　3 000

3．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9 V的电源上，光敏电阻阻值随光强变化关系如表所示：

“光强”是表示光强弱程度的物理量，符号为E，单位坎德拉(cd)

(1)当光照强度为4坎德拉(cd)时光敏电阻Rx的大小为______Ω。

(2)其原理是光照增强，光敏电阻Rx阻值变小，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。若电源电压不变，R0是定值电阻，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，则此时光照强度为多少？

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

(2)由题意可知，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阻值减小，电路中的总电阻减小，由I＝可知，电路中的电流增大，由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，故A项错误，C项正确；若玻璃与电源并联，光照变化时，玻璃两端的电压不变，故B、D项错误。

(3)当R0＝12 Ω，光敏电阻两端的电压Ux＝3 V时，因串联电路中总电压等于各分电压之和，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，所以电路中的电流I＝＝，即＝，解得：R′x＝6 Ω，此时光照强度E′＝＝3 cd。

答案：(1)4.5　(2)C　(3)3 cd

4．某同学用光敏电阻和电磁继电器等器材设计自动光控照明电路。

(1)光强(E)是表示光强弱程度的物理量，单位为坎德拉(cd)。如图(a)所示是光敏电阻阻值随光强变化的图线，由此可得到的结论是：________________。

(2)如图(b)为电磁继电器的构造示意图，其中L为含有铁芯的线圈，P为可绕O点转动的衔铁，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线柱。工作时，应将________(选填“A、B”或“C、D”)接照明电路。

(3)请在图(c)中用笔画线代替导线，完成实物电路的连接。

(4)已知电源电动势为3 V，内阻很小，电磁铁线圈电阻R0＝20.0 Ω，电流超过50 mA时可吸合衔铁。如果要求光强达到2 cd时，照明电路恰好接通，则图(c)中定值电阻R＝________Ω。

【解析】(1)由图(a)所示图像可知：随光照强度的增加光敏电阻阻值减小。

(2)当较小的电流经过接线柱A、B流入线圈时，电磁铁把衔铁吸下，使C、D两个接线柱所连的触点接通，较大的电流就可以通过C、D带动机器工作了。可知A、B间接控制电路，C、D为间接被控电路，即：工作时，应将C、D接照明电路。

(3)光敏电阻、定值电阻、电源与L组成控制电路，C、D与灯泡组成工作电路，电路图如图所示：

(4)由图(a)所示图线可知，2cd对应的光敏电阻阻值：R光敏＝18 Ω，

由闭合电路欧姆定律可知：I＝，代入数据解得：R＝22 Ω。

答案：(1)随光照强度的增加光敏电阻阻值减小　(2) C、D　(3)见解析图　(4)22

5．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。光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为lx)。某光敏电阻Rp在不同照度下的阻值如表：

(1)根据表中数据，请在图甲给定的坐标系中描绘出光敏电阻阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点。

(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Rp(符号，阻值见图表)

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。

【解析】(1)根据表中的数据，在坐标纸上描点连线，得到如图所示的变化曲线。

阻值随照度变化的特点：光敏电阻的阻值随光的照度的增大非线性减小。

(2)因天色渐暗照度降低至1.0 lx时启动照明系统，此时光敏电阻阻值为20 kΩ，两端电压为2 V，电源电动势为3 V，故应加上一个分压电阻，分压电阻阻值为10 kΩ，即选用R1；此电路的原理图如图所示。

答案：(1)见解析　(2)见解析

6．某同学学习传感器后，用电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关、导线等仪器设计了一个高温报警器，要求是：正常情况绿灯亮，有险情时电铃报警。电路如图所示，图中仪器还不完整。请完成以下问题：

(1)图中的甲还需要放入的元件是________。

A．二极管

B．光敏电阻

C．NTC热敏电阻(阻值随温度升高而减小)

D．PTC热敏电阻(阻值随温度升高而增大)

(2)电路正确连接之后，该同学调试过程发现报警时温度比预期偏高了一点点。要求在温度更低一点时就开始报警，则需要调节滑动变阻器的滑动头往________(选填“左”或“右”)移动一点。

【解析】(1)根据要求，在常温下热敏电阻甲阻值较大，电磁铁磁性较弱，不能将衔铁吸下，此时绿灯所在电路接通，绿灯亮；温度升高，热敏电阻阻值较小，控制电路电流增大时，电磁铁磁性增大，将衔铁吸下，电铃报警。所以图中的甲还需要放入的元件是NTC热敏电阻，故选C。

(2)电路正确连接之后，该同学调试过程发现报警时温度比预期偏高了一点点，电路在热敏电阻的电阻值比较小的时候才报警，说明电路中的总电阻值比较大。要求在温度更低一点时就开始报警，则需要调节滑动变阻器，使滑动变阻器的电阻值小一些，则需要将滑动头往右移动一些。

答案：(1)C　(2)右

7．某同学为定性探究光敏电阻阻值随光照强度变化的关系，设计了如图(a)所示的电路。所用器材有：置于暗箱(图中虚线区域)中的光敏电阻RG、小灯泡和刻度尺；阻值为R的定值电阻；理想电压表；电动势为E、内阻为r的电源；开关S；导线若干。

实验时，先按图(a)连接好电路，然后改变暗箱中光源到光敏电阻的距离d，记录电压表的示数U，获得多组数据如表所示。

回答下列问题：

(1)光敏电阻阻值RG与电压表示数U的关系式为RG＝__________(用E、r、R、U表示)；

(2)在图(b)的坐标纸上补齐数据表中所给的第二组数据点，并作出U­d的非线性曲线；

(3)依据实验结果可推断，光敏电阻的阻值随着光照强度的减小而__________(选填“增大”或“减小”)；

(4)该同学注意到智能手机有自动调节屏幕亮度的功能，光照强度变大时屏幕变亮，反之变暗。他设想利用光敏电阻的特性，实现“有光照射光敏电阻时，小灯泡变亮、反之变暗”的功能，设计了如图(c)所示电路，则电路中__________(选填“R1”或“R2”)为光敏电阻，另一个为定值电阻。

【解析】(1)根据闭合电路欧姆定律，可得R＝U

解得RG＝R－r－R

(2)描点、连线如图所示

(3)当光源距离光敏电阻越远时，光照强度越小，电压表示数越小，根据RG＝R－r－R可知，光敏电阻的阻值RG越大。

(4)如果R1为光敏电阻，有光照射光敏电阻时，外电路总电阻变小，路端电压降低，灯泡变暗；如果R2为光敏电阻，有光照射光敏电阻时，外电路总电阻变小，整个电路电流强度增大，内电压升高，路端电压降低，流过R1的电流减小，因此流过灯泡的电流增大，灯泡变亮，因此R2为光敏电阻。

答案：(1)R－r－R

(2)图见解析　(3)增大　(4)R2