5.3利用傳感器制作簡單的自動控制裝置人教版（2019）物理（選擇性必修第二冊）第五章

傳感器素養目標1.通過利用傳感器制作簡單的自動控制裝置，加深對傳感器的認識，了解與傳感器技術相關的物理知識，從實際應用的視角理解物理與實際生活的緊密聯系2.引導學生經歷實驗探究過程，培養學生設計實驗、繪制實驗電路圖以及實驗操作的能力，培養學生實驗探究的學科素養3.通過實驗知道二極管的單項導電性、三極管具有電流放大作用等

傳感器是構成自動控制系統的必要環節。如果沒有傳感器對原始信息進行準確、可靠地捕捉和轉換，那么一切控制將無法實現。新課講解

本節提供了兩個利用傳感器實現簡單自動控制的實驗，同學們可以根據興趣和器材條件從中選擇一個。只有自己動手進行組裝和調試，才會對傳感器的作用有更深切的體會。生活中的傳感器光感傳感器水質PH傳感器仿生傳感器磁光效應傳感器門窗防盜報警裝置

目標效果：當門窗緊閉時，蜂鳴器不響，指示燈亮；當門窗被打開時，蜂鳴器發出聲音警報，指示燈滅。干簧管靠近，蜂鳴器不響，指示燈亮；遠離，蜂鳴器發出聲音警報，指示燈滅。干簧管:作為傳感器，用于感知磁體磁場是否存在繼電器：作為執行裝置二極管：作為電路正常工作提示門窗防盜報警裝置電路圖發光二極管電源、導線、開關、干簧管、繼電器、蜂鳴器、發光二極管、電阻、小磁體。實驗器材功能

具有自動提示報警的功能。在睡覺前連接好電路，啟動防盜報警裝置。當門窗緊閉時，蜂鳴器不響，指示燈亮；當門窗被打開時，蜂鳴器發出聲音警報，指示燈滅。構成

門的上沿嵌入一小塊永磁體M，門框內與M相對的位置嵌入干簧管SA，并將干簧管接入報警電路。干簧管可將門與門框的相對位置這一非電學量轉換為電路的通斷。實驗器材型號名稱規格型號名稱規格型號干簧管SA常開型蜂鳴器

H

有源型繼電器JQX-14FC5V電源干電池

6V發光二極管LED綠色小磁體電阻R330Ω開關裝置中各元件的作用①干簧管：在電路中起傳感器和控制開關的作用，作為傳感器，用于感知磁體磁場是否存在。②繼電器（虛線方框部分）作為執行裝置，繼電器則相當于一個自動的雙向開關。③發光二極管LED作為電路正常工作提示。特別提醒發光二極管和普通二極管一樣具有單向導電性，而且在導電時還能發光，有紅、綠、黃等多種顏色。④電阻R

：為發光二極管的限流電阻，起保護作用。⑤蜂鳴器H：

作為報警提醒。cabSLEDHSAMR實驗原理圖閉合電路開關S，系統處于防盜狀態。當門窗緊閉時，磁體M靠近干簧管SA，干簧管兩個簧片被磁化相吸而接通繼電器線圈K，使繼電器工作。繼電器的動觸點c與常開觸點a接通，發光二極管LED發光，顯示電路處于正常工作狀態。當門窗開啟時，磁體離開干簧管，干簧管失磁斷開，繼電器被斷電。繼電器的動觸點c與常閉觸點b接通，蜂鳴器H發聲報警。工作原理（1）連接電路前，要先判斷一下干簧管是否可以正常工作。用磁體直接靠近干簧管，觀察簧片能否正常動作。（2）確定各元件可以正常工作后，按照圖中所示連接電路。（3）接通電源后，將磁體靠近和離開干簧管，分別觀察實驗現象。

接通電源后，磁體M靠近干簧管SA，電器的動觸點c與常開觸點a接通發光二極管LED發光；磁體離開干簧管，繼電器的動觸點c與常閉觸點b接通，蜂鳴器H發聲報警。實驗步驟實驗現象光控開關目標效果：在天色暗到一定程度時讓路燈自動開啟，而在天明時自動熄滅。光照弱，路燈開啟；光照強，路燈熄滅。光敏電阻工作電流很微弱，不能直接驅動執行機構工作，需要放大電路。晶體三極管晶體三極管結構原理及功能①三極管由三個電極組成，分別是發射極e，基極b和集電極c，有NPN型和PNP型兩種。②三極管的一個重要特性是，從基極輸入一個較小的電流，就會在集電極獲得較大的電流。③三極管還具有完成斷路和接通的開關作用。NPN型PNP型bcebce三極管電路符號及實物圖動畫演示：三極管工作原理名稱規格型號名稱規格型號可調電阻R1最大電阻為51kΩ繼電器HRS1H-S5V或JQX-14FC5V限流電阻R2330Ω小燈泡L6V0.3A光敏電阻RG暗電阻>1MΩ亮電阻<3kΩ二極管DIN4001三極管VT8050電源干電池6V發光二極管LED紅色實驗器材型號裝置中各元件的作用（1）晶體三極管：晶體三極管是半導體基本元件之一，具有電流放大作用，在控制電路中常用作電子開關。三極管由三個電極組成，分別是發射極e，基極b和集電極c，有NPN型和PNP型兩種。（2）三極管的一個重要特性是，從基極輸入一個較小的電流，就會在集電極獲得較大的電流。三極管還具有完成斷路和接通的開關作用。NPN型PNP型bcebce三極管電路符號及實物圖實驗電路圖

本實驗采用三極管配合光敏電阻完成光控開關的任務。光控電路用發光二極管LED模仿路燈，RG為光敏電阻，R2為發光二極管的限流電阻?？烧{電阻R1與光敏電阻RG組成串聯分壓電路。R1R2+VsLEDRGVTbce0VR1RGDKSLVT+Vs0V兩種模擬的光控開關電路，用發光二極管或小燈泡代表路燈。發光二極管代表路燈小燈泡代表路燈注意：為了能夠驅動更大功率的負載，如采用小燈泡模仿路燈，就要使用繼電器來啟、閉另外的供電電路，如圖乙中K為繼電器的線圈，S為它的常開觸點。R1RGDKSLVT+Vs0V為了防止繼電器釋放銜鐵時線圈中的自感電動勢損壞三極管，必須給線圈并聯一只二極管D，以提供自感電流釋放的通路。①連接電路，檢查無誤后，接通電源。②讓光敏電阻RG受到白天較強的自然光照射，調節電阻R1使發光二極管LED或小燈泡L剛好不發光。③遮擋RG，當光照減弱到某種程度時，就會看到發光二極管LED或小燈泡L發光。④讓光照加強，當光照強到某種程度時，則發光二極管LED或小燈泡L熄滅。如果實驗現象不明顯，可用手電筒加強光照，或遮蓋光敏電阻，再進行觀察。實驗步驟視頻演示：光控開關（1）當光照減弱到某種程度時，就會看到發光二極管LED或小燈泡L發光。（2）讓光照加強，當光照強到某種程度時，則發光二極管LED或小燈泡L熄滅。注意：如果實驗現象不明顯，可用手電筒加強光照，或遮蓋光敏電阻，再進行觀察。實驗現象1.如圖所示，這是安裝在潛水器上的深度表的電路原理圖，顯示器由電流表改裝而成，電源的電動勢和內阻均為定值，R0是定值電阻。在潛水器上浮的過程中，下列說法正確的是()A.通過顯示器的電流增大B.壓力傳感器兩端的電壓減小C.路端電壓變大D.壓力傳感器的功率一定減小C經典例題答案：C解析：A.潛水器上浮的過程中，受到水的壓力會減小，R變大，根據閉合電路的歐姆定律

，在電源電動勢E和內阻r

和R0都不發生變化的情況下，電流I會減小，故A錯誤；B.壓力傳感器的電壓

可知隨I減小，U增大；故B錯誤；C.路端電壓

隨I減小，

增大，故C正確；D.由于不清楚壓力傳感器的電阻和其它電阻的關系，則傳感器的功率變化情況不能確定。故D錯誤。2.傳感器是采集信息的一種重要元件，如圖所示是一種電容式壓力傳感器，當待測壓力作用于可動電極時，使它發生形變，從而改變傳感器的電容。若電流從靈敏電流計“+”接線柱流進時指針向右偏，從“-”接線柱流進時向左偏。當待測壓力突然增大時，下列說法正確的是()A.電容器的電容將減小B.M點的電勢比N點的低C.靈敏電流表指針向左偏轉D.若電流計示數穩定且不為零，說明壓力F不再變化B經典例題答案：B解析：由題可知，電容器的電壓不變，當待測壓力突然增大時，F向上壓可動電極，由

可知d減小，電容增大，選項A錯誤。由題可知，電容器的電壓不變，若F向上壓可動電極，電容增大，電荷量增大，電容器充電，電路中形成逆時針方向的電流，則靈敏電流計指針向右偏，電流從N流向M，故M點的電勢比N點的低，選項B正確，C錯誤。若電流計示數穩定且不為零，說明電容器正在充、放電，電容器的電容變化，說明壓力F變化，選項D錯誤。3.圖甲是一種家用門窗防盜報警裝置，圖乙是干簧管元件。安裝時，在門的上沿嵌入一小塊永磁體M，門框內與M相對的位置嵌入干簧管SA，并將干簧管接入報警電路（蜂鳴報警器），此裝置具有自動提示報警的功能，當睡覺前連接好電路，啟動防盜報警裝置，當門緊閉時，蜂鳴報警器不響，當門被打開時，蜂鳴報警器發出聲音警報，下列有關說法正確的是()A.當門關閉時，干簧管兩簧片接通B.干簧管可以由銅或銀等導電性能更好的材料制成C.如將門上鑲嵌磁體N、S極對調后，該報警器不能正常工作D.本裝置是利用電磁感應原理控制電路A經典例題答案：A解析：AD.干簧管為磁控開關，當門關閉時有磁體，干簧管兩簧片接通，故D錯誤，A正確；B.銅或銀不是磁性材料，則干簧管不可以由銅或銀等導電性能更好的材料制成，故B錯誤；C.如將門上鑲嵌磁體N、S極對調后，不影響磁體吸引干簧管兩簧片，該報警器能正常工作，故C錯誤。故選A。利用傳感器制作簡單的自動控制裝置實驗一：門窗防盜報警裝置實驗器材和裝置：干簧管、繼電器電路工作原理實驗二：光控開關實驗器材和裝置：三極管實驗操作電路工作原理實驗操作1.如圖甲所示為恒壓電源給光敏電阻R供電時，流過此電阻的電流和其所受光照強度的關系圖像。某同學利用此光敏電阻設計了一個臺燈的自動控制電路，如圖乙所示，T為一自耦式變壓器，下列說法正確的是()A.僅光照變強，R的阻值變大

B.僅光照變強，R中的電流變小C.僅滑片P下滑，L中的電流頻率變小

D.僅滑片P下滑，T的輸入功率變小D答案：D解析：由題圖甲可知，光敏電阻兩端電壓恒定時，光照越強，電流越大，電阻越小，變壓器副線圈兩端電壓不變，僅光照變強時，R的阻值變小，流過R的電流變大，AB錯誤；變壓器不改變頻率，所以僅滑片P下滑，L中的電流頻率不變，C錯誤；僅滑片P下滑，輸出電壓減小，根據

可知，T的輸入功率變小，D正確。2.如圖為電容式加速度傳感器的工作原理圖，輕質彈簧與電容器固定在傳感器的外框上，質量塊左側連接輕質彈簧，右側連接電介質，質量塊可帶動電介質左右移動。若電介質相對電容器向右運動，則電容器()A.電容不變

B.電容增大C.兩極板上的帶電量不變D.兩極板上的帶電量減小B答案：B解析：若電介質相對電容器向右運動，根據可知電容器電容增大;根據由于電壓不變，則兩極板上的帶電量增大，故B正確。3.把光敏電阻（光照越強，阻值越?。┙尤肴鐖D所示電路，制成光電報警裝置。閉合開關，當光照達到一定強度時，報警器的蜂鳴器發聲，下列說法正確的是()A.干簧管應用了電磁感應原理B.增大電阻箱R的阻值，報警器在光照更強時才會報警C.增加電源B的電動勢，報警器在光照更強時才會報警D.增加電源A的電動勢，報警器在光照更強時才會報警

B答案：B解析：A.