5.3 利用传感器制作简单的自动控制装置 导学案 -2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

该高中物理导学案围绕“利用传感器制作简单的自动控制装置”展开，通过门窗防盗报警装置、光控开关等实验情境导入，衔接传感器原理与实际应用，提供实验器材解析、电路设计图示、分步操作指南等学习支架，引导学生掌握自动控制装置的制作流程。 资料以真实问题驱动科学探究，通过“实验准备-展示讨论-点评点拨-变式训练”闭环设计，强化电路模型建构与科学推理（科学思维），注重实验操作与证据分析（科学探究），结合路灯控制、电熨斗调温等生活案例渗透科学态度与责任，例題与小测设计兼顾基础与应用，有效助力核心素养培养。

3 利用传感器制作简单的自动控制装置 【课标要求】会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。 2．学会利用传感器制作自动控制装置。 【学习重难点】 重点：传感器的作用和原理。 难点：利用传感器制作自动控制装置的步骤。 课本导练 实验准备 一、门窗防盗报警装置 实验器材和装置 _________________________________________________________________________________________________________________________ 电路设计如下图。 二、光控开关及其应用 实验器材和装置 _______________________________________________________________________________________________________________________ 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，电路设计如图乙。 1．某同学设计了一个加速度计，如图所示。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．双金属温度传感器是将两种具有不同热膨胀系数的金属贴合在一起制成的。当它温度升高时，两种金属伸长不一样而发生弯曲变形，使触点接通或断开。日光灯启动器里就有一个双金属温度传感器（如图）。取一个报废的日光灯启动器，去掉外壳，在充有氖气的玻璃泡内，有一个U形的双金属片，其旁边有一根直立的金属丝，两者构成一对触点。常温下两触点是分离的，温度升高时，双金属片因形变而与金属丝接触。敲碎氖泡的玻璃，调节两触点之间的距离，使温度升高到60℃时两触点恰好接通。请你利用这个双金属温度传感器，设计一个电热水器自动加热的控制方案。当水温低于60℃时自动通电加热，高于60℃时自动断电。 展示讨论 小组讨论课本导练内容，并完成下列问题讨论且进行展示。 1．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。 2．图为电熨斗构造的示意图，其中温度敏感元件是双金属片，在温度升高时上层金属的膨胀大于下层金属，可造成双金属片的形变。观察电熨斗的构造，并回答下列问题： （1）常温下，电熨斗的上下触点应当是接触的还是分离的？当温度过高时双金属片将怎样起作用？ （2）熨烫棉麻衣物需要设定较高的温度，熨烫丝绸衣物需要设定较低的温度，这是如何利用调温旋钮来实现的？ 点评点拨 实验1：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．实验器材和装置 干簧管 SA、继电器、发光二极管 LED、限流电阻 R、开关S、电源、蜂鸣器 H、小磁体 M． （1）干簧管：_______________________________________________ （2）继电器：_______________________________________________ （3）发光二极管：_______________________________________________ 3．电路工作原理 闭合电路开关S，系统处于防盗状态．当门紧闭时，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． 4．实验操作 （1）_______________________________________________ （2）_______________________________________________ （3）_______________________________________________ 例1． 有一种路灯自动控制装置，用光敏电阻作为传感器，自动控制路灯的接通与断开。光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化，作为简化模型，可以近似认为，照射光较强（如白天）时电阻几乎为0；照射光较弱（如黑天）时电阻接近于无穷大。利用光敏电阻作为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭，黑夜打开。电磁开关的内部结构如图所示。1、2两接线柱连接励磁线圈，3、4两接线柱相当于路灯的开关，分别与弹簧片和触点连接。当励磁线圈中电流大于某个值时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分离，3、4断开；当励磁线圈中电流小于某个值时，3、4接通。 现有以下器材：励磁线圈电源 、路灯电源 、路灯灯泡、励磁线圈限流保护电阻 、光敏电阻 、电磁开关、导线开关等。 利用以上器材设计一个自动控制路灯的电路，画出电路原理图。画电路图时，光敏电阻符号是，电磁开关符号是，其他器材使用规范的电路符号。 变式训练1． 某同学在做“利用传感器制作简单的自动控制装置”的实验中，所用热敏电阻RT的阻值随温度升高而减小，由该热敏电阻RT作为传感器制作的自动报警器原理图如图所示，其中左侧为控制电路，右侧为工作电路。 (1)为了使温度过高时报警器响铃，c应接在_______(选填“a”或“b”)处。 (2)若要使启动报警的温度降低些，应将滑动变阻器的滑片P向_______(选填“上”或“下”)移动。 (3)如果报警器达到报警温度时，无论如何调节滑动变阻器的滑片P都不能使报警器响铃，检查后发现电路连接完好，各电路元件完好，则造成电路不能正常工作的原因可能是_______。 A．控制电路中电源E1的电动势过小 B．继电器中线圈匝数过多 C．继电器中弹簧劲度系数过大 实验2：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 可调电阻R、限流电阻R、光敏电阻RG、晶体三极管VT、发光二极管 LED、继电器、小灯泡L、二极管 D、电源． （1）晶体三极管VT：_______________________________________________ （2）可调电阻R：_______________________________________________ （3）发光二极管 LED：模仿路灯 （4）光敏电阻R：_______________________________________________ 3．电路工作原理 当环境光比较强时，光敏电阻R．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，小灯泡不亮． 当环境光比较弱时，光敏电阻R．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 4．实验操作 （1）_______________________________________________ （2）_______________________________________________ （3）_______________________________________________ （4）_______________________________________________ 例2． 许多会议室和宾馆房间的天花板上都装有火灾报警器。有一种火灾报警器是利用烟雾对光的散射来工作的。如图所示，带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管（也是一种晶体管，有三个电极，当光照强弱变化时，电极间的电阻随之变化）和不透明的挡板。平时，光电三极管接收不到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。 你能说说类似这种光电式传感器还能在哪些场合应用吗？ 变式训练1． 为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统，光控开头可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件（照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为lx），某光敏电阻Rp在不同照度下的阻值如下表： 照度（lx） 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 电阻（k ） 75 40 28 23 20 18 ①根据表中数据，请在给定的坐标系（见答题卡）中描绘出阻值随照度变化的曲线__________，并说明阻值随照度变化的特点________； ②如图所示，当1、2两端所加电压上升至2V时，控制开关自动启动照明系统，请利用下列器材设计一个简单电路，给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至1.0（lx）时启动照明系统，在虚线框内完成电路原理图________。（不考虑控制开关对所设计电路的影响） 提供的器材如下： 光敏电源E（电动势3V，内阻不计）；定值电阻：R1=10k ，R2=20k ，R3=40k （限选其中之一并在图中标出）；开关S及导线若干。 小结小测 一、课堂小结 二、课堂小测 1．如图所示为小型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，断电器与传感器配合，可完成自动控制的要求，对其工作方式有下列判断： ①A、B间接控制电路，C、D间接被控电路 ②A、B间接被控电路，C、D间接控制电路 ③流过L的电流减小时，C、D间电路可能断开 ④流过L的电流增大时，C、D间电路断开 以下组合的两项都正确的是（ ） A．①③　　　　 B．②④　　　　 C．①④　　　　 D．②③ 2．如图所示，电压表是理想电表，R是光敏电阻，当它受到的光照时阻值变小，则有光照射R时（ ） A．灯泡L变暗 B．光敏电阻R上的电压减小 C．电容器C的带电量减小 D．电压表V的读数变大 【参考答案】 课本导练 实验准备 【答案】 一、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。 二、光敏电阻能完成光信号向电信号的转变。晶体三极管有电流放大作用，在控制电路中常用作电子开关。发光二极管LED模仿路灯。 1．【答案】 左侧 2．【答案】 见解析 展示讨论 1．【答案】 当光照射光电二极管时，二极管导通，电路中通电流，经放大器放大后把M磁化，将衔铁吸住，使开关闭合，使机床工作；当将手伸入危险区域时，由于遮住了光线，二极管截止，电路断开，没有电流，此时M失去磁性，对衔铁没有吸引力，衔铁在弹簧弹力的作用下离开M，开关断开，机床停止工作。 2．【答案】 （1）常温下，电熨斗上的触点是接触的，当温度过高，由于上层金属的膨胀大于下层金属，使双金属片向下弯曲，弯曲到一定程度时，触点分离，电路断开，电热丝不在加热； （2）熨烫棉麻衣物需要设定较高的温度，调温旋钮应该向下旋，熨烫丝绸衣物需要设定较低的温度，调温旋钮应该向上旋。 点评点拨 实验1：门窗防盗报警装置 【答案】 2．（1）用于感知磁体磁场是否存在，在电路中起传感器和控制开关的作用． （2）用较小的电流去控制较大电流的一种“自动的双向开关”（图中虚线方框部分），在电路中起自动调节、安全保护、转换电路等作用，是电路的执行装置．继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点” （3）和普通二极管一样具有单向导电性，在导电时发光作为电路正常工作的提示． 4．（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，按照如图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 例1．【答案】 变式训练1．【答案】 (1)b；(2)上；(3)AC 实验2：光控开关 【答案】 2．（1）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．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．从基极输人一个较小的电流，就会在集电极获得较大的电流 （2）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基极电流． （4）与可调电阻R，组成串联分压电路． 4．（1）按电路图甲、乙所示连接电路，检查无误后，接通电源． （2）让光敏电阻R．受到白天较强的自然光照射，调节电阻R使发光二极管LED或小灯泡工刚好不发光． （3）遮挡R，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． 例2．【答案】 见详解 变式训练1．【答案】 ；光敏电阻的阻值随光照强度的增大非线性减小； 小结小测 二、课堂小测 1．【答案】A 2．【答案】B 90 91 学科网（北京）股份有限公司 $