第五章 3
基础达标练
1．如图所示是一火警报警器的部分电路示意图，其中R2为用半导体负温度系数热敏材料制成的传感器，电流表为值班室的显示器，a、b之间接报警器。当传感器R2所在处出现火情时，显示器的电流I，报警器两端的电压U的变化情况是( )
A．I变大，U变大 B．I变大，U变小
C．I变小，U变大 D．I变小，U变小
答案：D
解析：当R2处出现火情时，R2的阻值减小，电路总电阻减小，根据I＝，可知干路电流增大，则电源内电压U内＝Ir，增大，而电源电动势不变，则路端电压U＝E－U内，减小；因为干路电流增大，则R1两端电压增大，所以与R2并联的R3两端电压减小，故电流表示数I变小，故D正确。
2．如图甲所示为测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路，电源电压恒定，电流表内阻不计，开关闭合后，调节滑动变阻器滑片，使小灯泡发光逐渐增强，测得流过光敏电阻的电流和光照强度的关系图线如图乙所示，试根据这一特性，由图丙中给定的器材设计一个路灯自动控制电路。
答案：见解析
解析：由光敏电阻的特性曲线可以看出，当照射光增强时，光敏电阻的阻值减小，流过光敏电阻的电流增大。根据题意设计的路灯自动控制电路如图所示。
控制过程：当有光照时，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常闭触点与火线断开；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，使两个常闭触点与火线连通，工作电路接通，灯泡开始工作。
3．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(勒克斯)。
(1)某光敏电阻R在不同照度下的阻值如下表，根据表中已知数据，在图所示的坐标系中描绘出了阻值随照度变化的曲线。
照度/lx 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
电阻/kΩ 5.8 3.7 2.8 2.3 2.0 1.8
(2)如图甲所示是街道路灯自动控制模拟电路，利用直流电源为电磁铁供电，利用照明电源为路灯供电。请设计电路能达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果，并用笔画线代替导线完成电路连接。
(3)用多用电表“×10 Ω”挡，按正确步骤测量图中电磁铁线圈电阻时，指针示数如图乙所示，则线圈的电阻为_________ Ω。已知当线圈中的电流大于或等于2 mA时，继电器的衔铁将被吸下。图中直流电源的电动势E＝6 V，内阻忽略不计，滑动变阻器有三种规格可供选择：R1( 0～10 Ω，2 A)、R2(0～200 Ω，1 A)、R3( 0～1 750 Ω，0.1 A)。要求天色渐暗照度降低至1.0 lx时点亮路灯，滑动变阻器应选择_________ (填“R1”“R2”或“R3”)。为使天色更暗时才点亮路灯，应适当地_________(填“增大”或“减小”)滑动变阻器的电阻。
答案：(2)如图所示 (3)140 R3 减小
解析：(2)光敏电阻的电阻值随照度的增大而减小，所以白天时光敏电阻的电阻值小，电路中的电流值大，衔铁将被吸住，动触点与C接通；晚上时的光线暗，光敏电阻的电阻值大，电路中的电流值小，所以动触点与A接通。所以要达到晚上灯亮，白天灯灭，则路灯应接在A、B之间。
(3)欧姆表的读数是先读出表盘的刻度，然后乘以倍率，表盘的刻度是14，倍率是“×10 Ω”，所以电阻值是14×10 Ω＝140 Ω；天色渐暗照度降低至1.0 lx时点亮路灯，此时光敏电阻的电阻值是2.0 kΩ，电路中的电流是2 mA，R＝－R光＝ Ω－2 000 Ω＝1 000 Ω，所以要选择滑动变阻器R3。由于光变暗时，光敏电阻阻值变大，分得的电压变大，所以为使天色更暗时才点亮路灯，应适当地减小滑动变阻器的电阻。
能力提升练
4．(2024·山东枣庄高二期中)电子眼又称电子警察，它采用感应线来感应路面上汽车传来的压力。感应线实质是一个压电薄膜传感器，压电薄膜在受压时两端产生电压，压力越大电压越大，压电薄膜与电容器C和电阻R组成图甲所示的回路。如果汽车的前、后轮先后经过感应线，回路中产生两脉冲电流，如图乙所示。当十字路口红灯亮时，电子警察系统启动，若回路中产生两脉冲电流，电子眼拍照，认定为“闯红灯”。则当红灯亮时( )
A．车轮停在感应线上时，电阻R上的电流为零
B．车轮经过感应线的过程中，电容器C的电荷量一直增大
C．车轮经过感应线的过程中，电容器C两极板间的电场强度保持不变
D．汽车前轮越过感应线后，又倒回到线内，不会被电子眼拍照
答案：A
解析：车轮停在感应线上时，压力不变，则电压不变，电容器不充电，也不放电，电阻R上没有电流，故A正确；由乙图可知，当车轮经过时电流先增大后减小，然后再反向增大最后减小，因电压是在受压时产生的，说明电容器先充电后放电，故B错误；车轮经过感应线的过程中，压电薄膜受到的压力变化，其产生的电压变化，则电容器两端电压变化，产生的电场强度发生变化，故C错误；若汽车前轮越过感应线，又倒回线内，则前轮两次压线，仍形成两个脉冲电流，符合拍照条件，电子眼仍可拍照，故D错误。
5．图甲为某热敏电阻的阻值R随温度t变化的曲线。利用其可以制作温控报警器，电路的一部分如图乙所示。图中E为直流电源，电动势为10 V，内阻不计，当输出电压达到或超过6.0 V时，便触发报警器(图中未画出)报警，下列说法正确的是( )
A．若要求环境温度低于60 ℃开始报警，R2应使用热敏电阻，R1的阻值应为0.4 kΩ
B．若要求环境温度低于60 ℃开始报警，R1应使用热敏电阻，R2的阻值应为1.2 kΩ
C．若要求环境温度高于60 ℃开始报警，R2应使用热敏电阻，R1的阻值应为0.4 kΩ
D．若要求环境温度高于60 ℃开始报警，R1应使用热敏电阻，R2的阻值应为1.2 kΩ
答案：D
解析：当温度升高时，热敏电阻的阻值将降低，根据闭合电路的欧姆定律，有I＝，即电路中电流增大，由外电路的分压原理易知，定值电阻两端的电压必定增大，则热敏电阻两端的电压降低，依题意，环境温度升高，输出电压升高，报警器报警，所以图中的R1应使用热敏电阻，若要求环境温度高于60 ℃开始报警，则由图可知R1＝0.8 kΩ，又U＝R2，解得R2＝1.2 kΩ，故D正确。
6．(多选)如图甲所示为电磁继电器自动双向开关，当DE中通过的电流较小时，电磁铁磁性弱，A与B接线柱接通；当DE中通过的电流增大到一定数值时，C与B接线柱接通。图乙为应用电磁继电器和光敏电阻实现路灯自动开、关的电路图，虚线框内为电磁继电器接入电路时的符号(M、N两接线柱分别与电磁继电器中接线柱A或C连接)。R为光敏电阻(光敏电阻阻值随光照强度增大而减小)，R1为可调电阻，R0为保护电阻。开关S闭合，在光线暗时对路灯L供电，光线亮时对路灯L断电并同时接通LED。下列说法中正确的是( )
A．为使电路正常工作，图甲中电磁继电器的C接线柱应与图乙中M接线柱连接
B．为更好的节能环保，天色更暗时对路灯自动供电，可将R1的阻值调小
C．随着电池的使用，电池电动势降低，内阻增大，路灯在天色更亮时就会自动供电
D．当LED出现断路故障时，电磁继电器将不能正常工作
答案：BC
解析：由题意可知，光线较暗时，光敏电阻的阻值较大，流过DE的电流较小，电磁铁磁性弱，此时AB接通，此时灯L应该接通，则电磁继电器的A接线柱应与图乙中M接线柱连接，故A错误；电磁铁的磁性与电流的大小有关，电流小到一定值，AB接通，光线更暗时，光敏电阻的阻值更大，根据I＝，可知要实现光线更暗时对路灯自动供电，可将R1的阻值调小，故B正确；随着电池的使用，电池电动势降低，内阻增大，则光敏电阻R更小时电路就会接通，即路灯在天色更亮时就会自动供电，故C正确；当LED出现断路故障时，不影响电磁继电器部分的电路，可以正常工作，故D错误。
7．某一热敏电阻的阻值R随温度变化的图线如图甲所示，现要利用该热敏电阻组装一个报警系统，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，Ic约为10 mA，流过的电流超过20 mA时，报警器可能损坏)，电阻箱(最大阻值为999.9 Ω)，直流电源(输出电压为18 V，内阻不计)，滑动变阻器(最大阻值为2 000 Ω)，单刀双掷开关一个，导线若干。
(1)由甲图可知，热敏电阻的阻值随温度的升高而_________(填“增大”或“减小”)；
(2)按乙图所示的电路图组装电路，并按照下列步骤调节此报警系统；
①电路接通前，滑动变阻器的滑片应置于_________(填“a”或“b”)端；
②若已知该热敏电阻在60 ℃时阻值为650.0 Ω。则根据实验要求，先将电阻箱调到一固定的阻值，这一阻值为_________Ω；
③将开关向_________(填“c”或“d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警。
(3)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。
答案：(1)减小 (2)①b ②650.0 ③c
解析：(1)由甲图可知，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。
(2)①为防止接通电源后，流过报警器的电流会超过20 mA，报警器可能损坏，滑动变阻器的滑片应置于b端。
②本题采用的是等效替换法，先用电阻箱来代替热敏电阻，所以电阻箱的阻值要调节到系统报警时热敏电阻的临界电阻，也就是在60 ℃时的阻值650.0 Ω。
③先把电阻箱的电阻接入电路，即将开关向c端闭合，调节滑动变阻器的电阻，调至报警器开始报警时，保持滑动变阻器的阻值不变，接到热敏电阻上，即开关接d端，当热敏电阻的阻值是650.0 Ω时，也就是温度达到了60 ℃，报警器开始报警。报警系统即可正常使用。
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第五章 传感器
3．利用传感器制作简单的自动控制装置
目标体系构建
1．了解门窗防盗报警装置的原理。
2．了解光控开关的原理。
3．通过练习电子电路的组装，获得对自动控制电路的感性认识。
1．物理观念：知道干簧管、光敏电阻、三极管、二极管、电磁继电器的功能；了解门窗防盗报警装置及其工作原理；了解光控开关电路及其控制原理。
2．科学思维：会利用传感器制作简单的自动控制装置。
3．科学态度与责任：在实验中体验从原理到应用的过程，增强理论联系实际的意识，培养学生科学严谨的学习态度。
课前预习反馈
一、实验目的
1．了解门窗防盗报警装置和光控开关的工作原理。
2．练习用传感器制作自动控制设备。
二、实验器材
干簧管SA、继电器、发光二极管LED、电阻R(330 Ω)、蜂鸣器H(有源型)、干电池(6 V)、小磁体M、开关。
实验?
门窗防盗报警装置
三、实验电路图
门窗防盗报警装置电路图如图所示。
四、工作原理
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。若门窗被盗贼开启，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。
五、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。
1．把蜂鸣器、光敏电阻、干簧管继电器开关(干簧管和绕在干簧管外的线圈组成如图乙所示)、电源连成电路如图甲所示，制成光电报警装置，设计要求：当有光照时，蜂鸣器发声，当没有光照或者光照很弱时，蜂鸣器不发声，电路已经连接一部分，请将电路连接完整。
典|例|剖|析
思路引导：解本题需理解以下两个问题：
(1)光敏电阻的特性是什么？
(2)干簧管继电器开关的工作原理是什么？
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的外面线圈两个接线构成一个回路；而另一组电池、蜂鸣器与干簧管继电器开关里面的两个接线构成又一个回路。当有光照时，光
敏电阻变小，使得干簧管继电器开关存在磁
场，导致开关接通，最终使得蜂鸣器发声；
若没有磁场时，开关自动断开。连接如图所
示。
(2024·山东东营高二期末)小明利用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路”，如图甲所示(虚线框内的连接没有画出)。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。图甲中继电器的供电电源E1＝5 V，内阻不计，继电器线圈用漆包线绕成，其电阻R0＝30 Ω。当线圈中的电流大于等于50 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。
对点训练
(1)由图乙可知，当环境温度为80 ℃时，热敏电阻阻值为________ Ω；
(2)由图乙可知，当环境温度升高时，热敏电阻阻值将_________(填“增大”“减小”或“不变”)，继电器的磁性将_________(填“增强”“减弱”或“不变”)；
(3)图甲中指示灯的接线柱D应与接线柱_________(均填“A”或“B”)相连；
(4)当环境温度大于等于_________℃时，警铃报警。
答案：(1)30 (2)减小 增强 (3)A (4)40
解析：(1)由图乙可知，当环境温度为80 ℃时，热敏电阻阻值为30 Ω。
(2)由图乙可知，当环境温度升高时，热敏电阻阻值将减小；热敏电阻阻值减小，则流过继电器的电流增大，磁性增强。
(3)由于继电器的上触点接触，下触点分离，指示灯亮。所以图甲中指示灯的接线柱D应与接线柱A相连。
(4)当线圈中的电流大于等于50 mA时，继电器的衔铁将被吸合，警铃响。根据欧姆定律E1＝I(R0＋R)，得R＝70 Ω，此时温度为40 ℃，则环境温度大于等于40 ℃时，警铃报警。
实验?
光控开关
一、实验目的
模拟光控路灯根据光照的变化自动开启或关闭。
二、实验器材
可调电阻、限流电阻、光敏电阻、三极管、发光二极管、继电器、小灯泡、二极管、电源。
三、电路图
实验电路图如图所示。
四、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。
五、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，发光二极管LED或小灯泡L熄灭。
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。
2．(2024·重庆市高二期中)光敏二极管在各种自动化装置中有很多应用，街道的路灯自动控制开关就是其应用之一，图中所示为其模拟电路，其中A为光敏二极管，B为电磁继电器，C为照明电路，D为路灯，下列说法正确的是( )
典|例|剖|析
A．路灯自动控制电路中的光敏二极管的阻值随光照增强而增大
B．当没有光照时(夜晚)，光敏二极管所在回路中的电流很小
C．根据“日出路灯肯定熄”的常识，分析可知白天电磁铁与衔铁不吸引
D．如果换上灵敏度更高的光敏二极管，则相同的光照强度下，电磁铁的磁性更弱
答案：B
解析：光敏二极管有光敏电阻的特征，阻值随光照增强而减小，故A错误；根据“日出路灯熄、日落路灯亮”的常识，结合路灯自动控制电路中的特征，可知，没有光照时(夜晚)，触点接通，照明电路的路灯变亮，电磁铁与衔铁不吸引，电磁铁的磁性不强，所在回路中的电流很小，反之白天电磁铁与衔铁吸引，触点断开，故B正确，C错误；如果换上灵敏度更高的光敏二极管，白天在相同的光照强度下，电磁铁的磁性更强，与衔铁的吸引力更大，故D错误。
(2024·广东深圳高二期末)某实验小组设计了一个声、光灯光控制系统。声、光控制
开关需要同时满足光线较暗、有活动声音时才接通电路的工作要求。其示意图如图甲所示。
对点训练
(1)声、光控制开关中的声控继电器与光控继电器是_________(填“并联”或“串联”)关系。
(2)其中光控继电器的电路结构如图乙所示。已知环境亮度越大，光敏元件阻值越小，当电路电流小于某阈值I0时，继电器开始工作。在设定的光照度条件下调节滑动变阻器，使继电器恰好开始工作，此时电流表示数如图丙所示，此时I0＝_________A。
(3)为了节约用电，需要降低光照度阈值，应该把滑动变阻器阻值调_________。
答案：(1)串联 (2)0.42 (3)小
解析：(1)由于声、光控制开关需要同时满足光线较暗、有活动声音时才接通电路的工作要求，可知声、光控制开关中的声控继电器与光控继电器是串联关系。
(2)图丙中电流表的量程为0.6 A，精度为0.02 A，根据电流表的读数规则可知，该电流表的读数为0.42 A。
(3)由于环境亮度越大，光敏元件阻值越小，则当降低光照度阈值时，对应光敏电阻的阻值增大，由于电路电流小于某阈值I0时，继电器开始工作，可知此时应把滑动变阻器阻值调小。
课堂小结
课堂达标检测
1．(多选)如图所示为小型电磁继电器的构造示意图，其中L为含铁芯的线圈，P为可绕O点转动的铁片，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线柱，继电器与传感器配合，可完成自动控制的要求，关于其工作方式，下列判断正确的是( )
A．A、B间接控制电路，C、D间接被控电路
B．A、B间接被控电路，C、D间接控制电路
C．流过L的电流减小时，C、D间电路断开
D．流过L的电流增大时，C、D间电路断开
答案：AC
解析：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，A正确，B错误；流过L的电流减小时，线圈L产生的磁场减弱，对衔铁P的吸引力减弱，使C、D两个接线柱所连的触点断开，C正确，D错误。
2．(2024·四川泸州高二期末)用某热敏电阻RT作为传感器制作的自动报警器原理如图所示，其中左侧为控制电路，右侧为工作电路，热敏电阻RT的阻值随温度升高而减小。在某次调试时，报警器达到报警温度后，无论如何调节滑动变阻器的滑片P都不能使小灯泡发光。排除了其他因素后，造成这一现象的原因可能是下列选项中的( )
A．控制电路中电源E1的内阻太小
B．工作电路中电源E2的内阻太小
C．继电器中的线圈匝数太少
D．继电器中弹簧劲度系数太小
答案：C
解析：小灯泡发光的条件是控制电路中的电流大于等于临界值，若控制电路中电源E1的内阻过小，则电路中的电流更大，更容易升高到临界值，故A错误；工作电路中的电源不影响控制电路的电流，即与工作电路无关，故B错误；继电器中线圈匝数过少，电磁铁磁性较弱，电磁铁在到达临界条件的电流时，引力无法将衔铁吸引下来，故C正确；继电器中弹簧劲度系数太小时，电磁铁更容易将衔铁吸引下来，更容易使小灯泡发光，故D错误。
3．(2023·河北高三学业考试)某同学利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性，制作了一个简易的汽车低油位报警装置。
(1)该同学首先利用多用电表欧姆“×100”挡粗测该热敏电阻在常温下的阻值，示数如图甲所示，则此时热敏电阻的阻值为RT＝________ kΩ。
(2)该同学为了进一步探究该热敏电阻阻值随温度变化的关系，设计了如图乙所示的实验电路，定值电阻R0＝2.0 kΩ，则在闭合开关前，滑动变阻器的滑片P应置于最_________(填“左”或“右”)端；在某次测量中，若毫安表A1的示数为2.25 mA，A2的示数为1.50 mA，两电表可视为理想电表，则热敏电阻的阻值为_________ kΩ(结果保留两位有效数字)。
(3)经过多次测量，该同学得到热敏电阻阻值随温度的变化关系图像如图丙所示，可知该热敏电阻的阻值随温度升高变化得越来越________ (填“快”或“慢”)。
(4)该同学利用此热敏电阻设计的汽车低油位报警装置如图丁所示，其中电源电动势E＝6.0 V，定值电阻R＝1.8 kΩ，长为l＝50 cm的热敏电阻下端紧靠在油箱底部，不计报警器和电源的内阻。已知流过报警器的电流I≥2.4 mA时报警器开始报警，若测得报警器报警时油液(热敏电阻)的温度为30 ℃，油液外热敏电阻的温度为70 ℃，由此可知油液的警戒液面到油箱底部的距离约为_________cm。
答案：(1)1.9 (2)左 3.0 (3)慢 (4)10
解析：(1)由多用电表欧姆表的读数规则可知，此时热敏电阻的阻值为RT＝19×100 Ω＝1.9 kΩ。
(2)滑动变阻器采用分压接法，为保护电路安全，在开关闭合前应将滑动变阻器的滑片P置于最左端，由于RT和R0并联，故有I1R0＝I2RT，代入数据解得RT＝3.0 kΩ。
(3)由图丙可知，该热敏电阻的阻值随温度的升高而逐渐减小，从曲线的斜率可以看出，图线斜率越来越小，故该热敏电阻的阻值随温度升高变化得越来越慢。
4．(2024·衡阳市八中高二阶段练习)酒驾严重危害了公共交通安全，打击酒驾现象已成为日常。如图甲为交警使用的某种酒精检测仪，核心部件为酒精气体传感器，其电阻R1与酒精气体浓度x的关系如图乙所示。
(1)某同学自行设计了简易酒精检测仪，如图丙所示，用到的器材有酒精气体传感器R1、电源(电动势为9.0 V，内阻未知)、电流表(满偏电流为100 mA，内阻为9.5 Ω)，闭合开关，周围无酒精气体，发现电流表刚好满偏，则电源内阻为_________Ω；用该仪器_________(填“能”或“不能”)检测酒驾。
驾驶员状态 非酒驾 酒驾
酒精气体浓度标准(mg/mL) 小于0.2 大于或者等于0.2
检测器状态 只有绿灯亮 绿灯红灯都亮
(2)另一位同学查阅酒精检测仪说明书时看到题表，他根据自己的理解将酒精检测仪的内部电路简化为图丁。只有绿灯亮表示被测试者非酒驾，红绿灯一起亮表示被测试者酒驾。图丁中电源电动势为9.0 V，内阻不计，R2为定值电阻，R1为酒精气体传感器，L1、L2是彩色小灯泡，颜色一红一绿，小灯泡电压达到0.7 V才会发光，则红灯为_________(填“L1”或“L2”)，当红灯刚亮时通过其的电流为_________A(保留两位有效数字)。
答案：(1)0.5 不能 (2)L1 0.28
