利用传感器制作简单的自动控制装置-高二物理新教材基础+巩固+提升三级跳.docx

新教材 基础 巩固 提升三级跳
第五章 传感器
5. 3 利用传感器制作简单的自动控制装置
基础知识
知识点梳理：
知识准备
(1)普通二极管和发光二极管
①都具有单向导电性。
②发光二极管除了具有普通二极管的单向导电性外,导电时还能发光,它小巧玲珑颜色鲜艳,又很省电,许多家用电器上都用发光二极管作指示灯。
(2)门电路
①对于与门电路,只要一个输入端输入为“0”,则输出端一定是“0”,只有当所有输入都为“1”时,输出才是“1”。
②对于或门电路,只要有一个输入端输入为“1”,则输出一定是“1”,只有当所有输入都为“0”时,输出才是“0”。
③非门电路中,当输入为“0”时,输出总是“1”,当输入为“1”时,输出反而是“0”。非门电路也称反相器。
(3)斯密特触发器
斯密特触发器性能特别,当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值(1.6 V)时,输出端Y会突然从高电平跳到低电平(0.25 V),而当输入端A的电压下降到另一个值的时候(0.8 V),Y会从低电平跳到高电平。斯密特触发器可以将连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号,而这正是进行光控所需要的。
(4)逻辑电路的高低电平
在逻辑电路中,常把电势的高低叫作电平的高低,“输出低电平”的意义是输出端处于低电势的状态。斯密特触发器是具有特殊功能的非门,常用符号表示。
知识点一、门窗防盗报警装置
1．电路如图所示。

2．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。当门窗开启时，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。
3．实验器材
干簧管、继电器、发光二极管LED、蜂鸣器H、电源、导线若干、开关、电阻。
4. 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，观察簧片能否正常动作。
(2)确定各元件可以正常工作后，按照图所示连接电路。
(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。
知识点二、光控开关
(1)实验目的:了解光控开关的工作原理,练习用传感器制作自动控制设备。
(2)实验器材:斯密特触发器、发光二极管、二极管、继电器、灯泡(6 V,0.3 A)、可变电阻R1(最大阻值 51 kΩ)、电阻R2(330 Ω)、光敏电阻、集成电路实验板、直流电源(5 V)、导线若干、黑纸。
(3)实验电路(如图所示):

(4)工作原理:
甲图(二极管光控电路):白天,光照强度较大时,光敏电阻RG阻值较小,加在斯密特触发器输入端A的电压较低,则输出端Y输出高电平,发光二极管LED不导通;傍晚,当光照强度小到一定程度时,RG阻值增大到一定值,斯密特触发器的输入端A的电压上升到1.6 V,输出端Y突然从高电平跳到低电平,则发光二极管LED导通发光(相当于路灯亮了),这样就达到了使路灯天亮自动熄灭、天暗自动开启的目的。
乙图(路灯光控电路):天较亮时,光敏电阻RG阻值较小,斯密特触发器输入端A电压较低,则输出端Y输出高电平,线圈中无电流,工作电路不通;天较暗时,光敏电阻RG电阻增大,斯密特触发器输入端A电势升高,当升高到一定值,输出端Y由高电平突然跳到低电平,有电流通过线圈,电磁继电器工作,接通工作电路,使路灯自动开启;天亮后,RG阻值减小,斯密特触发器输入端A电势逐渐降低,降到一定值,输出端Y突然由低电平跳到高电平,则线圈中不再有电流,则电磁继电器自动切断工作电路的电源,路灯熄灭。
(5)实验步骤:
①按照实验电路图将各元件组装到集成电路实验板上。
②检查各元件的连接,确保无误。
③接通电源,调节电阻R1,使发光二极管或灯泡在普通光照条件下不亮。
④用黑纸逐渐遮住光敏电阻,观察发光二极管或灯泡的状态。
⑤逐渐撤掉黑纸,观察发光二极管或灯泡的状态。
【点睛】
一、电磁继电器的工作原理
由于集成电路允许通过的电流较小,要用白炽灯泡模仿路灯,就要使用电磁继电器来启闭工作电路,如图所示。其中图中虚线框内即为电磁继电器J,D为动触点,E为静触点。当线圈A中通电时,铁芯中产生磁场,吸引衔铁B向下运动,从而带动动触点D向下与E接触,将工作电路接通;当线圈A中电流为0时,电磁铁失去磁性,衔铁B在弹簧作用下拉起,带动触点D与E分离,自动切断工作电路。

在控制电路中并联一只二极管,是为了防止电磁继电器释放衔铁时线圈中的自感电动势损坏集成电路。二极管的存在可以提供自感电流的通路。
二、自动控制电路的分析与设计
设计自动控制电路时,一般按照以下的思路进行。
(1)根据题目给出的仪器和要求画出控制电路和工作电路
控制电路由电源、开关、光敏电阻(或热敏电阻等其他敏感元件)、电磁继电器和导线等组成;工作电路由电源、用电器(灯泡、电热丝或其他用电器)、导线等组成。这两个电路相互独立,又通过电磁继电器相关联,电磁继电器实际上是工作电路的开关。
(2)分析自控电路的合理性
电路设计完成后,要对它的合理性进行分析,用光照射光敏电阻或对热敏电阻加热,检查工作电路的接通和断开是否符合实际要求。例如,自控路灯电路的设计要求是白天切断工作电路,使路灯熄灭,晚上接通工作电路,使路灯点亮发光。
预习基础：
一、填空题
1．电熨斗装有________________传感器，其作用是____________________。
2．光敏电阻在自动化装置中有很多应用，街道路灯自动控制就是其应用之一，图示电路为其模拟电路，其中干电池的内阻可忽略不计，A处接电磁继电器，B为三极管（当时，间的电阻R可忽略不计，当时，R可视为无穷大），b点的电势由与的比值决定，、中有一个是定值电阻，另一个是光敏电阻，阻值随光照强度增强而减小，C为电磁继电器，D为路灯。为了达到日出路灯熄，日落路灯亮的效果，请回答下列问题：

(1)是___________（选填“光敏电阻”或“定值电阻”）；
(2)请用笔画线代替导线，将实物连接成正确的电路。( )
3．如图所示，图甲为热敏电阻的图象，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，继电器的电阻为当线圈的电流大于或等于20mA时，继电器的衔铁被吸合。为继电器线圈供电的电池的电动势，内阻不计。图中的“电源”是恒温箱加热器的电源。

1）应该把恒温箱内的加热器接在______ 填“A、B 端”或“C、D 端”.
（2）如果要使恒温箱内的温度保持在，可变电阻的阻值应调节为______ 。
4．门窗防盗报警装置
（1）实验器材和装置
干簧管作为传感器，用于感知磁体磁场是否存在。继电器（虚线框部分）作为执行装置。发光二极管LED作为电路正常工作提示，R为发光二极管的限流电阻，起保护作用。蜂鸣器H作为报警提醒。电路设计如图。

（2）电路工作原理
当门窗紧闭时，磁体M靠近干簧管SA，干簧管两簧片被磁化相吸，继电器接通而工作。当门窗开启时，磁体离开干簧管，干簧管失磁断开，继电器被断电，动触点c与常闭触点b接通，蜂鸣器H发声报警。
（3）实验操作
①检查干簧管：用_____直接靠近干簧管，观察干簧管簧片能否正常动作。
②连接电路：连接电路前，要检查其他元件是否也能正常工作。
③接通电源后，将_____，分别观察实验现象。
5．如图所示是饮水器的自动控制电路，左边是一个在水温较低时对水加热的容器，内有密封绝缘的电热丝发热器和接触开关。只要有水浸没，它就会导通；水面低于时，不会加热。

（1）是一个热敏电阻，低温时呈现高电阻，右边P是一______（选填“与”、“或”或“非”）逻辑门，接在电源之间，图中J是一个继电器，可以控制发热器工作与否。是一个可变电阻，低温时应______（选填“远大于”或“远小于”）。
（2）请阐述此饮水机的自动加热原理______。
巩固所学
二、单选题
6．利用光敏电阻制作的光传感器，记录了传送带上工件的输送情况．如图甲所示为某工厂成品包装车间的光传感器记录器，光传感器B能接收到发光元件A发出的光．每当工件挡住A发出的光时，光传感器就输出一个电信号，并在屏幕上显示出电信号与时间的关系如图乙所示．若传送带始终匀速运动，每两个工件间的距离为0.2m，则下述说法正确的是（　　）

A．该传送带每小时输送1800个工件 B．该传送带每小时输送7200个工件
C．传送带运动的速度是0.2m/s D．传送带运动的速度是0.1m/s
7．如图是电熨斗的结构图，下列说法不正确的是（　　）

A．双金属片上层金属的膨胀系数小于下层金属
B．常温下，上下触点接触；温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分离
C．需要较高温度熨烫时，要调节调温旋钮，使升降螺丝下移并推动弹性铜片下移
D．双金属片温度传感器的作用是控制电路的通断
8．图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（　　）

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
9．如图所示为一种温度自动报警器的原理图，在水银温计的顶端封入一段金属丝，以下说法正确的（）

A．温度升高至74℃时，灯亮报警
B．温度升高至74℃时，灯亮报警
C．温度升高至78℃时，灯亮报警
D．温度升高至78℃时，灯亮报警
10．下列关于传感器的结论中错误的是（　　）
A．热敏电阻可以作为温度传感器
B．电子秤使用应变片作为测力传感器
C．话筒是一种常见的红外线传感器
D．电熨斗内一般装有双金属片温度传感器
11．图甲为斯密特触发器，当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值(1.6 V)时，输出端Y会突然从高电平跳到低电平(0.25 V)，而当输入端A的电压下降到另一个值的时候(0.8 V)，Y会从低电平跳到高电平(3.4 V)．图乙为一光控电路，用发光二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻．关于斯密特触发器和光控电路的下列说法中错误的是(　　)

A．斯密特触发器的作用是将数字信号转换为模拟信号
B．斯密特触发器是具有特殊功能的非门
C．要想在天更暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大些
D．当输出端Y突然从高电平跳到低电平时，二极管发光
能力提升
三、多选题
12．光敏电阻自动计数器的示意图如图所示，图中虚线表示激光，圆柱体表示随为光敏电阻，R1为定值电阻，R2此光电计数器的基本工作原理是（）

A．当光照射R1时，信号处理系统获得高电压
B．当光照射R1时，信号处理系统获得低电压
C．信号处理系统每获一次低电压就计数一次
D．信号处理系统每获一次高电压就计数一次
13．传感器已广泛应用在生产、生活中，下列关于传感器的说法正确的是（　　）
A．电视机对无线遥控信号的接收主要是采用了红外线传感器
B．电饭锅能够自动控制温度的原因是它装有温度传感器
C．电子秤所使用的测力装置是力传感器
D．电脑所用的光电鼠标主要采用声波传感器
14．传感器是智能社会的基础元件。如图为电容式位移传感器的示意图，观测电容C的变化即可知道物体位移x的变化，表示该传感器的灵敏度。电容器极板和电介质板长度均为L，测量范围为，下列说法正确的是（    ）

A．电容器的电容变大，物体向方向运动
B．电容器的电容变大，物体向方向运动
C．电介质的介电常数越大，传感器灵敏度越高
D．电容器的板间电压越大，传感器灵敏度越高
15．自行车速度计可以利用霍尔效应传感器获知自行车的运动速率。如图甲所示，一块磁铁安装在前轮上，轮子每转一圈，磁铁就靠近传感器一次，传感器就会输出一个脉冲电压。如图乙所示，电源输出电压为U1，当磁场靠近霍尔元件时，在导体前后表面间出现电势差U2（前表面的电势低于后表面的电势）。下列说法中正确的是（　　）

A．图乙中霍尔元件的载流子带正电
B．已知自行车车轮的半径，再根据单位时间内的脉冲数，即获得车速大小
C．若传感器的电源输出电压U1变大，则霍尔电势差U2变大
D．霍尔电势差U2的大小与霍尔元件所用的材料有关
四、实验题
16．某同学通过实验制作一个简易的温控装置，实验原理电路图如图所示，继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端，当继电器的电流超过15mA时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控。继电器的电阻约20Ω，热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如下表所示。
t/℃
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
Rt/Ω
199.5
145.4
108.1
81.8
62.9
49.1

（1）提供的实验器材有:电源E1（3V，内阻不计）、电源E2（6V，内阻不计）、滑动变阻器R1（0~200Ω）、滑动变阻器R2（0~500Ω）、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱（0~999.9Ω）、开关S、导线若干。
为使该装置实现对30~80℃之间任一温度的控制，电源E应选用______（选填“E1”或“E2”），滑动变阻器R应选用______（选填“R1”或“R2”）；

（2）欲使衔铁在热敏电阻为50℃时被吸合，下列操作步骤的正确顺序是______。（填写各步骤前的序号）
①将热敏电阻接入电路
②观察到继电器的衔铁被吸合
③断开开关，将电阻箱从电路中移除
④合上开关，调节滑动变阻器的阻值
⑤断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，将阻值调至108.1Ω

参考答案：
1．     双金属片温度     控制电路的通断
【来源】《2020-2021学年高中物理同步备课学案（2019人教版选择性必修第二册）》第五章 第二节 常见传感器的工作原理及应用
【详解】[1][2]电熨斗能够自动控制温度的原因是它装有双金属片温度传感器，这种传感器的作用是控制电路的通断。
2．     光敏电阻    
【来源】江苏省苏州市昆山文峰高级中学2021-2022学年高二下学期期末模拟物理试题
【详解】(1)[1]由于光敏电阻阻值随着光照强度的增大而减小，为使路灯正常工作，在白天时电磁继电器的触点断开，电磁铁通电，，变小或变大，而白天时光敏电阻阻值变小，所以是光敏电阻；
(2)[2]根据题述分析可知，A处与继电器相连，路灯与火线、零线相连接，开关应接在火线上，画导线时要避免交叉电路图如图所示

3．     A、B端     300Ω
【来源】5.3利用传感器制作简单的自动控制装置（练习）—2022-2023学年高二物理课后培优分级练人教版（2019）选择性必修第二册
【详解】（1）[1]当温度较低的时候，热敏电阻的电阻较大，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，所以该把恒温箱内的加热器接在A、B 端．
（2）[2]当温度达到100℃时，加热电路就要断开，此时的继电器的衔铁要被吸合，即控制电路的电流要到达20mA=0.02A，根据闭合电路欧姆定律可得

即

解得
R′=300Ω．
4．     磁体     磁体靠近和离开干簧管
【来源】5. 3 利用传感器制作简单的自动控制装置 课前预习
【详解】①[1]用磁体直接靠近干簧管，观察干簧管簧片能否正常动作。
③[2] 接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，分别观察实验现象。
5．     与     远大于     见解析
【来源】华东师大版高二上 第九章 电路 E 学习包——自动控制与模块机器人 基础巩固 拓展练习
【详解】(1)[1]与
[2]远大于。
(2)[3]当水温较低时，阻值较大，A为高电势，且有水浸没，B也为高电势，则Q、C之间才有高电压输出，电磁继电器有电流通过，将吸动闭合，发热器工作。
6．C
【来源】5.3利用传感器制作简单的自动控制装置（练习）—2022-2023学年高二物理课后培优分级练人教版（2019）选择性必修第二册
【详解】两个物件间的距离为0.2m，相邻两个物件需要1s的时间，故速度为，该传送带每小时输送3600个工件，
故选C
【点睛】做本题的关键是能看懂图像，能从题中找出相应的信息
7．A
【来源】5.3利用传感器制作简单的自动控制装置（练习）—2022-2023学年高二物理课后培优分级练人教版（2019）选择性必修第二册
【详解】AB．由电路可知：温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分离，因此双金属片上层金属的膨胀系数应大于下层金属，A错误，B正确；
C．需要较高温度熨烫时，要调节调温旋钮，双金属片虽发生弯曲也不使触点分离，应使升降螺丝下移并推动弹性铜片下移，C正确；
D．利用双金属片热胀冷缩是控制电路的通断，D正确；
故选A。
8．A
【来源】2023步步高 选择性必修2（通用）第五章　3　利用传感器制作简单的自动控制装置
【详解】A．门关上时，磁条与主机刚好靠在一起，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；
B．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；
C．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；
D．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；
故选A。
9．D
【来源】2023步步高 选择性必修2（通用）第五章　3　利用传感器制作简单的自动控制装置
【详解】由题干中图可知：金属丝下端所指的示数为78℃；当温度升高到78℃，水银温度计顶端封入的一段金属丝就和水银相接，接通电路，电磁铁有了磁性，把衔铁吸引下来，L2亮，报警．故选D．
【点睛】要解答本题需掌握：①题干中该温度计的最小刻度值为2℃，直接根据液柱（或所指示）的位置即可读出该点处的温度值，读数时要从绝对值小的示数向绝对值大的示数读起；②电磁继电器由两部分构成：①低压控制电路，②工作电路；其实质是一个自动控制开关．
10．C
【来源】北京八中2019-2020学年高二下学期期末物理试题
【详解】A．金属热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻随温度变化来测量温度的一种温度敏感元件，A正确；
B．电子秤所使用的测力装置是力转换成电信号来显示大小，属于力传感器，B正确；
C．动圈式话筒是通电导体在磁场中受力，变化的电流通过线圈，产生变化的磁场，从而让扬声器的膜片振动，产生声音，C错误；
D．电熨斗通过温度传感器实现温度的自动控制，D正确。
故选C。
11．A
【来源】2019人教版选择性必修第二册 第五章 传感器 3 利用传感器制作简单的自动控制装置 拔高练习
【详解】光敏电阻的电阻随光照增强而减小，天暗时，电阻比较大，光敏电阻两端的电势差比较大，则输入门电路为高电势，而另一输入端为低电势，最后灯亮；
天亮时，光敏电阻比较小，则光敏电阻两端的电势差比较小，则输入门电路为低电势，而另一输入端为低电势，灯熄灭．
天暗时，光敏电阻阻值大，A端为高电势经过非门，输出端Y为低电势LED导通，路灯亮，D正确
当R1调大时，光敏电阻的分压减小，A端的电压降低，输出端Y为高电势，LED灯不亮.,C正确
斯密特触发器的作用是将模拟信号转换为数字信号，A错误，是特殊非门，B正确
12．BD
【来源】辽宁省朝阳市建平县高级中学2021-2022学年高二下学期第一次月考物理试题
【详解】AB. 当有光照射R1时，R1的电阻减小，则整个电路总电阻变小，电动势不变，则电流增大，则R2两端的电压增大，所以R1两端的电压减小，即信号处理系统获得低电压，故A不符合题意，B符合题意；
CD. 当无光照射R1时，R1的电阻增大，则整个电路总电阻变大，电动势不变，则电流减小，则R2两端的电压减小，所以R1两端的电压增大，即信号处理系统获得高电压，则信号处理系统每获得一次高电压就计数一次，所以C不符合题意，D符合题意．
13．ABC
【来源】2023新教材高考总复习首选用卷 考点38　传感器　实验：利用传感器制作简单的自动控制装置 夯基础
【详解】A．电视机对无线遥控信号的接收主要是采用了红外线传感器，故A正确；
B．电饭锅能够自动控制温度的原因是它装有温度传感器，故B正确；
C．电子秤所使用的测力装置是力传感器，故C正确；
D．电脑所用的光电鼠标主要采用光传感器，而不是声波传感器，故D错误。
故选ABC。
14．AC
【来源】5.3利用传感器制作简单的自动控制装置（练习）—2022-2023学年高二物理课后培优分级练人教版（2019）选择性必修第二册
【详解】AB．根据电容决定式可知，电容器的电容变大，说明电容器极板间的电介质板长度增加，则物体沿方向运动，故A正确，B错误；
C．电介质的介电常数，越大，电介质板移动相同的位移，电容的变化量越大，传感器灵敏度越高，故C正确；
D．电容器的板间电压变化，电容不发生变化，则传感器灵敏度不变，故D错误。
故选AC。
15．BCD
【来源】5.3利用传感器制作简单的自动控制装置（练习）—2022-2023学年高二物理课后培优分级练人教版（2019）选择性必修第二册
【详解】A．根据左手定则可判断，霍尔元件的电流I是由负电的定向移动形成的，故A错误；
B．根据单位时间的脉冲数，可求得车轮的转动周期，从而求得车轮的角速度，根据

可求得车速的大小，故B正确；
CD．根据

得

由电流的微观定义式

n是单位体积内的电子数，e是单个导电粒子所带的电量，S是导体的横截面积，v是导电粒子运动的速度，整理得出

联立得

若传感器的电源输出电压U1变大，电流增大，也增大，不同的材料单位体积内的电子数不同，所以霍尔电势差U2的大小与霍尔元件所用的材料有关，故CD正确。
故选BCD。
16．     E2     R2     ⑤④②③①
【来源】2023选择性必修二 第五章 3　利用传感器制作简单的自动控制装置（练）
【详解】（1）[1]因通过继电器的电流超过15mA时加热器停止加热，为使该装置实现对30~80℃之间任一温度的控制，要求电路在30~80℃之间的任一温度下的电流能通过调节达到15mA。当控制到30℃时，电路的最小阻值为
Rmin=199.5Ω+20Ω=219.5Ω
要使电流达到15mA，则所需电源电动势至少为
Emin=IRmin=3.29V
故电源只能选用电动势为6V的E2。
[2]为使温度控制在80℃，则在6V电源下电路中的电流能达到15mA，故此时滑动变阻器接入电路中的阻值为

故滑动变阻器应选用R2。
（2）[3]欲使衔铁在50℃时被吸合，则要求温度达到50℃时电路中电流达到15mA，而此时热敏电阻的阻值为108.1Ω。为确定滑动变阻器应接入电路中的阻值，先将电阻箱调到108.1Ω并替代热敏电阻接入电路，调节滑动变阻器使衔铁恰好被吸合，然后再保持滑动变阻器滑片位置不动，将热敏电阻再替换回电阻箱即可，故合理的顺序应为⑤④②③①。