人教版（2019）高中物理 选择性必修第二册5.3 利用传感器制作简单的自动控制装置课件58张PPT
文档属性
| 名称 | 人教版（2019）高中物理 选择性必修第二册5.3 利用传感器制作简单的自动控制装置课件58张PPT |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 1.0MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-12-01 16:19:26 | ||
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文档简介
(共58张PPT)
3.利用传感器制作简单的自动控制装置
必备知识·素养奠基
【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。
【实验器材】
1.门窗防盗报警装置实验:
_______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
、开关。
2.光控开关实验:
发光二极管LED、可调电阻R1(最大电阻为51
kΩ)、限流电
阻R2
(330
Ω)、_________(暗电阻>1
MΩ、亮电阻<3
kΩ)、_______VT、继
电器、小灯泡(6
V 0.3
A)、二极管D、干电池四节(6
V)、导线若干
干簧管
光敏电阻
三极管
【实验原理与设计】
一、门窗防盗报警装置实验
1.实验的基本思想:
利用干簧管作为控制器实现:当门窗紧闭时,蜂鸣器___响,指示灯___;当门窗
被打开时,蜂鸣器发出声音报警,指示灯___。
2.实验电路图:
不
亮
灭
3.电路工作原理:
闭合电路开关S,系统处于_____状态。当门窗紧闭时,磁体M_____干簧管SA,干
簧管两个簧片被_____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。当门
窗开启时,磁体_____干簧管,干簧管失磁断开,继电器被_____。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_______和_____
_____的作用,继电器则相当于一个自动的双向开关。
防盗
靠近
磁化
离开
断电
传感器
控制
开关
二、光控开关实验
1.实验的基本思想:
利用_________作为光控开关实现在天色暗到一定程度时让路灯自动开启,而
在天明时自动_____。
2.实验电路图:
光敏电阻
熄灭
3.电路的关键元件及其工作原理:
(1)晶体三极管的结构和作用
三极管由三个电极组成,分别是发射极e、______和集电极c,有NPN型和PNP型
两种。
三极管的一个重要特性是,从基极输入一个_____的电流,就会在集电极获得
_____的电流。晶体三极管具有电流_____作用,在控制电路中常用作电子开
关。
基极b
较小
较大
放大
(2)电路工作原理
甲电路图的工作原理:如甲中可调电阻R1
与光敏电阻RG
组成串联分压电路,R2为发光二极管的限流电阻,用发光二极管LED模仿路灯。电路中光敏电阻RG因光照而发生电阻的变化,转换为电压的变化,加载到三极管VT的基极b上。当基极电压达到一定程度后,三极管被导通,从而使得由电源正极经电阻R2
、发光二极管、三极管集电极和发射极到达电源负极的回路被导通。可调电阻R1的作用是调整设定电路对周边光亮度的反应,在电路中能够控制三极管的基极电流。如果把R1阻值调得更大些,就会在天更暗时才点亮路灯。
乙电路图的工作原理: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。
关键能力·素养形成
【实验过程】
一、实验步骤
门窗防盗报警装置实验步骤:
(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,观察簧片能否正常工作。
(2)确定各元件可以正常工作后,按照图甲所示电路图,连接乙实物图。
(3)闭合开关S,接通电源后,将磁体靠近干簧管,干簧管两个簧片被磁化接通继电器,c与a连接,二极管发光。
(4)磁铁离开干簧管,衔铁c与b连接,蜂鸣器发声报警。
二、光控开关实验
1.按照图甲所示电路图,连接乙实物图。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。
【思考·讨论】
(1)三极管的特性是什么?
(物理观念)
提示:从基极输入一个较小的电流,就会在集电极获得较大的电流。此外,三极管还具有完成断路和接通开关的作用。
(2)光控电路中为什么在晚上时基极b上的电压增加呢?
(科学思维)
提示:在电路中可调电阻R1与光敏电阻RG
组成串联分压电路,由于光敏电阻的阻值随光照强度的增加而减少,在晚上时,光敏电阻的阻值增加,两端的电压也增加,光敏电阻两端的电压等于三极管基极b与发射极e两端的电压,当基极电压达到一定值后,三极管被导通,从而使得由电源正极经电阻R2
、发光二极管、三极管集电极和发射极到达电源负极的回路被导通。
【数据收集与分析】
一、门窗防盗报警装置实验
二、光控开关实验
【注意事项】
1.门窗防盗报警装置实验:
(1)安装前对电磁继电器进行测试,确保电磁继电器通电时能吸合,断电时在弹簧的作用下恢复原状。
(2)安装前对干簧管进行检测,观察磁铁靠近时弹簧片是否接触,磁铁离开时弹簧片是否能断开。
(3)选择合适的定值电阻,保证发光二极管能正常工作。
2.光控开关实验:
(1)安装前对器材进行测试,确保各元件性能良好后,再进行安装。
(2)二极管连入电路时,极性不能反接,否则继电器不能正常工作。
(3)要想天暗时路灯才会亮,应该把R1的阻值调大些。
实验研析·素养迁移
类型一 实验操作
【典例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)、电源连成电路如甲图所示,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。
【解题探究】
(1)光敏电阻的特性是什么?
提示:光敏电阻受光照后,阻值会变小。
(2)如图乙是干簧管继电器开关,它的工作原理是什么?
提示: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。
【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。
答案:见解析
类型二 数据处理
【典例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)。
(1)某光敏电阻R在不同照度下的阻值如表,根据表中已知数据,在如图甲所示的坐标系中描绘出了阻值随照度变化的曲线。由图像可求出照度为1.0
lx时的电阻约为________kΩ。?
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
1.8
(2)如图乙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。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,正确连接电路元件。?
(3)用多用电表“×10
Ω”挡,按正确步骤测量图乙中电磁铁线圈电阻时,指针示数如图丙所示,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,继电器的街铁将被吸合。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________(选填“R1”“R2”或“R3”)。为使天色更暗时才点亮路灯,应适当地______(选填“增大”或“减小”)滑动变阻器的电阻。?
【解析】(1)根据图像直接读出照度为1.0
lx时对应的电阻约为
2.0
kΩ。
(2)光敏电阻的电阻值随光照强度的增大而减小,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;静触点与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,所以静触点与A接通。所以要达到晚上灯亮,白天灯灭的效果,路灯应接在AB之间。电路图如图。
(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
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。由于天色变暗时,
光敏电阻变大,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。
答案:(1)2.0 (2)AB 图见解析 (3)140 R3 减小
类型三 实验创新
【典例3】高二物理课外兴趣小组的一同学在科技创新大赛中根据所学物理知识设计了一种“闯红灯违规证据模拟记录器”,如图(a)所示,它可以通过拍摄照片来记录机动车辆闯红灯时的情景。它的工作原理是:当光控开关接收到某种颜色光时,开关自动闭合,且当压敏电阻受到车的压力,它的阻值变化引起电流变化达到一定值时,继电器的衔铁就被吸下,工作电路中的电控照相机就工作,拍摄违规车辆。光控开关未受到该种光照射就自动断开,衔铁不被吸引,工作电路中的指示灯发光。
(1)要记录违规闯红灯的情景,光控开关应在接收到________光(选填“红”“绿”或“黄”)时自动闭合;?
(2)已知控制电路电源电动势为6
V,内阻为1
Ω,继电器电阻为9
Ω,当控制电路中电流大于0.06
A时,衔铁会被吸下。则只有质量超过________kg的车辆违规时才会被记录。(重力加速度取10
m/s2)?
【解题指南】解答本题要注意三点:
(1)要熟练掌握闭合电路欧姆定律等基本规律。
(2)要学会“看”电路和“分析”电路,提高综合分析能力。
(3)要注意电学知识与力学知识的有机结合。
【解析】(1)因是“闯红灯违规证据模拟记录器”,故光控开关应在接收到红光
时自动闭合。
(2)由闭合电路欧姆定律I=
可得,
≥0.06
A,其中继电器电阻R1=
9
Ω,电源内阻r=1
Ω,可解出R≤90
Ω,再由R-F图像可读出当R=90
Ω时F=
4
000
N,由G=mg可求出m=400
kg,故只有质量超过400
kg的车辆违规时才会被
记录。
答案:(1)红 (2)400
课堂检测·素养达标
1.如图1所示,将一对磁性材料制成的弹性舌簧密封于玻璃管中,舌簧端面互叠,
但留有间隙,就制成了一种磁控元件——干簧管,以实现自动控制。某同学自制
了一个线圈,将它套在干簧管上,制成一个干簧继电器,用来控制灯泡的亮灭,如
图2所示。干簧继电器在工作中所利用的电磁现象不包括
( )
A.电流的磁效应
B.磁场对电流的作用
C.磁极间的相互作用
D.磁化
【解题指南】解答本题要注意以下两点。
(1)本实验中用到的磁现象的知识有:干簧继电器在工作中通电线圈会产生磁场,放入磁场后由磁性材料制成的弹性舌簧被磁化而产生相互作用,从而由线圈中电流的变化可以控制灯泡的亮灭。
(2)本题没有用到的磁现象的知识是磁场对电流的作用。
【解析】选B。S闭合时,控制电路接通,线圈产生磁场,舌簧被磁化,在两舌簧端面形成异名磁极,因相互吸引而吸合,于是工作电路接通;S断开时,两舌簧退磁,在弹力作用下分开,工作电路断开,故该装置中利用了电流的磁效应、磁化及磁极间的相互作用,没有利用磁场对电流的作用。故A、C、D错误,B正确。
2.某市为了节约能源,合理适时地使用路灯,要求路灯夜晚亮、白天熄,利用半导体的某种特性制成自动点亮、熄灭的装置,实现了自动控制。这是利用半导体的
( )
A.压敏性
B.光敏性
C.热敏性
D.三种特性都利用了
【解析】选B。半导体能感知光照强度变化,并输出电信号,控制电路通断,所以利用了半导体的光敏性,故B正确。
3.(多选)世界首台500
kV高温超导限流器在南方电网调试成功,标志着我国在超高压超导电力应用领域取得重大突破。高温超导限流器如图所示,超导限流器由超导部件和限流电阻并联组成,超导部件有一个超导临界电流IC,当通过限流器的电流I>IC时,将造成超导体“失超”,即从超导态(本题认为电阻为零)变为正常状态(本题认为是一个纯电阻),以此来限制电力系统故障电流,已知超导部件正常电阻R1=3
Ω,超导临界电流IC=1.2
A,限流电阻R2=6
Ω,小灯泡L上标有“6
V 6
W”,电源电动势E=8
V,内阻r=2
Ω。原来电路正常工作,现在L突然短路,则
( )
A.短路前通过超导部件的电流为
A
B.超导部件将由超导态转变为正常态
C.短路后通过超导部件的电流为
A
D.短路后通过超导部件的电流为2
A
【解析】选B、C。小灯泡上标有“6
V 6
W”,故该灯泡的电阻RL=6
Ω,短路
前超导部件处于超导态,电路的总电阻R=RL+r=8
Ω,总电流I=
=1
A,通过超
导部件的电流为I1=1
A,选项A错误。短路后超导部件处于正常状态,R1=3
Ω,
超导部件与R2并联后的总电阻为2
Ω,电路的总电阻R′=4
Ω,总电流I′
=
=2
A,通过超导部件的电流I1′=
I′=
A,选项B、C正确,选项D
错误。
4.
如图所示是利用GMR设计的磁铁矿探测仪原理示意图,图中GMR在外磁场作用下,电阻会发生大幅度减小,下列说法正确的是
( )
A.若存在磁铁矿,则指示灯不亮;若将电阻R调大,该探测仪的灵敏度提高
B.若存在磁铁矿,则指示灯不亮;若将电阻R调小,该探测仪的灵敏度提高
C.若存在磁铁矿,则指示灯亮;若将电阻R调大,该探测仪的灵敏度提高
D.若存在磁铁矿,则指示灯亮;若将电阻R调小,该探测仪的灵敏度提高
【解析】选C。在电路中GMR与可变电阻串联,若存在磁铁矿,图中GMR在外磁场作用下,电阻会大幅度减小,从而使加载到三极管VT的基极b端的电势变高,当基极电压达到一定程度后,三极管被导通,从而使得由电源正极经指示灯、三极管集电极和发射极到达电源负极的回路被导通,指示灯变亮。当将电阻调大时,若遇到磁场,GMR电阻减小,导致b端的电势很快达到高电势,使三极管被导通,指示灯点亮,从而提高该探测仪的灵敏度。故C正确,A、B、D错误。
5.用压敏电阻可制成压力传感器,它受到的压力越大,输出的电压就越大,用它
可以对汽车称重。经实测,某压力传感器输出电压与力的关系式为U=
×10-5F,将该压力传感器水平放置,并和电阻箱R′(最大电阻999.9
Ω)及
部分其他器材组成了如图所示的电路,闭合开关S,当线圈中的电流I≥20
mA
时,
电磁继电器的衔铁被吸合。已知继电器线圈的电阻为30
Ω,继电器控制电路的
电压由传感器的输出电压U提供。(假设U不受继电器电路影响)
(1)当压力增加到一定程度时,电铃报警,说明汽车超载,则图中电铃应接在________(选填“A、B”或“C、D”)两端。?
(2)为使车重G≥3.6×105
N时启动报警系统,则电阻箱R′的电阻应调节到________Ω。?
(3)通过调整电阻箱R′的阻值,可以调整报警车重,能使该装置报警的最小车重为__________N。?
【解题指南】此题需注意两点:
(1)压力传感器的本质是可变电源,线圈和电阻箱串联,通过的电流相等;
(2)电路中达到电磁继电器闭合的电流时,电磁铁才把衔铁吸下,发出超重报警信号,重点是电磁继电器的工作原理。
【解析】(1)当压力增大到一定程度时,压力传感器输出电压达到一定数值,线
圈中电流大于或等于20
mA时,电磁继电器的衔铁被吸合,C、D间的电路就会被
接通,因此电铃应接在C、D之间。
(2)当F=3.6×105
N时,由U=
×10-5F,可得U=3
V,而使得电磁继电器的衔铁被
吸合的最小电流为20
mA,故电路总电阻R总=
Ω=150
Ω,所以电阻箱接入电
路的阻值R′=R总-R线=150
Ω-30
Ω=120
Ω。
(3)因为使电磁继电器衔铁被吸合的最小电流I=20
mA=0.02
A,继电器线圈的电阻R线=30
Ω,所以要使该装置报警,压力传感器输出的电压最小值为U最小=IR线=0.02
A×30
Ω=0.6
V,由公式可知,输出电压为0.6
V时,对应的压力为7.2×104
N。
答案:(1)C、D (2)120 (3)7.2×104
6.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E/cd
1
2
3
4
5
电阻值/Ω
18
9
6
3.6
“光强”是表示光强弱程度的物理量,符号为E,单位为坎德拉(cd)
(1)当光照强度为4坎德拉(cd)时光敏电阻Rx的阻值大小为__________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)。?
【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,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。
答案:(1)4.5 (2)C
【补偿训练】
用对温度敏感的半导体材料制成的某热敏电阻RT,在给定温度范围内,其阻值随温度的变化是非线性的。某同学将RT和两个适当的固定电阻R1、R2连成图1虚线框内所示的电路,以使该电路的等效电阻RL的阻值随RT所处环境温度的变化近似为线性的,且具有合适的阻值范围。为了验证这个设计,他采用伏安法测量在不同温度下RL的阻值,测量电路如图1所示,图中的电压表内阻很大。RL的测量结果如表所示。
t/℃
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
RL/Ω
54.3
51.0
47.5
44.3
41.0
37.9
34.7
回答下列问题:
(1)根据图1所示的电路,在图2所示的实物图上连线。
(2)为了检验RL与t之间近似为线性关系,在坐标纸上作RL-t关系图线。
(3)在某一温度下,电路中的电流表、电压表的示数如图3所示。电流表的读数为______,电压表的读数为________,此时等效电阻RL的阻值为________,热敏电阻所处环境的温度约为________。?
【解析】(1)根据电路图连接实物图,实物图如图甲所示。
(2)根据数据描出点,连接成直线,图像如图乙所示。
(3)根据电表示数可知,电流大小为:
I=
×150
mA=115.0
mA,
电压大小为:U=
×6
V=5.00
V
由部分电路欧姆定律得:R=
Ω=43.5
Ω,对照图找出相应的温度为
64.0
℃。
答案:(1)(2)见解析
(3)115
mA 5.00
V 43.5
Ω 64.0
℃
3.利用传感器制作简单的自动控制装置
必备知识·素养奠基
【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。
【实验器材】
1.门窗防盗报警装置实验:
_______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
、开关。
2.光控开关实验:
发光二极管LED、可调电阻R1(最大电阻为51
kΩ)、限流电
阻R2
(330
Ω)、_________(暗电阻>1
MΩ、亮电阻<3
kΩ)、_______VT、继
电器、小灯泡(6
V 0.3
A)、二极管D、干电池四节(6
V)、导线若干
干簧管
光敏电阻
三极管
【实验原理与设计】
一、门窗防盗报警装置实验
1.实验的基本思想:
利用干簧管作为控制器实现:当门窗紧闭时,蜂鸣器___响,指示灯___;当门窗
被打开时,蜂鸣器发出声音报警,指示灯___。
2.实验电路图:
不
亮
灭
3.电路工作原理:
闭合电路开关S,系统处于_____状态。当门窗紧闭时,磁体M_____干簧管SA,干
簧管两个簧片被_____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。当门
窗开启时,磁体_____干簧管,干簧管失磁断开,继电器被_____。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_______和_____
_____的作用,继电器则相当于一个自动的双向开关。
防盗
靠近
磁化
离开
断电
传感器
控制
开关
二、光控开关实验
1.实验的基本思想:
利用_________作为光控开关实现在天色暗到一定程度时让路灯自动开启,而
在天明时自动_____。
2.实验电路图:
光敏电阻
熄灭
3.电路的关键元件及其工作原理:
(1)晶体三极管的结构和作用
三极管由三个电极组成,分别是发射极e、______和集电极c,有NPN型和PNP型
两种。
三极管的一个重要特性是,从基极输入一个_____的电流,就会在集电极获得
_____的电流。晶体三极管具有电流_____作用,在控制电路中常用作电子开
关。
基极b
较小
较大
放大
(2)电路工作原理
甲电路图的工作原理:如甲中可调电阻R1
与光敏电阻RG
组成串联分压电路,R2为发光二极管的限流电阻,用发光二极管LED模仿路灯。电路中光敏电阻RG因光照而发生电阻的变化,转换为电压的变化,加载到三极管VT的基极b上。当基极电压达到一定程度后,三极管被导通,从而使得由电源正极经电阻R2
、发光二极管、三极管集电极和发射极到达电源负极的回路被导通。可调电阻R1的作用是调整设定电路对周边光亮度的反应,在电路中能够控制三极管的基极电流。如果把R1阻值调得更大些,就会在天更暗时才点亮路灯。
乙电路图的工作原理: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。
关键能力·素养形成
【实验过程】
一、实验步骤
门窗防盗报警装置实验步骤:
(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,观察簧片能否正常工作。
(2)确定各元件可以正常工作后,按照图甲所示电路图,连接乙实物图。
(3)闭合开关S,接通电源后,将磁体靠近干簧管,干簧管两个簧片被磁化接通继电器,c与a连接,二极管发光。
(4)磁铁离开干簧管,衔铁c与b连接,蜂鸣器发声报警。
二、光控开关实验
1.按照图甲所示电路图,连接乙实物图。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。
【思考·讨论】
(1)三极管的特性是什么?
(物理观念)
提示:从基极输入一个较小的电流,就会在集电极获得较大的电流。此外,三极管还具有完成断路和接通开关的作用。
(2)光控电路中为什么在晚上时基极b上的电压增加呢?
(科学思维)
提示:在电路中可调电阻R1与光敏电阻RG
组成串联分压电路,由于光敏电阻的阻值随光照强度的增加而减少,在晚上时,光敏电阻的阻值增加,两端的电压也增加,光敏电阻两端的电压等于三极管基极b与发射极e两端的电压,当基极电压达到一定值后,三极管被导通,从而使得由电源正极经电阻R2
、发光二极管、三极管集电极和发射极到达电源负极的回路被导通。
【数据收集与分析】
一、门窗防盗报警装置实验
二、光控开关实验
【注意事项】
1.门窗防盗报警装置实验:
(1)安装前对电磁继电器进行测试,确保电磁继电器通电时能吸合,断电时在弹簧的作用下恢复原状。
(2)安装前对干簧管进行检测,观察磁铁靠近时弹簧片是否接触,磁铁离开时弹簧片是否能断开。
(3)选择合适的定值电阻,保证发光二极管能正常工作。
2.光控开关实验:
(1)安装前对器材进行测试,确保各元件性能良好后,再进行安装。
(2)二极管连入电路时,极性不能反接,否则继电器不能正常工作。
(3)要想天暗时路灯才会亮,应该把R1的阻值调大些。
实验研析·素养迁移
类型一 实验操作
【典例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)、电源连成电路如甲图所示,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。
【解题探究】
(1)光敏电阻的特性是什么?
提示:光敏电阻受光照后,阻值会变小。
(2)如图乙是干簧管继电器开关,它的工作原理是什么?
提示: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。
【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。
答案:见解析
类型二 数据处理
【典例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)。
(1)某光敏电阻R在不同照度下的阻值如表,根据表中已知数据,在如图甲所示的坐标系中描绘出了阻值随照度变化的曲线。由图像可求出照度为1.0
lx时的电阻约为________kΩ。?
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
1.8
(2)如图乙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。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,正确连接电路元件。?
(3)用多用电表“×10
Ω”挡,按正确步骤测量图乙中电磁铁线圈电阻时,指针示数如图丙所示,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,继电器的街铁将被吸合。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________(选填“R1”“R2”或“R3”)。为使天色更暗时才点亮路灯,应适当地______(选填“增大”或“减小”)滑动变阻器的电阻。?
【解析】(1)根据图像直接读出照度为1.0
lx时对应的电阻约为
2.0
kΩ。
(2)光敏电阻的电阻值随光照强度的增大而减小,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;静触点与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,所以静触点与A接通。所以要达到晚上灯亮,白天灯灭的效果,路灯应接在AB之间。电路图如图。
(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
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。由于天色变暗时,
光敏电阻变大,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。
答案:(1)2.0 (2)AB 图见解析 (3)140 R3 减小
类型三 实验创新
【典例3】高二物理课外兴趣小组的一同学在科技创新大赛中根据所学物理知识设计了一种“闯红灯违规证据模拟记录器”,如图(a)所示,它可以通过拍摄照片来记录机动车辆闯红灯时的情景。它的工作原理是:当光控开关接收到某种颜色光时,开关自动闭合,且当压敏电阻受到车的压力,它的阻值变化引起电流变化达到一定值时,继电器的衔铁就被吸下,工作电路中的电控照相机就工作,拍摄违规车辆。光控开关未受到该种光照射就自动断开,衔铁不被吸引,工作电路中的指示灯发光。
(1)要记录违规闯红灯的情景,光控开关应在接收到________光(选填“红”“绿”或“黄”)时自动闭合;?
(2)已知控制电路电源电动势为6
V,内阻为1
Ω,继电器电阻为9
Ω,当控制电路中电流大于0.06
A时,衔铁会被吸下。则只有质量超过________kg的车辆违规时才会被记录。(重力加速度取10
m/s2)?
【解题指南】解答本题要注意三点:
(1)要熟练掌握闭合电路欧姆定律等基本规律。
(2)要学会“看”电路和“分析”电路,提高综合分析能力。
(3)要注意电学知识与力学知识的有机结合。
【解析】(1)因是“闯红灯违规证据模拟记录器”,故光控开关应在接收到红光
时自动闭合。
(2)由闭合电路欧姆定律I=
可得,
≥0.06
A,其中继电器电阻R1=
9
Ω,电源内阻r=1
Ω,可解出R≤90
Ω,再由R-F图像可读出当R=90
Ω时F=
4
000
N,由G=mg可求出m=400
kg,故只有质量超过400
kg的车辆违规时才会被
记录。
答案:(1)红 (2)400
课堂检测·素养达标
1.如图1所示,将一对磁性材料制成的弹性舌簧密封于玻璃管中,舌簧端面互叠,
但留有间隙,就制成了一种磁控元件——干簧管,以实现自动控制。某同学自制
了一个线圈,将它套在干簧管上,制成一个干簧继电器,用来控制灯泡的亮灭,如
图2所示。干簧继电器在工作中所利用的电磁现象不包括
( )
A.电流的磁效应
B.磁场对电流的作用
C.磁极间的相互作用
D.磁化
【解题指南】解答本题要注意以下两点。
(1)本实验中用到的磁现象的知识有:干簧继电器在工作中通电线圈会产生磁场,放入磁场后由磁性材料制成的弹性舌簧被磁化而产生相互作用,从而由线圈中电流的变化可以控制灯泡的亮灭。
(2)本题没有用到的磁现象的知识是磁场对电流的作用。
【解析】选B。S闭合时,控制电路接通,线圈产生磁场,舌簧被磁化,在两舌簧端面形成异名磁极,因相互吸引而吸合,于是工作电路接通;S断开时,两舌簧退磁,在弹力作用下分开,工作电路断开,故该装置中利用了电流的磁效应、磁化及磁极间的相互作用,没有利用磁场对电流的作用。故A、C、D错误,B正确。
2.某市为了节约能源,合理适时地使用路灯,要求路灯夜晚亮、白天熄,利用半导体的某种特性制成自动点亮、熄灭的装置,实现了自动控制。这是利用半导体的
( )
A.压敏性
B.光敏性
C.热敏性
D.三种特性都利用了
【解析】选B。半导体能感知光照强度变化,并输出电信号,控制电路通断,所以利用了半导体的光敏性,故B正确。
3.(多选)世界首台500
kV高温超导限流器在南方电网调试成功,标志着我国在超高压超导电力应用领域取得重大突破。高温超导限流器如图所示,超导限流器由超导部件和限流电阻并联组成,超导部件有一个超导临界电流IC,当通过限流器的电流I>IC时,将造成超导体“失超”,即从超导态(本题认为电阻为零)变为正常状态(本题认为是一个纯电阻),以此来限制电力系统故障电流,已知超导部件正常电阻R1=3
Ω,超导临界电流IC=1.2
A,限流电阻R2=6
Ω,小灯泡L上标有“6
V 6
W”,电源电动势E=8
V,内阻r=2
Ω。原来电路正常工作,现在L突然短路,则
( )
A.短路前通过超导部件的电流为
A
B.超导部件将由超导态转变为正常态
C.短路后通过超导部件的电流为
A
D.短路后通过超导部件的电流为2
A
【解析】选B、C。小灯泡上标有“6
V 6
W”,故该灯泡的电阻RL=6
Ω,短路
前超导部件处于超导态,电路的总电阻R=RL+r=8
Ω,总电流I=
=1
A,通过超
导部件的电流为I1=1
A,选项A错误。短路后超导部件处于正常状态,R1=3
Ω,
超导部件与R2并联后的总电阻为2
Ω,电路的总电阻R′=4
Ω,总电流I′
=
=2
A,通过超导部件的电流I1′=
I′=
A,选项B、C正确,选项D
错误。
4.
如图所示是利用GMR设计的磁铁矿探测仪原理示意图,图中GMR在外磁场作用下,电阻会发生大幅度减小,下列说法正确的是
( )
A.若存在磁铁矿,则指示灯不亮;若将电阻R调大,该探测仪的灵敏度提高
B.若存在磁铁矿,则指示灯不亮;若将电阻R调小,该探测仪的灵敏度提高
C.若存在磁铁矿,则指示灯亮;若将电阻R调大,该探测仪的灵敏度提高
D.若存在磁铁矿,则指示灯亮;若将电阻R调小,该探测仪的灵敏度提高
【解析】选C。在电路中GMR与可变电阻串联,若存在磁铁矿,图中GMR在外磁场作用下,电阻会大幅度减小,从而使加载到三极管VT的基极b端的电势变高,当基极电压达到一定程度后,三极管被导通,从而使得由电源正极经指示灯、三极管集电极和发射极到达电源负极的回路被导通,指示灯变亮。当将电阻调大时,若遇到磁场,GMR电阻减小,导致b端的电势很快达到高电势,使三极管被导通,指示灯点亮,从而提高该探测仪的灵敏度。故C正确,A、B、D错误。
5.用压敏电阻可制成压力传感器,它受到的压力越大,输出的电压就越大,用它
可以对汽车称重。经实测,某压力传感器输出电压与力的关系式为U=
×10-5F,将该压力传感器水平放置,并和电阻箱R′(最大电阻999.9
Ω)及
部分其他器材组成了如图所示的电路,闭合开关S,当线圈中的电流I≥20
mA
时,
电磁继电器的衔铁被吸合。已知继电器线圈的电阻为30
Ω,继电器控制电路的
电压由传感器的输出电压U提供。(假设U不受继电器电路影响)
(1)当压力增加到一定程度时,电铃报警,说明汽车超载,则图中电铃应接在________(选填“A、B”或“C、D”)两端。?
(2)为使车重G≥3.6×105
N时启动报警系统,则电阻箱R′的电阻应调节到________Ω。?
(3)通过调整电阻箱R′的阻值,可以调整报警车重,能使该装置报警的最小车重为__________N。?
【解题指南】此题需注意两点:
(1)压力传感器的本质是可变电源,线圈和电阻箱串联,通过的电流相等;
(2)电路中达到电磁继电器闭合的电流时,电磁铁才把衔铁吸下,发出超重报警信号,重点是电磁继电器的工作原理。
【解析】(1)当压力增大到一定程度时,压力传感器输出电压达到一定数值,线
圈中电流大于或等于20
mA时,电磁继电器的衔铁被吸合,C、D间的电路就会被
接通,因此电铃应接在C、D之间。
(2)当F=3.6×105
N时,由U=
×10-5F,可得U=3
V,而使得电磁继电器的衔铁被
吸合的最小电流为20
mA,故电路总电阻R总=
Ω=150
Ω,所以电阻箱接入电
路的阻值R′=R总-R线=150
Ω-30
Ω=120
Ω。
(3)因为使电磁继电器衔铁被吸合的最小电流I=20
mA=0.02
A,继电器线圈的电阻R线=30
Ω,所以要使该装置报警,压力传感器输出的电压最小值为U最小=IR线=0.02
A×30
Ω=0.6
V,由公式可知,输出电压为0.6
V时,对应的压力为7.2×104
N。
答案:(1)C、D (2)120 (3)7.2×104
6.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E/cd
1
2
3
4
5
电阻值/Ω
18
9
6
3.6
“光强”是表示光强弱程度的物理量,符号为E,单位为坎德拉(cd)
(1)当光照强度为4坎德拉(cd)时光敏电阻Rx的阻值大小为__________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)。?
【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,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。
答案:(1)4.5 (2)C
【补偿训练】
用对温度敏感的半导体材料制成的某热敏电阻RT,在给定温度范围内,其阻值随温度的变化是非线性的。某同学将RT和两个适当的固定电阻R1、R2连成图1虚线框内所示的电路,以使该电路的等效电阻RL的阻值随RT所处环境温度的变化近似为线性的,且具有合适的阻值范围。为了验证这个设计,他采用伏安法测量在不同温度下RL的阻值,测量电路如图1所示,图中的电压表内阻很大。RL的测量结果如表所示。
t/℃
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
RL/Ω
54.3
51.0
47.5
44.3
41.0
37.9
34.7
回答下列问题:
(1)根据图1所示的电路,在图2所示的实物图上连线。
(2)为了检验RL与t之间近似为线性关系,在坐标纸上作RL-t关系图线。
(3)在某一温度下,电路中的电流表、电压表的示数如图3所示。电流表的读数为______,电压表的读数为________,此时等效电阻RL的阻值为________,热敏电阻所处环境的温度约为________。?
【解析】(1)根据电路图连接实物图,实物图如图甲所示。
(2)根据数据描出点,连接成直线,图像如图乙所示。
(3)根据电表示数可知,电流大小为:
I=
×150
mA=115.0
mA,
电压大小为:U=
×6
V=5.00
V
由部分电路欧姆定律得:R=
Ω=43.5
Ω,对照图找出相应的温度为
64.0
℃。
答案:(1)(2)见解析
(3)115
mA 5.00
V 43.5
Ω 64.0
℃