新高考物理一轮复习讲义第12章 交变电流 传感器实验十七 利用传感器制作简单的自动控制装置 (含解析)

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一、五种敏感元件的作用和特点
二、自动控制装置设计与制作示例
1.门窗防盗报警装置的设计
(1)电路如图1所示。
图1
(2)实验操作
①连接电路前，要先判断干簧管是否正常工作。用磁体直接靠近干簧管，观察簧片的动作。
②连接电路，接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，观察实验现象。
2.光控开关的设计
(1)电路如图2所示。
图2
(2)实验操作
①按照如图所示连接电路，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。
(3)注意事项
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，或遮盖光敏电阻，再进行观察。
考点一 用温度传感器设计控制电路
例1 (2022·河北省新高考测评卷)热敏电阻有很多的应用领域，如家电、开关电源、新能源汽车等。某实验小组的同学为了研究某保温式自动电饭锅中用于监测温度的热敏电阻RT的特性设计了以下实验。
(1)首先利用多用电表粗略测量与电饭锅中型号相同的热敏电阻常温状态下的阻值，多用电表的旋钮置于“×100”的挡位时示数如图3甲所示，则该热敏电阻的阻值为________Ω。
(2)该实验小组的同学为了进一步探究热敏电阻的特性，设计了图乙所示的电路，电路中的电压表均可看成理想电压表，定值电阻的阻值为2 kΩ。
丙
图3
①开关闭合前，滑动变阻器的滑动触头应置于最________(填“左”或“右”)端。
②某次实验时，电压表V1、V2的示数分别为3.0 V、4.5 V，则热敏电阻的阻值应为______ kΩ。
(3)通过多次实验，得出热敏电阻的阻值随温度变化的规律图像如图丙所示，当热敏电阻的阻值为RT＝2 kΩ时，热敏电阻所处环境的温度约为________℃。
(4)该种保温式自动电饭锅，采用感温磁控元件(可视为用热敏电阻控制的电磁铁开关，通过的电流大于某一值时开关断开)控制电路闭合与断开，从而控制加热电路，锅内米饭温度低于60 ℃后，加热电路开始工作，则下列电路图可能是该电饭锅中加热电路的是________。
答案 (1)3.2×103 (2)①左 ②3 (3)38 (4)AB
解析 (1)由多用电表的读数规则可知，该热敏电阻的阻值为32×100 Ω＝3.2×103 Ω。
(2)①为了保护实验器材，开关闭合后应使两电压表的读数均为零，所以滑动变阻器的滑动触头应置于最左端。
②由电路图乙可知，热敏电阻的阻值应为RT＝eq \f(U2,\f(U1,R0))＝eq \f(U2R0,U1)，
代入数据解得RT＝3 000 Ω。
(3)由图丙可知，热敏电阻的阻值为RT＝2 kΩ时，热敏电阻所处环境的温度约为38 ℃。
(4)当电饭锅内温度降低时，热敏电阻的阻值增大，根据串并联电路的规律可知A、B满足要求。故选A、B。
跟踪训练
1.某同学利用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路”，如图4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。图甲中给继电器供电的电源电压U1＝4 V，内阻不计，继电器线圈用漆包线绕成，其电阻R0为30 Ω。当线圈中的电流大于等于40 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。
甲
乙
图4
(1)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”)。
(2)当环境温度升高时，继电器的磁性将________(选填“增大”“减小”或“不变”)，当环境温度达到________℃时，警铃报警。
(3)如果要使报警电路在更高的温度报警，下列方案可行的是________。
A.适当减小U1 B.适当增大U1
C.适当减小U2 D.适当增大U2
答案 (1)B A (2)增大 40 (3)A
解析 (1)由于B接通时警铃响，A接通时指示灯亮，因此C接B，D接A。
(2)由于该热敏电阻随温度升高，阻值减小，回路的电流增大，因此继电器的磁性增强。
当电流等于40 mA时，回路的总电阻
R＝eq \f(U,I)＝eq \f(4 V,40 mA)＝100 Ω
而继电器电阻R0为30 Ω，因此当热敏电阻等于70 Ω时，由题图乙可知对应温度为40 ℃时，警铃报警。
(3)温度更高时，热敏电阻值更小，而报警电流为40 mA不变，因此应适当降低U1值，因此A正确。
考点二 用光传感器设计控制电路
例2 为了节能环保，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R随光的照度I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)。
(1)某光敏电阻在不同照度下的阻值R如下表所示，根据表中的数据，请在图5甲的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线，并判断光敏电阻的阻值R与照度I是否成反比关系。
答：________(填“是”或“否”)。
甲
乙
图5
(2)图乙为街道路灯自动控制电路，利用直流电源E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________(填“AB”或“CD”)之间。
(3)已知线圈的电阻为140 Ω，直流电源E的电动势E＝36 V，内阻忽略不计。当线圈中的电流大于10 mA时，继电器的衔铁将被吸合，滑动变阻器R′的阻值应调为________Ω时，才能使天色渐暗照度低于1.0 lx时点亮路灯。
(4)使用一段时间后发现，路灯在天色更亮时就已点亮了，为了使路灯能按设计要求点亮和熄灭，变阻器R′的阻值应适当调________些(选填“大”或“小”)。
答案 (1)图见解析 否 (2)AB (3)1 460 (4)小
解析 (1)如图所示
若光敏电阻的阻值R与照度I成反比关系，则有RI为定值，由图像中的点的数据可得5.8×0.2