人教版(新教材)高中物理选择性必修2学案：5 3 利用传感器制作简单的自动控制装置

人教版(新教材)高中物理选择性必修第二册PAGEPAGE1第3节利用传感器制作简单的自动控制装置实验目的1．通过练习组装电子电路，获得对自动控制电路设计的感性认识。2．了解两个传感器的工作原理，利用传感器实现简单自动控制。实验一门窗防盗报警装置一、实验器材和装置干簧管SA、继电器、发光二极管LED、电阻R、蜂鸣器H、电源(干电池6V)、小磁体、开关。二、电路工作原理闭合电路开关S，系统处于防盗状态。当门窗紧闭时，磁体M靠近干簧管SA，干簧管两个簧片被磁化相吸而接通继电器线圈K，使继电器工作。继电器的动触点c与常开触点a接触，发光二极管LED发光，显示电路处于正常工作状态。当门窗开启时，磁体离开干簧管，干簧管失磁断开，继电器被断电。继电器的动触点c与常闭触点b接触，蜂鸣器H发声报警。干簧管在电路中起传感器和控制开关的作用，继电器则相当于一个自动的双向开关。三、实验操作1．连接电路前，要先判断一下干簧管是否可以正常工作。用磁体直接靠近干簧管，观察簧片能否正常动作。2．确定各元件可以正常工作后，按照上图所示连接电路。3．接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，分别观察实验现象。实验二光控开关一、实验器材和装置可调电阻R1、限流电阻R2、光敏电阻RG。三极管VT、发光二极管LED、继电器、小灯泡L、二极管D、电源等。二、电路工作原理1．三极管及其工作原理晶体三极管是半导体基本元件之一，具有电流放大作用，在控制电路中常用作电子开关。本实验采用三极管配合光敏电阻完成光控开关的任务。三极管由三个电极组成，分别是发射极e，基极b和集电极c，有NPN型和PNP型两种(如图甲所示)。三极管的一个重要特性是，从基极输入一个较小的电流，就会在集电极获得较大的电流。此外，三极管还具有完成断路和接通的开关作用。甲2．光控开关电路乙当环境光比较强时，光敏电阻RG的阻值很小，三极管不导通，发光二极管或继电器所在的回路相当于断路，即发光二极管不工作；继电器处于常开状态，小灯泡L不亮。当环境光比较弱时，光敏电阻RG的阻值变大，三极管导通，且获得足够的基极电流，产生较大的集电极电流，点亮发光二极管或驱动继电器吸合而点亮小灯泡L。三、实验操作1．按照图乙所示连接电路，检查无误后，接通电源。2．让光敏电阻RG受到白天较强的自然光照射，调节电阻R1使发光二极管LED或小灯泡L刚好不发光。3．遮挡RG，当光照减弱到某种程度时，就会看到发光二极管LED或小灯泡L发光。4．让光照加强，当光照强到某种程度时，则发光二极管LED或小灯泡L熄灭。如果实验现象不明显，可用手电筒加强光照，或遮盖光敏电阻，再进行观察。探究1光控电路的分析〖例1〗光敏电阻在各种自动化装置中有很多应用，其中就可用于街道路灯的自动控制开关，如图所示为模拟电路，其中A为光敏电阻，B为电磁继电器，C为照明电路，D为路灯，请连成正确的电路，达到日出灯熄、日落灯亮的效果。〖答案〗见〖解析〗图〖解析〗电路连接如图所示。当天亮时，光线照射光敏电阻A，其阻值迅速减小，控制回路电流增大，电磁继电器B工作，吸下衔铁使触点断开，路灯熄灭。当夜晚降临，光线变暗，光敏电阻A的阻值增大，控制回路电流减小，弹簧将衔铁拉起，触点接通，路灯点亮。〖针对训练〗把蜂鸣器、光敏电阻、干簧管继电器开关、电源连成电路如图所示，制成光电报警装置。当报警器有光照射时，峰鸣器发声，当没有光照或者光照很弱时，蜂鸣器不发声。①光敏电阻：光敏电阻受光照后，阻值会变小。②干簧管继电器开关：由干簧管和绕在干簧管外的线圈组成。当线圈中有一定的电流时，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化，两个簧片在磁力作用下由原来的分离状态变成闭合状态。当线圈中没有电流或者电流很微弱时，磁场消失，簧片在弹力的作用下恢复到分离状态。电路已经连接一部分，请将电路完整连接好。〖答案〗见〖解析〗〖解析〗电池、光敏电阻与开关及干簧管继电器开关外面接线构成一个回路；而另一组电池、蜂鸣器与干簧管继电器开关里面的两个接线构成又一个回路。当有光照时，光敏电阻阻值变小，使得干簧管继电器开关存在磁场，导致开关接通，最终使得蜂鸣器发声，电路如图所示。探究2温控电路的分析〖例2〗现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60℃时，系统报警。提供的器材有：热敏电阻，报警器(内阻很小，流过的电流超过Ic时就会报警)，电阻箱(最大阻值为999.9Ω)，直流电源(输出电压为U，内阻不计)，滑动变阻器R1(最大阻值为1000Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值为2000Ω)，单刀双掷开关一个，导线若干。在室温下对系统进行调节，已知U约为18V，Ic约为10mA；流过报警器的电流超过20mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60℃时阻值为650.0Ω。(1)在图中完成待调节的报警系统原理电路图的连线。(2)电路中应选用滑动变阻器________(填“R1”或“R2”)。(3)按照下列步骤调节此报警系统：①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为________Ω；滑动变阻器的滑片应置于________(填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因________________________________________________________。②将开关向________(填“c”或“d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至____________________________________________________________________。(4)保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用。〖答案〗(1)见〖解析〗图(2)R2(3)①650.0b接通电源后，流过报警器的电流会超过20mA，报警器可能损坏②c报警器开始报警〖解析〗(1)热敏电阻工作温度达到60℃时，报警器报警，故需通过调节电阻箱使其电阻为60℃时的热敏电阻的阻值，即调节到阻值650.0Ω，使报警器能正常报警，电路图如图所示。(2)U＝18V，通过报警器的电流10mA≤Ic≤20mA，故电路中总电阻R＝eq\f(U,Ic)，即900Ω≤R≤1800Ω，故滑动变阻器选R2。(3)热敏电阻阻值为650.0Ω时，报警器开始报警，模拟热敏电阻的电阻箱的阻值也应为650.0Ω，实验调试时，将开关置于c端，缓慢调节滑动变阻器，直到报警器开始报警。为防止通过报警器电流过大，造成报警器烧坏，应使滑动变阻器的滑片置于b端。探究3自动控制电路的设计〖例3〗如图甲所示为某宾馆的房卡，只有把房卡插入槽中，房间内的灯和插座才会有电。房卡的作用相当于一个________(填电路元件名称)接在干路上。如图乙所示，当房客进门时，只要将带有磁铁的卡P插入盒子Q中，这时由于磁铁吸引簧片，开关B就接通，通过继电器J使整个房间的电器的总开关接通，房客便能使用室内各种用电器。当继电器工作时，cd相吸，ab便接通。请你将各接线端1、2、3、4、5、6、7、8、9、10适当地连接起来，构成正常的电门卡电路。〖答案〗(1)开关(2)见〖解析〗图〖解析〗(1)房卡可以控制房间内的灯和插座，不插入槽中，所有房间内的灯和插座都不工作，所以房卡相当干路上的开关。(2)将开关B与电源E、线圈连成一个回路；将三个灯泡所在电路与交流电源接成回路，即按8—7，4—5，6—9，1—3，2—10连接起来，构成正常的电门卡电路，如图所示。1．(光控电路的分析)光敏电阻在各种自动化装置中有很多应用。街道路灯自动控制就是应用之一，如图所示电路为模拟电路，其中A为一光敏电阻，B为电磁继电器，C为电流信号放大器，D为路灯。请连成正确的电路，达到日出路灯熄、日落路灯亮的效果。〖答案〗见〖解析〗图〖解析〗当有光照射时，电流经过放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸合，使两个触点断开；当无光照时，电流减小，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个触点闭合，控制路灯电路接通，路灯开始工作，电路如图所示。2．(温控电路的分析)如图所示是电饭煲的电路图，S1是一个温控开关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点(103℃)时，会自动断开。S2是一个自动温控开关，当温度低于70℃时会自动闭合；温度高于80℃时，会自动断开。红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示灯。分流电阻R1＝R2＝500Ω，加热电阻丝R3＝50Ω，两灯电阻不计。(1)分析电饭煲的工作原理；(2)计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比；(3)简要回答，如果不闭合开关S1，能将饭煮熟吗？〖答案〗(1)见〖解析〗(2)12∶1(3)不能〖解析〗(1)电饭煲盛上食物后，接上电源，S2自动闭合，同时手动闭合S1，这时黄灯被短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态，加热到80℃，S2自动断开，S1仍闭合；继续加热，当锅内水分被吸收，食物温度升高到103℃时，S1自动断开，这时饭已煮熟，黄灯亮，电饭煲处于保温状态；由于散热，待温度降至70℃时，S2自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到80℃时，S2又自动断开，再次处于保温状态。(2)加热时电饭煲消耗的电功率为P加＝eq\f(U2,R并)，保温时电饭煲消耗的电功率为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则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)如果不闭合开关S1，开始S2总是闭合的，R1被短路，功率为P加，当温度上升到80℃时，S2自动断开，功率为P保，温度降低到70℃，S2自动闭合。温度只能在70℃～80℃之间变化，不能煮熟饭。3．(自动控制电路设计)如图是某研究学习小组模拟街道路灯自动控制电路的电路图，光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻的阻值随着光照强度增强而减小，利用直流电源为电磁铁供电，利用照明电源为路灯供电。为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果，路灯应接在__________(选填“A、B”或“B、C”)之间，请用笔画线代替导线，正确连接部分电路元件。