5.3 利用传感器制作简单的自动控制装置 学案（学生版+教师版）—2024年春高中物理人教版选择性必修二
文档属性
| 名称 | 5.3 利用传感器制作简单的自动控制装置 学案（学生版+教师版）—2024年春高中物理人教版选择性必修二 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 336.9KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2024-03-10 15:31:17 | ||
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文档简介
3 利用传感器制作简单的自动控制装置
[学习目标]
1.进一步理解常用传感器的工作原理及应用(重点)。
2.学会利用传感器制作自动控制装置(难点)。
一、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，干簧管两个簧片被磁化相吸，继电器接通而工作，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，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。用磁体直接靠近干簧管，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，将磁体靠近和离开干簧管，分别观察实验现象。
例1 (2022·海门市证大中学期中)如图所示是某保密室的防盗报警电路，当有人闯入保密室时会使开关S闭合。下列说法正确的是( )
A．电磁继电器与发电机工作原理相同
B．电磁铁的磁性强弱只与电流大小有关
C．电磁铁工作时，上端为S极
D．当有人闯入保密室时，b灯亮
二、光控开关及其应用
1．实验器材和装置
光敏电阻能完成光信号向电信号的转变。晶体三极管有电流放大作用，在控制电路中常用作电子开关。发光二极管LED模仿路灯。电路设计如图甲。
为了能够驱动更大功率的负载，需用继电器来启、闭另外的供电电路，如图乙所示。
2．电路工作原理
(1)光较强时，光敏电阻阻值小，三极管不导通，继电器断路，处于常开状态，小灯泡L不亮。
(2)光较弱时，光敏电阻阻值变大，三极管导通，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，点亮小灯泡L。
3．实验操作
(1)连接电路，检查无误后，接通电源。
(2)用光照射光敏电阻，调节R1，使发光二极管LED或小灯泡L刚好不发光。
(3)减弱光敏电阻的光照强度，当光减弱到某种程度时，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。
例2 光敏电阻在各种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，如图所示电路为模拟电路，其中A为一光敏电阻，B为电磁继电器，C为电流信号放大器，D为路灯。请连成正确的电路，达到日出路灯熄、日落路灯亮的效果。
三、热敏电阻的应用
例3 在温度为10 ℃左右的环境中工作的自动恒温箱简图如图甲所示，箱内电阻R1＝20 kΩ，R2＝10 kΩ，R3＝40 kΩ，Rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图像如图乙所示。当a、b端电压Uab<0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当Uab≥0时，电压鉴别器会令开关S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在________℃。
例4 (2022·宿迁市高二期中)某同学制作一个简易的温控装置，实验电路如图甲，继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端，当继电器的电流达到或超过30 mA时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控。继电器的电阻约为20 Ω，热敏电阻的阻值Rt随温度t变化的关系如图乙所示：
(1)提供的实验器材有：电源E(12 V，内阻不计)、滑动变阻器R1(0～200 Ω)、滑动变阻器R2(0～4 000 Ω)、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱0～999.9 Ω、开关S、导线若干。要启动继电器，则电路中的总电阻需满足：R继电器＋R＋Rt≤________ Ω。为使该装置实现对30～80 ℃之间任一温度的控制，滑动变阻器R应选用________(选填R1或R2)。
(2)如果要把温控装置设置为50 ℃，应先用电阻箱替代热敏电阻，把电阻箱数值调至________ Ω，闭合开关，调节滑动变阻器，直至继电器的衔铁被吸合。然后断开开关，再重新把热敏电阻替换电阻箱。
(3)该温控装置在________(填“低温区域”或“高温区域”)灵敏度更高。甲、乙两位同学就提高该温控装置的灵敏度方案进行了讨论：甲同学认为应该换一个24 V的电源，电动势越大越容易驱动电磁继电器，可以提高温控装置的灵敏度；乙同学则认为应该换一个6 V的电源，这样使继电器启动的电阻更小，热敏电阻占总电阻的比例增大，其控制效果更好。你认为________(填甲或乙)同学的分析更有道理。
3 利用传感器制作简单的自动控制装置
[学习目标]
1.进一步理解常用传感器的工作原理及应用(重点)。
2.学会利用传感器制作自动控制装置(难点)。
一、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，干簧管两个簧片被磁化相吸，继电器接通而工作，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，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。用磁体直接靠近干簧管，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，将磁体靠近和离开干簧管，分别观察实验现象。
例1 (2022·海门市证大中学期中)如图所示是某保密室的防盗报警电路，当有人闯入保密室时会使开关S闭合。下列说法正确的是( )
A．电磁继电器与发电机工作原理相同
B．电磁铁的磁性强弱只与电流大小有关
C．电磁铁工作时，上端为S极
D．当有人闯入保密室时，b灯亮
答案 D
解析 电磁继电器是利用电流的磁效应工作的，发电机是利用电磁感应原理制成的，选项A错误；电磁铁的磁性强弱和电流大小、线圈的匝数及有无铁芯有关，选项B错误；由题图可知电磁铁工作时线圈中电流的方向，根据安培定则可知，电磁铁工作时，上端为N极，选项C错误；当有人闯入保密室时会使开关S闭合，电磁铁有磁性，吸引衔铁向下移动，b灯所在电路接通，b灯亮，选项D正确。
二、光控开关及其应用
1．实验器材和装置
光敏电阻能完成光信号向电信号的转变。晶体三极管有电流放大作用，在控制电路中常用作电子开关。发光二极管LED模仿路灯。电路设计如图甲。
为了能够驱动更大功率的负载，需用继电器来启、闭另外的供电电路，如图乙所示。
2．电路工作原理
(1)光较强时，光敏电阻阻值小，三极管不导通，继电器断路，处于常开状态，小灯泡L不亮。
(2)光较弱时，光敏电阻阻值变大，三极管导通，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，点亮小灯泡L。
3．实验操作
(1)连接电路，检查无误后，接通电源。
(2)用光照射光敏电阻，调节R1，使发光二极管LED或小灯泡L刚好不发光。
(3)减弱光敏电阻的光照强度，当光减弱到某种程度时，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。
例2 光敏电阻在各种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，如图所示电路为模拟电路，其中A为一光敏电阻，B为电磁继电器，C为电流信号放大器，D为路灯。请连成正确的电路，达到日出路灯熄、日落路灯亮的效果。
答案 见解析图
解析 当有光照射时，光敏电阻阻值较小，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，使两个触点断开；当无光照时，光敏电阻阻值增大，电流减小，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个触点闭合，控制路灯电路接通，路灯开始工作，电路如图所示。
三、热敏电阻的应用
例3 在温度为10 ℃左右的环境中工作的自动恒温箱简图如图甲所示，箱内电阻R1＝20 kΩ，R2＝10 kΩ，R3＝40 kΩ，Rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图像如图乙所示。当a、b端电压Uab<0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当Uab≥0时，电压鉴别器会令开关S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在________℃。
答案 35
解析 设电路路端电压为U，当Uab＝0时，有＝，代入数据解得Rt＝20 kΩ，由题图乙可知，当Rt＝20 kΩ时，t＝35 ℃。
例4 (2022·宿迁市高二期中)某同学制作一个简易的温控装置，实验电路如图甲，继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端，当继电器的电流达到或超过30 mA时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控。继电器的电阻约为20 Ω，热敏电阻的阻值Rt随温度t变化的关系如图乙所示：
(1)提供的实验器材有：电源E(12 V，内阻不计)、滑动变阻器R1(0～200 Ω)、滑动变阻器R2(0～4 000 Ω)、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱0～999.9 Ω、开关S、导线若干。要启动继电器，则电路中的总电阻需满足：R继电器＋R＋Rt≤________ Ω。为使该装置实现对30～80 ℃之间任一温度的控制，滑动变阻器R应选用________(选填R1或R2)。
(2)如果要把温控装置设置为50 ℃，应先用电阻箱替代热敏电阻，把电阻箱数值调至________ Ω，闭合开关，调节滑动变阻器，直至继电器的衔铁被吸合。然后断开开关，再重新把热敏电阻替换电阻箱。
(3)该温控装置在________(填“低温区域”或“高温区域”)灵敏度更高。甲、乙两位同学就提高该温控装置的灵敏度方案进行了讨论：甲同学认为应该换一个24 V的电源，电动势越大越容易驱动电磁继电器，可以提高温控装置的灵敏度；乙同学则认为应该换一个6 V的电源，这样使继电器启动的电阻更小，热敏电阻占总电阻的比例增大，其控制效果更好。你认为________(填甲或乙)同学的分析更有道理。
答案 (1)400 R1 (2)80 (3)低温区域 甲
解析 (1)当继电器的电流达到或超过30 mA时，才能吸合，所以
I＝≥30 mA
则R继电器＋R＋Rt≤ Ω＝400 Ω
结合继电器的电阻约为20 Ω，热敏电阻的最大值为200 Ω，所以滑动变阻器选R1；
(2)由题图乙看出，当温度为50 ℃，热敏电阻Rt＝80 Ω，用电阻箱替代热敏电阻，所以把电阻箱数值调到80 Ω；
(3)从题图乙看出，高温区电阻的变化比较平缓，即较大的温度变化才能引起一定的电阻变化，而在低温区，较小的温度变化就能导致较大的电阻变化，从而使得电流发生较大的变化，所以低温区域灵敏度高；若要提高灵敏度，需要电阻变化较小时能引起较大的电流变化，所以换一个24 V的电源可达到目的，则甲同学说法正确。
[学习目标]
1.进一步理解常用传感器的工作原理及应用(重点)。
2.学会利用传感器制作自动控制装置(难点)。
一、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，干簧管两个簧片被磁化相吸，继电器接通而工作，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，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。用磁体直接靠近干簧管，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，将磁体靠近和离开干簧管，分别观察实验现象。
例1 (2022·海门市证大中学期中)如图所示是某保密室的防盗报警电路，当有人闯入保密室时会使开关S闭合。下列说法正确的是( )
A．电磁继电器与发电机工作原理相同
B．电磁铁的磁性强弱只与电流大小有关
C．电磁铁工作时，上端为S极
D．当有人闯入保密室时，b灯亮
二、光控开关及其应用
1．实验器材和装置
光敏电阻能完成光信号向电信号的转变。晶体三极管有电流放大作用，在控制电路中常用作电子开关。发光二极管LED模仿路灯。电路设计如图甲。
为了能够驱动更大功率的负载，需用继电器来启、闭另外的供电电路，如图乙所示。
2．电路工作原理
(1)光较强时，光敏电阻阻值小，三极管不导通，继电器断路，处于常开状态，小灯泡L不亮。
(2)光较弱时，光敏电阻阻值变大，三极管导通，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，点亮小灯泡L。
3．实验操作
(1)连接电路，检查无误后，接通电源。
(2)用光照射光敏电阻，调节R1，使发光二极管LED或小灯泡L刚好不发光。
(3)减弱光敏电阻的光照强度，当光减弱到某种程度时，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。
例2 光敏电阻在各种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，如图所示电路为模拟电路，其中A为一光敏电阻，B为电磁继电器，C为电流信号放大器，D为路灯。请连成正确的电路，达到日出路灯熄、日落路灯亮的效果。
三、热敏电阻的应用
例3 在温度为10 ℃左右的环境中工作的自动恒温箱简图如图甲所示，箱内电阻R1＝20 kΩ，R2＝10 kΩ，R3＝40 kΩ，Rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图像如图乙所示。当a、b端电压Uab<0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当Uab≥0时，电压鉴别器会令开关S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在________℃。
例4 (2022·宿迁市高二期中)某同学制作一个简易的温控装置，实验电路如图甲，继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端，当继电器的电流达到或超过30 mA时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控。继电器的电阻约为20 Ω，热敏电阻的阻值Rt随温度t变化的关系如图乙所示：
(1)提供的实验器材有：电源E(12 V，内阻不计)、滑动变阻器R1(0～200 Ω)、滑动变阻器R2(0～4 000 Ω)、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱0～999.9 Ω、开关S、导线若干。要启动继电器，则电路中的总电阻需满足：R继电器＋R＋Rt≤________ Ω。为使该装置实现对30～80 ℃之间任一温度的控制，滑动变阻器R应选用________(选填R1或R2)。
(2)如果要把温控装置设置为50 ℃，应先用电阻箱替代热敏电阻，把电阻箱数值调至________ Ω，闭合开关，调节滑动变阻器，直至继电器的衔铁被吸合。然后断开开关，再重新把热敏电阻替换电阻箱。
(3)该温控装置在________(填“低温区域”或“高温区域”)灵敏度更高。甲、乙两位同学就提高该温控装置的灵敏度方案进行了讨论：甲同学认为应该换一个24 V的电源，电动势越大越容易驱动电磁继电器，可以提高温控装置的灵敏度；乙同学则认为应该换一个6 V的电源，这样使继电器启动的电阻更小，热敏电阻占总电阻的比例增大，其控制效果更好。你认为________(填甲或乙)同学的分析更有道理。
3 利用传感器制作简单的自动控制装置
[学习目标]
1.进一步理解常用传感器的工作原理及应用(重点)。
2.学会利用传感器制作自动控制装置(难点)。
一、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，干簧管两个簧片被磁化相吸，继电器接通而工作，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，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。用磁体直接靠近干簧管，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，将磁体靠近和离开干簧管，分别观察实验现象。
例1 (2022·海门市证大中学期中)如图所示是某保密室的防盗报警电路，当有人闯入保密室时会使开关S闭合。下列说法正确的是( )
A．电磁继电器与发电机工作原理相同
B．电磁铁的磁性强弱只与电流大小有关
C．电磁铁工作时，上端为S极
D．当有人闯入保密室时，b灯亮
答案 D
解析 电磁继电器是利用电流的磁效应工作的，发电机是利用电磁感应原理制成的，选项A错误；电磁铁的磁性强弱和电流大小、线圈的匝数及有无铁芯有关，选项B错误；由题图可知电磁铁工作时线圈中电流的方向，根据安培定则可知，电磁铁工作时，上端为N极，选项C错误；当有人闯入保密室时会使开关S闭合，电磁铁有磁性，吸引衔铁向下移动，b灯所在电路接通，b灯亮，选项D正确。
二、光控开关及其应用
1．实验器材和装置
光敏电阻能完成光信号向电信号的转变。晶体三极管有电流放大作用，在控制电路中常用作电子开关。发光二极管LED模仿路灯。电路设计如图甲。
为了能够驱动更大功率的负载，需用继电器来启、闭另外的供电电路，如图乙所示。
2．电路工作原理
(1)光较强时，光敏电阻阻值小，三极管不导通，继电器断路，处于常开状态，小灯泡L不亮。
(2)光较弱时，光敏电阻阻值变大，三极管导通，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，点亮小灯泡L。
3．实验操作
(1)连接电路，检查无误后，接通电源。
(2)用光照射光敏电阻，调节R1，使发光二极管LED或小灯泡L刚好不发光。
(3)减弱光敏电阻的光照强度，当光减弱到某种程度时，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。
例2 光敏电阻在各种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，如图所示电路为模拟电路，其中A为一光敏电阻，B为电磁继电器，C为电流信号放大器，D为路灯。请连成正确的电路，达到日出路灯熄、日落路灯亮的效果。
答案 见解析图
解析 当有光照射时，光敏电阻阻值较小，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，使两个触点断开；当无光照时，光敏电阻阻值增大，电流减小，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个触点闭合，控制路灯电路接通，路灯开始工作，电路如图所示。
三、热敏电阻的应用
例3 在温度为10 ℃左右的环境中工作的自动恒温箱简图如图甲所示，箱内电阻R1＝20 kΩ，R2＝10 kΩ，R3＝40 kΩ，Rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图像如图乙所示。当a、b端电压Uab<0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当Uab≥0时，电压鉴别器会令开关S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在________℃。
答案 35
解析 设电路路端电压为U，当Uab＝0时，有＝，代入数据解得Rt＝20 kΩ，由题图乙可知，当Rt＝20 kΩ时，t＝35 ℃。
例4 (2022·宿迁市高二期中)某同学制作一个简易的温控装置，实验电路如图甲，继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端，当继电器的电流达到或超过30 mA时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控。继电器的电阻约为20 Ω，热敏电阻的阻值Rt随温度t变化的关系如图乙所示：
(1)提供的实验器材有：电源E(12 V，内阻不计)、滑动变阻器R1(0～200 Ω)、滑动变阻器R2(0～4 000 Ω)、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱0～999.9 Ω、开关S、导线若干。要启动继电器，则电路中的总电阻需满足：R继电器＋R＋Rt≤________ Ω。为使该装置实现对30～80 ℃之间任一温度的控制，滑动变阻器R应选用________(选填R1或R2)。
(2)如果要把温控装置设置为50 ℃，应先用电阻箱替代热敏电阻，把电阻箱数值调至________ Ω，闭合开关，调节滑动变阻器，直至继电器的衔铁被吸合。然后断开开关，再重新把热敏电阻替换电阻箱。
(3)该温控装置在________(填“低温区域”或“高温区域”)灵敏度更高。甲、乙两位同学就提高该温控装置的灵敏度方案进行了讨论：甲同学认为应该换一个24 V的电源，电动势越大越容易驱动电磁继电器，可以提高温控装置的灵敏度；乙同学则认为应该换一个6 V的电源，这样使继电器启动的电阻更小，热敏电阻占总电阻的比例增大，其控制效果更好。你认为________(填甲或乙)同学的分析更有道理。
答案 (1)400 R1 (2)80 (3)低温区域 甲
解析 (1)当继电器的电流达到或超过30 mA时，才能吸合，所以
I＝≥30 mA
则R继电器＋R＋Rt≤ Ω＝400 Ω
结合继电器的电阻约为20 Ω，热敏电阻的最大值为200 Ω，所以滑动变阻器选R1；
(2)由题图乙看出，当温度为50 ℃，热敏电阻Rt＝80 Ω，用电阻箱替代热敏电阻，所以把电阻箱数值调到80 Ω；
(3)从题图乙看出，高温区电阻的变化比较平缓，即较大的温度变化才能引起一定的电阻变化，而在低温区，较小的温度变化就能导致较大的电阻变化，从而使得电流发生较大的变化，所以低温区域灵敏度高；若要提高灵敏度，需要电阻变化较小时能引起较大的电流变化，所以换一个24 V的电源可达到目的，则甲同学说法正确。