人教版高中物理选择性必修第二册第五章3利用传感器制作简单的自动控制装置课件(共36张PPT)

(共36张PPT)
3．利用传感器制作简单的自动控制装置
第五章　传感器
整体感知·自我新知初探
[学习任务]　任务1．会利用干簧管制作简单的自动控制装置，如门窗防盗报警装置。
任务2．会利用光敏电阻制作简单的自动控制装置，如光控开关。
任务3．通过制作自动控制装置，初步养成针对学习和生活中的问题设计方案、动手实践的意识和习惯。
[问题初探]　问题1．发光二极管、普通二极管都具有单向导电性吗？
问题2．晶体三极管对电流有什么作用？
[自我感知]　经过你认真的预习，结合你对本节课的理解和认识，请画出本节课的知识逻辑体系。
探究重构·关键能力达成
实验1　门窗防盗报警装置
一、实验原理与方法
如图所示，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。
二、实验器材
干簧管、继电器、发光二极管、蜂鸣器、电源、导线若干、开关、电阻。
三、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，按照电路图连接电路。
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。
【典例1】　(报警电路)现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60 ℃时，系统报警。提供的器材有：热敏电阻，报警器(内阻很小，流过的电流超过Ic时就会报警)，电阻箱(最大阻值为999.9 Ω)，直流电源(输出电压为U，内阻不计)，滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值为2 000 Ω)，单刀双掷开关一个，导线若干。
在室温下对系统进行调节，已知U约为18 V，Ic约为10 mA；流过报警器的电流超过20 mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60 ℃时阻值为650.0 Ω。
(1)在图中完成待调节的报警系统电路原理图的连线。
(2)电路中应选用滑动变阻器________(选填“R1”或“R2”)。
见解析图
R2
(3)按照下列步骤调节此报警系统：
①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为________Ω；滑动变阻器的滑片应置于_____(选填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是__________________________________________________________。
650.0
b
接通电源后，流过报警器
的电流会超过20 mA，报警器可能损坏　
②将开关向____(选填“c”或“d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至_________________。
(4)保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用。
c
报警器开始报警
[解析]　(1)热敏电阻工作温度达到60 ℃时，报警器报警，故需通过调节电阻箱使其电阻为60 ℃时的热敏电阻的阻值，即调节阻值为650.0 Ω，使报警器能正常报警，电路图如图所示。
【教用·备选例题】　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。
[解析]　电池、光敏电阻与开关及干簧管继电器开关外面线圈的两个接线端构成一个回路；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端构成另一个回路。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；若没有光照或者光照很弱时，光敏电阻阻值变大，干簧管外的线圈产生的磁场较弱，干簧管开关自动断开。连接如图所示。
[答案]　见解析图
实验2　光控开关
一、实验原理与方法
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。
二、实验器材
发光二极管、三极管、可变电阻R1、电阻R2、光敏电阻、集成电路实验板、直流电源、导线若干、黑纸。
三、实验步骤
1．按照图甲或乙所示连接电路，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。
四、注意事项
1．安装前，对实验器材进行测试，确保各元件性能良好后，再进行安装。
2．光控开关实验中，二极管连入电路的极性不能反接。
3．如果实验现象不明显，可用手电筒加强光照，或遮盖光敏电阻，再进行观察。
【典例2】　(光控开关)为了节能和环保，一些公共场所用光控开关控制照明系统，光控开关可用光敏电阻控制，如图甲所示是某光敏电阻阻值随光照强度变化的曲线，照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为：勒克斯(lx)。
(1)如图乙所示，电源电动势为3 V，内阻不计，当控制开关两端电压上升至2 V时控制开关自动启动照明系统。要求当天色渐暗照度降至1.0 lx时控制开关接通照明系统，则R1＝________kΩ。
10　
(2)某同学为了测量光敏电阻在不同照度下的阻值，设计了如图戊所示的电路进行测量，电源(E＝3 V，内阻未知)，电阻箱(0～99 999 Ω)。实验时将电阻箱阻值置于最大，闭合S1，将S2与1相连，减小电阻箱阻值，使灵敏电流计的示数为I，图丙为实验时电阻箱的阻值，其读数为________kΩ；然后将S2与2相连，调节电阻箱的阻值如图丁所示，此时灵敏电流计的示数恰好为I，则光敏电阻的阻值R0＝____________kΩ(结果保留三位有效数字)。
62.5
40.0
【教用·备选例题】　2．电磁继电器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。模拟电路如图所示，其中A为电磁继电器，B为照明电路，C为路灯，D为光敏电阻(白天光照强时，电阻变小；夜晚光照弱时，电阻变得很大)。请你将电路连接完整，达到白天灯熄、夜晚灯亮的效果。(连线时导线不能交叉)
[解析]　电路连接如图所示。
[答案]　见解析图
应用迁移·随堂评估自测
1．如图所示，图甲为热敏电阻的R-t图像，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100 Ω。当线圈的电流大于或等于20 mA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E＝9.0 V，内阻可以不计。图中的“电源”是恒温箱加热器的电源。则：
2
4
3
题号
1
(1)应该把恒温箱内的加热器接在________(选填“A、B端”或“C、D端”)。
(2)如果要使恒温箱内的温度保持在50 ℃，可变电阻R′的阻值应调节为________Ω。
2
4
3
题号
1
[解析]　(1)当温度较低时，热敏电阻R较大，线圈中的电流较小，继电器的衔铁在上方，恒温箱的加热器处于工作状态，恒温箱内温度升高，故恒温箱内的加热器应该接在A、B端。
A、B端
260
2
4
3
题号
1
2．目前有些居民区内楼道灯的控制使用的是一种延时开关。该延时开关的简化原理如图所示。图中D是红色发光二极管(只要有很小的电流通过就能使其发出红色亮光)，R为限流电阻，K为按钮式开关，虚线框内S表示延时开关电路，当按下K接通电路瞬间，延时开关触发，相当于S闭合，这时释放K后，延时开关S约在1 min后断开，电灯熄灭。根据上述信息和原理图，我们可推断：按钮开关K按下前，发光二极管是________(选填“发光的”或“熄灭的”)，按钮开关K按下再释放后，电灯L发光持续时间约______min。这一过程中发光二极管是________
(选填“发光的”或“熄灭的”)。限流电阻R的阻值
和灯丝电阻RL相比，应满足R________RL的条件。
2
3
题号
1
4
发光的
1
熄灭的

[解析]　开关K按下前，S为断开，有电流经过发光二极管，故发光二极管是发光的。当按下开关K后，延时开关S闭合，二极管和R被短路，二极管不发光，由于延时开关S约1 min后断开，故电灯L能持续发光1 min，由于R为限流电阻，且二极管只要有很小的电流通过就能发光，故应满足R RL。
2
3
题号
1
4
3．某地采用风力发电给蓄电池充电，为路灯提供电能。用光敏电阻作为传感器控制路灯的开关，实现自动控制。光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化，作为简化模型，可以近似认为，照射光较强(如白天)时电阻几乎为零；照射光较弱(如黑天)时电阻接近于无穷大。利用光敏电阻作为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭、夜晚点亮。电磁开关的内部结构如图所示。1、2接线柱之间是励磁线圈，3、4接线柱分别与弹簧片和触点连接。当励磁线圈中电流大于50 mA时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分离，3、4断开；当电流小于50 mA时，3、4接通。励磁线圈中允许通过的最大电流为100 mA。
2
3
题号
4
1
请利用光敏电阻R1、灯泡L(额定功率40 W，额定电压36 V)、保护电阻R2、电磁开关、蓄电池(电压36 V，内阻很小)、开关S、导线若干，设计一个自动控制路灯的电路。画出电路原理图，部分器材的符号如图所示。
2
3
题号
4
1
[解析]　由题意得，电路图如图所示
2
3
题号
4
1
[答案]　见解析
4．如图甲所示是大型机械厂里用来称重的电子吊秤，其中实现称重的关键元件是拉力传感器。其工作原理是：挂钩上挂上重物，传感器中拉力敏感电阻丝在拉力作用下发生形变，拉力敏感电阻丝的电阻也随着发生变化，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号(电压或电流)，从而完成将所称物体重量变换为电信号的过程。
2
4
3
题号
1
(1)简述拉力敏感电阻丝的阻值随拉力变化的原因__________________________________________________________________。
(2)小明找到一根拉力敏感电阻丝RL，其阻值随拉力变化的图像如图乙所示，再按图丙所示电路制作了一个简易“吊秤”。电路中电源电动势E约15 V，内阻约2 Ω；灵敏毫安表量程为10 mA，内阻约5 Ω；R是电阻箱，最大阻值是9 999 Ω；RL接在A、B两接线柱上，通过光滑绝缘滑环可将重物吊起，接通电路完成下列操作。
2
4
3
题号
1
电阻丝受拉力
时，长度增加而横截面积减小，根据电阻定律知其阻值增大
a．滑环下不吊重物时，调节电阻箱，当电流表为某一合适示数I时，读出电阻箱的读数R1；
b．滑环下吊上待测重物，测出电阻丝与竖直方向的夹角为θ；
c．调节电阻箱，使_________________，读出此时电阻箱的读数R2；
d．算得图乙直线的斜率k和截距b；
则待测重物的重力G的表达式为G＝________________(用以上测得的物理量表示)，测得θ＝53°(sin 53°＝0.8，cos 53°＝0.6)，R1、R2分别为1 052 Ω和1 030 Ω，结合乙图信息，可得待测重物的重力G＝________N(结果保留三位有效数字)。
2
4
3
题号
1
电流表的示数仍为I

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(3)针对小明的设计方案，为了提高测量重量的精度，你认为下列措施可行的是________。
A．将毫安表换成量程不同，内阻更小的毫安表
B．将毫安表换成量程为10 μA的微安表
C．将电阻箱换成精度更高的电阻箱
D．适当增大A、B接线柱之间的距离
2
4
3
题号
1
CD
2
4
3
题号
1
2
4
3
题号
1