第2节 科学制作：简单的自动控制装置（教学设计）物理鲁科版选择性必修第二册

该高中物理教学设计聚焦简单自动控制装置的组成与“非电学量→电学量→控制信号”转换逻辑，通过“防倾倒报警器”情境问题导入，以传感器特性讲解、电路模型构建为支架，衔接传感器应用与电路分析知识。 特色在于“情境驱动-原理探究-动手制作-拓展应用”教学链，通过制作光控/温控报警器培养科学探究能力，调试电路参数提升科学思维，结合门窗防盗装置设计增强科学态度与责任，为教师提供清晰实操指导，助力学生深化物理观念与实践创新。

第2节 科学制作：简单的自动控制装置（教学设计） 年级 高二 学科 物理 教师 课题 第2节 科学制作：简单的自动控制装置 教学 目标 物理观念 能明确简单自动控制装置的组成（传感器、执行元件、电路），理解“非电学量→电学量→控制信号”的完整转换逻辑，深化对传感器应用本质的认知。 科学思维 能根据控制需求（如光控、温控）选择适配传感器，分析电路中参数变化与控制效果的关联，提升工程设计与逻辑推理能力。 科学探究 能动手制作光控/温控报警装置，规范完成元件组装、参数调试、现象记录，解决制作中出现的电路连接、灵敏度调节等实际问题。 科学态度 与责任 体会物理知识向实用技术转化的过程，增强动手实践与创新意识，认识自动控制技术在生活中的实用价值，培养严谨的工程实践态度。 教学 重难点 重点：掌握控制装置的组成逻辑，完成电路组装与基础功能实现。 难点：解决电路连接误差与灵敏度调试的实操问题。 教学过程 教师活动 学生活动 教学引入 小明家养了一只小猫，但小猫总爱碰倒桌上的水杯。小明想设计一个装置，能在水杯倾斜时自动报警，防止水洒出来。你能帮他制作一个‘防倾倒报警器’吗？ 思考自动报警装置的工作原理，积极回答教师提问。 新课讲授 一、光控/温控报警器 环节1：工作原理 （1）光敏电阻： 教师展示光敏电阻实物，说明其是一种电阻值随光照强度增强而减小的半导体元件。在黑暗中电阻可达几兆欧，在强光下可降至几百欧。它能将“光信号”转化为“电信号”。 （2）热敏电阻： 教师展示热敏电阻，重点讲解负温度系数（NTC）热敏电阻的特性：温度升高时电阻减小，温度降低时电阻增大。强调其灵敏度高，常用于温度检测与控制。 环节2：电路结构 （1）构建基本电路模型： 教师在黑板上绘制光报警装置的电路图：电源、开关、蜂鸣器、滑动变阻器与光敏电阻串联。解释：当光照变化→光敏电阻RL变化→电路总电阻变化→电流变化→蜂鸣器两端电压变化→当电压达到启动阈值时发声。 （2）引入阈值控制概念： 教师重点讲解滑动变阻器的作用：它用于设定报警的“门槛”。例如，在普通光照下调节滑片位置，使蜂鸣器刚好不响；当光线变暗（RL增大），电路电流减小，若此时蜂鸣器仍不响，则需调整变阻器降低总电阻，使在暗光下电流仍能驱动蜂鸣器。这个“刚好启动”的点就是报警阈值。 （3）类比迁移设计温度报警电路： 教师引导学生类比光报警电路，自主设计温度报警电路：将光敏电阻替换为热敏电阻RT，其余元件连接方式相同。提问：“如果希望高温时报警，应选择哪种类型的热敏电阻？电路如何响应？”引导学生理解NTC热敏电阻在升温时阻值下降，导致电流上升，从而触发蜂鸣器。 环节3：装置制作 一、光报警装置制作 （1）示范组装： 教师分发实验器材，现场演示如何将光敏电阻、蜂鸣器、滑动变阻器、开关等元件正确插入集成电路实验板，并用导线连接成串联电路。特别提醒：蜂鸣器有正负极之分，接反不发声；导线连接要牢固，避免虚接。 （2）调试与测试： 教师指导学生先闭合开关，调节滑动变阻器，使在教室正常光照下蜂鸣器不发声。然后用黑纸片逐渐遮挡光敏电阻，观察蜂鸣器是否发声，并记录开始报警时的遮光程度。再缓慢移开黑纸，观察何时停止报警。重复三次，取平均值。 二、温度报警装置制作 （1）重新连接： 教师指导学生将光敏电阻拆除，换接热敏电阻，保持其他连接不变。检查电路无误后通电，调节滑动变阻器，使在室温下蜂鸣器不响。 （2）加热测试： 教师提供装有热水的烧杯（约60℃），指导学生将热敏电阻探头浸入水中，观察蜂鸣器是否发声，并记录从入水到报警的时间。随后取出热敏电阻，观察冷却过程中何时停止报警。同时用温度计监测水温变化，建立温度与报警状态的对应关系。 三、数据记录与初步分析 （1）记录表格： 教师投影展示数据记录表模板：包含“实验项目”、“环境条件”、“传感器阻值（估算）”、“蜂鸣器状态”、“备注”等栏目。要求学生如实填写实验现象。 （2）及时纠错： 教师在学生实验过程中巡回指导，及时发现并纠正接线错误、元件损坏等问题，鼓励学生相互帮助，培养合作精神。 环节4：总结成果 （1）邀请小组展示： 教师邀请两组学生代表上台展示他们制作的光报警和温度报警装置，并现场演示报警过程。其他同学观察并评价其装置的稳定性和灵敏度。 （2）归纳工作原理： 教师结合学生演示，系统总结：两类报警装置均基于“传感器感知环境变化→电阻变化引起电流变化→达到阈值驱动执行器动作”的控制逻辑。强调滑动变阻器在设定报警灵敏度中的关键作用。 1.观察传感器实物，记录其特性参数，理解“非电量→电量”转换的基本思想。 2.学习阅读电路图，理解各元件符号及连接方式，掌握串联电路中电流一致、电压分配的规律。 3.思考滑动变阻器在电路中的调控作用，尝试解释报警阈值的物理意义。 4.小组讨论并绘制温度报警电路草图，进行方案交流与优化。 1.按照电路图在实验板上动手连接元件，确保接线正确、接触良好。 2.独立调节滑动变阻器，完成报警阈值的设定，并进行遮光与撤光测试，记录实验现象。 3.更换热敏电阻后重新连接电路，进行加热水浴实验，观察并记录报警与停止的时间点及温度变化。 4.倾听教师总结，梳理知识脉络，巩固对自动控制原理的理解。 新课讲授 二、门窗防盗报警装置 （一）实验器材及作用 实验室提供以下器材：电源、导线、开关、干簧管、继电器、蜂鸣器、发光二极管、电阻、小磁体。 请解释以下干簧管、继电器、发光二极管作用？ 干簧管：作为传感器，用于感知磁体磁场是否存在 继电器：继电器则相当于一个自动的双向开关。 发光二极管：作为电路正常工作提示 你能根据以上器材设计出门窗报警器的电路吗？ （2） 实验原理 闭合电路开关S,系统处于防盗状态。 当门窗紧闭时，蜂鸣器不响，指示灯亮 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。 当门窗被打开时，蜂鸣器发出声音警报，指示灯灭。 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。 （3） 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。 制作拓展： 光控开关 【例题1】某一热敏电阻的阻值随温度的变化关系如图（a）所示，利用此热敏电阻制作温控报警器，其电路的一部分如图（b）所示，E为直流电源（电动势为9V，内阻可忽略），当输出电压达到或超过6.0V时，便触发报警器（图中未画出）报警。若要求开始报警时环境温度为50℃，则下列说法中正确的是（　　） A．R1应使用热敏电阻 B．R2应使用热敏电阻 C．R1为固定电阻，阻值为0.4kΩ D．R2为固定电阻，阻值为1.6kΩ 【答案】AD 【详解】温度升高时，该热敏电阻阻值减小，分得电压减少。而温度高时要求输出电压升高，以触发报警，所以R1为热敏电阻，R2为固定电阻；由图线可知，温度为50℃时，R1 =0.8kΩ，由欧姆定律可得 ， 代入数据解得 故AD正确，BC错误；故选AD。 针对训练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与门关闭时相比的变化情况为(　　) 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 【详解】　当门打开时，R3受红外线照射，电阻减小，则电路中总电阻减小，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． 设计电路并交流 理解实验原理 动手操作实验 课 堂 练 习 1.图甲为一种家用门磁防盗报警器，由磁条和主机组成，门窗均可使用，乙图为其简化示意图，安装时，将磁条固定在门框上，主机安装在与其等高的门板边缘，门关上时，两者刚好靠在一起．当主机开关闭合时，若门被打开，磁条与主机分离，主机内的触发器就会工作，带动报警器发出报警声．下列有关说法正确的是(　　) A．触发器内是一个开关，当主机与磁条靠近时，开关是断开的 B．触发器可以由铜制成 C．磁条的两极对调后，该报警器不能正常工作 D．本装置是利用电流的磁效应工作的 【答案】　A 【详解】　门关上时，磁条与触发器刚好靠在一起，此时报警器不工作，说明电路是断开的；当主机开关闭合时，若门被打开，磁条与主机分离，主机内的触发器就会工作，带动报警器发出报警声，说明此时触发器内开关是闭合的，选项A正确．触发器与磁条之间存在磁力的作用，所以触发器不可能是铜制成的，因为铜没有磁性，选项B错误．无论磁条哪个磁极靠近触发器，都存在磁力作用，所以两极对调后，该报警器仍能正常工作，选项C错误．本装置是利用磁体能够吸引磁性物体的特点工作的，选项D错误。 2.如图为“电容测厚传感器”系统的原理图．当被轧金属板材的厚度相对于要求值发生变化时，电容传感器的电容C发生变化．C的变化通过测量电路后．一方面由仪表读出板材厚度，另一方面通过反馈电路将偏差信号传送给压力调节器，使板材的厚度控制在规定的范围内．若仅改变电容器的正对面积S或板材厚度h，可使电容C增大的是（　　） A．h减小 B．h增大 C．S减小 D．S增大 【答案】BD 【详解】CD．由可知，在只改变正对面积时，由于，C错误，D正确； AB．在只改变板材厚度h时效果上相当于改变了板间距离，h增大时d减小，而此时，A错误，B正确。 故选BD。 3.如图甲所示为某小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，R1为光敏电阻（该电阻特性是光照强，导电性好）、R2为定值电阻，A、B接监控装置。如图乙所示为一温度自动报警器的原理图，在水银温度计的顶端封入一段金属丝。下列说法正确的是（　　） A．图甲中，当有人通过而遮住光线时，A、B之间电压减小 B．图甲中，仅减小R2的阻值时，可增大A、B之间的电压 C．图乙中，温度升高至74℃时，灯L2亮报警 D．图乙中，温度升高至78℃时，灯L1亮报警 【答案】A 【详解】A．图甲中，当有人通过而遮住光线时，光照变弱，R1阻值变大，根据“串反并同”，A、B之间电压减小，A正确； B．图甲中，仅减小R2的阻值时，回路电流增大，根据 ，A、B之间的电压减小，B错误； CD．图乙中，温度升高至78℃时，回路导通，电磁铁得电，灯L2亮报警，灯L1熄灭，CD错误。 故选A。 4.电容式液位计可判断绝缘液体液面的升降，某型号液位计的工作原理如图所示，一根金属棒插入金属容器内，金属棒为电容器的一个极，容器壁为电容器的另一个极，金属容器接地，在容器内绝缘液体液面升高的过程中，下列说法正确的是（　　） A．电容器的电容不变 B．有从右到左的电流通过灵敏电流表G C．电容器的带电荷量变大 D．容器内液体换成氯化钠水溶液，测量液面升降将变得更灵敏 【答案】BC 【详解】A．根据电容器的决定式在液面升高的过程中，两极间填充电介质增加，即电容器的电容增大，故A错误； BC．根据可知，由于电容器电压不变，电容增大，则电容器的带电荷量增加，电容器充电，有从右到左的电流通过灵敏电流表G，故BC正确； D．电容器两板间应绝缘，液体换成氯化钠水溶液，整个电路将短路，不能用于测量液面的升降，故D错误。 故选BC。 5.某科技兴趣小组对具有自动加水功能的家用电热壶的原理十分感兴趣，于是自行设计了一个简化的装置示意图和电路图，如图1所示。该装置可以实现在壶中的水量不足时自动加水，而在达到“预设水量”时，又能够自动停止加水的目的。底座可以承受水壶和水的全部重量，底座压在一个以O点为固定转轴的L形杠杆上。杠杆段水平，另一端与压力传感器接触，的阻值与压力F之间的关系图像如图2所示。当“控制电路”的输入端电压大于等于1V时，能控制水泵的电机开始工作，将水抽到水壶中。已知电源的电动势为，内阻为，为电阻箱（），水壶中没有水时，水壶和底座的总质量为，重力加速度g取，“控制电路”输入端中的电流十分微弱，可以忽略，杠杆绝缘且质量不计，不考虑加水时水流的冲击力。回答下列问题： （1）水龙头往水壶加水的过程中，的阻值逐渐 ，两端的电压逐渐 （均选填“增大”或“减小”）；为了实现上述功能，“控制电路”的输入端应该并联在电路的 端点（选填“a、b”或“c、d”）。 （2）该小组的同学调节底座与杠杆的接触位置B，使图中的长度为长度的2倍，并要求“预设水量”为1L（对应的水的质量为）。已知电阻受到的压力，其中为杠杆上B点受到的压力，则应将调节为 ，此时两端的电压为 V。 【答案】 减小 增大 a、b 24.0 4.8 【详解】（1）[1][2][3]加水的过程中，压力变大，由题图2知，的阻值逐渐减小；则电路总电阻逐渐减小，根据闭合电路欧姆定律可知，电路电流逐渐增大，则两端的电压逐渐增大；为了在水量达到“预设水量”时电机停止工作，要使“控制电路”输入端电压随水量的增加而减小，则“控制电路”输入端应该连接电路的a、b端点。 （2）[4][5]达到“预设水量”1L时，水壶和水的总重力为 压力传感器上的压力为由图2读得的阻值为，由题意知到“预设水量”时的电压应为1V，通过的电流应为则的阻值应为此时两端的电压为 6.（2025·河南·高考真题）实验小组研究某热敏电阻特性，并依此利用电磁铁、电阻箱等器材组装保温箱。该热敏电阻阻值随温度的变化曲线如图1所示，保温箱原理图如图2所示。回答下列问题： （1）图1中热敏电阻的阻值随温度的变化关系是________（填“线性”或“非线性”）的。 （2）存在一个电流值，若电磁铁线圈的电流小于，衔铁与上固定触头a接触；若电流大于，衔铁与下固定触头b接触。保温箱温度达到设定值后，电磁铁线圈的电流在附近上下波动，加热电路持续地断开、闭合，使保温箱温度维持在设定值。则图2中加热电阻丝的c端应该与触头________（填“a”或“b”）相连接。 （3）当保温箱的温度设定在时，电阻箱旋钮的位置如图3所示，则电阻箱接入电路的阻值为________。 （4）若要把保温箱的温度设定在，则电阻箱接入电路的阻值应为________。 【答案】（1）非线性 （2）a （3）130.0 （4）210.0 【小问1详解】 根据图1可知热敏电阻的阻值随温度的变化关系是非线性的。 【小问2详解】 根据图1可知温度升高，热敏电阻的阻值变小，根据欧姆定律可知流过电磁铁线圈的电流变大，衔铁与上固定触头b接触，此时加热电阻丝电路部分断开连接，停止加热，可知图2中加热电阻丝的c端应该与触头a相连接。 【小问3详解】 由图3可知电阻箱接入电路的阻值为 【小问4详解】 根据（3）可知，当温度为时，热敏电阻的阻值为，电阻箱接入的电阻为，当温度为时，热敏电阻的阻值为，要使得电流值不变，则在电流为时，控制电路的总电阻不变，则此时电阻箱的电阻为 课 堂 小 结 1.自动控制装置咋实现“不用动手”？全靠传感器+执行器的“黄金搭档”！传感器当“眼睛耳朵”感知变化（比如光线暗、温度高），执行器就当“手脚”干活（开灯、转风扇），妥妥的“管家式服务”～ 2.制作关键就两步：先选对“管家”（比如用光敏电阻控灯光，热敏电阻控风扇），再搭好“指令通道”（电路连接），让传感器的电信号能指挥执行器“听话做事”，不用咱手动开关啦！ 板 书 设 计 第2节 科学制作：简单的自动控制装置 一、天团成员&分工 传感器：“侦察兵”（感光/感温/感磁，如光敏电阻、干簧管） 控制器：“大脑”（简单电路/继电器，判断偏差发指令） 执行器：“打工人”（灯珠/风扇/蜂鸣器，干活落地） 二、工作流程 感知信号→大脑决策→执行动作（闭环协作，不用手动催） 三、趣味案例 光控路灯：光敏电阻“见黑”→电路指令→灯珠亮起 磁控报警：干簧管“感磁”→继电器联动→蜂鸣器报警 四、制作口诀 选对传感器，接好控制路，执行器听话，自动不用顾！ 作业 布置 1.绘制一个简易光控开关电路图，并说明其工作原理（参考教材P78实验装置）。 2.利用身边材料（如旧手机光敏电阻、导线）制作一个温度报警装置，记录实验现象。 3.分析自动控制装置在智能家居中的应用，列举2个实例并简述其控制逻辑。 教学反思 1.部分学生对三极管放大/开关作用理解模糊，可借助“水龙头”类比简化原理，结合实物拆解演示核心功能。 2.小组制作中电路调试耗时较长，需提前梳理常见故障（如虚接、元件极性错误），提供问题排查清单。 3.创新设计环节引导不足，可展示多场景案例（如自动浇水、防盗报警），启发学生拓展制作思路。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $