高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册3 利用传感器制作简单的自动控制装置优质导学案

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【学习目标】
1.会利用干簧管制作简单的自动控制装置，如门窗防盗报警装置。
2.会利用光敏电阻制作简单的自动控制装置，如光控开关。
3.通过制作自动控制装置，初步养成针对学习和生活中的问题，设计方案、动手实践的意识和习惯。
【学习重难点】
【教学重点】了解门窗防盗装置、光控电路的实验电路图及工作原理，并知道电磁继电器、三极管的基本功能。
【教学难点】通过学习门窗防盗装置、光控电路的实验过程及原理能够制作简单的自动控制装置，并可以对相关题目进行定性分析与相应的定量计算。
【知识回顾】
1．光敏电阻
(1)特点：光照越强，电阻__________________。
(2)原因：光敏电阻的构成物质硫化镉为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能__________________；随着光照的增强，载流子__________________，导电性__________________。
(3)作用：把__________________这个光学量转换为__________________这个电学量。
2．金属热电阻
金属的电阻率随温度的升高而增大，用金属丝可以制作__________________传感器，称为热电阻，如图所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。
3．热敏电阻
热敏电阻由半导体材料制成，其电阻值随温度的变化非常__________________，如图所示为某一热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线。
4．电阻应变片
(1)定义：其电阻随着它所受__________________的变化而变化的力敏元件。
(2)分类：金属电阻应变片和半导体电阻应变片。
(3)力传感器：由__________________和电阻应变片组成，是电子秤中所使用的测力器件。
(4)电容式传感器：通过测定电容器的电容来确定极板的正对面积、极板间的距离以及极板间的电介质中某个物理量变化的传感器。
【自主学习】
实验一 门窗防盗报警装置
一、实验目的
1．了解门窗防盗报警装置的工作原理。
2．了解干簧管和继电器的特点和在装置中的作用。
二、实验原理
1．干簧管
(1)特点：感知磁场是否存在的传感器。
(2)作用：将磁场的存在与否转换为电路的通断。
2．继电器
(1)特点：继电器线圈中有电流通过时，开关与触点a接通，无电流时，开关与触点b接通。
(2)作用：将继电器中电流的有无转换为指示灯和蜂鸣器电路的控制，相当于一个自动的双向开关。
3．实验电路
4．工作原理
闭合开关S，系统处于防盗状态，当门窗紧闭时，磁体M使干簧管处于导通状态，继电器使开关c与触点a接通，二极管LED发光。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，使开关转换为c、b接通，蜂鸣器H发声报警。
三、实验器材
干簧管SA、继电器、发光二极管LED、电阻R(330 Ω)、蜂鸣器H、电源、小磁体、开关等。
四、实验步骤
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，按照实验电路图连接电路。
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
一、实验目的
1．了解光控开关的工作原理。
2．练习利用光控开关制作自动控制设备。
二、实验原理
1．晶体三极管
(1)两种类型
(2)三个电极
①发射极e，②基极b，③集电极c。
(3)重要特性
①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，这就是三极管的电流放大作用。
②在控制电路中具有完成断路和接通的开关作用。
2．光控开关
(1)电路图
(2)工作原理
当光照较强时，RG较小，加在基极上电压较小，三极管不导通，LED不亮；当光线较弱时，RG阻值增大，加在基极上电压增大，当达到一定程度后，三极管被导通，发光二极管LED开始发光。
3．光控开关控制电路
(1)电路图
(2)工作原理
当环境光比较强时，光敏电阻RG的阻值很小，三极管不导通，继电器所在的回路相当于断路；当环境光线比较暗时，光敏电阻RG阻值较大，三极管导通，集电极电流较大，驱动继电器吸合开关S，点亮灯泡L。(注：与继电器并联的二极管D，提供自感电流释放通路，以保护三极管不被烧坏。)
三、实验器材
可调电阻R1(最大电阻为51 kΩ)、限流电阻R2(330 Ω)、光敏电阻RG、三极管VT、发光二极管LED、继电器、小灯泡L(6 V、0.3 A)、二极管D、电源等。
四、实验步骤
1．按照实验电路图连接电路，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，当光照增强到某种程度时，发光二极管LED或小灯泡L熄灭。
五、注意事项
1．安装前，对器材进行测试，确保各元件性能良好后，再进行安装。
2．光控开关实验中，二极管连入电路的极性不能反接，否则将烧坏门电路集成块。
3．光控开关实验中要想天更暗时“路灯”才会亮，应该把R1的阻值调大些。
【课堂探究】
【新课引入】
当门窗紧闭时，蜂鸣器不响，指示灯亮；当门窗被打开时，蜂鸣器发出声音警报，指示灯灭。在天色暗到一定程度时让路灯自动开启，而在天明时自动熄灭。如何设计电路？
【新课教学】
任务一、门窗防盗报警装置
（一）实验器材及作用
实验室提供以下器材：电源、导线、开关、干簧管、继电器、蜂鸣器、发光二极管、电阻、小磁体。
请解释以下干簧管、继电器、发光二极管作用？
干簧管：
继电器：
发光二极管：
你能根据以上器材设计出门窗报警器的电路吗？
实验原理
实验操作
请梳理实验步骤，并进行实验。
任务二、光控开关
实验器材
实验室提供以下器材：
可调电阻、限流电阻、光敏电阻、暗电阻、亮电阻、三极管、发光二极管、继电器、小灯泡、二极管、电源
请说明三极管和发光二极管的作用？
三极管：
三极管电路符号及实物图
发光二极管：
实验原理
实验操作及实验现象
请梳理实验步骤，并进行实验。
【自我测评】
1．如图所示是一位同学设计的防盗门报警器的简化电路示意图。门打开时，红外光敏电阻R3受到红外线照射，电阻减小；门关闭时会遮蔽红外线源(红外线源没有画出)。经实际试验，可知灯的亮灭情况能反映门的开关状态。门打开时两灯的发光情况及R2两端电压UR2与门关闭时相比( )
A．红灯亮，UR2变大 B．绿灯亮，UR2变大
C．绿灯亮，UR2变小D．红灯亮，UR2变小
2．设计一个自动防盗报警电路，要求：晚间房门被打开，细导线EF被扯断，电铃发声自动报警。把如图所示的电路元件连成电路。
3．目前有些居民区楼道灯的控制使用的是一种延时开关，该延时开关的简化原理如图所示。图中D是红色发光二极管(只要有很小的电流通过，就能使其发出红色亮光)，R为限流电阻，K为按钮式开关，虚线框内S表示延时开关电路，当按下K接通电路瞬间，延时开关触发，相当于S闭合，这时释放K后，延时开关S约在1 min后断开，灯泡熄灭。根据上述信息和原理图，我们可推断：按钮式开关K按下前，发光二极管是________(填“发光的”或“熄灭的”)；将按钮式开关K按下再释放后，灯泡L发光持续时间约________ min，这一过程中发光二极管是________(填“发光的”或“熄灭的”)。限流电阻R的阻值和灯丝电阻RL相比，应满足R________RL的条件。
4．某研究学习小组设计的模拟街道路灯自动控制系统的电路图如图所示，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，利用照明电源为电灯供电。为达到天亮灯熄、天黑灯亮的效果，电灯应接在________(选填“A、B”或“B、C”)之间，请用笔画线代替导线，将电路补充完整。
【学后反思】本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？