人教版(新教材)高中物理選擇性必修2學(xué)案：5 3 利用傳感器制作簡單的自動(dòng)控制裝置

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第二冊(cè)PAGEPAGE13利用傳感器制作簡單的自動(dòng)控制裝置〖學(xué)習(xí)目標(biāo)〗1.進(jìn)一步理解常用傳感器的工作原理及應(yīng)用.2.學(xué)會(huì)利用傳感器制作簡單的自動(dòng)控制裝置．一、實(shí)驗(yàn)1門窗防盜報(bào)警裝置1．實(shí)驗(yàn)器材和裝置干簧管作為傳感器，用于感知磁體磁場是否存在．繼電器(虛線框部分)作為執(zhí)行裝置．發(fā)光二極管LED作為電路正常工作〖提*示〗，R為發(fā)光二極管的限流電阻，起保護(hù)作用．蜂鳴器H作為報(bào)警提醒．電路設(shè)計(jì)如圖1.圖12．電路工作原理當(dāng)門窗緊閉時(shí)，磁體M靠近干簧管SA，干簧管兩簧片被磁化相吸，繼電器接通而工作．當(dāng)門窗開啟時(shí)，磁體離開干簧管，干簧管失磁斷開，繼電器被斷電，動(dòng)觸點(diǎn)c與常閉觸點(diǎn)b接通，蜂鳴器H發(fā)聲報(bào)警．3．實(shí)驗(yàn)操作(1)檢查干簧管．用磁體直接靠近干簧管，觀察干簧管簧片能否正常動(dòng)作．(2)連接電路．連接電路前，要檢查其他元件是否也能正常工作．(3)接通電源后，將磁體靠近和離開干簧管，分別觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．二、實(shí)驗(yàn)2光控開關(guān)1．實(shí)驗(yàn)器材和裝置光敏電阻完成光信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)變．晶體三極管將電流進(jìn)行放大，同時(shí)具有完成斷路和接通的開關(guān)作用．發(fā)光二極管LED模仿路燈．電路設(shè)計(jì)如圖2甲．圖2為了能夠驅(qū)動(dòng)更大功率的負(fù)載，需用繼電器來啟、閉另外的供電電路，如圖乙所示．2．電路工作原理(1)光較強(qiáng)時(shí)，光敏電阻阻值小，三極管不導(dǎo)通，繼電器斷路，處于常開狀態(tài)，小燈泡L不亮．(2)光較弱時(shí)，光敏電阻阻值變大，三極管導(dǎo)通，產(chǎn)生較大的集電極電流，點(diǎn)亮發(fā)光二極管或驅(qū)動(dòng)繼電器吸合，點(diǎn)亮小燈泡L.3．實(shí)驗(yàn)操作(1)連接電路，檢查無誤后，接通電源．(2)用白光照射光敏電阻，調(diào)節(jié)R1，使發(fā)光二極管LED或小燈泡L剛好不發(fā)光．(3)減弱光敏電阻的光照強(qiáng)度，當(dāng)光減弱到某種程度時(shí)，發(fā)光二極管LED或小燈泡L發(fā)光．(4)讓光照加強(qiáng)，當(dāng)光增強(qiáng)到某種程度時(shí)，發(fā)光二極管LED或小燈泡L熄滅．一、光控開關(guān)的應(yīng)用把蜂鳴器、光敏電阻、干簧管繼電器開關(guān)、電源連成電路如圖3所示，制成光電報(bào)警裝置．當(dāng)報(bào)警器有光照射時(shí)，峰鳴器發(fā)聲，當(dāng)沒有光照或者光照很弱時(shí)，蜂鳴器不發(fā)聲．①光敏電阻：光敏電阻受光照后，阻值會(huì)變小．②干簧管繼電器開關(guān)：由干簧管和繞在干簧管外的線圈組成．當(dāng)線圈中有一定的電流時(shí)，線圈產(chǎn)生的磁場使密封在干簧管內(nèi)的兩個(gè)鐵質(zhì)簧片磁化，兩個(gè)簧片在磁力作用下由原來的分離狀態(tài)變成閉合狀態(tài)．當(dāng)線圈中沒有電流或者電流很微弱時(shí)，磁場消失，簧片在彈力的作用下恢復(fù)到分離狀態(tài)．電路已經(jīng)連接一部分，請(qǐng)將電路完整連接好．圖3〖答案〗見〖解析〗〖解析〗電池、光敏電阻與開關(guān)及干簧管繼電器開關(guān)外面接線構(gòu)成一個(gè)回路；而另一組電池、蜂鳴器與干簧管繼電器開關(guān)里面的兩個(gè)接線構(gòu)成又一個(gè)回路．當(dāng)有光照時(shí)，光敏電阻阻值變小，使得干簧管繼電器開關(guān)存在磁場，導(dǎo)致開關(guān)接通，最終使得蜂鳴器發(fā)聲，電路如圖所示．二、熱敏電阻的應(yīng)用(2016·全國卷Ⅰ)現(xiàn)要組裝一個(gè)由熱敏電阻控制的報(bào)警系統(tǒng)，要求當(dāng)熱敏電阻的溫度達(dá)到或超過60℃時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警．提供的器材有：熱敏電阻，報(bào)警器(內(nèi)阻很小，流過的電流超過Ic時(shí)就會(huì)報(bào)警)，電阻箱(最大阻值為999.9Ω)，直流電源(輸出電壓為U，內(nèi)阻不計(jì))，滑動(dòng)變阻器R1(最大阻值為1000Ω)，滑動(dòng)變阻器R2(最大阻值為2000Ω)，單刀雙擲開關(guān)一個(gè)，導(dǎo)線若干．在室溫下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，已知U約為18V，Ic約為10mA；流過報(bào)警器的電流超過20mA時(shí)，報(bào)警器可能損壞；該熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，在60℃時(shí)阻值為650.0Ω.(1)完成如圖4所示待調(diào)節(jié)的報(bào)警系統(tǒng)原理電路圖的連線．圖4(2)電路中應(yīng)選用滑動(dòng)變阻器________(填“R1”或“R2”)．(3)按照下列步驟調(diào)節(jié)此報(bào)警系統(tǒng)：①電路接通前，需將電阻箱調(diào)到一固定的阻值，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，這一阻值為________Ω；滑動(dòng)變阻器的滑片應(yīng)置于________(填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是_____________________________________________________________________________．②將開關(guān)向________(填“c”或“d”)端閉合，緩慢移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片，直至____________________________________________________________________________．(4)保持滑動(dòng)變阻器滑片的位置不變，將開關(guān)向另一端閉合，報(bào)警系統(tǒng)即可正常使用．〖答案〗(1)見〖解析〗圖(2)R2(3)①650.0b接通電源后，流過報(bào)警器的電流會(huì)超過20mA，報(bào)警器可能損壞②c報(bào)警器開始報(bào)警〖解析〗(1)熱敏電阻工作溫度達(dá)到60℃時(shí)，報(bào)警器報(bào)警，故需通過調(diào)節(jié)電阻箱使其電阻為60℃時(shí)的熱敏電阻的阻值，即調(diào)節(jié)到阻值650.0Ω，使報(bào)警器能正常報(bào)警，電路圖如圖所示．(2)U＝18V，當(dāng)通過報(bào)警器的電流10mA≤Ic≤20mA，故電路中總電阻R＝eq\f(U,Ic)，即900Ω≤R≤1800Ω，故滑動(dòng)變阻器選R2.(3)熱敏電阻阻值為650.0Ω時(shí)，報(bào)警器開始報(bào)警，模擬熱敏電阻的電阻箱阻值也應(yīng)為650.0Ω，實(shí)驗(yàn)調(diào)試時(shí)，將開關(guān)置于c端，緩慢調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，直到報(bào)警器開始報(bào)警．為防止通過報(bào)警器電流過大，造成報(bào)警器燒壞，應(yīng)使滑動(dòng)變阻器的滑片置于b端．1．光敏電阻在各種自動(dòng)化裝置中有很多應(yīng)用．街道路燈自動(dòng)控制就是應(yīng)用之一，如圖5所示電路為模擬電路，其中A為一光敏電阻，B為電磁繼電器，C為電流信號(hào)放大器，D為路燈．請(qǐng)連成正確的電路，達(dá)到日出路燈熄、日落路燈亮的效果．圖5〖答案〗見〖解析〗圖〖解析〗當(dāng)有光照射時(shí)，電流經(jīng)過放大器輸出一個(gè)較大的電流，驅(qū)動(dòng)電磁繼電器吸合，使兩個(gè)觸點(diǎn)斷開；當(dāng)無光照時(shí)，電流減小，放大器輸出電流減小，電磁繼電器釋放銜鐵，使兩個(gè)觸點(diǎn)閉合，控制路燈電路接通，路燈開始工作，電路如圖所示．2．如圖6甲所示為一熱敏電阻的R－t圖像，圖乙為用此熱敏電阻R和繼電器組成的一個(gè)簡單恒溫箱溫控電路，繼電器線圈的電阻為200Ω.當(dāng)線圈中的電流大于或等于20mA時(shí)，繼電器的銜鐵被吸合．為繼電器線圈供電電池的電動(dòng)勢E＝8V，內(nèi)阻可以不計(jì)．圖中的“電源”是恒溫箱加熱電源．圖6(1)圖甲說明熱敏電阻的阻值隨著溫度的升高而________(選填“增大”“減小”或“不變”)．(2)應(yīng)該把恒溫箱內(nèi)加熱器接________(選填“AB”或“CD”)端．(3)如果要使恒溫箱內(nèi)的溫度保持100℃，滑動(dòng)變阻器R1接入電路的電阻值為________Ω.〖答案〗(1)減小(2)AB(3)150〖解析〗(1)由題圖甲可知熱敏電阻的阻值隨著溫度的升高而減?。?2)當(dāng)溫度較低的時(shí)候，熱敏電阻的阻值較大，電路中的電流較小，此時(shí)繼電器的銜鐵與AB部分連接，此時(shí)是需要加熱的，恒溫箱內(nèi)的加熱器要工作，所以應(yīng)該把恒溫箱內(nèi)的加熱器接在AB端．(3)當(dāng)溫度達(dá)到100℃時(shí)，加熱電路就要斷開，此時(shí)繼電器的銜鐵要被吸合，即控制電路的電流要達(dá)到20mA＝0.02A，根據(jù)閉合電路歐姆定律可得：I＝eq\f(E,R＋R1＋R0)，解得：R1＝150Ω.3利用傳感器制作簡單的自動(dòng)控制裝置〖學(xué)習(xí)目標(biāo)〗1.進(jìn)一步理解常用傳感器的工作原理及應(yīng)用.2.學(xué)會(huì)利用傳感器制作簡單的自動(dòng)控制裝置．一、實(shí)驗(yàn)1門窗防盜報(bào)警裝置1．實(shí)驗(yàn)器材和裝置干簧管作為傳感器，用于感知磁體磁場是否存在．繼電器(虛線框部分)作為執(zhí)行裝置．發(fā)光二極管LED作為電路正常工作〖提*示〗，R為發(fā)光二極管的限流電阻，起保護(hù)作用．蜂鳴器H作為報(bào)警提醒．電路設(shè)計(jì)如圖1.圖12．電路工作原理當(dāng)門窗緊閉時(shí)，磁體M靠近干簧管SA，干簧管兩簧片被磁化相吸，繼電器接通而工作．當(dāng)門窗開啟時(shí)，磁體離開干簧管，干簧管失磁斷開，繼電器被斷電，動(dòng)觸點(diǎn)c與常閉觸點(diǎn)b接通，蜂鳴器H發(fā)聲報(bào)警．3．實(shí)驗(yàn)操作(1)檢查干簧管．用磁體直接靠近干簧管，觀察干簧管簧片能否正常動(dòng)作．(2)連接電路．連接電路前，要檢查其他元件是否也能正常工作．(3)接通電源后，將磁體靠近和離開干簧管，分別觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．二、實(shí)驗(yàn)2光控開關(guān)1．實(shí)驗(yàn)器材和裝置光敏電阻完成光信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)變．晶體三極管將電流進(jìn)行放大，同時(shí)具有完成斷路和接通的開關(guān)作用．發(fā)光二極管LED模仿路燈．電路設(shè)計(jì)如圖2甲．圖2為了能夠驅(qū)動(dòng)更大功率的負(fù)載，需用繼電器來啟、閉另外的供電電路，如圖乙所示．2．電路工作原理(1)光較強(qiáng)時(shí)，光敏電阻阻值小，三極管不導(dǎo)通，繼電器斷路，處于常開狀態(tài)，小燈泡L不亮．(2)光較弱時(shí)，光敏電阻阻值變大，三極管導(dǎo)通，產(chǎn)生較大的集電極電流，點(diǎn)亮發(fā)光二極管或驅(qū)動(dòng)繼電器吸合，點(diǎn)亮小燈泡L.3．實(shí)驗(yàn)操作(1)連接電路，檢查無誤后，接通電源．(2)用白光照射光敏電阻，調(diào)節(jié)R1，使發(fā)光二極管LED或小燈泡L剛好不發(fā)光．(3)減弱光敏電阻的光照強(qiáng)度，當(dāng)光減弱到某種程度時(shí)，發(fā)光二極管LED或小燈泡L發(fā)光．(4)讓光照加強(qiáng)，當(dāng)光增強(qiáng)到某種程度時(shí)，發(fā)光二極管LED或小燈泡L熄滅．一、光控開關(guān)的應(yīng)用把蜂鳴器、光敏電阻、干簧管繼電器開關(guān)、電源連成電路如圖3所示，制成光電報(bào)警裝置．當(dāng)報(bào)警器有光照射時(shí)，峰鳴器發(fā)聲，當(dāng)沒有光照或者光照很弱時(shí)，蜂鳴器不發(fā)聲．①光敏電阻：光敏電阻受光照后，阻值會(huì)變小．②干簧管繼電器開關(guān)：由干簧管和繞在干簧管外的線圈組成．當(dāng)線圈中有一定的電流時(shí)，線圈產(chǎn)生的磁場使密封在干簧管內(nèi)的兩個(gè)鐵質(zhì)簧片磁化，兩個(gè)簧片在磁力作用下由原來的分離狀態(tài)變成閉合狀態(tài)．當(dāng)線圈中沒有電流或者電流很微弱時(shí)，磁場消失，簧片在彈力的作用下恢復(fù)到分離狀態(tài)．電路已經(jīng)連接一部分，請(qǐng)將電路完整連接好．圖3〖答案〗見〖解析〗〖解析〗電池、光敏電阻與開關(guān)及干簧管繼電器開關(guān)外面接線構(gòu)成一個(gè)回路；而另一組電池、蜂鳴器與干簧管繼電器開關(guān)里面的兩個(gè)接線構(gòu)成又一個(gè)回路．當(dāng)有光照時(shí)，光敏電阻阻值變小，使得干簧管繼電器開關(guān)存在磁場，導(dǎo)致開關(guān)接通，最終使得蜂鳴器發(fā)聲，電路如圖所示．二、熱敏電阻的應(yīng)用(2016·全國卷Ⅰ)現(xiàn)要組裝一個(gè)由熱敏電阻控制的報(bào)警系統(tǒng)，要求當(dāng)熱敏電阻的溫度達(dá)到或超過60℃時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警．提供的器材有：熱敏電阻，報(bào)警器(內(nèi)阻很小，流過的電流超過Ic時(shí)就會(huì)報(bào)警)，電阻箱(最大阻值為999.9Ω)，直流電源(輸出電壓為U，內(nèi)阻不計(jì))，滑動(dòng)變阻器R1(最大阻值為1000Ω)，滑動(dòng)變阻器R2(最大阻值為2000Ω)，單刀雙擲開關(guān)一個(gè)，導(dǎo)線若干．在室溫下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，已知U約為18V，Ic約為10mA；流過報(bào)警器的電流超過20mA時(shí)，報(bào)警器可能損壞；該熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，在60℃時(shí)阻值為650.0Ω.(1)完成如圖4所示待調(diào)節(jié)的報(bào)警系統(tǒng)原理電路圖的連線．圖4(2)電路中應(yīng)選用滑動(dòng)變阻器________(填“R1”或“R2”)．(3)按照下列步驟調(diào)節(jié)此報(bào)警系統(tǒng)：①電路接通前，需將電阻箱調(diào)到一固定的阻值，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，這一阻值為________Ω；滑動(dòng)變阻器的滑片應(yīng)置于________(填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是_____________________________________________________________________________．②將開關(guān)向________(填“c”或“d”)端閉合，緩慢移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片，直至____________________________________________________________________________．(4)保持滑動(dòng)變阻器滑片的位置不變，將開關(guān)向另一端閉合，報(bào)警系統(tǒng)即可正常使用．〖答案〗(1)見〖解析〗圖(2)R2(3)①650.0b接通電源后，流過報(bào)警器的電流會(huì)超過20mA，報(bào)警器可能損壞②c報(bào)警器開始報(bào)警〖解析〗(1)熱敏電阻工作溫度達(dá)到60℃時(shí)，報(bào)警器報(bào)警，故需通過調(diào)節(jié)電阻箱使其電阻為60℃時(shí)的熱敏電阻的阻值，即調(diào)節(jié)到阻值650.0Ω，使報(bào)警器能正常報(bào)警，電路圖如圖所示．(2)U＝18V，當(dāng)通過報(bào)警器的電流10mA≤Ic≤20mA，故電路中總電阻R＝eq\f(U,Ic)，即900Ω≤R≤1800Ω，故滑動(dòng)變阻器選R2.(3)熱敏電阻阻值為650.0Ω時(shí)，報(bào)警器開始報(bào)警，模擬熱敏電阻的電阻箱阻值也應(yīng)為650.0Ω，實(shí)驗(yàn)調(diào)試時(shí)，將開關(guān)置于c端，緩慢調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，直到報(bào)警器開始報(bào)警．為防止通過報(bào)警器電流過大，造成報(bào)警器燒壞，應(yīng)使滑動(dòng)變阻器的滑片置于b端．1．光敏電阻在各種自動(dòng)化裝置中有很多應(yīng)用．街道路燈自動(dòng)控制就是應(yīng)用之一，如圖5所示電路為模擬電路，其中A為一光敏電阻，B為電磁繼電器，C為電流信號(hào)放大器，D為路燈．請(qǐng)連成正確的電路，達(dá)到日出路燈熄、日落路燈亮的效果．圖5〖答案〗見〖解析〗圖〖解析〗當(dāng)有光照射時(shí)，電流經(jīng)過放大器輸出一個(gè)較大的電流，驅(qū)動(dòng)電磁繼電器吸合，使兩個(gè)觸點(diǎn)斷開；當(dāng)無光照時(shí)，電流減小，放大器輸出電流減小，電磁繼電器釋放銜鐵，使兩個(gè)觸點(diǎn)閉合，控制路燈電路接通，路燈開始工作，電路如圖所示．2．如圖6甲所示為一熱敏電阻的R－t圖像，圖乙為用此熱敏電阻R和繼電器組成的一個(gè)簡單恒溫箱溫控電路，繼電器線圈的電阻為200Ω.當(dāng)線圈中的電流大于或等于20mA時(shí)，繼電器的銜鐵被吸合．為繼電器線圈供電電池的電動(dòng)勢E＝8V，內(nèi)阻可以不計(jì)．圖中的“電源”是恒溫箱加熱電源．圖6(1)圖甲說明熱敏電阻的阻值隨著溫度的升高而________(選填“增大”“減小”或“不變”)．(2)應(yīng)該把恒溫箱內(nèi)加熱器接________(選填“AB”或“CD”)端．