2022-2023學(xué)年粵教版選擇性必修第二冊 5.3-5.4 用傳感器制作自動控制裝置 利用智能手機中的磁傳感器研究磁現(xiàn)象 學(xué)案

學(xué)習(xí)目標物理與STSE1.了解光控開關(guān)和溫度報警器的原理.2.能根據(jù)自動控制裝置電路圖組裝控制裝置eq\a\vs4\al(自動照明路燈)eq\a\vs4\al(手機中的磁知識點一光控開關(guān)和溫度報警器1.光控開關(guān)（如圖）.（1）按照電路圖將各元件組裝到集成電路實驗板上.（2）檢查各元件的連接，確保無誤.（3）接通電源，調(diào)節(jié)電阻R1，使發(fā)光二極管或燈泡在普通光照條件下不亮.（4）用黑紙漸漸遮住光敏電阻，觀察發(fā)光二極管或燈泡的狀態(tài).（5）漸漸撤掉黑紙，觀察發(fā)光二極管或燈泡的狀態(tài).（6）改變滑動變阻器的滑片位置，重復(fù)以上步驟.要想在天更黑一些路燈才會點亮，需要將滑動變阻器的阻值調(diào)大一些還是調(diào)小一些？通過做實驗驗證你的結(jié)論.2.溫度報警器（如圖）.（1）按照電路圖將各元件組裝到集成電路實驗板上.（2）檢查各元件的連接，確保無誤.（3）接通電源，調(diào)節(jié)電阻R1，使蜂鳴器常溫下不發(fā)電.（4）將熱敏電阻放入熱水中，注意蜂鳴器是否發(fā)聲.（5）將熱敏電阻從熱水中取出，注意蜂鳴器是否發(fā)聲.（6）改變滑動變阻器的滑片位置，分析變阻器的阻值大小和報警的關(guān)系.知識點二裝置原理1.實驗?zāi)康?（1）了解光控開關(guān)和溫度報警器的工作原理.（2）練習(xí)用傳感器制作自動控制設(shè)備.2.實驗原理.（1）斯密特觸發(fā)器，當輸入端A的電壓逐漸上升到某一值（1.6V）時，輸出端Y會突然從高電平跳到低電平（0.25V），甲圖中LED發(fā)光，乙圖中蜂鳴器發(fā)聲，當輸入端A電壓下降到某一值（0.8V）時，輸出端Y會從低電平跳到高電平（3.4V），甲圖中LED熄滅，乙圖中蜂鳴器停止發(fā)聲.（2）甲圖中當光線較強，RG變小，給A點提供低電平，光線暗時，RG變大，A點為高電平.（3）乙圖中溫度正常，RT較大，A點為低電平，溫度升高到一定值，RT減小到一定值，A點為高電平.（4）可以調(diào)節(jié)R1，使不同光線或溫度條件下A點獲得高電平或低電平.3.實驗器材.（1）光控開關(guān)實驗：斯密特觸發(fā)器、發(fā)光二極管、二極管、繼電器、燈泡（6V，0.3A）、可變電阻R1（最大阻值51kΩ）、電阻R2（330Ω）、光敏電阻、集成電路實驗板、直流電源（5V）、導(dǎo)線若干、黑紙.（2）溫度報警器實驗：斯密特觸發(fā)器、蜂鳴器、熱敏電阻、可變電阻R1（最大阻值1kΩ）、集成電路實驗板、直流電源（5V）、導(dǎo)線若干、燒杯（盛有熱水）.知識點三智能手機中的磁傳感器研究磁現(xiàn)象多數(shù)智能手機中都配有磁傳感器，其測量范圍一般為－810～810μT，并能夠測量磁場x、y、z三個坐標軸分量的磁感應(yīng)強度，滿足對常見磁場的測量.通過安裝相關(guān)應(yīng)用軟件，可以對各類磁現(xiàn)象進行探索與研究.小試身手1.（多選）如圖是溫度報警器的電路示意圖，下面對此電路的分析正確的是（）A.當RT的溫度升高時，其阻值減小，A端電勢降低，Y端電勢升高，蜂鳴器會發(fā)出報警聲B.當RT的溫度升高時，其阻值減小，A端電勢升高，Y端電勢降低，蜂鳴器會發(fā)出報警聲C.當增大R1時，A端電勢升高，Y端電勢降低，蜂鳴器會發(fā)出報警聲D.當增大R1時，A端電勢降低，Y端電勢升高，蜂鳴器會發(fā)出報警聲答案：BC2.傳感器的種類多種多樣，其性能也各不相同，空調(diào)機在室內(nèi)溫度達到設(shè)定的溫度后，會自動停止工作，空調(diào)機內(nèi)使用的傳感器是（）A.生物傳感器B.紅外傳感器C.溫度傳感器D.壓力傳感器答案：C探究一報警系統(tǒng)的電路1.門窗防盜報警裝置.門窗防盜報警裝置具有自動提示報警的功能.在睡覺前連接好電路，啟動防盜報警裝置.當門窗緊閉時，蜂鳴器不響，指示燈亮；當門窗被打開時，蜂鳴器發(fā)出聲音警報，指示燈滅.2.實驗器材和裝置.（1）干簧管SA：起傳感器和控制開關(guān)的作用，其中作為傳感器的作用是把門（一般固定小磁體）和門框（固定電路其他部分器材）的相對位置這一非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電路的通斷.（2）繼電器：作為執(zhí)行裝置，起到自動的雙向開關(guān)作用.干簧管兩簧片在小磁體磁場作用下接通時，繼電器線圈起到電磁鐵的作用，銜鐵帶動開關(guān)接通發(fā)光二極管電路工作；門和門框分離時，繼電器失磁，銜鐵帶動開關(guān)接通蜂鳴器電路工作.（3）發(fā)光二極管LED：具有單向?qū)щ娦?，在?dǎo)電時發(fā)光作為正常的工作提示.（4）電阻R：作為發(fā)光二極管的限流電阻，起保護作用.（5）蜂鳴器H：作為報警提醒.3.電路圖.門窗防盜報警裝置電路圖如圖所示.4.電路工作原理.閉合電路開關(guān)S，系統(tǒng)處于防盜狀態(tài).當門窗緊閉時，磁體M靠近干簧管SA，干簧管兩個簧片被磁化相吸而接通繼電器線圈K，使繼電器工作.繼電器的動觸點c與常開觸點a接通，發(fā)光二極管LED發(fā)光，顯示電路處于正常工作狀態(tài).當門窗開啟時，磁體離開干簧管，干簧管失磁斷開，繼電器被斷電.繼電器的動觸點c與常閉觸點b接通，蜂鳴器H發(fā)聲報警.5.實驗操作.（1）連接電路前，要先判斷一下干簧管是否可以正常工作.用磁體直接靠近干簧管，觀察簧片能否正常動作.（2）確定各元件可以正常工作后，按照如圖所示電路圖連接電路.（3）接通電源后，將磁體靠近和離開干簧管，分別觀察實驗現(xiàn)象.【典例1】現(xiàn)要組裝一個由熱敏電阻控制的報警系統(tǒng)，要求當熱敏電阻的溫度達到或超過60℃時，系統(tǒng)報警.提供的器材有：熱敏電阻，報警器（內(nèi)阻很小，流過的電流超過Ic時就會報警），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），滑動變阻器R1（最大阻值為1000Ω）.滑動變阻器R2（最大阻值為2000Ω），單刀雙擲開關(guān)一個，導(dǎo)線若干.在室溫下對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié).已知U約為18V，Ic約為10mA；流過報警器的電流超過20mA時，報警器可能損壞；該熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，在60℃時阻值為650.0Ω.（1）完成待調(diào)節(jié)的報警系統(tǒng)原理電路圖的連線.（2）電路中應(yīng)選用滑動變阻器（填“R1”或“R2”）.（3）按照下列步驟調(diào)節(jié)此報警系統(tǒng)：①電路接通前，需將電阻箱調(diào)到一固定的阻值，根據(jù)實驗要求，這一阻值為Ω；滑動變阻器的滑片位置于（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，緩慢移動滑動變阻器的滑片，直至________________________________________________________________________.（4）保持滑動變阻器滑片的位置不變，將開關(guān)向另一端閉合，報警系統(tǒng)即可正常使用.解析：（1）電路圖連接如圖.（2）報警器開始報警時，對整個回路有U＝Ic（R滑＋R熱），代入數(shù)據(jù)可得R滑＝1150.0Ω，因此滑動變阻器應(yīng)選擇R2.（3）①在調(diào)節(jié)過程中，電阻箱起到等效替代熱敏電阻的作用，電阻箱的阻值應(yīng)為報警器報警時熱敏電阻的阻值，即為650.0Ω.滑動變阻器在電路中為限流接法，滑片應(yīng)置于b端附近，若置于另一端a時，閉合開關(guān)，則電路中的電流I＝eq\f(18,650.0)A≈27.7mA，超過報警器最大電流20mA，報警器可能損壞.②開關(guān)應(yīng)先向c端閉合，移動滑動變阻器的滑片，直至報警器開始報警為止.答案：（1）見解析圖（2）R2（3）①650.0b接通電源后，流過報警器的電流會超過20mA，報警器可能損壞②c報警器開始報警1.如圖所示是自動水位報警器的示意圖，其中繼電器的線圈通過電流時，電磁鐵吸引銜鐵1，使它與觸頭3斷開，與觸頭2接觸.若要求水位正常時綠燈亮，高出一定水位時紅燈亮，現(xiàn)有紅、綠燈泡各一個，紅燈泡應(yīng)安在位置，綠燈泡應(yīng)安在位置.（選填“A”或“B”）解析：水位較低時，線圈中沒有電流，銜鐵1與觸頭3接觸，這時應(yīng)綠燈亮，所以綠燈泡應(yīng)安在A位置；當高出一定水位時，線圈中有電流，電磁鐵吸引銜鐵1，使它與觸頭3斷開，與觸頭2接觸，這時應(yīng)為紅燈亮，所以紅燈泡應(yīng)安在B位置.答案：BA探究二光控開關(guān)1.光控開關(guān).光控路燈可以根據(jù)光照的變化自動開啟或關(guān)閉.2.實驗器材和裝置.（1）三極管VT：是半導(dǎo)體基本元件之一，具有電流放大作用，在控制電路中常用作電子開關(guān).三極管由三個電極組成，分別是發(fā)射極e、基極b和集電極c，有NPN型和PNP型兩種.從基極輸入一個較小的電流，就會在集電極獲得較大的電流.（2）可調(diào)電阻R1：調(diào)整設(shè)定電路對周邊光亮度的反應(yīng)，在電路中能夠控制三極管的基極電流.（3）光敏電阻RG：光敏電阻隨光照強度的減小而增大，將光學(xué)量（光照強度）轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)量（電壓）.（4）發(fā)光二極管LED：模仿路燈.R2為發(fā)光二極管的限流電阻.（5）繼電器：為了驅(qū)動更大功率的負載，如采用小燈泡模仿路燈，就要使用繼電器來啟動、關(guān)閉供電電路.如圖乙中K為繼電器的線圈，S為它的常開觸點，并聯(lián)二極管D，以提供繼電器線圈產(chǎn)生的自感電流釋放的通路，從而不至于損壞三極管.3.電路圖.實驗電路如圖所示.4.電路工作原理.當環(huán)境光比較強時，光敏電阻RG的阻值很小，三極管不導(dǎo)通，發(fā)光二極管或繼電器所在的回路相當于斷路，即發(fā)光二極管不工作；繼電器處于常開狀態(tài)，小燈泡L不亮.當環(huán)境光比較弱時，光敏電阻RG的阻值變大，三極管導(dǎo)通，且獲得足夠的基極電流，產(chǎn)生較大的集電極電流，點亮發(fā)光二極管或驅(qū)動繼電器吸合而點亮小燈泡L.特別提醒問：圖甲所示電路中，要使天更暗些才點亮路燈（發(fā)光二極管發(fā)光），為什么要使R1的阻值調(diào)得更大些？答：發(fā)光二極管電路接通前，電源、R1和光敏電阻RG組成的回路中，R1和RG串聯(lián)，其電壓分配與阻值大小成正比；三極管基極與發(fā)射極電勢差等于RG兩端電壓.光敏電阻的阻值隨光照強度的減小而增大.假設(shè)某光照條件下三極管恰好導(dǎo)通，二極管發(fā)光；若增大R1的阻值，RG只有對應(yīng)比例增大，即天更暗些，三極管才會連接導(dǎo)通，保證發(fā)光二極管電路導(dǎo)通.5.實驗操作.（1）按電路圖甲、乙所示連接電路，檢查無誤后，接通電源.（2）讓光敏電阻RG受到白天較強的自然光照射，調(diào)節(jié)電阻R1使發(fā)光二極管LED或小燈泡L剛好不發(fā)光.（3）遮擋RG，當光照減弱到某種程度時，就會看到發(fā)光二極管LED或小燈泡L發(fā)光.（4）讓光照加強，當光照強到某種程度時，則發(fā)光二極管LED或小燈泡L熄滅.【典例2】光電管在各種自動化裝置中有很多應(yīng)用，街道的路燈自動控制開關(guān)就是其應(yīng)用之一，如圖所示為其模擬電路，其中A為光電管，B為電磁繼電器，C為照明電路，D為路燈.試簡述其工作原理.解析：開關(guān)合上后，白天，光電管在可見光照射下有電子逸出，從光電管陰極逸出的電子被加速到達陽極，使電路接通，電磁鐵中的強電流將銜鐵吸下，照明電路斷開，燈泡不亮.夜晚，光電管中無電子逸出，電路斷開，彈簧將銜鐵拉上，照明電路接通，這樣就達到日出路燈熄、日落路燈亮的效果.答案：見解析2.把蜂鳴器、光敏電阻、干簧管繼電器開關(guān)、電源連成電路如圖所示，制成光電報警裝置.當報警器有光照射時，蜂鳴器發(fā)聲；當沒有光照或者光照很弱時，蜂鳴器不發(fā)聲.①光敏電阻：光敏電阻受光照后，阻值會變小.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，如圖所示.當線圈中有一定的電流時，線圈產(chǎn)生的磁場使密封在干簧管內(nèi)的兩個鐵質(zhì)簧片磁化，兩個簧片在磁力作用下由原來的分離狀態(tài)變成閉合狀態(tài).當線圈中沒有電流或者電流很微弱時，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，請將電路完整連接好.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)里面的兩個接線構(gòu)成又一個回路.當有光照時，光敏電阻變小，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.答案：見解析圖,,1.光控開關(guān).eq\x(\a\al(當環(huán)境光,線變?nèi)鯐r))→eq\x(\