第5章 第3节 利用传感器制作简单的自动控制装置（教师用书Word）-【状元桥·优质课堂】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第二册（人教版2019）

第3节　利用传感器制作简单的自动控制装置 [学习目标] 1.进一步理解常用传感器的工作原理及应用(物理观念).2.学会利用传感器制作自动控制装置(科学思维)． 知识点一　　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．电路设计如图所示． 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． 知识点二　　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．电路设计如图甲． 　 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，当光照强到某种程度时，发光二极管LED或小灯泡L熄灭． 1．关于门窗防盗报警装置的实验，有哪些注意事项？ 提示：(1)安装前对电磁继电器进行测试，确保电磁继电器通电时能吸合，断电时在弹簧的作用下恢复原状． (2)安装前对干簧管进行检测，观察磁铁靠近时弹簧片是否接触，磁铁离开时弹簧片是否能断开． (3)选择合适的定值电阻，保证发光二极管能正常工作． 2．在光控开关的实验中，为什么晚上时，光控电路基极b上的电压增加？ 提示：在电路中可调电阻R1与光敏电阻RG组成串联分压电路，由于光敏电阻的阻值随光照强度的增加而减小，在晚上时，光敏电阻的阻值增加，两端的电压也增加，光敏电阻两端的电压等于三极管基极b与发射极e两端的电压，当基极电压达到一定值后，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. 考点一　　防盗门报警装置 【例题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 答案　D 解析　当门打开时，R3受红外线照射，电阻减小，则总电阻减小，总电流I增大，R2两端电压UR2＝E－I(R1＋r)减小，R2中电流IR2＝减小，所以R3中电流IR3＝I－IR2增大，电磁继电器产生的磁场增强，把衔铁吸下，红灯亮，选项D正确． 【变式1】 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 答案　D 解析　电磁继电器是利用电流的磁效应工作的，发电机是利用电磁感应原理制成的，选项A错误；电磁铁的磁性强弱和电流大小、线圈的匝数及有无铁芯有关，选项B错误；由题图可知电磁铁工作时线圈中电流的方向，根据安培定则可知，电磁铁工作时，上端为N极，选项C错误；当有人闯入保密室时会使开关S闭合，电磁铁有磁性，吸引衔铁向下移动，b灯所在电路接通，b灯亮，选项D正确． 考点二　　光控开关的应用 【例题2】 高二物理课外兴趣小组的一同学在科技创新大赛中根据所学物理知识设计了一种“闯红灯违规证据模拟记录器”，如图甲所示，它可以通过拍摄照片来记录机动车辆闯红灯时的情景．它的工作原理是：当光控开关接收到某种颜色光时，开关自动闭合，且当压敏电阻受到车的压力时，其阻值随压力变化如图乙所示，当阻值变化引起电流变化达到一定值时，继电器的衔铁就被吸下，工作电路中的电控照相机开始工作，拍摄违规车辆．光控开关未受到该种光照射就自动断开