(共38张PPT)
第2节 科学制作:简单的自动控制装置
【实验目的】
(1)设计并制作光报警装置。
(2)设计并制作温度报警装置。
(3)了解制作的报警装置的工作原理。
必备知识·素养奠基
【实验器材】
光敏电阻、_________(随温度升高阻值减小)、温度计、干电池、手电筒、烧
杯、蜂鸣器、开关、导线、变阻器。
热敏电阻
【实验原理与设计】
1.实验的基本思想——
控制变量法。
(1)变量的控制要求:
在物理实验中,要注意控制实验过程中的不同变量。
(2)设计思路:
控制温度和_____不变,改变滑动变阻器阻值,直至蜂鸣器报警。
亮度
2.实验原理:
(1)蜂鸣器在电流(电压)达到一定值时会报警;
(2)控制光照强度不变,光敏电阻阻值_____;
(3)控制温度不变,热敏电阻阻值不变;
(4)改变滑动变阻器阻值,可以改变通过蜂鸣器的电流,引起报警。
不变
关键能力·素养形成
【实验过程】
一、实验步骤
安装实验器材:
(1)制作光报警装置。
①按光报警器装置电路图组装好仪器;
②将手电筒的亮度调至一挡,固定并照射光敏电阻;
③将滑动变阻器调至最大阻值处;
④闭合开关,逐步减小滑动变阻器阻值,直至蜂鸣器报警,记录滑动变阻器阻值、滑片所处位置,断开开关;
⑤将手电筒的亮度调至二挡,固定并照射光敏电阻重复③④;
⑥将手电筒的亮度调至三挡,固定并照射光敏电阻重复③④;
⑦填写表格,记录数据。
(2)制作温度报警装置。
①按照温度报警器装置电路图组装好仪器;
②将热敏电阻放置到温度较低的热水中,测出并记录温度;
③将滑动变阻器调至最大阻值处;
④闭合开关,逐步减小滑动变阻器阻值,直至蜂鸣器报警,记录滑动变阻器阻值、滑片所处位置,断开开关;
⑤将热敏电阻放置到温度适中的热水中,测出并记录温度重复③④;
⑥将热敏电阻放置到温度较高的热水中,测出并记录温度重复③④;
⑦填写表格,记录数据。
【思考·讨论】
(1)组装好电路后,闭合开关蜂鸣器立刻报警,该如何处理?
(科学思维)
(2)实验时应注意哪几方面的安全操作?
(科学态度与责任)
提示:(1)闭合开关后蜂鸣器立刻报警,说明回路中电流过大,可更换最大阻值更大的滑动变阻器。
(2)实验时手电筒不要对着人的眼睛直射;避免被热水烫伤。
二、数据收集与分析
依据具体的实验操作记录,填写表格。
光
报
警
装
置
手电筒亮度
滑片所处位置
(左/中/右)
滑动变阻器阻值
(小/中/大)
一挡
二挡
三挡
温
度
报
警
装
置
水温
温度(℃)
滑片所处位置
(左/中/右)
滑动变阻器阻值
(小/中/大)
低
中
较高
三、实验结论
1.对于光报警器实验,滑动变阻器阻值变大时,蜂鸣器报警所需要的光照强度增大。
2.对于温度报警器,滑动变阻器阻值变大时,蜂鸣器报警所需要的温度升高。
四、误差分析
偶然误差:温度计读数时造成的偶然误差,手电筒照射角度偏差造成的偶然误差。
系统误差:测量时水温变化或者外部光照变化引起的测量误差。
【思考·讨论】
针对上述误差分析如何改进?
(科学思维)
提示:多人多次测量数据并取平均值;实验时动作快一些减少外部环境的变化。
实验研析·素养迁移
类型一 设计报警电路
【典例1】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Rp在
不同照度下的阻值如表:
照度/lx
0.2
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,请在图甲给定的坐标系中描绘出光敏电阻阻值随照度变化
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Rp(符号
,阻值见图表)
直流电源E(电动势3
V,内阻不计)
定值电阻:R1=10
kΩ,R2=20
kΩ,R3=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)根据表中的数据,在坐标纸上描点连线,得到如图所示的变化曲
线。阻值随照度变化的特点:光敏电阻的阻值随光的照度的增大非线性减小。
(2)因天色渐暗照度降低至1.0
lx时启动照明系统,此时光敏电阻阻值为20
kΩ,两端电压为2
V,电源电动势为3
V,故应加上一个分压电阻,分压电阻
阻值为10
kΩ,即选用R1;此电路的原理图如图所示。
答案:(1)见解析 (2)见解析
类型二 数据分析
【典例2】小明利用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路”,如图甲所示。将热敏电阻R安装在需要探测温度的地方,当环境温度正常时,继电器的上触点接触,下触点分离,指示灯亮;当环境温度超过某一值时,继电器的下触点接触,上触点分离,警铃响。图甲中继电器的供电电压U1=3
V,继电器线圈用漆包线绕成,其电阻R0为30
Ω。当线圈中的电流大于等于50
mA时,继电器的衔铁将被吸合,警铃响。图乙是热敏电阻的阻值随温度变化的图像。
(1)由图乙可知,当环境温度为40
℃时,热敏电阻阻值为_________Ω。当环境温度升高时,热敏电阻阻值将_________,继电器的磁性将_________(均选填“增大”“减小”或“不变”)。
?
(2)图甲中警铃的接线柱C应与接线柱_________相连,指示灯的接线柱D应与接线柱_________相连(均选填“A”或
“B”)。?
(3)图甲中线圈下端P的磁极是_________极(选填“N”或“S”)。
?
(4)请计算说明,环境温度在什么范围内时,警铃报警。
【解析】(1)分析乙图,找到热敏电阻40
℃对应的阻值为70
Ω;分析图像发现:温度升高时,热敏电阻阻值减小,根据欧姆定律,电路中电流就会增大,电磁铁的磁性就会增大;
(2)由题中“当环境温度超过某一值时,继电器的下触点接触,上触点分离,警铃响”,所以警铃的接线柱C应与接线柱B相连,指示灯的接线柱D应与接线柱A相连;
(3)由安培定则可判断出线圈的下端P的极性是S极;
(4)当线圈中的电流I=50
mA=0.05
A时,继电器的衔铁将被吸合,警铃报警,所以控制电路的总电阻为:R总=60
Ω
所以热敏电阻为:R=30
Ω
由图乙可知,此时t=80
℃
所以,当温度t≥80
℃时,警铃报警。
答案:(1)70 减小 增大 (2)B A (3)S (4)环境温度大于等于80
℃时,警铃报警。
课堂检测·素养达标
1.(多选)如图所示的火灾报警装置,R1为热敏电阻,电源
内阻不计,若温度升高,则R1的阻值会急剧减小,从而引
起电铃电压的增加。当电铃电压达到一定值时,电铃会
响。下列说法中正确的是
( )
A.要使报警的临界温度升高,可以适当增大电源的电动势
B.要使报警的临界温度降低,可以适当增大电源的电动势
C.要使报警的临界温度升高,可以把R2的滑片P适当向下移
D.要使报警的临界温度降低,可以把R2的滑片P适当向下移
【解析】选B、D。要使报警的临界温度升高,R1对应的阻值减小,电路中电流会增大,电铃两端的电压会增大,而电铃电压达到一定值时,电铃会响,要使电铃的电压仍为原来的值,必须适当减小电源的电动势,相反,要使报警的临界温度降低,可以适当增大电源的电动势,故A错误,B正确;要使报警的临界温度升高,R1对应的阻值减小,根据串联电路的特点可知,将使电铃的电压增大,要使电铃的电压仍为原来的值,可以把R2的滑片P适当向上移,以减小R2,相反,要使报警的临界温度降低,可以把R2的滑片P适当向下移,故C错误,D正确。
2.(多选)如图是温度自动报警器的工作原理图,
图中1是电磁铁、2是衔铁、3是触点、4是水银温
度计。则下列说法正确的是
( )
A.温度低于警戒温度时,电铃报警
B.温度高于警戒温度时,电铃报警
C.温度低于警戒温度时,电铃控制电路处于通路
状态指示灯亮
D.温度高于警戒温度时,电铃控制电路处于通路
状态指示灯亮
【解析】选B、C。温度升高,水银面上升,因水银是导体,当温度上升到金属丝下端所指温度时,控制电路被接通,电磁铁线圈就有电流通过,电磁铁产生磁性吸引衔铁,使触点开关闭合,工作电路形成回路,电铃就响起来,发出报警信号,选项A错误,B正确。当温度低于警戒温度时,控制电路处于断路状态,电磁铁线圈没有电流通过,电磁铁没有磁性。此时指示灯通过常闭触点与工作电源接通,指示灯亮,选项C正确,D错误。
3.某同学用光敏电阻和电磁继电器等器材设计自动光控照明电路。
(1)光强(E)是表示光强弱程度的物理量,单位为坎德拉(cd)。如图(a)所示是光敏电阻阻值随光强变化的图线,由此可得到的结论是:____________。?
(2)如图(b)为电磁继电器的构造示意图,其中L为含有铁芯的线圈,P为可绕O点转动的衔铁,K为弹簧,S为一对触头,A、B、C、D为四个接线柱。工作时,应将_________(选填“A、B”或“C、D”)接照明电路。?
(3)请在图(c)中用笔画线代替导线,完成实物电路的连接。
(4)已知电源电动势为3
V,内阻很小,电磁铁线圈电阻R0=20.0
Ω,电流超过50
mA时可吸合衔铁。如果要求光强达到2cd时,照明电路恰好接通,则图(c)中定值电阻R=_________Ω。?
【解析】(1)由图(a)所示图像可知:随光照强度的增加光敏电阻阻值减小。
(2)当较小的电流经过接线柱A、B流入线圈时,电磁铁把衔铁吸下,使C、D两个接线柱所连的触点接通,较大的电流就可以通过C、D带动机器工作了。可知A、B间接控制电路,C、D为间接被控电路,即:工作时,应将C、D接照明电路。
(3)光敏电阻、定值电阻、电源与L组成控制电路,C、D与灯泡组成工作电路,
电路图如图所示:
(4)由图(a)所示图线可知,2cd对应的光敏电阻阻值:R光敏=18
Ω,
由闭合电路欧姆定律可知:
,代入数据解得:R=22
Ω。
答案:(1)随光照强度的增加光敏电阻阻值减小 (2)
C、D (3)见解析图
(4)22
【补偿训练】
某同学学习传感器后,用电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关、导线等仪器
设计了一个高温报警器,要求是:正常情况绿灯亮,有险情时电铃报警。电路
如图所示,图中仪器还不完整。请完成以下问题:
(1)图中的甲还需要放入的元件是_________。?
A.二极管
B.光敏电阻
C.NTC热敏电阻(阻值随温度升高而减小)
D.PTC热敏电阻(阻值随温度升高而增大)
(2)电路正确连接之后,该同学调试过程发现报警时温度比预期偏高了一点点。要求在温度更低一点时就开始报警,则需要调节滑动变阻器的滑动头往_________(选填“左”或“右”)移动一点。?
【解析】(1)根据要求,在常温下热敏电阻甲阻值较大,电磁铁磁性较弱,不能将衔铁吸下,此时绿灯所在电路接通,绿灯亮;温度升高,热敏电阻阻值较小,控制电路电流增大时,电磁铁磁性增大,将衔铁吸下,电铃报警。所以图中的甲还需要放入的元件是NTC热敏电阻,故选C。
(2)电路正确连接之后,该同学调试过程发现报警时温度比预期偏高了一点点,电路在热敏电阻的电阻值比较小的时候才报警,说明电路中的总电阻值比较大。要求在温度更低一点时就开始报警,则需要调节滑动变阻器,使滑动变阻器的电阻值小一些,则需要将滑动头往右移动一些。
答案:(1)C (2)右