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5.3利用传感器制作简单的自动控制装置基础导学要点一、传感器应用的一般模式要点二、力传感器的应用——电子秤1．组成：电子秤使用的测力装置是力传感器，常用的一种力传感器是由金属粱和应变片组成的．敏感元件：应变片2．原理：如图所示，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小，F越大，弯曲形变越大，如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上表面应变片两端的电压变大，下表面应变片两端的电压变小，传感器把这两个电压的差值输出，外力越大，输出的电压差值也就越大．3．作用：应变片将物体形变这个力学量转换为电压这个电学量．要点三、温度传感器的应用——电熨斗、电饭锅1．电熨斗(1)构造(如下图所示)它主要由调温旋钮、升降螺丝、绝缘支架、触点、双金属片、弹性铜片、电热丝、金属底板等几部分组成．(2)敏感元件：双金属片(3)工作原理：温度变化时，由于双金属片上层金属与下层金属的膨胀系数不同，双金属片发生弯曲从而控制电路的通断．2．电饭锅(1)构造(如图所示)(2)敏感元件：感温铁氧体(3)工作原理：①居里温度：感温铁氧体常温下具有铁磁性，温度上升到约103℃时，失去铁磁性，这一温度称为“居里温度”．②自动断电原理：用手按下开关通电加热，开始煮饭，当锅内加热温度达到103℃时，铁氧体失去磁性，与永久磁铁失去吸引力，被弹簧片弹开，从而推动杠杆使触点开关断开．3．测温仪(1)敏感元件热敏电阻，金属热电阻，热电偶，红外线敏感元件等．(2)工作原理敏感元件将温度转换成电信号，由指针式仪表或数字式仪表显示出来．要点四、光传感器的应用——火灾报警器1．构造：带孔的罩子内装有发光二极管、光电三极管和不透明的挡板．2．工作原理：带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板．平时，光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态．烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小．与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报．3．常见的光传感器：光敏电阻、光电管、光电二极管、光电三极管等.要点突破突破一：传感器问题分析1．分析思路物理传感器是将所感受的物理量(如力、热、光等)转换为便于测量的电学量的器件．我们可以把传感器的应用过程分为三个步骤：(1)信息采集(2)信息加工、放大、传输(3)利用所获得的信息执行某种操作．2．分析传感器问题要注意四点(1)感受量分析要明确传感器所感受的物理量，如力、热、光、磁、声等．(2)输出信号分析明确传感器的敏感元件，分析它的输入信号及输出信号，以及输入信号与输出信号间的变化规律．(3)电路结构分析认真分析传感器所在的电路结构，在熟悉常用电子元件工作特点基础上，分析电路输出信号与输入信号间的规律．(4)执行机构工作分析传感器的应用，不仅包含非电学量如何向电学量转化的过程，还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程．突破二：在生产、生活中常见传感器的应用1．生活中的传感器(1)与温度控制相关的家用电器：电饭煲、电冰箱、微波炉、空调、消毒碗柜等，都用到温度传感器．(2)红外传感器：自动门、家电遥控器、生命探测器、非接触红外测温仪以及防盗、防火报警器等．(3)照相机中的光传感器和家用便携式电子秤的压力传感器等．2．农业生产中的传感器(1)湿度传感器：判断农田的水分蒸发情况，自动供水或停水．(2)温度传感器和湿度传感器，可对上百个点进行温度和湿度监测．由于有了十分先进可靠的测试技术，有效地减少了霉变现象．3．工业生产中的传感器(1)生产的自动化和半自动化．用机器人、自动化小车、自动机床、各种自动生产线或者系统，代替人完成加工、装配、包装、运输、存储等工作．各种传感器使生产的自动运行保持在最佳状态，以确保产品质量，提高效率和产量，节约原材料等．(2)在数控机床中的位移测量装置，就是利用高精度位移传感器进行位移测量，从而实现对零部件的精密加工．典例精析题型一：力传感器的应用例一．用如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动时的加速度．该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个压力传感器A 和B .用两根相同的轻弹簧夹着一个质量m ＝2.0 kg 的滑块，滑块可无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器A 、B 上，其压力的大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出．当弹簧作用在传感器上的力为压力时，示数为正；当弹簧作用在传感器上的力为拉力时，示数为负．现将装置沿运动方向固定在汽车上．汽车静止时，A 、B 的示数均为10 N ．(g 取10 m/s2)(1)若传感器A 的示数为14.0 N ，B 的示数为6.0 N ，求此时汽车的加速度大小和方向；(2)当汽车以什么样的加速度运动时，传感器A 的示数为零？变式迁移1：某种加速度计的构造示意图如图所示，沿汽车运动方向安装的固定光滑杆上套一质量为m 的滑块，滑块两侧分别与劲度系数均为k 的弹簧相连，两弹簧的另一端与固定壁相连．滑块原来静止，弹簧处于自然长度，滑块上有指针，可通过标尺测出滑块的位移，然后通过控制系统进行测定加速度．设某段时间内汽车沿水平方向运动，指针向左偏离O 点的距离为x ，则这段时间内汽车的加速度( )A ．方向向左，大小为kx mB ．方向向右，大小为kx mC ．方向向左，大小为2kx mD ．方向向右，大小为2kx m题型二：温度传感器的应用例二．图是电饭煲的电路图，S1是一个温控开关，手动闭合后，当温度达到居里点(103 ℃)时，此开关会自动断开．S2是一个自动温控开关，当温度低于70 ℃时，会自动闭合；温度高于80 ℃时，会自动断开．红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示灯．电阻R1＝R2＝500 Ω，加热电阻丝R3＝50 Ω，两灯电阻不计．(1)分析电饭煲的工作原理．(2)计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比．(3)简要回答，如果不闭合开关S1能将饭煮熟吗？变式迁移2：如图所示是家用电冰箱的压缩启动装置的电路．其中的运行绕组是电冰箱在工作时电动机定子，由于家用交流电是单相的，启动时必须依靠启动绕组的帮助才能产生旋转磁场．在启动绕组的支路中串联有一个PTC 元件．这是一种以钛酸钡为主要材料的热敏电阻器，电流流过PTC 元件，元件发热，它的电阻率随温度升高而发生显著变化，当电动机转起来正常以后，PTC 元件温度较高，电阻很大，启动绕组电流很小，以下判断正确的是( ) A ．电冰箱的电动机启动时比正常工作时耗电少B ．电冰箱的电动机正常工作时比启动时耗电少C．电冰箱启动后，启动绕组功率不变，运行绕组功率是变化的D．电冰箱启动后，启动绕组功率是变化的，运行绕组功率不变题型三：光传感器的应用例三．如右图所示，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，D为发光二极管(电流越大，发光越强)，且R与D距离不变，下列说法中正确的是()A．当滑动触头向左移动时，L消耗的功率增大B．当滑动触头向左移动时，L消耗的功率减小C．当滑动触头向右移动时，L消耗的功率可能不变D．无论怎样移动滑动触头，L消耗的功率都不变变式迁移3：用遥控器调换电视机频道的过程，实际上就是传感器把光信号转换成电信号的过程．下列属于这类传感器的是()A．红外报警装置B．走廊照明灯的声控开关C．自动洗衣机中的压力传感装置D．电饭煲中控制加热和保温的温控器强化训练一、选择题1、如图所示是一位同学设计的防盗门报警器的简化电路示意图。
4 用传感器制作自控装置［课时安排］1课时［教学目标］：（一）知识与技能学习用传感器制作自控装置（二）过程与方法通过实验或演示实验，了解传感器在生产、生活中的应用。
（三）情感、态度与价值观在了解传感器原理及应用时，培养认真实验的科学态度。
［教学重点］学习用传感器制作自控装置。
［教学难点］：学习用传感器制作自控装置。
［教学器材］：投影仪、投影片［教学方法］：实验法、观察法、讨论法。
［教学过程］为了进一步了解与传感器技术相关的物理知识，体验从原理到应用的过程，享受发现、创造与成功的乐趣，下面我们一起来动手用传感器制作一个自动控制装置。
实验器材二极管V D 、晶闸管V S 、光敏电阻R G、电阻R （7.5MΩ）、灯泡L探究过程1.测试所有器材，确定是否完好2.按图布线、焊接，并检查焊接是否正确3.逐渐减小光敏电阻的光照强度，观察L的发光情况进行实验1.在老师的指导下，组成小组2.学习一些布线和焊接的知识技能3.安装前确定所有器材完好4.进行测试实验原理1.当白天自然光线较强时，V关闭S获得高电平，灯L亮2. 光线暗时，VS3. 改变R的阻值，可调整电路的起控点成果展示：填写实验报告。
包括设计目的、制作工艺、制作过程、效果演示、存在问题、改进措施等。
总结评价客观评价自己在设计活动中的表现。
认识自己在实验制作过程中得到的启发和进步，同时还应认识到实验过程中有哪些地方存在欠缺和不足。
对同学的文化合作要公正、客观，要看到他人的长处和进步观看视频：应用光敏电阻制作光自动照明电路（见91taoke网站）例：光敏电阻在各种自动化装置中有很多应用，其中就可用于街道路灯的自动控制开关，如图所示为模拟电路，其中A为光敏电阻，B为电磁继电器，C为照明电路，D为路灯，请连成正确的电路，达到日出灯熄，日落灯亮的效果．当天亮时，光敏电阻减小，控制回路电流增大，电磁继电器B工作，触点断开，路灯熄灭夜晚降临，光敏电阻增大．控制回路电流减小，触点接通，路灯点亮．例：如图所示，全自动洗衣机中的排水阀是由程序控制器控制其动作的，当进行排水和脱水工序时，控制铁芯1的线圈通电，使铁芯2运动，从而牵引排水阀的阀门排除污水．以下说法中正确的是( )A ．若输入的控制电流由a 流入，由b 流出，则铁芯2中A 端为N 极，B 端为S 极B ．若输入的控制电流由a 流入，由b 流出，则铁芯2中A 端为S 极，B 端为N 极C ．若a 、b 处输入交变电流，铁芯2不能被吸入线圈中D ．若a 、b 处输入交变电流，铁芯2仍能被吸入线圈中答案AD例：如图所示，A 是浮子，B 是金属触头，C 为住宅楼房顶上的蓄水池，M 是带水泵的电动机，D 是弹簧，E 是衔铁，F 是电磁铁，S 1、S 2分别为触点开关，S 为开关，J 为电池．请利用上述材料，设计一个住宅楼房顶上的自动注水装置．(1)连接电路图；(2)简述其工作原理(涉及的元件可用字母代替)．合上开关S，当浮子上升使B接触到S1时，左侧电路(控制电路)工作，电磁铁F拉下衔铁E，使S2断开，电动机M不工作，当水位下降使B与S1脱离，电路停止工作，F无磁性，D拉动E，使S2接通，M工作［小结］：［教学反思］：。
2021年3月Vol . 39 No . 05 中学物理•实验研究•利用#感1命]作简单的脅访控刷装置马顺存曾心(湖南师范大学附属中学湖南长沙410006〉摘要：普通高中课程改革背景下，物理教师应多围绕学科核心素养，创造性地开展教学活动，注重科学探究，尤其 需要重视物理实验.结合新教材教学背景下的实验课程，根据传感器教学内容,设计了自动控制装置，并详细介绍了该 仪器的选材、制作以及操作过程，帮助学生提炼科学问题，提升探究能力，培养实践意识，增强动手操作能力，进而促进 学生的发展.关键词：实验教学；传感器；科学探究；自动控制中图分类号:G 633.7文献标识码：B文章编号：1008 -4134(2021)05 -0054 -03物理教学不能仅以教材上的知识为主要学习内 容,这样就会使得学生注重知识的获取而忽视了能力 和思维的培养.为了增强学生自主学习的意识，培养 学生发现和提出问题的探究能力，物理教学中需要注 重物理实验教学.人教版2019年版普通高中教科书（以下简称新 教材）物理选择性必修2第五章传感器章节[1]，介绍 了简单传感器的结构、原理以及简单的自动控制装 置.同时本章节中还对三极管的结构、功能等进行了 简单介绍并利用三极管设计了光控开关电路,本章末 以薄膜压力传感器和热敏电阻作为课题研究的案例 进一步将知识进行了拓展.该章节与2010年版普通 高中教科书（以下简称旧教材）物理选修3-2第六章 传感器章节[2]相比，更加重视传感器的应用教学.2017年版《普通高中物理课程标准》将“利用传 感器制作简单的自动控制装置”设为选修2中的必做 实验.但市面上还没有具体的针对该内容通用的中学 物理教学仪器.因此，笔者自行设计制作了一套传感 器实验仪器，将力、温度、磁、红外、声控、光控、双金属 片等集成到一个试教板上.1自制控制装置的制作与使用传感器教学中，新教材介绍了干簧管、光敏电阻、 热敏电阻、金属热电阻、霍尔元件等不同传感器，但是 市面上还没有结合新教材开发的实验仪器，教材中介 绍的几个实验都是单独分开来进行的，同时传感器元 件体积小，就会存在实验过后出现大量元件丢失的现 象，为了解决以上这些不足，笔者将教材中所有传感器统一集成于一块示教板上，统一通过传感器来控制L E D 灯的亮灭，实验操作方便，现象直观明了.1.1制作材料及工具亚克力板、亚克力胶、喷漆、白板笔、记号笔、勾 刀、电钻、电烙铁、鳄鱼夹、导线、接线柱、电阻、发光二 极管、三极管、按键开关及传感器元件等.1.2制作步骤 1.2.1示教板的制作(1)如图丨，用勾刀将亚克力板切割成300 x 400m m 长方形；（2)根据电路设计图用白板笔（可擦） 在亚克力板上画出电路图，并标记出开关、接线柱等 的安装位置；（3)用电钻在接线柱位置钻0 =4. 5m m 的孔，在按键开关位置钻0=9. 5m m 的孔；（4)将亚 克力板用白色喷漆均匀涂色；（5)待油漆干后，用记号 笔在喷好漆的亚克力板上画出电路图；（6)在亚克力 板背面（如图2)距底部20m m 处，用亚克力胶粘贴一 块60 x 250m m 的亚克力板，并粘贴两块竖板及一块 横板，起到在底板上安装电池盒以及将亚克力板竖直 放置时稳定的支架作用；（7)安装接线柱和按键开关，图2图1基金项目：湖南师范大学附属中学教育科学“十三五”规划2019年度课题“基于核心素养的高中物理实验课程校本研究”（课 题批准号：FZJK 19A 12).作者简介：马顺存（1984-)，男，湖南湘潭人，硕士，中学一级教师，研究方向：中学物理学科教学.•54 •中学物理 Vol .39 No .052021年3月并按电路图用电烙铁将导线焊接牢固；（8)在背面底 板上安装电池盒；（9)接上L E D 灯，接入相应的传感 器设备，接通电源，即可开始实验.1.2.2几种控制开关自动控制装置的电路设计及实 验操作(1)声控开关自动控制装置电路设计及实验操作声控开关自动控制装置是由声光控制模块改装 而成的，其声控传感器模块的输入电压范围为3 - 30V ,当无光、声音大于20分贝时有电压输出，输出电 压等于输入电压.本实验采用3V 纽扣电池作为输人 电压，将光敏电阻用电胶布做遮光处理.输出端直接 接上发光二极管即可实现声控开关的功能.要将传感 器作为控制开关接入示教板，还需用三极管搭建电子 开关，将声控模块的电压输出转换为通断输出，电路 图如图3所示.在声控传感器模块输出端接一个 2. 7k O 定值电阻&和一个S 9014三极管A 搭建通断 控制电路，定值电阻的作用是限制三极管基极电流 之，防止过流烧毁三极管.当声控传感器输出3V 电压 时，通过/V 流入三极管基极的电流A 约为（3 - 〇. 7 ) V /2. 7kfl =0• 85m A (0. 7V 为三极管基极一发射极电 压降）.根据S 9014三极管的数据手册，此时三极管进 人饱和工作区，集电极一发射极（C E )间有固定电压 降约0. 7V .接人示教板时，由于C E 间分压仅有 〇. 7V ，可以认为处于导通状态.当声控传感器输出0V 电压时，流人三极管基极的电流/6为零.三极管进人 截止工作区，C E 间流过的电流为零，等效为断开状 态.三极管的C E 两极作为控制电路的输出端接红黑 两接线柱.按照电路图焊接成实物图（如图4).图3实验操作:将红黑鳄鱼夹（三极管的C E 极）分别接示教板红黑接线柱，闭合两个开关.拍手，声控开关模块输 出电压3V ,三极管导通，显示电路部分 回路导通，二极管发光.40秒左右二极 管自动熄灭.可重复多次实验.实验完毕，断开开关.(2)温控开关自动控制装置电路设计及实验操作图5图6温控开关自动控制装置采用的是N T C 热敏电阻 作为元件，其性质是常温时电阻约为llkfl ，当温度大 于70T 时，电阻急速减小为1.5k n 左右.如果将热敏 直接接红黑接线柱，与显示电路形成回路，当温度大 于70丈时，二极管会发光，但是亮度太低.为使实验现 象更加明显，笔者设计了图5所示的实验电路.图6 为实物电路图.改进后的实验电路使用N P N 型三极管 S 9014作为电流放大器件，通过N T C 阻值的变化控制 L E D 电流产生亮度变化.f l ,、/?2与N T C 构成分压器，调 节尺,的阻值可使得常温状态下三极管基极电压处于阈 值电压附近.此时三极管基极电流为〇,恰好处于截止状态，L E D 不发光.当N T C 受热阻值减小时，流入三极 管基极的电流/6增大.由于三极管的电流放大作用，集 电极一发射极电流（/CE )将急剧增大，理论变化量为0 倍(，a =/3/t ，S 9014的电流放大倍数召约为300)，LED 迅速点亮且亮度较接入三极管前明显提高.实验操作:将红黑鳄鱼夹（三极管的C E 极）分别 接红黑接线柱，闭合开关，调节可变电阻/?,，使得二极 管处于刚好熄灭的状态，实测此时圪的阻值为 3.3W 1，由于笔者手边只有6.8W 1的可变电阻，因此 采用&与串联，这里的/?,和/?2可以用一个0 - 15kil 或0-20kfl 的可变电阻代替.将热敏电阻放人 热水中，电阻变小，三极管导通，二极管发光.温度降 低时，二极管熄灭.可重复多次实验.实验完毕，断开 开关.图7图8(3)磁感应开关自动控制装置电路设计及实验操作磁感应开关自动控制装置是采用霍尔开关作为元件制作而成.霍尔开关棕、蓝两根线需提供5 - 30V图4• 55•2021年3月Vol . 39 No . 05 中学物理电压，黑、蓝两线为传感器输出端.装置电路图如图7, 实物图如图8所示.实验操作:将红黑鳄鱼夹分别接红黑接线柱，闭 合两幵关.将磁铁靠近霍尔开关，二极管发光，将磁铁远离霍尔开关，二极管熄灭.可重复多次实验.实验完 毕，关闭开关.(4)红外感应开关自动控制装置电路设计红外感应开关自动控制装置是由人体红外热释 电传感器改装而成，电路图如图9所示，实物电路图 如图10所示.其工作电压是5V ,本装置采用两节纽扣 电池经一个4007二极管降压获得约5V 电压给传感 器供电.当感应到红外信号时，蓝线输出高电压，使得 三极管导通，二极管发光.图9 图10实验操作:将红黑鳄鱼夹（三极管的C E 极）分别 接红黑接线柱，闭合两开关.传感器感应到人体红外 信号，三极管导通，二极管发光.用盒子将传感器罩 住，二极管熄灭.可重复多次实验.实验完毕，关闭 开关.(5)压力开关自动控制装置电路设计及实验操作压力开关自动控制装置是由薄膜压力传感器 (F S R )设计制作而成.正常无压力情况下，薄膜压力 传感器两端的电阻为20k n ,当用力大于0. 2N 按压传 感器黑色部分时，传感器两端的电阻急剧减小，当力 大于2N 时，电阻变为l O k O 以下，当力大于10N 时， 电阻变为5W 1以下.直接将F S R 接人示教板也可控 制L E D 的亮度，但总体亮度较低,且随力的变化LED 灯的亮度变化不明显.为使实验现象更加明显，对实 验电路进行了改进.改进后的装置设计电路图如图 11，实物图如图12.改进后的实验电路使用N P N 型三 极管S 9014作为电流放大器件，通过F S K 阻值的变化 控制L E D 电流产生亮度变化.F S R 与R 的上臂并联 作为可调分压器调节三极管基极电压.调节电位器 改变基极分压比，可使F S R 不受压力作用时三极管恰 好处于截止状态，L E D 不发光.当F S R 受压力时，阻值 减小,F S R 与R 构成的分压器分压比增大，流入三极 管基极的电流/,,增大.由于三极管的电流放大效应， L E D 迅速点亮且亮度较接人三极管前明显提高.图11图12实验操作:将红黑鳄鱼夹（三极管的C E 极）分别 接红黑接线柱，闭合两开关.调节A 可变电阻，使得二 极管刚好处于熄灭的状态，按压薄膜压力传感器黑色 部分，可发现当用力按时，二极管发光，力越大，亮度 越大.不按压时，二极管熄灭.可重复多次实验.实验 完毕，断开开关.另外，双金属片、干簧管和光敏电阻可以直接接 入示教板红黑接线柱进行实验.2自动控制装置的优点自动控制装置由多个传感器共同组合而成，克服 了旧教材中分模块探讨其功能与应用带来的知识点 混乱的不足，实现了新教材新课改下要求的知识与实 践的整合.有以下优点：(1) 实验仪器美观且大方，排列整齐有序，可以帮助培养学生自己动手的能力，拓展发散思维和创新思维；(2)实验仪器将所学传感器融为一体，且操作过程简洁明了，不同的传感器对应不同的使用过程，让学生可以亲身感受每种元件的操作与价值；(3) 实验仪器可以重复利用,其使用价值高，元件 方便及时更换.3结束语物理教学中，只有让学生亲身体验过学习和探究 的具体过程，才能真正做到学生科学素养的提升.传 感器作为高中物理实验教学的重要课程，也作为新时 代科技发展的重要研究领域，在教学过程中就更需要 注重实验的设计.该实验装置将物理教学从纯理论教 学转向了实验教学，并通过创新性设计帮助学生，进 一步提高了学生自主学习的积极性，从而达到较好的 教学效果.参考文献：[1] 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研 究开发中心.普通高中教科书物理（选择性必修第二册）[M ]. 北京:人民教育出版社,2019.[2]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理（选修3-2)[M ].北京:人民教育出版社,2010.(收稿日期：2020 - 10 -29)• 56•。
第3节利用传感器制作简单的自动控制装置实验目的1．通过练习组装电子电路，获得对自动控制电路设计的感性认识。
2．了解两个传感器的工作原理，利用传感器实现简单自动控制。
实验一门窗防盗报警装置一、实验器材和装置干簧管SA、继电器、发光二极管LED、电阻R、蜂鸣器H、电源(干电池6 V)、小磁体、开关。
二、电路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接触，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接触，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。
三、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，按照上图所示连接电路。
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。
实验二光控开关一、实验器材和装置可调电阻R1、限流电阻R2、光敏电阻R G。
三极管VT、发光二极管LED、继电器、小灯泡L、二极管D、电源等。
二、电路工作原理1．三极管及其工作原理晶体三极管是半导体基本元件之一，具有电流放大作用，在控制电路中常用作电子开关。
本实验采用三极管配合光敏电阻完成光控开关的任务。
三极管由三个电极组成，分别是发射极e，基极b和集电极c，有NPN型和PNP型两种(如图甲所示)。
三极管的一个重要特性是，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的开关作用。
甲2．光控开关电路乙当环境光比较强时，光敏电阻R G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。
第3节实验：利用传感器设计并制作简单的自动控制装置一、实验目的1．认识热敏电阻、光敏电阻等传感器中的敏感元件。
2．了解传感器的使用方法，利用传感器设计并制作简单的自动控制装置。
二、实验原理1．传感器能够将感受到的物理量(力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)。
2．工作过程三、实验器材热敏电阻、光敏电阻、多用电表、铁架台、烧杯、冷水、热水、小灯泡、学生电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线等。
部分器材用途：热敏电阻分为两类：一类是正温度系数热敏电阻，阻值随温度的升高而增大；一类是负温度系数热敏电阻，阻值随温度的升高而减小光敏电阻在黑暗的环境下，它的阻值很大；当受到光照并且光辐射能量足够大时，电阻值变小继电器继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”四、注意事项1．在做热敏电阻实验时，加开水后要等一会儿再测其阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温。
2．光敏电阻实验中，如果效果不明显，可将电阻部分电路放入带盖的纸盒中，并通过盖上小孔改变照射到光敏电阻上的光的强度。
五、实验过程(一)研究光敏电阻的光敏特性1．实验步骤(1)将光敏电阻、多用电表、小灯泡、滑动变阻器、学生电源按如图甲所示电路连接好，其中多用电表置于“×100”挡。
(2)先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值，并记录数据。
(3)打开电源，让小灯泡发光，调节小灯泡的亮度使之逐渐变亮，观察表盘指针显示光敏电阻阻值的情况，并记录。
(4)用手掌(或黑纸)遮光时光敏电阻阻值又是多少，并记录。
2．数据处理把记录的结果填入表中，根据记录数据分析光敏电阻的特性。
结论：光敏电阻的阻值被光照射时发生变化，光照增强电阻变小，光照减弱电阻变大。
(二)研究热敏电阻的热敏特性1．实验步骤(1)按如图乙所示连接好电路，将热敏电阻绝缘处理。
(2)把多用电表置于“欧姆”挡，并选择适当的量程测出烧杯中没有水时热敏电阻的阻值，并记下温度计的示数。
(3)向烧杯中注入少量的冷水，使热敏电阻浸没在冷水中，记下温度计的示数和多用电表测量的热敏电阻的阻值。
(4)将热水分几次注入烧杯中，测出不同温度下热敏电阻的阻值，并记录。
2．数据处理(1)根据记录数据，把测量到的温度、电阻值填入表中，分析热敏电阻的特性。
(2)在坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。
(3)根据实验数据和R-t图线，得出结论：热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，随温度的降低而增大。
[基础考法]考法(一)对热敏电阻的研究和应用1．如图所示，一热敏电阻R T放在控温容器M内；为毫安表，量程为6 mA，内阻为数十欧姆；E为直流电源，电动势约为3 V，内阻很小；R为电阻箱，最大阻值为999.9 Ω；S为开关。
已知R T在95 ℃时的阻值为150 Ω，在20 ℃时的阻值约为550 Ω。
现要求在降温过程中测量在20～95 ℃之间的多个温度下R T的阻值。
(1)在图中画出连线，完成实验原理电路图。
(2)完成下列实验步骤中的填空：a．依照实验原理电路图连线。
b．调节控温容器M内的温度，使得R T的温度为95 ℃。
c．将电阻箱调到适当的阻值，以保证仪器安全。
d．闭合开关，调节电阻箱，记录电流表的示数I0，并记录____________________。
e．将R T的温度降为T1(20 ℃<T1<95 ℃)；调节电阻箱，使得电流表的读数______________，记录__________________________________________________________。
f．温度为T1时热敏电阻的电阻值R T1＝______________。
g．逐步降低T1的数值，直到20 ℃为止；在每一温度下重复步骤e、f。
解析：(1)电阻箱的最大阻值与热敏电阻的最大阻值相差不大，因此电阻箱应与热敏电阻串联，电路图如图所示。
(2)本实验原理是电路对应不同状态时，通过调节电阻箱，使电路中的电流相等，外电路的总电阻相等。
R T的温度为95 ℃和降为T1时对应的电路的电阻相等，有150 Ω＋R0＝R T1＋R1，即R T1＝R0－R1＋150 Ω。
答案：(1)见解析图(2)d.电阻箱的读数R0e．仍为I0电阻箱的读数R1f．R0－R1＋150 Ω2．利用负温度系数热敏电阻制作的热传感器，一般体积很小，可以用来测量很小范围内的温度变化，反应快，而且精确度高。
(1)如果将负温度系数热敏电阻与电源、电流表和其他元件串联成一个电路，其他因素不变，只要热敏电阻所处区域的温度降低，电路中电流将变________(选填“大”或“小”)。
(2)上述电路中，我们将电流表中的电流刻度换成相应的温度刻度，就能直接显示出热敏电阻附近的温度。
如果刻度盘正中的温度为20 ℃(如图甲所示)，则25 ℃的刻度应在20 ℃的刻度的________(选填“左”或“右”)侧。
(3)为了将热敏电阻放置在某蔬菜大棚内检测大棚内温度变化，请用图乙中的器材(可增加元器件)设计一个电路。
(请在图乙中作图)解析：(1)因为负温度系数热敏电阻温度降低时，电阻增大，故电路中电流变小。
(2)由(1)的分析知，温度越高，电流越大，25 ℃的刻度应对应较大电流，故在20 ℃的刻度的右侧。
(3)如图所示。
答案：(1)小(2)右(3)见解析图考法(二) 对光敏电阻的研究和应用3．为了研究光敏电阻在室内正常光照射和室外强光照射时电阻的大小关系，某同学用如图甲所示的电路进行实验，得出两种U -I 图线，如图乙所示。
(1)根据U -I 图线可知正常光照射时光敏电阻的阻值为________ Ω，强光照射时电阻为________ Ω。
(2)若实验中所用电压表的内阻约为5 kΩ，毫安表的内阻约为100 Ω，考虑到电表内阻对实验结果的影响，此实验中________(选填“正常光照射时”或“强光照射时”)测得的电阻误差较大。
若测量这种光照下的电阻，则需将实物图中毫安表的连接方式采用________(选填“内接”或“外接”)法进行实验，实验结果较为准确。
解析：(1)光敏电阻的阻值随光照的增强而减小，结合题图乙知正常光照射时R 1＝U 1I 1＝2.4 V 0.8×10－3A＝3 000 Ω，强光照射时R 2＝U 2I 2＝0.8 V 4.0×10－3A ＝200 Ω。
(2)实验电路采用的是毫安表内接法，测得的结果比真实值偏大，当待测电阻远大于毫安表内阻时实验误差较小，所以强光照射时误差较大；强光照射时采用毫安表外接法实验结果较为准确。
答案：(1)3 000 200 (2)强光照射时 外接4．为了节能和环保，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)。
某光敏电阻R P 在不同照度下的阻值如下表：照度/lx0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 电阻/kΩ 75 40 28 23 20 18 (1)根据表中数据，请在图甲所示的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点。
(2)如图乙所示，当1、2两端所加电压上升至2 V 时，控制开关自动启动照明系统。
请利用下列器材设计一个简单电路，给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至1.0 lx 时启动照明系统，在虚线框内完成电路原理图。
(不考虑控制开关对所设计电路的影响)提供的器材如下：光敏电阻R P (符号，阻值见上表)；直流电源E (电动势3 V ，内阻不计)；定值电阻：R 1＝10 kΩ，R 2＝20 kΩ，R 3＝40 kΩ(限选其中之一，并在图中标出)；开关S 及导线若干。
解析：(1)光敏电阻的阻值随照度变化的曲线如图1所示，光敏电阻的阻值随照度的增大而减小。
(2)根据串联电阻的正比分压关系，E ＝3 V ，当照度降低至1.0 lx 时，1、2两端电压升至2 V ，由图线1知，此时光敏电阻阻值R P ＝20 kΩ，U R P ＝2 V ，串联电阻分压U R ＝1 V ，由U R P U R＝R P R ＝2，得R ＝R P 2＝10 kΩ，故选定值电阻R 1，电路原理图如图2所示。
答案：见解析[典例] 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甲所示，继电器与热敏电阻R t 、滑动变阻器R 串联接在电源E 两端，当继电器的电流超过15 mA 时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控。
继电器的电阻约20 Ω，热敏电阻的阻值R t 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 R t /Ω199.5 145.4 108.1 81.8 62.9 49.1(1)提供的实验器材有：电源E 1(3 V ，内阻不计)、电源E 2(6 V ，内阻不计)、滑动变阻器R1(0～200 Ω)、滑动变阻器R2(0～500 Ω)、热敏电阻R t、继电器、电阻箱(0～999.9 Ω)、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)实验发现电路不工作。
某同学为排查电路故障，用多用电表测量各接点间的电压，则应将如图乙所示的选择开关旋至________(选填“A”“B”“C”或“D”)。
(3)合上开关S，用调节好的多用电表进行排查。
在图甲中，若只有b、c间断路，则应发现表笔接入a、b时指针________(选填“偏转”或“不偏转”)，接入a、c时指针________(选填“偏转”或“不偏转”)。
(4)排除故障后，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108.1 Ω[三步稳解题]1．分析实验目的：制作一个简易的温控装置。
2．确定实验原理：通过继电器和热敏电阻进行控制电路，当继电器的电流超过15 mA 时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控。
3．制定数据处理方案：要实现电路控制，电流要超过15 mA，可确定电源的大小；进行电路故障排查时，要用多用电表的电压挡。
[解析](1)若实现对30 ℃温度的控制，继电器和R t的电压U1＝0.015×(20＋199.5)V≈3.29 V，因此符合要求的电源应选E2。
