16.4 电磁继电器与自动控制（导学案）物理新教材沪粤版九年级下册

16.4 电磁继电器与自动控制（导学案） 【学习目标】 2022年课程标准 物理素养 3.4.4 结合实例，认识电磁继电器的组成和工作原理。了解电磁继电器在自动控制和安全操作中的应用，体会电与磁的应用价值。 物理观念：明确电磁继电器的组成（电磁铁、衔铁等）及“以弱控强、以低控高”的核心特性，区分控制电路与工作电路，建立电磁控制的具象认知。 科学思维：通过分析电磁继电器的工作过程，归纳控制电路与工作电路的联动规律，能拆解自动控制装置的工作逻辑，发展模型建构与逻辑推理能力。 科学探究：参与电磁继电器的连接与调试实验，掌握“对比法”观察通断电时的结构变化，提升电路分析和实验操作能力。 科学态度与责任：了解电磁继电器在高压操作、机器人等领域的安全应用，认识科技对生产生活的保障作用；通过设计自动浇水装置，培养创新实践与跨学科应用意识。 【学习重点】 1．电磁继电器的基本组成（电磁铁、衔铁、复位弹簧、触点）及各部件作用； 2．电磁继电器的工作原理（控制电路通断→电磁铁磁性变化→衔铁动作→工作电路切换）； 3．控制电路与工作电路的区分及联动关系； 4．电磁继电器在水位报警器、温度报警器等自动控制装置中的应用原理。 【学习难点】 1．控制电路（低压弱电流）对工作电路（高压强电流）的控制逻辑拆解； 2．衔铁动作与触点状态转换（常开/常闭）的动态分析； 3．结合传感器（湿度、温度、光敏）的自动控制电路工作过程分析。 【自主预习】阅读教材，完成以下问题： 1．电磁继电器是利用电磁铁来控制工作电路的一种装置，其核心优势是实现弱控制强、低控制高（填“强/弱”“高/低”），保障操作安全。 2．如图16-4-2，电磁继电器的主要组成部件包括：电磁铁、衔铁、复位弹簧和触点（触点分为常开和常闭）。 3．电磁继电器的电路分为两部分：由低压电源、电磁铁线圈、开关组成的控制电路，和由高压电源、用电器、触点组成的工作电路；控制电路的通断决定工作电路的通断。 4．当控制电路闭合时，电磁铁产生磁性，吸引衔铁，带动触点动作，使常闭触点断开、常开触点闭合，实现工作电路的切换；控制电路断开时，电磁铁失去磁性，衔铁在复位弹簧作用下复位，触点恢复初始状态。 5．电磁继电器的典型应用场景有：电磁起重机（高压电路操作）、遥控机器人（危险场所控制）、机器人控制系统等。 【课堂探究】 探究一、认识电磁继电器的组成与结构 1．探究目标 （1）识别电磁继电器的核心部件，明确各部件的功能； （2）区分常开触点与常闭触点的初始状态差异。 2．探究过程 （1）观察器材：电磁继电器实物、结构图16-4-2。 （2）部件识别与功能分析： 组成部件 核心功能 电磁铁 通电磁性，吸引衔铁；断电磁性消失 衔铁 受电磁铁引力带动触点动作，复位弹簧辅助复位 复位弹簧 控制电路断开时，使衔铁回到初始位置 静触点（常闭） 初始状态接通（接通/断开），衔铁动作后断开（接通/断开） 静触点（常开） 初始状态断开（接通/断开），衔铁动作后接通（接通/断开） 3．探究结论 （1）电磁继电器的核心驱动部件是电磁铁，其磁性变化是电路切换的“动力源”； （2）常开与常闭触点的“初始状态”是指控制电路断开时的状态，二者状态始终相反。 【例题1】 电磁继电器中，能实现“通断控制”的核心部件是（ ） A．衔铁 B．复位弹簧 C．电磁铁 D．触点 【答案】C 【解析】 电磁铁的通电磁性、断电磁性消失，直接控制衔铁动作，进而实现触点切换，是电路控制的核心，C正确；其他部件均为辅助执行部件。 探究二、探究电磁继电器的工作原理 1．探究目标 （1）通过连接电路，观察控制电路通断对工作电路的影响，归纳工作流程； （2）明确“控制电路→电磁铁→衔铁→触点→工作电路”的联动关系。 2．探究过程 （1）实验器材：电磁继电器、低压电源（3V，控制电路用）、高压电源（12V，工作电路用）、开关S₁（控制电路）、开关S₂（工作电路）、绿灯、红灯、导线。 （2）电路连接：参照图16-4-3，连接两部分电路： ① 控制电路：低压电源→开关S₁→电磁继电器线圈，形成闭合回路； ② 工作电路：高压电源→开关S₂→绿灯（接常闭触点A、B）→红灯（接常开触点B、C）→电磁继电器触点，形成闭合回路。 （3）实验观察与记录： 控制电路状态（S₁） 电磁铁磁性 衔铁状态 触点连接（A-B/B-C） 工作电路发光情况（绿/红灯） 断开 无 复位 A-B接通，B-C断开 绿灯亮，红灯不亮 闭合 有 被吸引 A-B断开，B-C接通 红灯亮，绿灯不亮 3．探究结论 （1）电磁继电器工作的核心逻辑：控制电路控制工作电路（用“控制电路”“工作电路”填空），即通过低压弱电流的通断，控制高压强电流的通断； （2）完整工作流程：控制电路闭合→电磁铁吸合衔铁→触点切换→工作电路状态改变；控制电路断开→电磁铁失磁→衔铁复位→工作电路恢复初始状态。 【例题2】关于电磁继电器的电路，下列说法正确的是（ ） A．控制电路是高压强电流电路 B．工作电路依赖复位弹簧驱动 C．控制电路通断决定工作电路状态 D．触点直接控制电磁铁磁性 【答案】C 【解析】 控制电路是低压弱电流，A错误；工作电路由触点控制，复位弹簧控制衔铁而非工作电路，B错误；控制电路通断决定电磁铁磁性，进而控制工作电路，C正确；电磁铁磁性控制触点，而非相反，D错误。 探究三、电磁继电器在自动控制中的应用 1．探究目标 （1）拆解水位报警器、温度报警器的工作原理，明确传感器与继电器的协同作用； （2）能分析简单自动控制电路的“触发条件→控制过程→工作结果”逻辑链。 2．探究过程 （1）实例1：水位报警器（图16-4-6） ① 结构分析：控制电路包括电源、水位探针、电磁继电器线圈；工作电路包括电源、绿灯（低水位）、红灯（高水位）、继电器触点。 ② 工作过程： 低水位时：探针未被水接通，控制电路断开→电磁铁无磁性→衔铁复位→工作电路接绿灯→绿灯亮； 高水位时：水导电使探针接通，控制电路闭合→电磁铁吸合衔铁→触点切换→工作电路接红灯→红灯亮。 （2）实例2：温度自动报警器（图16-4-7） ① 结构分析：控制电路包括电源、汞温度计（内置金属丝）、电磁继电器线圈；工作电路包括电源、报警灯、继电器触点。 ② 工作过程： 温度低于设定值：汞柱未接触金属丝，控制电路断开→电磁铁无磁性→报警灯不亮； 温度达到设定值：汞柱上升接触金属丝，控制电路闭合→电磁铁吸合衔铁→工作电路接通→报警灯亮。 （3）实例3：光敏电阻控制电路（图16-4-8） 电路要求“光暗时灯亮，光亮时灯灭”，但调试时灯始终亮着（元件正常），分析如下： ① 电路工作原理（正常情况）：当光暗时，光敏电阻阻值大→控制电路（光敏电阻 + 滑动变阻器 + 电磁铁）电流小→电磁铁磁性弱→衔铁不吸合→灯所在的工作电路接通→灯亮；当光亮时，光敏电阻阻值小→控制电路电流大→电磁铁磁性强→衔铁被吸合→灯所在的工作电路断开→灯灭。 ② 故障原因分析（灯始终亮）：灯始终亮，说明光亮时电磁铁未吸合衔铁，即控制电路的电流不足，导致电磁铁磁性太弱。 可能的问题 控制电路的电源电压过低：即使光亮时光敏电阻阻值变小，控制电路的总电阻减小，但电源电压低，使得电路电流仍较小，电磁铁磁性不足，无法吸引衔铁； 滑动变阻器接入阻值过大：光亮时光敏电阻阻值减小，但滑动变阻器阻值太大，导致控制电路总电阻仍较大，电流不足，电磁铁磁性不够。 ③ 改进方法：针对 “电源电压低”：提高控制电路的电源电压，增大控制电路的电流，使光亮时电磁铁获得足够磁性； 针对 “滑动变阻器阻值大”：减小滑动变阻器接入电路的阻值，降低控制电路总电阻，使光亮时光敏电阻减小后，电路能产生足够大的电流，让电磁铁吸合衔铁。 3．探究结论 （1）自动控制电路的核心模块：传感器（感知信号，如水、温度、光）→控制元件（处理信号并控制通断）→电磁继电器（执行电路切换）→用电器（工作）； （2）电磁继电器的“自动控制”本质：利用物理量变化（物理量变化）转化为控制电路的“通断信号”，实现无需人工操作的电路切换。 【例题3】水位报警器中，水的作用是（ ） A．直接控制工作电路 B．作为控制电路的“开关” C．增强电磁铁磁性 D．驱动衔铁动作 【答案】B 【解析】 水具有导电性，高水位时使控制电路的探针接通，相当于闭合控制电路的“开关”，B正确；水不直接作用于工作电路、电磁铁或衔铁，A、C、D错误。 【例题4】 简述温度报警器中“汞温度计内置金属丝”的作用。 【答案】 汞温度计内置的金属丝与汞柱配合，构成控制电路的“温度触发开关”：当温度达到设定值时，汞柱上升与金属丝接触，接通控制电路，触发电磁继电器动作，使报警灯亮。 【归纳整理】 【课堂练习】 题组A 基础过关练 1．物理兴趣小组在老师的指导下设计了如图所示的天然气泄漏报警电路，电源电压恒定不变，为可调电阻，为气敏电阻，其阻值随天然气浓度的增大而减小。天然气无泄漏时指示灯发光；天然气泄漏时，蜂鸣器报警。下列判断正确的是（   ） A．当蜂鸣器报警时，灯泡同时发光 B．若控制电路电压降低，报警浓度将减小 C．若要调低报警浓度，可调大的阻值 D．天然气浓度增大，电磁铁磁性将增强 【答案】D 【解析】A．天然气泄漏时，蜂鸣器报警，说明电磁继电器的衔铁被吸下，此时工作电路中蜂鸣器接通，灯泡L所在的支路断开，因此灯泡L不发光。故A错误； B．控制电路电压降低时，若要使电磁铁产生足够磁性吸下衔铁（报警），根据欧姆定律，需要更大的电流才能达到吸合阈值。而气敏电阻 的阻值随天然气浓度增大而减小，因此只有当天然气浓度更大时，才能在较低电压下达到所需电流，即报警浓度将增大。故B错误； C．若要调低报警浓度（即天然气浓度较小时就报警），需让气敏电阻R2在阻值较大时，控制电路就能达到吸合电流。根据欧姆定律，可调电阻R1应减小阻值（使总电阻减小，电流易达到阈值），而非调大。故C错误； D．天然气浓度增大时，气敏电阻R2的阻值减小，控制电路的总电阻减小。根据欧姆定律，电源电压恒定，总电阻减小则电流增大。电磁铁的磁性与电流大小有关，电流越大磁性越强，因此电磁铁磁性将增强。故D正确； 故选D。 2．如图所示为一种温度自动报警器的原理图，图中的水银温度计在制作时，玻璃管两端分别封入一段金属丝，电源的两极分别和金属丝相连，当温度达到设定值，电铃报警。下列说法中正确的是（　　） A．若将温度计上端的金属丝向下调整，则报警温度将升高 B．电铃工作时，电磁铁a端为N极 C．电磁铁的工作原理是电流的磁效应 D．温度升高到80℃时，电铃报警 【答案】C 【解析】A．若将温度计上端的金属丝向下调整，金属丝所处的温度值会变小，则报警温度将降低，故A错误； B．当电铃工作时，电流从电磁铁的左端流入，右端流出，由安培定则可知，电磁铁的a端为S极，故B错误； C．电磁铁的核心部件是通电螺线管，其工作原理是电流的磁效应，故C正确； D．由图可知，温度计的分度值为2℃，金属丝与温度计74℃刻度线对齐，所以温度升高到74℃时，水银柱与上方金属丝连通，使左侧形成通路，电磁铁中有电流通过，电磁铁吸引衔铁，使触点接触，右侧电路接通，电铃发出报警信号。不是温度升高到80℃时，电铃才报警，故D错误。 故选C。 3．小红设计了一种微机室防盗报警器，如图，在微机室房门处安装开关S，电铃安装在传达室。当微机室房门被推开时，开关S闭合，电磁铁 （填“有”或“无”）磁性，B端与金属弹性片上的磁铁相互 ，电铃电路 ，从而起到报警作用。 【答案】 有 排斥 接通 【解析】[1][2][3]读图可知，左侧为控制电路，当开关闭合时，电磁铁获得磁性，利用安培定则判断可知，B端为N极，因为弹簧片左侧也是N极，同名磁极相互排斥，故两触点接通，使右侧工作电路开始工作，电铃报警。 4．如图，当闭合开关后，电磁铁产生磁性，吸引 ，带动小球敲击C发声，但同时AB分离，电路 ，电磁铁失去磁性，B复位又将电路接通。如此反复，电铃持续发声。 【答案】 衔铁B 断开 【解析】[1][2]闭合开关后，电磁铁有电流通过，电磁铁具有了磁性，衔铁B被吸引过来，使鼓槌打击铃碗C发出声音，同时衔铁与螺钉A分离，电路断开，电磁铁失去了磁性，衔铁B又被弹簧片弹回，B与螺钉A再次接触，电路闭合，不断重复，电铃便发出连续击打声了。 5．下图是电磁继电器的工作原理图。 (1)当低压控制电路闭合时，电磁铁A （选填“具有”或“失去”）磁性，吸引衔铁B，从而使动触点D与静触点E吸合，高压工作电路 （选填“闭合”或“断开”）。 (2)当低压控制电路断开时，电磁铁A （选填“具有”或“失去”）磁性，衔铁B在左侧弹簧C的作用下返回原位，动触点D与静触点E分离，高压工作电路 （选填“闭合”或“断开”）。 (3)衔铁B与动触点D之间的硬棒应该用 （选填“导体”或“绝缘体”）制成，它与衔铁、动触点一起组成一个杠杆，弹簧C始终处于 （选填“拉伸”或“压缩”）状态。 【答案】(1)具有 闭合；(2)失去 断开；(3)绝缘体 拉伸 【解析】（1）[1][2]当开关闭合时，左边低压控制电路被接通，控制电路有电流通过，电磁铁A中有电流通过，则电磁铁A具有磁性，就可以吸引衔铁B并带动触点D下降，使右边高压工作电路闭合。 （2）[1][2]当开关断开时，控制电路没有电流通过，电磁铁A中没有电流通过，电磁铁A就失去磁性，则衔铁B不被吸引，在C弹簧作用下，动触点D被拉起，则高压工作电路断开。 （3）[1]衔铁B与动触点D之间的硬棒应该用绝缘体，若衔铁B与动触点D之间是导体，对操控低压控制电路的人有危险。 [2]由图可知，弹簧始终拉着衔铁B，所以弹簧始终处于拉伸状态。 题组B 能力提升练 1．如图甲所示的是某家用烟雾报警器的简化电路图，当烟雾达到一定浓度时衔铁被吸引，工作电路会响铃亮灯，烟雾报警器控制电路的额定电压为12V，R是光敏电阻，其阻值与烟雾浓度的关系如图乙所示。若定值电阻R0的阻值是10Ω（电磁铁线圈电阻不计），工作电路响铃亮灯时，控制电路中的最小电流是0.2A，下列说法正确的是（　　） A．若烟雾报警器响铃亮灯，烟雾浓度一定大于40% B．为了让烟雾浓度为20%时报警器报警，可以将电磁铁适当向右移 C．为了让烟雾浓度为20%时报警器报警，可以适当地降低控制电路的电源电压 D．烟雾浓度分别是40%和60%时，定值电阻R0消耗的功率之比是1∶ 2 【答案】B 【解析】A．工作电路响铃亮灯时，控制电路中的最小电流是0.2A，由可知，此时控制电路中的总电阻为 此时光敏电阻的阻值为 由图乙可知，此时烟雾的浓度为30%，若烟雾报警器响铃亮灯，烟雾浓度一定大于30%，故A错误； B．为了让烟雾浓度为20%时报警器报警，此时光敏电阻的阻值增大，电流较小，磁力较小，向右移电磁铁和衔铁，力臂变大，可在电流更小，磁力更小时将衔铁吸下，故B正确； C．为了让烟雾浓度为20%时报警器报警，此时光敏电阻的阻值增大，根据欧姆定律可知：适当增大控制电路电源电压，可以保证控制电流不变，故C错误； D．烟雾浓度分别是40%和60%时，光敏电阻的阻值分别为40Ω和20Ω，此时控制电路中的电流分别为 根据P=I2R可知：定值电阻R0消耗的功率之比为 故D错误。 故选B。 2．某恒温箱的温控电路如图甲所示，控制电路的电源电压保持不变，电磁继电器线圈的电阻忽略不计，R1为滑动变阻器，R为热敏电阻，其阻值随温度变化的图像如图乙所示，当线圈中的电流大于或等于20mA时，衔铁被吸合。则电磁铁的上端为 （选填“N”或“S”）极，恒温箱内的加热器应接在 （选填“AB”或“CD”）极之间。为使恒温箱内的温度保持在更高的数值，请你写出一个有效的措施： （合理即可）。 【答案】 N AB 增大滑动变阻器接入电路的阻值 【解析】[1]由图甲可知，电流从螺线管下端流入，由安培定则可知，电磁铁的上端为N极。 [2]由图乙可知，温度越高，热敏电阻阻值越小。当温度较低的时候，热敏电阻的电阻较大，控制电路中的电流较小，此时继电器的衔铁没有被吸合，此时是需要加热的，恒温箱内的加热器要工作，所以该把恒温箱内的加热器接在AB之间。 [3]衔铁被吸合时控制电路中的电流不变，电源电压不变时，根据，控制电路中的总电阻不变。恒温箱内的温度保持在更高的数值时，热敏电阻的阻值变小，根据串联电阻规律，应增大滑动变阻器接入电路的阻值。 3．电动车在充电过程中，电池温度过高可能会自燃。为避免电池温度过高，某项目小组设计了如图甲所示的“自动制冷装置”。控制电路的电源电压恒为9V，当控制电路中的电流时，衔铁被吸下。为使温度升高至设定温度时，制冷系统开始启动，需要选择与电磁继电器匹配的定值电阻R和热敏电阻等器材。 (1)在选择定值电阻时需要先测量定值电阻的阻值。将四个待测电阻依次接在图乙所示电路的a、b之间进行测量。 ①测量的原理是 ； ②将接到a、b之间，当滑片移动到某位置时，电压表示数如图丙所示，电流表示数为0.2A，则定值电阻的阻值为 Ω；按同样的方法测得阻值分别为90Ω、225Ω、240Ω； (2)选择符合条件的热敏电阻和定值电阻。 ①热敏电阻的阻值随温度变化的关系如下表所示，则应选用热敏电阻 （/）； t/℃ 20 30 40 50 60 70 80 90 200 125 90 75 70 62 60 59 25 30 45 60 105 170 290 310 ②充电过程中当电池温度达到50℃时，衔铁被吸下，工作电路的制冷系统开始启动，则应选择的定值电阻是 （///），此时电磁铁的上端为 极。 【答案】(1) 30；(2)Rt1 R3 S 【解析】（1）[1]实验中需要利用电压表测量电压，电流表测量电路中的电流，结合计算得出待测电阻的阻值，因此测量电阻的实验原理是。 [2]丙图中电压表选择的是大量程，分度值是0.5V，读数为6V，则定值电阻的阻值为 （2）[1]根据题意，当温度升高至设定温度时，制冷系统开始启动，即衔铁被吸下，工作电路工作，说明控制电路中的电阻变小，电流变大，电磁铁的磁性增强，因此热敏电阻的阻值是随温度的升高而减小，则应选用热敏电阻Rt1。 [2]当温度为50℃时，热敏电阻的阻值为75Ω，此时控制电路中的电流为 控制电路中的总电阻为 则定值电阻的阻值为 则应选择的定值电阻是R3。 [3]甲图中电磁铁上的电流向左，根据安培定则可知，电磁铁上端为S极。 4．如图甲是某自动控温电热水器的电路图，其中控制电路电压恒为6V，R1为热敏电阻，置于水箱中产生的热量对水箱中水温的影响忽略不计，阻值随温度变化的关系如图乙所示，R2为可调电阻，用来设定电热水器的水温。R3、R4为纯电热丝，均置于水箱中，R3=22Ω；电磁铁线圈电阻忽略不计，当电磁铁电流达到0.2A时，继电器衔铁被吸下来。工作过程中，电源电压均保持不变，请完成下列问题： (1)加热时电热丝R3的功率为多少？ (2)如果电热水器储有60kg的水，电路处于加热状态，正常工作1小时，产生的热量80%被水吸收，则水温升高了多少℃?【，结果保留1位小数】 (3)如果将电热水器水温设为40~60℃，R2的阻值应该在什么范围变化？ 【答案】(1)2200W；(2)25.1℃；(3)15Ω< R2≤ 20Ω 【解析】（1）由图甲可知，电磁铁未吸合衔铁时，R3单独工作；当电磁铁电流达到0.2A时，继电器衔铁被吸下，此时R3、R4串联接入电路。由可知，衔铁未吸下时，水箱处于加热状态；衔铁吸下时，水箱处于保温状态。则加热时电热丝R3的功率 （2）加热状态正常工作1小时消耗的电能 水吸收的热量Q=ηW=80%×7.92×106J=6.336×106J 水升高的温度 （3）当电磁铁电流 I=0.2A时，衔铁被吸合，电热水器停止加热。控制电路电压U控=6V，控制电路中R1与R2串联，电磁铁线圈电阻忽略不计，则控制电路总电阻 R总​=R1​+R2​，由欧姆定律可得 解得 由图乙可知，当t=40℃，R1​=15Ω；当t'=60℃，R1'=10Ω。由题意知，水温为40℃时（下限温度），需要启动加热，即电磁铁不吸合。则R2>30Ω-15Ω=15Ω 当水温为60℃时（上限温度），需要停止加热，即电磁铁吸合。则R2'≤30Ω-10Ω=20Ω 为了同时满足40℃启动加热和60℃停止加热，R2需满足：15Ω< R2≤ 20Ω。 题组C 培优拔尖练 1．榆林市位于陕西北部，冬季较为寒冷，故不少家庭都有一款具有加热功能的足浴盆。某款足浴盆可以将水加热到设定的温度，其简化电路如图，其中所有电源电压恒定，为滑动变阻器，表格为温控电阻的阻值随温度变化的关系，置于温度检测区域。工作电路接通时，通过断开或闭合，可使足浴盆处于单加热状态或红外理疗状态。已知电热丝的电阻是55Ω，红外理疗装置的电功率是20W，水温达到设定温度时衔铁弹起。下列说法正确的是（   ） /Ω 145 120 98 80 67 58 50 43 37 33 30 28 温度/℃ 46 45 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 A．电磁继电器的原理是电流磁效应，该原理由法拉第发现 B．在不变的情况下，温度升高，两端的电压随之降低 C．足浴盆处于红外理疗状态时，工作电路5min消耗的电能为 D．电阻阻值越小，足浴盆的设定温度越低 【答案】C 【解析】A. 电磁继电器的原理是电流的磁效应，电流的磁效应是由奥斯特发现的，并非法拉第，故A错误； B. 在控制电路中，与串联，由表格可知，温度升高时，的阻值变大，阻值不变，电源电压恒定，根据串联电路的分压定律，此时两端的电压会随着阻值的增大而增大，故B错误； C. 闭合，足浴盆处于红外理疗状态时，与理疗装置并联，工作电路电压为220V，电热丝的电阻是55Ω，红外理疗装置的电功率是20W，根据，可得电热丝工作时的电功率 根据并联电路电功率的特点和功的计算公式，可得工作电路5min消耗的电能为 故C正确； D.在控制电路中，与串联，当电磁铁电流达到某一定值时，衔铁弹起停止加热，如果电阻的阻值变小，则需要达到停止加热时的电流值，就需要的阻值变大， 由表格可知，随着温控电阻的阻值越大，温度越高，所以足浴盆的设定温度越高，故D错误。 故选C。 2．如图甲所示，热带香蕉树在神木“安家”，这得益于大棚温控技术。兴趣小组为大棚设计了具有加热和保温功能的电热器，其内部简化电路图如图乙所示（左侧为控制电路，右侧为工作电路）。为热敏电阻，阻值随温度变化关系如图丙所示。、均为电热丝，，，线圈电阻不计。加热时，工作电路的总功率是 W；闭合开关，电磁铁的上端为 极；当大棚内的温度升高，电磁铁的磁性会 （选填“增强”“减弱”或“不变”）。若控制电路电源电压为6V，经测试，当控制电路中的电流达到时，衔铁被吸下；减小到时，衔铁弹起。则电热器所控制的大棚内温度的变化范围是 。 【答案】 726 N 增强 【解析】[1]闭合开关、，当衔铁没有被电磁铁吸引时，电热丝、并联，此时工作电路的总电阻最小，由可知，工作电路的总功率最大，处于加热状态；加热时，电热丝、并联，因并联电路中各支路两端的电压相等，所以，工作电路的总功率 [2]由安培定则可知，四指的方向为电流的方向，大拇指的方向为电流方向，故电磁继电器中电磁铁上端为N极，下端是S极。 [3]当温度升高时，阻值减小，控制电路的电源电压不变，电流增大，电磁铁磁性增强。 [4]当控制电路中电流I达到0.15A时衔铁被吸下，此时大棚的温度最高，由可得，热敏电阻的阻值 由图丙可知，大棚的最高温度为；当控制电路中电流减小到0.1A时衔铁弹起，此时大棚的温度最低，此时热敏电阻的阻值 由图丙可知，大棚的最高温度为，所以，电热器所控制的大棚内温度的变化范围为。 3．在跨学科实践课上，某小组开展了“空气质量检测仪”的项目化学习活动。下面是该小组同学交流的实践过程，请帮助完成下列内容： 【项目任务】制作一个简易空气质量检测仪 【项目导引】资料显示空气质量等级是按照空气质量指数K划分的，如下表所示： 空气质量指数K 0〜50 51〜100 101〜150 151〜200 201〜300 >300 空气质量等级 优 良 轻度污染 中度污染 重度污染 重度污染 从学校科技实验员处借得一个气敏电阻R，通过说明书获悉：其电阻值R随空气质量指数K的关系如下表所示： 空气质量指数K 50 100 150 200 250 300 电阻值R/Ω 100 50 30 20 15 10 （1）每当启动空气重污染橙色预警时，中小学、幼儿园等将减少或停止户外活动，空气污染 （选填“属于”或“不属于”）分子运动； （2）请在图甲中描点作出气敏电阻的阻值R与空气质量指数K的关系图线 ； 【方案设计】小组经过一番讨论和研究，设计如图乙所示的空气质量检测仪的电路，其中定值电阻R0=20Ω，电源电压U恒为6V不变，用电流表示数表示对应空气质量指数；闭合开关S，当电流表示数为0.15A时，电路报警，此时电磁铁把衔铁B吸下来，净化系统开始工作，电磁铁中线圈的电阻不计； 【项目实施】 （3）如图乙，闭合开关S，电磁继电器中电磁铁M的上端为 （选填“N”或“S”）极，当净化系统工作时，弹簧对P点作用力的方向是向 （选填“上”或“下”）； （4）如图乙，闭合开关S，当空气质量指数K值升高，电路中电流表的示数 （选填“增大”、“减小”或“不变”）； ①当空气质量指数K为50时，电阻R0两端的电压为 V； ②当电路报警时，则此时对应的空气质量等级为 ； 【评价反思】（5）若想让仪器检测更加灵敏，使空气质量指数K略低于“方案设计”中数值时电路就报警，请提出两种合理化建议：① ；② 。 【答案】不属于 N 下 增大 1 中度污染 减小定值电阻的阻值 增加电磁铁的线圈匝数 【解析】（1）[1]空气污染是因为空气中悬浮着大量的颗粒物，它们不属于分子，因此它们不属于分子运动。 （2）[2]根据表格数据描点作出气敏电阻的阻值R与空气质量指数K的关系图线，如下图所示： （3）[3][4]由图乙的控制电路可知，在电磁铁的外部电流方向是自左向右，根据右手螺旋定则可知，电磁继电器中电磁铁M的上端为N极；由图乙可知，控制电路开关闭合，电磁铁产生磁性，吸引衔铁，净化系统工作，此时弹簧对P点作用力的方向是向下。 （4）[5]闭合开关S，当空气质量指数K值升高，气敏电阻的阻值变小，控制电路中的电流增大，即电流表的示数增大。 ①[6]由表可知，当空气质量指数K为50时，R=100Ω，则电路电流 电阻R0两端的电压 ②[7]当电流表示数为0.15A时，电路报警，此时，控制电路总电阻 根据串联电路电阻规律可得，气敏电阻阻值R'=R总'-R0=40Ω-20Ω=20Ω 查表可知，此时对应的空气质量指数K为200，空气质量等级为中度污染。 （5）[8][9]若想让仪器检测更加灵敏，使空气质量指数K略低于“方案设计”中数值时电路就报警，有以下两条建议：减小定值电阻的阻值或增加电磁铁的线圈匝数。 【课后反思】 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 1/1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $ 16.4 电磁继电器与自动控制（导学案） 【学习目标】 2022年课程标准 物理素养 3.4.4 结合实例，认识电磁继电器的组成和工作原理。了解电磁继电器在自动控制和安全操作中的应用，体会电与磁的应用价值。 物理观念：明确电磁继电器的组成（电磁铁、衔铁等）及“以弱控强、以低控高”的核心特性，区分控制电路与工作电路，建立电磁控制的具象认知。 科学思维：通过分析电磁继电器的工作过程，归纳控制电路与工作电路的联动规律，能拆解自动控制装置的工作逻辑，发展模型建构与逻辑推理能力。 科学探究：参与电磁继电器的连接与调试实验，掌握“对比法”观察通断电时的结构变化，提升电路分析和实验操作能力。 科学态度与责任：了解电磁继电器在高压操作、机器人等领域的安全应用，认识科技对生产生活的保障作用；通过设计自动浇水装置，培养创新实践与跨学科应用意识。 【学习重点】 1．电磁继电器的基本组成（电磁铁、衔铁、复位弹簧、触点）及各部件作用； 2．电磁继电器的工作原理（控制电路通断→电磁铁磁性变化→衔铁动作→工作电路切换）； 3．控制电路与工作电路的区分及联动关系； 4．电磁继电器在水位报警器、温度报警器等自动控制装置中的应用原理。 【学习难点】 1．控制电路（低压弱电流）对工作电路（高压强电流）的控制逻辑拆解； 2．衔铁动作与触点状态转换（常开/常闭）的动态分析； 3．结合传感器（湿度、温度、光敏）的自动控制电路工作过程分析。 【自主预习】阅读教材，完成以下问题： 1．电磁继电器是利用____________来控制工作电路的一种装置，其核心优势是实现______控制______、______控制______（填“强/弱”“高/低”），保障操作安全。 2．如图16-4-2，电磁继电器的主要组成部件包括：____________、______、复位弹簧和______（触点分为常开和常闭）。 3．电磁继电器的电路分为两部分：由____________、__________________、开关组成的______电路，和由____________、____________、触点组成的______电路；控制电路的通断决定工作电路的通断。 4．当控制电路闭合时，电磁铁产生______，吸引______，带动______动作，使常闭触点断开、常开触点闭合，实现工作电路的切换；控制电路断开时，电磁铁____________，______在复位弹簧作用下复位，触点恢复初始状态。 5．电磁继电器的典型应用场景有：____________（高压电路操作）、____________（危险场所控制）、机器人控制系统等。 【课堂探究】 探究一、认识电磁继电器的组成与结构 1．探究目标 （1）识别电磁继电器的核心部件，明确各部件的功能； （2）区分常开触点与常闭触点的初始状态差异。 2．探究过程 （1）观察器材：电磁继电器实物、结构图16-4-2。 （2）部件识别与功能分析： 组成部件 核心功能 电磁铁 通电磁性，吸引衔铁；断电磁性消失 衔铁 受电磁铁引力带动触点动作，复位弹簧辅助复位 复位弹簧 控制电路断开时，使衔铁回到初始位置 静触点（常闭） 初始状态______（接通/断开），衔铁动作后______（接通/断开） 静触点（常开） 初始状态______（接通/断开），衔铁动作后______（接通/断开） 3．探究结论 （1）电磁继电器的核心驱动部件是____________，其磁性变化是电路切换的“动力源”； （2）常开与常闭触点的“初始状态”是指__________________时的状态，二者状态始终相反。 【例题1】 电磁继电器中，能实现“通断控制”的核心部件是（ ） A．衔铁 B．复位弹簧 C．电磁铁 D．触点 探究二、探究电磁继电器的工作原理 1．探究目标 （1）通过连接电路，观察控制电路通断对工作电路的影响，归纳工作流程； （2）明确“控制电路→电磁铁→衔铁→触点→工作电路”的联动关系。 2．探究过程 （1）实验器材：电磁继电器、低压电源（3V，控制电路用）、高压电源（12V，工作电路用）、开关S₁（控制电路）、开关S₂（工作电路）、绿灯、红灯、导线。 （2）电路连接：参照图16-4-3，连接两部分电路： ① 控制电路：低压电源→开关S₁→电磁继电器线圈，形成闭合回路； ② 工作电路：高压电源→开关S₂→绿灯（接常闭触点A、B）→红灯（接常开触点B、C）→电磁继电器触点，形成闭合回路。 （3）实验观察与记录： 控制电路状态（S₁） 电磁铁磁性 衔铁状态 触点连接（A-B/B-C） 工作电路发光情况（绿/红灯） 断开 无 复位 A-B接通，B-C断开 绿灯亮，红灯不亮 闭合 有 被吸引 A-B断开，B-C接通 红灯亮，绿灯不亮 3．探究结论 （1）电磁继电器工作的核心逻辑：____________控制____________（用“控制电路”“工作电路”填空），即通过低压弱电流的通断，控制高压强电流的通断； （2）完整工作流程：控制电路闭合→电磁铁吸合衔铁→触点切换→工作电路状态改变；控制电路断开→电磁铁失磁→衔铁复位→工作电路恢复初始状态。 【例题2】关于电磁继电器的电路，下列说法正确的是（ ） A．控制电路是高压强电流电路 B．工作电路依赖复位弹簧驱动 C．控制电路通断决定工作电路状态 D．触点直接控制电磁铁磁性 探究三、电磁继电器在自动控制中的应用 1．探究目标 （1）拆解水位报警器、温度报警器的工作原理，明确传感器与继电器的协同作用； （2）能分析简单自动控制电路的“触发条件→控制过程→工作结果”逻辑链。 2．探究过程 （1）实例1：水位报警器（图16-4-6） ① 结构分析：控制电路包括电源、水位探针、电磁继电器线圈；工作电路包括电源、绿灯（低水位）、红灯（高水位）、继电器触点。 ② 工作过程： 低水位时：探针未被水接通，控制电路______→电磁铁无磁性→衔铁复位→工作电路接绿灯→______灯亮； 高水位时：水导电使探针接通，控制电路______→电磁铁吸合衔铁→触点切换→工作电路接红灯→______灯亮。 （2）实例2：温度自动报警器（图16-4-7） ① 结构分析：控制电路包括电源、汞温度计（内置金属丝）、电磁继电器线圈；工作电路包括电源、报警灯、继电器触点。 ② 工作过程： 温度低于设定值：汞柱未接触金属丝，控制电路______→电磁铁无磁性→报警灯不亮； 温度达到设定值：汞柱上升接触金属丝，控制电路______→电磁铁吸合衔铁→工作电路接通→报警灯亮。 （3）实例3：光敏电阻控制电路（图16-4-8） 电路要求“光暗时灯亮，光亮时灯灭”，但调试时灯始终亮着（元件正常），分析如下： ① 电路工作原理（正常情况）：当光暗时，光敏电阻阻值大→控制电路（光敏电阻 + 滑动变阻器 + 电磁铁）电流小→电磁铁磁性______→衔铁不吸合→灯所在的工作电路接通→灯______；当光亮时，光敏电阻阻值小→控制电路电流______→电磁铁磁性______→衔铁被______→灯所在的工作电路断开→灯______。 ② 故障原因分析（灯始终亮）：灯始终亮，说明光亮时电磁铁未吸合衔铁，即控制电路的电流不足，导致电磁铁磁性太弱。 可能的问题 控制电路的电源电压过低：即使光亮时光敏电阻阻值变小，控制电路的总电阻减小，但电源电压低，使得电路电流仍较小，电磁铁磁性不足，无法吸引衔铁； 滑动变阻器接入阻值过大：光亮时光敏电阻阻值减小，但滑动变阻器阻值太大，导致控制电路总电阻仍较大，电流不足，电磁铁磁性不够。 ③ 改进方法：针对 “电源电压低”：提高控制电路的电源电压，增大__________________，使光亮时电磁铁获得足够磁性； 针对 “滑动变阻器阻值大”：减小__________________，降低控制电路总电阻，使光亮时光敏电阻减小后，电路能产生足够大的电流，让电磁铁吸合衔铁。 3．探究结论 （1）自动控制电路的核心模块：____________（感知信号，如水、温度、光）→____________（处理信号并控制通断）→电磁继电器（执行电路切换）→用电器（工作）； （2）电磁继电器的“自动控制”本质：利用____________（物理量变化）转化为控制电路的“通断信号”，实现无需人工操作的电路切换。 【例题3】水位报警器中，水的作用是（ ） A．直接控制工作电路 B．作为控制电路的“开关” C．增强电磁铁磁性 D．驱动衔铁动作 【例题4】 简述温度报警器中“汞温度计内置金属丝”的作用。 【归纳整理】 【课堂练习】 题组A 基础过关练 1．物理兴趣小组在老师的指导下设计了如图所示的天然气泄漏报警电路，电源电压恒定不变，为可调电阻，为气敏电阻，其阻值随天然气浓度的增大而减小。天然气无泄漏时指示灯发光；天然气泄漏时，蜂鸣器报警。下列判断正确的是（   ） A．当蜂鸣器报警时，灯泡同时发光 B．若控制电路电压降低，报警浓度将减小 C．若要调低报警浓度，可调大的阻值 D．天然气浓度增大，电磁铁磁性将增强 2．如图所示为一种温度自动报警器的原理图，图中的水银温度计在制作时，玻璃管两端分别封入一段金属丝，电源的两极分别和金属丝相连，当温度达到设定值，电铃报警。下列说法中正确的是（　　） A．若将温度计上端的金属丝向下调整，则报警温度将升高 B．电铃工作时，电磁铁a端为N极 C．电磁铁的工作原理是电流的磁效应 D．温度升高到80℃时，电铃报警 3．小红设计了一种微机室防盗报警器，如图，在微机室房门处安装开关S，电铃安装在传达室。当微机室房门被推开时，开关S闭合，电磁铁 （填“有”或“无”）磁性，B端与金属弹性片上的磁铁相互 ，电铃电路 ，从而起到报警作用。 4．如图，当闭合开关后，电磁铁产生磁性，吸引 ，带动小球敲击C发声，但同时AB分离，电路 ，电磁铁失去磁性，B复位又将电路接通。如此反复，电铃持续发声。 5．下图是电磁继电器的工作原理图。 (1)当低压控制电路闭合时，电磁铁A （选填“具有”或“失去”）磁性，吸引衔铁B，从而使动触点D与静触点E吸合，高压工作电路 （选填“闭合”或“断开”）。 (2)当低压控制电路断开时，电磁铁A （选填“具有”或“失去”）磁性，衔铁B在左侧弹簧C的作用下返回原位，动触点D与静触点E分离，高压工作电路 （选填“闭合”或“断开”）。 (3)衔铁B与动触点D之间的硬棒应该用 （选填“导体”或“绝缘体”）制成，它与衔铁、动触点一起组成一个杠杆，弹簧C始终处于 （选填“拉伸”或“压缩”）状态。 题组B 能力提升练 1．如图甲所示的是某家用烟雾报警器的简化电路图，当烟雾达到一定浓度时衔铁被吸引，工作电路会响铃亮灯，烟雾报警器控制电路的额定电压为12V，R是光敏电阻，其阻值与烟雾浓度的关系如图乙所示。若定值电阻R0的阻值是10Ω（电磁铁线圈电阻不计），工作电路响铃亮灯时，控制电路中的最小电流是0.2A，下列说法正确的是（　　） A．若烟雾报警器响铃亮灯，烟雾浓度一定大于40% B．为了让烟雾浓度为20%时报警器报警，可以将电磁铁适当向右移 C．为了让烟雾浓度为20%时报警器报警，可以适当地降低控制电路的电源电压 D．烟雾浓度分别是40%和60%时，定值电阻R0消耗的功率之比是1∶ 2 2．某恒温箱的温控电路如图甲所示，控制电路的电源电压保持不变，电磁继电器线圈的电阻忽略不计，R1为滑动变阻器，R为热敏电阻，其阻值随温度变化的图像如图乙所示，当线圈中的电流大于或等于20mA时，衔铁被吸合。则电磁铁的上端为 （选填“N”或“S”）极，恒温箱内的加热器应接在 （选填“AB”或“CD”）极之间。为使恒温箱内的温度保持在更高的数值，请你写出一个有效的措施： （合理即可）。 3．电动车在充电过程中，电池温度过高可能会自燃。为避免电池温度过高，某项目小组设计了如图甲所示的“自动制冷装置”。控制电路的电源电压恒为9V，当控制电路中的电流时，衔铁被吸下。为使温度升高至设定温度时，制冷系统开始启动，需要选择与电磁继电器匹配的定值电阻R和热敏电阻等器材。 (1)在选择定值电阻时需要先测量定值电阻的阻值。将四个待测电阻依次接在图乙所示电路的a、b之间进行测量。 ①测量的原理是 ； ②将接到a、b之间，当滑片移动到某位置时，电压表示数如图丙所示，电流表示数为0.2A，则定值电阻的阻值为 Ω；按同样的方法测得阻值分别为90Ω、225Ω、240Ω； (2)选择符合条件的热敏电阻和定值电阻。 ①热敏电阻的阻值随温度变化的关系如下表所示，则应选用热敏电阻 （/）； t/℃ 20 30 40 50 60 70 80 90 200 125 90 75 70 62 60 59 25 30 45 60 105 170 290 310 ②充电过程中当电池温度达到50℃时，衔铁被吸下，工作电路的制冷系统开始启动，则应选择的定值电阻是 （///），此时电磁铁的上端为 极。 4．如图甲是某自动控温电热水器的电路图，其中控制电路电压恒为6V，R1为热敏电阻，置于水箱中产生的热量对水箱中水温的影响忽略不计，阻值随温度变化的关系如图乙所示，R2为可调电阻，用来设定电热水器的水温。R3、R4为纯电热丝，均置于水箱中，R3=22Ω；电磁铁线圈电阻忽略不计，当电磁铁电流达到0.2A时，继电器衔铁被吸下来。工作过程中，电源电压均保持不变，请完成下列问题： (1)加热时电热丝R3的功率为多少？ (2)如果电热水器储有60kg的水，电路处于加热状态，正常工作1小时，产生的热量80%被水吸收，则水温升高了多少℃?【，结果保留1位小数】 (3)如果将电热水器水温设为40~60℃，R2的阻值应该在什么范围变化？ 题组C 培优拔尖练 1．榆林市位于陕西北部，冬季较为寒冷，故不少家庭都有一款具有加热功能的足浴盆。某款足浴盆可以将水加热到设定的温度，其简化电路如图，其中所有电源电压恒定，为滑动变阻器，表格为温控电阻的阻值随温度变化的关系，置于温度检测区域。工作电路接通时，通过断开或闭合，可使足浴盆处于单加热状态或红外理疗状态。已知电热丝的电阻是55Ω，红外理疗装置的电功率是20W，水温达到设定温度时衔铁弹起。下列说法正确的是（   ） /Ω 145 120 98 80 67 58 50 43 37 33 30 28 温度/℃ 46 45 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 A．电磁继电器的原理是电流磁效应，该原理由法拉第发现 B．在不变的情况下，温度升高，两端的电压随之降低 C．足浴盆处于红外理疗状态时，工作电路5min消耗的电能为 D．电阻阻值越小，足浴盆的设定温度越低 2．如图甲所示，热带香蕉树在神木“安家”，这得益于大棚温控技术。兴趣小组为大棚设计了具有加热和保温功能的电热器，其内部简化电路图如图乙所示（左侧为控制电路，右侧为工作电路）。为热敏电阻，阻值随温度变化关系如图丙所示。、均为电热丝，，，线圈电阻不计。加热时，工作电路的总功率是 W；闭合开关，电磁铁的上端为 极；当大棚内的温度升高，电磁铁的磁性会 （选填“增强”“减弱”或“不变”）。若控制电路电源电压为6V，经测试，当控制电路中的电流达到时，衔铁被吸下；减小到时，衔铁弹起。则电热器所控制的大棚内温度的变化范围是 。 3．在跨学科实践课上，某小组开展了“空气质量检测仪”的项目化学习活动。下面是该小组同学交流的实践过程，请帮助完成下列内容： 【项目任务】制作一个简易空气质量检测仪 【项目导引】资料显示空气质量等级是按照空气质量指数K划分的，如下表所示： 空气质量指数K 0〜50 51〜100 101〜150 151〜200 201〜300 >300 空气质量等级 优 良 轻度污染 中度污染 重度污染 重度污染 从学校科技实验员处借得一个气敏电阻R，通过说明书获悉：其电阻值R随空气质量指数K的关系如下表所示： 空气质量指数K 50 100 150 200 250 300 电阻值R/Ω 100 50 30 20 15 10 （1）每当启动空气重污染橙色预警时，中小学、幼儿园等将减少或停止户外活动，空气污染 （选填“属于”或“不属于”）分子运动； （2）请在图甲中描点作出气敏电阻的阻值R与空气质量指数K的关系图线 ； 【方案设计】小组经过一番讨论和研究，设计如图乙所示的空气质量检测仪的电路，其中定值电阻R0=20Ω，电源电压U恒为6V不变，用电流表示数表示对应空气质量指数；闭合开关S，当电流表示数为0.15A时，电路报警，此时电磁铁把衔铁B吸下来，净化系统开始工作，电磁铁中线圈的电阻不计； 【项目实施】 （3）如图乙，闭合开关S，电磁继电器中电磁铁M的上端为 （选填“N”或“S”）极，当净化系统工作时，弹簧对P点作用力的方向是向 （选填“上”或“下”）； （4）如图乙，闭合开关S，当空气质量指数K值升高，电路中电流表的示数 （选填“增大”、“减小”或“不变”）； ①当空气质量指数K为50时，电阻R0两端的电压为 V； ②当电路报警时，则此时对应的空气质量等级为 ； 【评价反思】（5）若想让仪器检测更加灵敏，使空气质量指数K略低于“方案设计”中数值时电路就报警，请提出两种合理化建议：① ；② 。 【课后反思】 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 1/1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $