利用传感器制作简单的自动控制装置+导学案 高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

第第页题目5.2利用传感器制作简单的自动控制装置课型新课日期12月份学习目标1.了解门窗防盗报警装置的原理。2.了解光控开关的原理。3.培养实验动手能力，体会物理知识在实际中的应用。基础知识实验一门窗防盗报警装置1．实验目的(1)了解门窗防盗报警装置的工作原理；(2)练习使用传感器自动控制设备。2．电路设计如图1所示，门的上沿嵌入一小块永磁体M，门框内与M相对的位置嵌入干簧管SA，并将干簧管接入报警电路。干簧管可将这一非电学量转换为。3．实验器材和装置如图2所示，采用干簧管作为，用于感知磁体磁场是否存在。继电器(虚线方框部分)作为装置。发光二极管LED作为电路工作提示。发光二极管和普通二极管一样具有单向导电性，而且在导电时还能发光，有红、绿、黄等多种颜色。R为发光二极管的限流电阻，起作用。蜂鸣器H作为提醒。4．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接通，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，继电器被断电。继电器的动触点c与常闭触点b接通，蜂鸣器H发声。5．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，观察簧片能否正常工作。(2)确定各元件可以正常工作后，按照如图2所示电路图连接电路。(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1．实验目的：了解光控开关电路及控制原理，会组装光控开关。2．实验器材和装置(1)晶体三极管：具有作用，在控制电路中常用作。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)，从输入一个较小的电流，就会在获得较大的电流。(2)电路设计实验电路如图甲、乙所示。光控电路用发光二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻，R2为发光二极管的限流电阻。可调电阻R1与光敏电阻RG组成串联分压电路，把光敏电阻因光照而发生的电阻变化，转换为电压的变化，加载到三极管VT的基极b上(图甲)。当基极电压达到一定程度后，三极管被导通，从而使得由电源正极经电阻R2、发光二极管、三极管集电极和发射极到达电源负极的回路被导通。可调电阻R1的作用是调整设定电路对周边光亮度的反应，在电路中能够控制三极管的电流。如果把R1阻值调得更大些，就会在天更时才点亮路灯。为了能够驱动更大功率的负载，如采用小灯泡模仿路灯，就要使用继电器来启、闭另外的供电电路，如图乙中K为继电器的线圈，S为它的常开触点。为了防止继电器释放衔铁时线圈中的自感电动势损坏三极管，必须给线圈并联一只二极管D，以提供自感电流释放的通路。3．电路工作原理当环境光比较强时，光敏电阻RG的阻值，三极管，发光二极管或继电器所在的回路相当于，即发光二极管；继电器处于状态，小灯泡L。当环境光比较弱时，光敏电阻RG的阻值，三极管，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。4．实验操作(1)按照图甲、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。课堂拓展1.某同学设计了一个加速度计，如图5.3-6所示。较重的滑块2可以在光滑的框架1中平移，滑块两侧用弹簧3拉着；R为滑动变阻器，4是滑动片，它与电阻器任一端之间的电阻值都与它到这端的距离成正比。这个装置就是一个加速度传感器。两个电池E的电压相同。按图连接电路后，电压表指针的零点位于表盘中央，当P端的电势高于Q端时，指针向零点右侧偏转。将框架固定在运动的物体上，当物体具有图示方向的加速度a时，电压表的指针将向哪个方向偏转?简述你分析的过程。2.工人在锻压机、冲床、钻床等机器上劳动时，稍有不慎就会把手压在里面，造成工伤事故，工厂中大都是利用光电控制设备来避免事故发生的。如图5.3-8所示为光控继电器的示意图，它由电源、光电二极管（当有光照射时，二极管导通，没有光照时，二极管截止）、放大器、电磁继电器等几部分组成。这样，当工人不慎将手伸入危险区域时，由于遮住了光线，光控继电器衔铁立即带动开关，使机床停止工作，避免事故发生。请简述光控继电器的原理。3.某同学在研究性学习活动中自制电子秤，原理示意图如图5-5所示。用理想电压表的示数指示物体的质量，托盘与电阻可忽略的金属弹簧相连，托盘与弹簧的质量均不计，滑动变阻器R的滑动端与弹簧上端连接。当托盘中没有放物体时，滑片恰好指在变阻器的最上端，此时电压表示数为0。设变阻器总电阻为R，总长度为l，电源电动势为E，内阻为r，限流电阻阻值为R0，弹簧劲度系数为k，不计一切摩擦和其他阻力。试推导出电压表示数U与所称物体质量m的关系式。随堂检测4．图甲为一种家用门窗防盗报警器，由磁条和主机组成，图乙为其简化示意图。安装时，将磁条固定在门上，主机安装在与其等高的门框边缘，门关上时，两者刚好靠近在一起。当主机开关闭合时，若门被打开，磁条与主机分离，主机内的触发器就会工作，带动报警器发出报警声。下列有关说法正确的是()A．触发器内是一个开关，当主机与磁条靠近时，开关是断开的B．触发器可以由铜制成C．磁条的两极对调后，该报警器不能正常工作D．本装置是利用电流的磁效应工作的5.(多选)如图所示为门窗防盗报警器实验中使用的电磁继电器的构造示意图，其中L为含铁芯的线圈，P为可绕O点转动的铁片，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线柱。继电器与传感器配合，可完成自动控制的要求，其工作方式是()A．A、B间接控制电路，C、D间接被控电路B．A、B间接被控电路，C、D间接控制电路C．流过L的电流减小时，C、D间电路断开D．流过L的电流增大时，C、D间电路断开6.如图所示是某保密室的防盗报警电路，当有人闯入保密室时会使开关S闭合。下列说法正确的是()A．电磁继电器与发电机工作原理相同B．电磁铁的磁性强弱只与电流大小有关C．电磁铁工作时，上端为S极D．当有人闯入保密室时，b灯亮7．如图所示是一种水位自动报警器的原理示意图。当杯中的水位到达金属块B时，出现的情况是()A．L1灯亮B．L2灯亮C．L1、L2两灯同时亮D．L1、L2两灯都不亮8．（多选）某同学设计的家庭电路保护装置如图所示。铁芯左侧线圈L1由火线和零线并行绕成。当右侧线圈L2中产生电流时，电流经放大器放大后，使电磁铁吸起铁质开关K，从而切断家庭电路。仅考虑L1在铁芯中产生的磁场，下列说法正确的是()A．家庭电路正常工作时，L2中的磁通量为零B．家庭电路中使用的电器增多时，L2中的磁通量不变C．家庭电路发生短路时，开关K将被电磁铁吸起D．地面上的人接触火线发生触电时，开关K将被电磁铁吸起9.（多选）传感器担负着信息的采集任务，在自动控制中发挥着重要作用，传感器能够将感受到的物理量(如温度、光、声等)转换成便于测量的量(通常是电学量)，例如热敏传感器，主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻。热敏电阻阻值随温度变化的图线如图甲所示，图乙是由热敏电阻RT作为传感器制作的简单自动报警器的线路图。则下列说法正