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控制裝置

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第二冊PAGEPAGE1第3節(jié)利用傳感器制作簡單的自動控制裝置實驗?zāi)康?．通過練習(xí)組裝電子電路，獲得對自動控制電路設(shè)計的感性認(rèn)識。2．了解兩個傳感器的工作原理，利用傳感器實現(xiàn)簡單自動控制。實驗一門窗防盜報警裝置一、實驗器材和裝置干簧管SA、繼電器、發(fā)光二極管LED、電阻R、蜂鳴器H、電源(干電池6V)、小磁體、開關(guān)。二、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(dāng)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(diǎn)c與常開觸點(diǎn)a接觸，發(fā)光二極管LED發(fā)光，顯示電路處于正常工作狀態(tài)。當(dāng)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(diǎn)c與常閉觸點(diǎn)b接觸，蜂鳴器H發(fā)聲報警。干簧管在電路中起傳感器和控制開關(guān)的作用，繼電器則相當(dāng)于一個自動的雙向開關(guān)。三、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，按照上圖所示連接電路。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。實驗二光控開關(guān)一、實驗器材和裝置可調(diào)電阻R1、限流電阻R2、光敏電阻RG。三極管VT、發(fā)光二極管LED、繼電器、小燈泡L、二極管D、電源等。二、電路工作原理1．三極管及其工作原理晶體三極管是半導(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)。本實驗采用三極管配合光敏電阻完成光控開關(guān)的任務(wù)。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(如圖甲所示)。三極管的一個重要特性是，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。此外，三極管還具有完成斷路和接通的開關(guān)作用。甲2．光控開關(guān)電路乙當(dāng)環(huán)境光比較強(qiáng)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(dāng)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(dāng)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(diǎn)亮發(fā)光二極管或驅(qū)動繼電器吸合而點(diǎn)亮小燈泡L。三、實驗操作1．按照圖乙所示連接電路，檢查無誤后，接通電源。2．讓光敏電阻RG受到白天較強(qiáng)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(dāng)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(qiáng)，當(dāng)光照強(qiáng)到某種程度時，則發(fā)光二極管LED或小燈泡L熄滅。如果實驗現(xiàn)象不明顯，可用手電筒加強(qiáng)光照，或遮蓋光敏電阻，再進(jìn)行觀察。探究1光控電路的分析〖例1〗光敏電阻在各種自動化裝置中有很多應(yīng)用，其中就可用于街道路燈的自動控制開關(guān)，如圖所示為模擬電路，其中A為光敏電阻，B為電磁繼電器，C為照明電路，D為路燈，請連成正確的電路，達(dá)到日出燈熄、日落燈亮的效果?！即鸢浮揭姟冀馕觥綀D〖解析〗電路連接如圖所示。當(dāng)天亮?xí)r，光線照射光敏電阻A，其阻值迅速減小，控制回路電流增大，電磁繼電器B工作，吸下銜鐵使觸點(diǎn)斷開，路燈熄滅。當(dāng)夜晚降臨，光線變暗，光敏電阻A的阻值增大，控制回路電流減小，彈簧將銜鐵拉起，觸點(diǎn)接通，路燈點(diǎn)亮。〖針對訓(xùn)練〗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(dāng)報警器有光照射時，峰鳴器發(fā)聲，當(dāng)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。當(dāng)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(dāng)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?！即鸢浮揭姟冀馕觥健冀馕觥诫姵?、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(dāng)有光照時，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。探究2溫控電路的分析〖例2〗現(xiàn)要組裝一個由熱敏電阻控制的報警系統(tǒng)，要求當(dāng)熱敏電阻的溫度達(dá)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(jìn)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)在圖中完成待調(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；滑動變阻器的滑片應(yīng)置于________(填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因________________________________________________________。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?！即鸢浮?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〖解析〗(1)熱敏電阻工作溫度達(dá)到60℃時，報警器報警，故需通過調(diào)節(jié)電阻箱使其電阻為60℃時的熱敏電阻的阻值，即調(diào)節(jié)到阻值650.0Ω，使報警器能正常報警，電路圖如圖所示。(2)U＝18V，通過報警器的電流10mA≤Ic≤20mA，故電路中總電阻R＝eq\f(U,Ic)，即900Ω≤R≤1800Ω，故滑動變阻器選R2。(3)熱敏電阻阻值為650.0Ω時，報警器開始報警，模擬熱敏電阻的電阻箱的阻值也應(yīng)為650.0Ω，實驗調(diào)試時，將開關(guān)置于c端，緩慢調(diào)節(jié)滑動變阻器，直到報警器開始報警。為防止通過報警器電流過大，造成報警器燒壞，應(yīng)使滑動變阻器的滑片置于b端。探究3自動控制電路的設(shè)計〖例3〗如圖甲所示為某賓館的房卡，只有把房卡插入槽中，房間內(nèi)的燈和插座才會有電。房卡的作用相當(dāng)于一個________(填電路元件名稱)接在干路上。如圖乙所示，當(dāng)房客進(jìn)門時，只要將帶有磁鐵的卡P插入盒子Q中，這時由于磁鐵吸引簧片，開關(guān)B就接通，通過繼電器J使整個房間的電器的總開關(guān)接通，房客便能使用室內(nèi)各種用電器。當(dāng)繼電器工作時，cd相吸，ab便接通。請你將各接線端1、2、3、4、5、6、7、8、9、10適當(dāng)?shù)剡B接起來，構(gòu)成正常的電門卡電路?！即鸢浮?1)開關(guān)(2)見〖解析〗圖〖解析〗(1)房卡可以控制房間內(nèi)的燈和插座，不插入槽中，所有房間內(nèi)的燈和插座都不工作，所以房卡相當(dāng)干路上的開關(guān)。(2)將開關(guān)B與電源E、線圈連成一個回路；將三個燈泡所在電路與交流電源接成回路，即按8—7，4—5，6—9，1—3，2—10連接起來，構(gòu)成正常的電門卡電路，如圖所示。1．(光控電路的分析)光敏電阻在各種自動化裝置中有很多應(yīng)用。街道路燈自動控制就是應(yīng)用之一，如圖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為電流信號放大器，D為路燈。請連成正確的電路，達(dá)到日出路燈熄、日落路燈亮的效果?！即鸢浮揭姟冀馕觥綀D〖解析〗當(dāng)有光照射時，電流經(jīng)過放大器輸出一個較大的電流，驅(qū)動電磁繼電器吸合，使兩個觸點(diǎn)斷開；當(dāng)無光照時，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．(溫控電路的分析)如圖所示是電飯煲的電路圖，S1是一個溫控開關(guān)，手動閉合后，當(dāng)此開關(guān)溫度達(dá)到居里點(diǎn)(103℃)時，會自動斷開。S2是一個自動溫控開關(guān)，當(dāng)溫度低于70℃時會自動閉合；溫度高于80℃時，會自動斷開。紅燈是加熱時的指示燈，黃燈是保溫時的指示燈。分流電阻R1＝R2＝500Ω，加熱電阻絲R3＝50Ω，兩燈電阻不計。(1)分析電飯煲的工作原理；(2)計算加熱和保溫兩種狀態(tài)下，電飯煲消耗的電功率之比；(3)簡要回答，如果不閉合開關(guān)S1，能將飯煮熟嗎？〖答案〗(1)見〖解析〗(2)12∶1(3)不能〖解析〗(1)電飯煲盛上食物后，接上電源，S2自動閉合，同時手動閉合S1，這時黃燈被短路，紅燈亮，電飯煲處于加熱狀態(tài)，加熱到80℃，S2自動斷開，S1仍閉合；繼續(xù)加熱，當(dāng)鍋內(nèi)水分被吸收，食物溫度升高到103℃時，S1自動斷開，這時飯已煮熟，黃燈亮，電飯煲處于保溫狀態(tài)；由于散熱，待溫度降至70℃時，S2自動閉合，電飯煲重新加熱，溫度達(dá)到80℃時，S2又自動斷開，再次處于保溫狀態(tài)。(2)加熱時電飯煲消耗的電功率為P加＝eq\f(U2,R并)，保溫時電飯煲消耗的電功率為P保＝eq\f(U2,R1＋R并)，R并＝eq\f(R2R3,R2＋R3)＝eq\f(500×50,500＋50)Ω＝eq\f(500,11)Ω則eq\f(P加,P保)＝eq\f(R1＋R并,R并)＝eq\f(500Ω＋\f(500,11)Ω,\f(500,11)Ω)＝eq\f(12,1)。(3)如果不閉合開關(guān)S1，開始S2總是閉合的，R1被短路，功率為P加，當(dāng)溫度上升到80℃時，S2自動斷開，功率為P保，溫度降低到70℃，S2自動閉合。溫度只能在70℃～80℃之間變化，不能煮熟飯。3．(自動控制電路設(shè)計)如圖是某研究學(xué)習(xí)小組模擬街道路燈自動控制電路的電路圖，光控開關(guān)可采用光敏電阻來控制，光敏電阻的阻值隨著光照強(qiáng)度增強(qiáng)而減小，利用直流電源為電磁鐵供電，利用照明電源為路燈供電。為達(dá)到天亮燈熄、天暗燈亮的效果，路燈應(yīng)接在__________(選填“A、B”或“B、C”)之間，請用筆畫線代替導(dǎo)線，正確連接部分電路元件。