3. 利用传感器制作简单的自动控制装置（导学案）物理人教版选择性必修第二册

3. 利用传感器制作简单的自动控制装置 1. 物理观念：理解门窗防盗报警装置、光控开关的工作原理，掌握电磁继电器、三极管的基本功能，深化“非电学量→电学量→控制信号”的转换观念。 2. 科学思维：分析实验电路的逻辑结构，拆解“传感→控制→执行”的工作链条，能进行简单定量计算，归纳自动控制装置的共性特征。 3. 科学探究：参与实验装置的组装与调试，记录实验现象，排查故障并优化，设计简易自动控制装置，培养实验操作与创新能力。 4. 科学态度与责任：体会物理知识的工程应用价值，树立安全实验、规范操作的意识，培养严谨务实的工程素养与社会责任观念。 1. 门窗防盗报警装置、光控开关的电路结构与工作原理。 2. 电磁继电器、三极管在电路中的核心作用。 3. 实验装置的组装、调试流程及“非电学量→电学量”的转换逻辑。 4. 电磁继电器的触点切换机制与干簧管、光敏电阻的配合逻辑。 5. 三极管的放大原理在光控电路中的应用。 6. 实验故障的分析与排查（如灵敏度不足、误触发等）。 （一）知识回顾 1. 传感器的核心功能是将______转换为______。 2. 干簧管的通断由______控制，光敏电阻的阻值随光照强度增大而______。 3. 电路的基本组成包括______、______、______和______。 （二）预习新知 1. 电磁继电器是用______电流控制______电流的“自动开关”，具有______回路和______回路。 2. 门窗防盗报警装置中，干簧管起______和______作用，继电器实现______的切换。 3. 光控开关中，三极管的作用是______，当光照减弱时，光敏电阻阻值______，三极管______。 （三）预习疑问 1. 电磁继电器的动触点、常开触点、常闭触点如何配合工作？ 2. 光控开关中，可调电阻R₁的作用是什么？ （一）门窗防盗报警装置 如图是一个简单的门窗磁控防盗报警装置示意图。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。 1.实验目的：了解门窗报警装置的原理 2. 原理分析： (1) 干簧管在电路中的核心作用是什么？ (2) 电磁继电器的核心功能是什么？ (3) 闭合开关S，门窗紧闭时，磁体M靠近干簧管SA，簧片______，继电器线圈K______，动触点c与______接通，______发光；门窗开启时，磁体远离，干簧管______，继电器______，动触点c与______接通，______报警。 3. 实验操作： 步骤1：检查干簧管功能，用磁体靠近，观察簧片______。 步骤2：按电路图连接电路，注意继电器线圈的正负极和电阻的限流作用。 步骤3：接通电源，磁体靠近干簧管，观察______；磁体远离，观察______。 4. 功能验证： 若磁体远离时蜂鸣器不报警，可能的原因是什么？ （二）光控开关 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。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。 实验目的：了解光控开关的原理。 1. 原理分析： （1）光敏电阻有什么样的特性？ （2）三极管在电路中为何能驱动执行元件？ （3）光照强时，光敏电阻RG阻值______，三极管______，LED/小灯泡______；光照弱时，RG阻值______，三极管基极电流______，集电极电流______，LED/小灯泡______。 2. 实验操作： 步骤1：连接电路，确保三极管的发射极、基极、集电极接线正确。 步骤2：强光照射RG，调节R₁使LED/小灯泡______。 步骤3：遮挡RG，观察LED/小灯泡______；移除遮挡，观察______。 3. 功能验证： 如何提高光控开关的灵敏度？ （三）核心知识总结 1. 电磁继电器： 功能：______、______，实现“弱信号→强信号”的转换。 2. 三极管： 功能：______，将传感器的微弱信号放大，驱动执行元件工作。 3. 对比分析：两个实验装置的共性结构是______→______→______。 课堂小结 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 2.光敏电阻在各种自动化装置中有很多应用。街道路灯自动控制就是其应用之一，如图所示电路为模拟电路，其中A为一光敏电阻，B为电磁继电器，C为电流信号放大器，D为路灯。请连成正确的电路，达到日出路灯熄、日落路灯亮的效果。 3．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 4.(多选)如图所示是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、R2为定值电阻，A、B接监控装置。则下列说法正确的是(　　) A．当有人通过而遮住光线时，A、B之间电压变大 B．当有人通过而遮住光线时，A、B之间电压减小 C．当仅增大R2的阻值时，可增大A、B之间的电压 D．当仅减小R2的阻值时，可增大A、B之间的电压 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $ 3. 利用传感器制作简单的自动控制装置 1. 物理观念：理解门窗防盗报警装置、光控开关的工作原理，掌握电磁继电器、三极管的基本功能，深化“非电学量→电学量→控制信号”的转换观念。 2. 科学思维：分析实验电路的逻辑结构，拆解“传感→控制→执行”的工作链条，能进行简单定量计算，归纳自动控制装置的共性特征。 3. 科学探究：参与实验装置的组装与调试，记录实验现象，排查故障并优化，设计简易自动控制装置，培养实验操作与创新能力。 4. 科学态度与责任：体会物理知识的工程应用价值，树立安全实验、规范操作的意识，培养严谨务实的工程素养与社会责任观念。 1. 门窗防盗报警装置、光控开关的电路结构与工作原理。 2. 电磁继电器、三极管在电路中的核心作用。 3. 实验装置的组装、调试流程及“非电学量→电学量”的转换逻辑。 4. 电磁继电器的触点切换机制与干簧管、光敏电阻的配合逻辑。 5. 三极管的放大原理在光控电路中的应用。 6. 实验故障的分析与排查（如灵敏度不足、误触发等）。 （一）知识回顾 1. 传感器的核心功能是将______转换为______（非电学量；电学量或电路通断）。 2. 干簧管的通断由______控制（磁场），光敏电阻的阻值随光照强度增大而______（减小）。 3. 电路的基本组成包括______、______、______和______（电源；用电器；导线；开关）。 （二）预习新知 1. 电磁继电器是用______电流控制______电流的“自动开关”（较小；较大），具有______回路和______回路（控制；被控制）。 2. 门窗防盗报警装置中，干簧管起______和______作用（传感器；控制开关），继电器实现______的切换（电路）。 3. 光控开关中，三极管的作用是______（放大电流），当光照减弱时，光敏电阻阻值______，三极管______（增大；导通）。 （三）预习疑问 1. 电磁继电器的动触点、常开触点、常闭触点如何配合工作？ 2. 光控开关中，可调电阻R₁的作用是什么？ （一）门窗防盗报警装置 如图是一个简单的门窗磁控防盗报警装置示意图。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。 1.实验目的：了解门窗报警装置的原理 2. 原理分析： (1) 干簧管在电路中的核心作用是什么？ （将门窗位置的非电学量转换为电路通断的电学量） (2) 电磁继电器的核心功能是什么？ （用小电流控制大电流的“自动开关”） (3) 闭合开关S，门窗紧闭时，磁体M靠近干簧管SA，簧片______（磁化相吸），继电器线圈K______（通电），动触点c与______（常开触点a）接通，______（绿色LED）发光（正常状态）；门窗开启时，磁体远离，干簧管______（断开），继电器______（断电），动触点c与______（常闭触点b）接通，______（蜂鸣器H）报警。 3. 实验操作： 步骤1：检查干簧管功能，用磁体靠近，观察簧片______（是否正常吸合）。 步骤2：按电路图连接电路，注意继电器线圈的正负极和电阻的限流作用。 步骤3：接通电源，磁体靠近干簧管，观察______（LED发光）；磁体远离，观察______（蜂鸣器报警）。 4. 功能验证： 若磁体远离时蜂鸣器不报警，可能的原因是什么？ （干簧管未断开、继电器接线错误、蜂鸣器损坏） （二）光控开关 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。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。 实验目的：了解光控开关的原理。 1. 原理分析： （1）光敏电阻有什么样的特性？ （光照弱→电阻大， 光照强→电阻小） （2）三极管在电路中为何能驱动执行元件？ （放大基极微弱电流，产生足够大的集电极电流） （3）光照强时，光敏电阻RG阻值______（小），三极管______（不导通），LED/小灯泡______（不亮）；光照弱时，RG阻值______（大），三极管基极电流______（增大），集电极电流______（增大），LED/小灯泡______（发光）。 2. 实验操作： 步骤1：连接电路，确保三极管的发射极、基极、集电极接线正确。 步骤2：强光照射RG，调节R₁使LED/小灯泡______（刚好不发光）。 步骤3：遮挡RG，观察LED/小灯泡______（是否发光）；移除遮挡，观察______（是否熄灭）。 3. 功能验证： 如何提高光控开关的灵敏度？ （调节R₁阻值，增大基极电流的变化幅度） （三）核心知识总结 1. 电磁继电器： 功能：______（用小电流控制大电流）、______（切换电路），实现“弱信号→强信号”的转换。 2. 三极管： 功能：______（电流放大），将传感器的微弱信号放大，驱动执行元件工作。 3. 对比分析：两个实验装置的共性结构是______→______→______（传感器；控制元件；执行元件）。 课堂小结 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。 2.光敏电阻在各种自动化装置中有很多应用。街道路灯自动控制就是其应用之一，如图所示电路为模拟电路，其中A为一光敏电阻，B为电磁继电器，C为电流信号放大器，D为路灯。请连成正确的电路，达到日出路灯熄、日落路灯亮的效果。 答案　见解析图 解析　当有光照射时，光敏电阻阻值较小，电流经过放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸合，使两个触点断开；当无光照时，光敏电阻阻值增大，电流减小，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个触点闭合，控制路灯电路接通，路灯开始工作，电路如图所示。 3．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 解析　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由铜制成的，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。 4.(多选)如图所示是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、R2为定值电阻，A、B接监控装置。则下列说法正确的是(　　) A．当有人通过而遮住光线时，A、B之间电压变大 B．当有人通过而遮住光线时，A、B之间电压减小 C．当仅增大R2的阻值时，可增大A、B之间的电压 D．当仅减小R2的阻值时，可增大A、B之间的电压 答案　BC 解析　R1是光敏电阻，有光照射时，电阻变小，当有人通过而遮住光线时，R1的阻值变大，回路中的电流I减小，A、B间的电压U＝IR2减小，故A项错误，B项正确；由闭合电路欧姆定律得：U＝E－I(R1＋r)，当仅增大R2的阻值时，电路中的电流减小，A、B间的电压U增大，故C项正确；当仅减小R2的阻值时，电路中的电流增大，A、B间的电压U减小，故D项错误。 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $