5.3利用传感器制作简单的自动控制装置 课件-2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

第五章 传感器 3.利用传感器制作简单的自动控制装置 教学目标 CONTENT 01 02 03 在实验中通过动手组装，激发学习兴趣，培养良好的科学态度 会利用传感器制作简单的自动控制装置 知道干簧管、光敏电阻、电磁继电器等功能 2 观看视频，神奇的机器工人 新课引入 新课引入 传感器是构成自动控制系统的必要环节。如果没有传感器对原始信息进行准确、可靠的捕捉和转换，那么一切控制将无法实现。 我们提供了两个利用传感器实现简单自动控制的实验，只有自己动手进行组装和调试，才会对传感器的作用有更深切的体会。 门窗防盗报警装置 光控开光 1. 功能 门窗防盗报警装置具有自动提示报警的功能。在睡觉前连接好电路，启动防盗报警装置。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。 2. 构造 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。干簧管可将门与门框的相对位置这一非电学量转换为电路的通断。 门窗防盗报警装置 一 实验探究 如图是可实现上述功能的简易报警电路，采用干簧管作为传感器，用于感知磁体磁场是否存在。继电器（虚线方框部分）作为执行装置。发光二极管LED作为电路正常工作提示。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，起保护作用 。蜂鸣器 H 作为报警提醒。 3. 功能实验器材和装置 门窗防盗报警装置电路图 4. 实验基本元件及参数 序号 名称 规格型号 数量 1 干簧管 SA 常开型 1 2 继电器 JQX-14FC 5 V 1 3 发光二极管 LED 绿色 1 4 电阻 R 330 Ω 1 5 蜂鸣器 H 有源型 1 6 电源 干电池 6 V 1 7 小磁体 1 8 开关 1 5. 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， 干簧管失磁断开，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。 6. 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。 光控开关 二 1. 光控路灯的作用 光控路灯可以根据光照的变化自动开启或关闭。怎样能够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？我们可以利用光敏电阻来完成这一任务。用发光二极管或小灯泡代表路灯。 2. 晶体三极管 在控制电路中，由于光敏电阻的工作电流很微弱，不能直接驱动执行机构工作，因此一般都需要配置一定的放大电路实现控制。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。 实验探究 3. 实验电路 实验电路如图所示。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。下面提供两种模拟的光控开关电路，用发光二极管或小灯泡代表路灯。 光控开关电路 4. 实验基本元件及参数 序号 名称 规格型号 数量 1 可调电阻 R1 最大电阻为 51 kΩ 1 2 限流电阻 R2 330 Ω 1 3 光敏电阻 RG 暗电阻 > 1 MΩ 亮电阻 < 3 kΩ 1 4 三极管 VT 8050 1 5 发光二极管 LED 红色 1 6 继电器 HRS1H-S 5 V 或 JQX-14FC 5 V 1 7 小灯泡 L 6 V 0.3 A 1 8 二极管 D IN4001 1 9 电源 干电池 6 V 1 5. 电路工作原理 当环境光比较强时，光敏电阻RG的阻值很小，三极管不导通，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。 6. 实验操作 （1）按如图所示电路连接电路，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。 视频：光控开关 拓展学习： 双金属片温度传感器在电熨斗中的应用 原理:热胀冷缩 常温下两触点分离。温度升高，两种金属膨胀性能不同，双金属片形状发生变化，使触点接触。 双金属片温度传感器 1.常温下，上、下触点应是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小，则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热．温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用． 2.熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，此时可通过调温旋钮调节升降螺丝，升降螺丝带动弹性钢片升降，从而改变触点接触的难易，达到控制在不同温度的目的． 拓展学习： 烟雾散射式火灾报警器 报警器带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板．平时，光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态．烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小．与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报． 天花板上的火灾报警器 结构和原理 典例精析 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． 解析：当天亮时，光敏电阻减小，控制回路电流增大，电磁继电器B工作，触点断开，路灯熄灭. 夜晚降临，光敏电阻增大．控制回路电流减小，触点接通，路灯点亮． 课堂小结 一、门窗防盗报警装置 二、光控开关 三、拓展学习：双金属片、烟雾散射式火灾报警器 跟踪练习 1.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．以下说法中正确的是(　　) 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 解析：若电流由a流入，b流出，根据右手定则，螺线管左端为N极，铁芯2被磁化后，A端为N极，A正确，无论接交流电或直流电，铁芯2都会被通电螺线管磁化，D正确。 AD 2．如图所示，A是浮子，B是金属触头，C为住宅楼房顶上的蓄水池，M是带水泵的电动机，D是弹簧，E是衔铁，F是电磁铁，S1、S2分别为触点开关，S为开关，J为电池．请利用上述材料，设计一个住宅楼房顶上的自动注水装置． (1)连接电路图； (2)简述其工作原理(涉及的元件可用字母 代替)． 解析：合上开关S，当浮子上升使B接触到S1时，左侧电路(控制电路)工作，电磁铁F拉下衔铁E，使S2断开，电动机M不工作，当水位下降使B与S1脱离，电路停止工作，F无磁性，D拉动E，使S2接通，M工作。 3.演示位移传感器的工作原理如图所示，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑杆p，通过电压表显示的数据，来反映物体位移的大小x。假设电压表是理想的，则下列说法正确的是 ( ) A. 物体M运动时，电源内的电流会发生变化 B. 物体M运动时，电压表的示数会发生变化 C. 物体M不动时，电路中没有电流 D. 物体M不动时，电压表没有示数 B 解析：电压表测的是如图所示阴影部分电阻分到的电压，回路中流过电源的电流不变，M运动时，电阻变化，分到的电压也变化，M不动时，电压不变。 4.如图甲为在温度为10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻R1=20 kΩ，R2=10 kΩ，R3=40 kΩ，Rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示．当 a、b端电压 Uab<0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当Uab>0时，电压鉴别器使 S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在______℃． 35 解析： 时，Uab=0，Rt=20kΩ，由图，温度为35℃ 本节内容结束 $$