人教版(新教材)高中物理選擇性必修2學(xué)案：第3節(jié) 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)PAGEPAGE1第3節(jié)利用傳感器制作簡單的自動(dòng)控制裝置實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.通過練習(xí)組裝電子電路，獲得對(duì)自動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)的感性認(rèn)識(shí)。2.了解兩個(gè)傳感器的工作原理，利用傳感器實(shí)現(xiàn)簡單自動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)一門窗防盜報(bào)警裝置一、實(shí)驗(yàn)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(shí)，磁體M靠近干簧管SA，干簧管兩個(gè)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(dòng)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(shí)，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(dòng)觸點(diǎn)c與常閉觸點(diǎn)b接觸，蜂鳴器H發(fā)聲報(bào)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(gè)自動(dòng)的雙向開關(guān)。三、實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)二光控開關(guān)一、實(shí)驗(yàn)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。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(shí)驗(yàn)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(gè)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(gè)重要特性是，從基極輸入一個(gè)較小的電流，就會(huì)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(shí)，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(shí)，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(dòng)繼電器吸合而點(diǎn)亮小燈泡L。三、實(shí)驗(yàn)操作1.按照?qǐng)D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(shí)，就會(huì)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(shí)，則發(fā)光二極管LED或小燈泡L熄滅。如果實(shí)驗(yàn)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。核心要點(diǎn)光控開關(guān)電路分析與設(shè)計(jì)〖試題案例〗〖例1〗光敏電阻在各種自動(dòng)化裝置中有很多應(yīng)用，其中就可用于街道路燈的自動(dòng)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(qǐng)連成正確的電路，達(dá)到日出燈熄、日落燈亮的效果。〖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?！即鸢浮揭姟冀馕觥綀D〖針對(duì)訓(xùn)練1〗如圖所示，某小型電磁繼電器，其中L為含鐵芯的線圈。P為可繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵片，K為彈簧，S為一對(duì)觸頭，A、B、C、D為四個(gè)接線柱。電磁繼電器與傳感器配合，可完成自動(dòng)控制的要求，其工作方式是()A.A與B接信號(hào)電壓，C與D跟被控電路串聯(lián)B.A與B接信號(hào)電壓，C與D跟被控電路并聯(lián)C.C與D接信號(hào)電壓，A與B跟被控電路串聯(lián)D.C與D接信號(hào)電壓，A與B跟被控電路并聯(lián)〖解析〗A、B接電磁繼電器的線圈，所以A、B應(yīng)接信號(hào)電壓，線圈電流隨信號(hào)電壓變化使電磁繼電器相吸或釋放，從而使C、D接通或斷開，進(jìn)而起到控制作用，故選項(xiàng)A正確?！即鸢浮紸核心要點(diǎn)傳感器在自動(dòng)控制電路中的應(yīng)用〖試題案例〗〖例2〗如圖所示是電飯煲的電路圖，S1是一個(gè)溫控開關(guān)，手動(dòng)閉合后，當(dāng)此開關(guān)溫度達(dá)到居里點(diǎn)(103℃)時(shí)，會(huì)自動(dòng)斷開。S2是一個(gè)自動(dòng)溫控開關(guān)，當(dāng)溫度低于70℃時(shí)會(huì)自動(dòng)閉合；溫度高于80℃時(shí)，會(huì)自動(dòng)斷開。紅燈是加熱時(shí)的指示燈，黃燈是保溫時(shí)的指示燈。分流電阻R1＝R2＝500Ω，加熱電阻絲R3＝50Ω，兩燈電阻不計(jì)。(1)分析電飯煲的工作原理；(2)計(jì)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？〖解析〗(1)電飯煲盛上食物后，接上電源，S2自動(dòng)閉合，同時(shí)手動(dòng)閉合S1，這時(shí)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(dòng)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(shí)，S1自動(dòng)斷開，這時(shí)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(shí)，S2自動(dòng)閉合，電飯煲重新加熱，溫度達(dá)到80℃時(shí)，S2又自動(dòng)斷開，再次處于保溫狀態(tài)。(2)加熱時(shí)電飯煲消耗的電功率為P加＝eq\f(U2,R并)，保溫時(shí)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(shí)，S2自動(dòng)斷開，功率為P保，溫度降低到70℃，S2自動(dòng)閉合。溫度只能在70℃～80℃之間變化，不能煮熟飯。〖答案〗(1)見〖解析〗(2)12∶1(3)不能〖針對(duì)訓(xùn)練2〗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(huì)有電。房卡的作用相當(dāng)于一個(gè)________(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(shí)，只要將帶有磁鐵的卡P插入盒子Q中，這時(shí)由于磁鐵吸引簧片，開關(guān)B就接通，通過繼電器J使整個(gè)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(shí)，cd相吸，ab便接通。請(qǐng)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。〖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)干路上的電鍵。(2)將開關(guān)B與電源E、線圈連成一個(gè)回路；將三個(gè)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。〖答案〗(1)電鍵(2)見〖解析〗圖1.(溫度傳感器)如圖所示為一種溫度自動(dòng)報(bào)警器的原理圖，在水銀溫度計(jì)的頂端封入一段金屬絲，以下說法正確的是()A.溫度升高至74℃時(shí)，L1亮燈報(bào)警B.溫度升高至74℃時(shí)，L2亮燈報(bào)警C.溫度升高至78℃時(shí)，L1亮燈報(bào)警D.溫度升高至78℃時(shí)，L2亮燈報(bào)警〖解析〗當(dāng)溫度低于78℃時(shí)，線圈中沒有電流，此時(shí)僅燈L1亮；當(dāng)溫度升高到78℃時(shí)，線圈中有電流，磁鐵吸引銜鐵，燈L2被接通，所以燈L2亮報(bào)警；溫度升高至74℃時(shí)，線圈中沒有電流，只是燈L1亮?！即鸢浮紻2.(自動(dòng)水位報(bào)警裝置)如圖所示是自動(dòng)水位報(bào)警的示意圖，其中繼電器的線圈通過電流時(shí)，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(shí)綠燈亮，高出一定水位時(shí)紅燈亮，現(xiàn)有紅、綠燈泡各一個(gè)，紅燈泡應(yīng)安在________位置，綠燈泡應(yīng)安在______位置(填“A”或“B”)。〖解析〗水位正常時(shí)，線圈中沒有電流，銜鐵1與觸頭3接觸，這時(shí)應(yīng)綠燈亮，所以綠燈泡應(yīng)安在A位置，當(dāng)高出一定水位時(shí)，線圈中有電流，磁鐵吸引銜鐵1，使它與觸頭3斷開，與觸頭2接觸，這時(shí)應(yīng)紅燈亮，所以紅燈泡應(yīng)安在B位置?！即鸢浮紹A3.(磁傳感器)(多選)某同學(xué)設(shè)計(jì)的家庭電路保護(hù)裝置如圖所示，鐵芯左側(cè)線圈L1由火線和零線并行繞成。當(dāng)右側(cè)線圈L2中產(chǎn)生電流時(shí)，電流經(jīng)放大器放大后，使電磁鐵吸起鐵質(zhì)開關(guān)K，從而切斷家庭電路。僅考慮L1在鐵芯中產(chǎn)生的磁場(chǎng)，下列說法正確的有()A.家庭電路正常工作時(shí)，L2中的磁通量為零B.家庭電路中使用的電器增多時(shí)，L2中的磁通量不變C.家庭電路發(fā)生短路時(shí)，開關(guān)K將被電磁鐵吸起D.地面上的人接觸火線發(fā)生觸電時(shí)，開關(guān)K將被電磁鐵吸起〖解析〗由于零線、火線中電流方向相反，產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，所以家庭電路正常工作時(shí)，L2中的磁通量為零，選項(xiàng)A正確；家庭電路短路和用電器增多時(shí)均不會(huì)引起L2的磁通量的變化，選項(xiàng)B正確，C錯(cuò)誤；地面上的人接觸火線發(fā)生觸電時(shí)，線圈L1中磁場(chǎng)變化引起L2中磁通量的變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流，吸起K，切斷家庭電路，選項(xiàng)D正確?！即鸢浮紸BD4.(光控開關(guān))目前有些居民區(qū)內(nèi)樓道燈的控制，使用的是一種延時(shí)開關(guān)。該延時(shí)開關(guān)的簡化原理如圖所示。圖中D是紅色發(fā)光二極管(只要有很小的電流通過就能使其發(fā)出紅色亮光)，R為限流電阻，K為按鈕式開關(guān)，虛線框內(nèi)S表示延時(shí)開關(guān)電路，當(dāng)按下K接通電路瞬間，延時(shí)開關(guān)觸發(fā)，相當(dāng)于S閉合，這時(shí)釋放K后，延時(shí)開關(guān)S約在1min后斷開，電燈熄滅。根據(jù)上述信息和原理圖，我們可推斷：按鈕開關(guān)K按下前，發(fā)光二極管是________(填“發(fā)光的”或“熄滅的”)，按鈕開關(guān)K按下再釋放后，電燈L發(fā)光持續(xù)時(shí)間約________min。這一過程中發(fā)光二極管是________。限流電阻R的阻值和燈絲電阻RL相比，應(yīng)滿足R________RL的條件。〖解析〗開關(guān)K按下前，S為斷開，有電流經(jīng)過發(fā)光二極管，故發(fā)光二極管是發(fā)光的。當(dāng)按下開關(guān)K后，延時(shí)開關(guān)S閉合，二極管和R被短路，二極管不發(fā)光，由于延時(shí)開關(guān)S約1min后斷開，故電燈L能持續(xù)發(fā)光1min，由于R為限流電阻，且二極管只要有很小的電流通過就能發(fā)光，故應(yīng)滿足R?RL。〖答案〗發(fā)光的1熄滅的?5.(熱敏傳感器)利用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻制作的熱敏傳感器，一般體積很小，可以用來測(cè)量很小范圍內(nèi)的溫度變化，反應(yīng)快，而且精確度高。(1)如果將負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻與電源、電流表和其他元件串聯(lián)成一個(gè)電路，其他因素不變，只要熱敏電阻所處區(qū)域的溫度降低，電路中電流將變________(選填“大”或“小”)。(2)上述電路中，我們將電流表中的電流刻度換成相應(yīng)的溫度刻度，就能直接顯示出熱敏電阻附近的溫度。如果刻度盤正中的溫度為20℃(如圖甲所示)