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学案设计

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1.了解门窗防盗报警器的原理。
2.了解光控开关的原理。
科学探究
1.培养实验动手能力,体会物理知识在实际中的应用。
科学态度与责任
1.体验从原理到应用的过程,培养科学严谨的学习态度和勇于探索的创新精神。
一、实验1 门窗防盗报警装置
1．实验器材和装置
干簧管作为传感器，用于感知磁体磁场是否存在．继电器(虚线框部分)作为执行装置．发光二极管LED作为电路正常工作提示，R为发光二极管的限流电阻，起保护作用．蜂鸣器H作为报警提醒．电路设计如图1.
图1
2．电路工作原理
当门窗紧闭时，磁体M靠近干簧管SA，干簧管两簧片被磁化相吸，继电器接通而工作．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，动触点c与常闭触点b接通，蜂鸣器H发声报警．
3．实验操作
(1)检查干簧管．用磁体直接靠近干簧管，观察干簧管簧片能否正常动作．
(2)连接电路．连接电路前，要检查其他元件是否也能正常工作．
(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．
二、实验2 光控开关
1．实验器材和装置
光敏电阻完成光信号向电信号的转变．晶体三极管将电流进行放大，同时具有完成断路和接通的开关作用．发光二极管LED模仿路灯．电路设计如图2甲．
图2
为了能够驱动更大功率的负载，需用继电器来启、闭另外的供电电路，如图乙所示．
2．电路工作原理
(1)光较强时，光敏电阻阻值小，三极管不导通，继电器断路，处于常开状态，小灯泡L不亮．
(2)光较弱时，光敏电阻阻值变大，三极管导通，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，点亮小灯泡L.
3．实验操作
(1)连接电路，检查无误后，接通电源．
(2)用白光照射光敏电阻，调节R1，使发光二极管LED或小灯泡L刚好不发光．
(3)减弱光敏电阻的光照强度，当光减弱到某种程度时，发光二极管LED或小灯泡L发光．
(4)让光照加强，当光增强到某种程度时，发光二极管LED或小灯泡L熄灭．
一、光控开关的应用
例1 （多选）（2022秋•包头月考）如图是苹果自动分拣装置的示意图。该装置把大小不同的苹果，按一定质量标准自动分拣为大苹果和小苹果。R1为压力传感器。R2为可调电阻，R2两端电压越大，电磁铁对分拣开关的衔铁吸引越强（ ）
A．压力越大R1越大
B．压力越大R1越小
C．调节R2的大小可以起到保护电路的作用
D．调节R2的大小可以改变苹果筛选的标准
二、热敏电阻的应用
例2 （2019春•华安县校级期末）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将热学量转换为电学量，热敏电阻随温度变化的图象如图甲所示，图乙是由热敏电阻R1作为传感器制作的简单自动报警器线路图，问：
（1）为了使温度过高时报警器铃响，c应接在 （填“a”或“b”）。
（2）若使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器滑片P点向 移动（填“左”或“右”）。
（3）直流电源电动势为18V（内阻不计），热敏电阻R1达到100℃电阻大小为600Ω．流过热敏电阻R1的电流超过Ic时就会报警，Ic为10mA，则滑动变阻器应选择
A．R2（0﹣200Ω） B．R2（0﹣1000Ω） C．R2（0﹣2000Ω）
三、电磁继电器与自动控制
例3 现有负温度系数的热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干。如图所示,试设计一个温控电路。要求温度低于某一温度时,电炉丝自动通电供热,超过某一温度时,又可以自动断电,画出电路图并说明工作过程。
设计自动控制电路的一般思路
(1)根据题目给出的仪器和要求画出控制电路和工作电路。
控制电路由电源、开关、光敏电阻(或热敏电阻等其他敏感元件)、电磁继电器和导线等组成;工作电路由电源、用电器(灯泡、电热丝或其他用电器)、导线等组成。这两个电路相互独立,又通过电磁继电器相关联,电磁继电器实际上是工作电路的开关。
(2)分析自控电路的合理性。
电路设计完成后,要对它的合理性进行分析,用光照射光敏电阻或对热敏电阻加热,检查工作电路的接通和断开是否符合实际要求。例如,自控路灯电路的设计要求是白天切断工作电路,使路灯熄灭,晚上接通工作电路,使路灯发光。
1.(电磁继电器)如图所示,某小型电磁继电器,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。电磁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与B接信号电压,C与D跟被控电路串联
B.A与B接信号电压,C与D跟被控电路并联
C.C与D接信号电压,A与B跟被控电路串联
D.C与D接信号电压,A与B跟被控电路并联
2.(自动控制)(多选)如图所示,全自动洗衣机中的排水阀是由程序控制器控制其动作的,当进行排水和脱水工序时,控制铁芯1的线圈通电,使铁芯2运动,从而牵引排水阀的阀门排除污水。以下说法正确的是( )
A.若输入的控制电流由a流入,由b流出,则铁芯2中A端为N极,B端为S极
B.若输入的控制电流由a流入,由b流出,则铁芯2中A端为S极,B端为N极
C.若a、b处输入交变电流,铁芯2不能被吸入线圈中
D.若a、b处输入交变电流,铁芯2仍能被吸入线圈中
3.(自动控制)(多选)某仪器内部的电路如图所示,其中M是一个质量较大的金属块,左、右两端分别与金属丝制成的弹簧相连,并套在光滑水平细杆上,当金属块处于平衡状态时,两根弹簧均处于原长,此时甲、乙两灯均不亮。若将该仪器固定在一辆汽车上,则下列说法正确的是( )
A.当汽车加速前进时,甲灯亮
B.当汽车加速前进时,乙灯亮
C.当汽车刹车时,甲灯亮
D.当汽车刹车时,乙灯亮
4.(光控电路的分析)为设计一个白天自动关灯,黑夜自动开灯的自动控制装置,可供选择的仪器如下:光敏电阻、电磁继电器、电池、交流电源、开关、导线和灯泡等。
(1)用导线连接各仪器。
(2)简述其工作原理。
5.(报警系统的电路分析)小明利用热敏电阻设计了一个过热自动报警电路,如图甲所示。将热敏电阻RT安装在需要探测温度的地方,当环境温度正常时,继电器的上触点接触,下触点分离,指示灯亮;当环境温度超过某一值时,继电器的下触点接触,上触点分离,警铃响。图甲中继电器的供电电压U1=3 V,继电器线圈用漆包线绕成,其电阻R0为30 Ω。当线圈中的电流大于等于50 mA时,继电器的衔铁将被吸合,警铃响。图乙是热敏电阻的阻值随温度变化的图像。

甲 乙
(1)由图乙可知,当环境温度为40 ℃时,热敏电阻阻值为70Ω。当环境温度升高时,热敏电阻阻值将减小,继电器的磁性将增大。(后两空均选填“增大”“减小”或“不变”)
(2)图甲中警铃的接线柱C应与接线柱B相连,指示灯的接线柱D应与接线柱A相连。(均选填“A”或“B”)
(3)图甲中线圈下端P的磁极是N(选填“N”或“S”)极。
(4)请计算说明,环境温度在什么范围内时,警铃报警。
环境温度大于等于80 ℃时,警铃报警。
一、选择题(第1~3题为单选题,第4~5题为多选题)
1.下列情况不可能是由于水位控制装置损坏引起的是( )
A.洗衣机不加水
B.洗衣机加水不能自动停止
C.洗衣机不排水
D.洗衣机不洗衣
2.下列器件是应用力传感器的是( )
A.鼠标B.火灾报警器
C.测温仪D.电子秤
3.下列说法正确的是( )
A.电饭锅中的温度传感器的主要元件是氧化铁
B.氧化铁在常温下具有铁磁性,温度很高时失去铁磁性
C.用电饭锅烧水,水开时能自动断电
D.用电饭锅煮饭时,温控开关自动断电后不能自动复位
4.（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。则下列说法正确的是（ ）
A．为了使温度过高时报警器响铃，c应接在a处
B．为了使温度过高时报警器响铃，c应接在b处
C．若使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器滑片P向右移动
D．如果在调试报警器达到最低报警温度时，无论如何调节滑动变阻器滑片P都不能使报警器工作，且电路连接完好，各电路元件都能处于工作状态，则造成工作电路不能正常工作的原因可能是乙图中左边电源电压太低
5.如图所示,全自动洗衣机中的排水阀是由程序控制器控制其动作的,当进行排水和脱水工序时,控制铁芯1的线圈通电,使铁芯2运动,从而牵引排水阀的阀门排除污水。以下说法正确的是( )
A.若输入的控制电流由a流入,由b流出,则铁芯2中A端为N极,B端为S极
B.若输入的控制电流由a流入,由b流出,则铁芯2中A端为S极,B端为N极
C.若a、b处输入交变电流,铁芯2不能被吸入线圈中
D.若a、b处输入交变电流,铁芯2仍能被吸入线圈中
6.某仪器内部的电路如图所示,其中M是一个质量较大的金属块,左、右两端分别与金属丝制成的弹簧相连,并套在光滑水平细杆上,当金属块处于平衡状态时,两根弹簧均处于原长,此时甲、乙两灯均不亮。若将该仪器固定在一辆汽车上,则下列说法正确的是( )
A.当汽车加速前进时,甲灯亮
B.当汽车加速前进时,乙灯亮
C.当汽车刹车时,甲灯亮
D.当汽车刹车时,乙灯亮
二、非选择题
7.一般的电熨斗用合金丝作发热元件,合金丝电阻随时间变化的关系如图中实线①所示,由于环境温度以及熨烫的衣物厚度、干湿等情况不同,熨斗的散热功率不同,因而熨斗的温度可能会在较大范围内波动,易损坏衣物。
有一种用主要成分为BaTiO3的特殊材料(被称为PTC)作发热元件的电熨斗,具有升温快、能自动控制温度的特点。PTC材料的电阻随温度变化的关系如图中实线②所示。根据图线分析:
(1)为什么处于冷态的PTC熨斗刚通电时比普通电熨斗升温快?
(2)通电一段时间电熨斗温度t自动稳定在 一、选择题(第1~2题为单选题,第3~4题为多选题)
1.在如图所示的电路中,电源两端的电压恒定,L为小灯泡,R为光敏电阻,D为发光二极管(电流越大,发出的光越强),且R与D间距不变,下列说法正确的是( )
A.当滑片P向左移动时,L消耗的功率增大
B.当滑片P向左移动时,L消耗的功率减小
C.当滑片P向右移动时,L消耗的功率可能不变
D.无论怎样移动滑片P,L消耗的功率都不变
2.小明为了锻炼身体,利用所学物理知识设计了一个电子拉力计,原理图如图所示。轻质弹簧右端和金属滑片P固定在一起(弹簧的电阻不计,P与R1间的摩擦不计),弹簧劲度系数为100 N/cm。定值电阻R0=5 Ω,ab是一根长为5 cm的均匀电阻丝,阻值R1=25 Ω,电源输出电压恒为U=3 V,理想电流表的量程为0~0.6 A。当拉环不受力时,滑片P处于a端。下列关于这个电路的说法错误的是( )
A.小明在电路中连入R0的目的是保护电路
B.当拉环不受力时,闭合开关后电流表的读数为0.1 A
C.当拉力为400 N时,电流表指针指在0.3 A处
D.当拉力为400 N时,电流表指针指在0.5 A处
3.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。右侧线圈L2中产生感应电流时,电流经放大器放大后,使电磁铁吸起铁质开关S而切断家庭电路。仅考虑L1在铁芯中产生的磁场,下列说法正确的有( )
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中的磁通量将增加
C.家庭电路中的电器发生短路时,开关S将被电磁铁吸起
D.地面上的人接触火线发生触电时,开关S将被电磁铁吸起
4.下图是电容式声波传感器的示意图,该电路可将声音信号转化为电信号。该电路中右侧金属板b固定不动,左侧是能在声波驱动下沿水平方向左右往复运动的镀有金属层的振动膜a,a、b构成了一个平行板电容器,且通过导线与稳压电源正、负极相接,a随声源S振动而左右往复运动。下列有关分析正确的是( )
A.a左右往复运动过程中,a、b板构成的电容器的电容不变
B.a左右往复运动过程中,b板所带的电荷量不断变化
C.a左右往复运动过程中,a、b板之间的电场强度不断变化
D.a左右往复运动过程中,灵敏电流计中始终有方向不变的电流
二、非选择题
5.有些居民区内楼道灯的控制,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。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,电灯熄灭。
按钮开关K按下前,发光二极管是 (选填“发光的”或“熄灭的”);按钮开关K按下再释放后,电灯L发光持续时间约 min,这一过程中发光二极管是 (选填“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。
6.（2023•镇海区模拟）如图甲所示为苹果自动分拣装置的示意图，该装置把大小不同的苹果，按一定质量标准自动分拣为大苹果和小苹果。该装置的托盘秤压在一个以O1为转动轴的杠杆上，杠杆末端压在压力传感器R上，R的阻值随压力变化的曲线如图乙所示。调节托盘秤压在杠杆上的位置，使质量等于分拣标准（0.20kg）的大苹果经过托盘秤时，杠杆对R的压力为1N。调节可调电阻R0，可改变R、R0两端的电压比，使质量等于分拣标准的大苹果通过托盘秤时，R0两端的电压恰好能使放大电路中的电磁铁吸动分拣开关的衔铁，此电压叫做放大电路的激励电压。该放大电路中包含保持电路，能够确保大苹果在衔铁上运动时电磁铁始终保持吸动状态。
（1）该自动分拣装置正常工作时，大苹果通过 （填“通道A”、“通道B”）。
（2）若电源电动势为5V，内阻不计，放大电路的激励电压为2V，为使该装置达到上述分拣目的，R0的阻值等于 kΩ。（结果保留两位有效数字）
（3）小镇同学想在托盘秤压在杠杆上的位置不变的情况下，利用一块电压表测出每个苹果的质量，且电压表的示数随苹果质量的增大而增大，则电压表应该并联在电阻 （填“R”、“R0”或“电源”）两端，苹果质量与电压表示数 （填“均匀”、“不均匀”）对应。
7.某同学利用传感器测量某小球运动时受到的平均空气阻力，其所用的实验装置如图甲所示，将质量为m、直径为d的金属小球从距红外线的高度为h处由静止释放，小球正下方固定着一台红外线计时器，能自动记录小球挡住红外线的时间t，d＜＜h。
（1）用游标卡尺测得小球的直径如图乙所示，则小球的直径d＝ cm。
（2）小球下落高度h时的速度大小v＝ （用测得的物理量符号表示）。
（3）已知当地重力加速度大小为g，根据题中所给的数据，可知小球在这段运动过程中受到的平均空气阻力的大小f＝ （用测量量和已知量的符号表示）。