3. 利用传感器制作简单的自动控制装置（教学设计）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 一、教学目标 物理观念 · 理解门窗防盗报警装置、光控开关的工作原理，明确干簧管、光敏电阻在电路中的传感与控制作用。 · 掌握电磁继电器、三极管的基本功能，知晓其在自动控制电路中“信号放大”“电路切换”的核心作用。 · 深化“非电学量→电学量→控制信号”的转换观念，能辨识自动控制装置的核心组成与工作流程。 科学思维 · 分析两个实验电路的结构的逻辑，拆解“传感→放大→执行”的控制链条，提升电路分析与逻辑推理能力。 · 结合电路原理进行简单定量计算（如电阻选型、电流判断），培养数理结合与模型建构能力。 · 对比两个实验装置的设计思路，归纳自动控制装置的共性特征，形成“需求→选型→设计→调试”的思维模式。 科学探究 · 参与门窗防盗报警装置和光控开关的组装、调试实验，规范操作实验器材，记录实验现象，分析故障原因并优化，提升实验操作与问题解决能力。 · 基于所学知识，设计简易自动控制装置（如自动灭火装置、雨水感应关窗装置），激发创新意识与实践设计能力。 · 针对实验中出现的“报警失灵”“光控灵敏度不足”等问题，提出猜想并验证，培养科学探究的质疑与验证精神。 科学态度与责任 · 通过亲手制作自动控制装置，体会物理知识在实际工程中的应用价值，增强对物理学科的学习兴趣。 · 认识传感器技术在安全防护、智能生活等领域的重要意义，培养热爱科学、勇于实践的科学态度。 · 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。 二、教学重难点 重点 · 门窗防盗报警装置、光控开关的电路结构与工作原理。 · 电磁继电器、三极管的基本功能及在电路中的作用。 · 实验装置的组装、调试流程，以及“非电学量→电学量→控制信号”的转换逻辑。 教学难点 · 电磁继电器的触点切换机制，以及干簧管、光敏电阻与继电器的配合逻辑。 · 三极管的放大原理在光控电路中的应用，理解基极电流对集电极电流的控制作用。 · 实验调试过程中故障的分析与排查，如灵敏度不足、电路误触发等问题的解决。 三、教学过程 （一）教学引入 1. 情境展示：播放家庭防盗报警、楼道光控路灯自动亮灭的短视频，结合图片呈现智能安防、自动控制场景。 2. 互动提问：“门窗被非法开启时，报警装置如何自动触发？光控路灯为何能在天黑后自动点亮？这些装置的核心控制逻辑是什么？” 3. 引出课题：引导学生结合前两节传感器知识讨论，教师总结并引出课题——利用传感器制作简单的自动控制装置，明确本节课将通过两个实验，掌握自动控制装置的设计与制作。 （二）新课教学 1. 门窗防盗报警装置 怎样才能实现上述功能呢？利用干簧管在磁场中的特性是不错的选择。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 核心元件介绍：讲解干簧管（磁场控制通断的传感器）、电磁继电器（用小电流控制大电流的“自动开关”）的功能。 实验器材：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。 ② 电路逻辑：闭合电源开关S，门窗紧闭时，磁体M靠近干簧管SA，簧片磁化吸合，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： ① 元件检查：用磁体靠近干簧管，验证其通断功能；讲解继电器引脚定义，明确线圈与触点的连接方式。 ② 电路搭建：指导学生按原理图连接电路，强调电源正负极、电阻限流（保护LED和继电器）的重要性。 （4）功能验证： ① 调试操作：门窗紧闭（磁体靠近干簧管），观察LED发光；开启门窗（磁体远离），观察蜂鸣器报警。 ② 问题排查：若报警失灵，检查干簧管与磁体的距离、继电器接线是否正确；若误报警，调整磁体位置确保干簧管可靠吸合。 2. 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 核心元件介绍：回顾光敏电阻“光照强→电阻小”的特性，讲解三极管的放大功能（基极电流控制集电极电流）。 三极管电路符号及实物图 实验器材：可调电阻、限流电阻、光敏电阻、暗电阻、亮电阻、三极管、发光二极管、继电器、小灯泡、二极管、电源。 ② 电路逻辑（NTC型三极管电路）：光照强时，光敏电阻RG阻值小，三极管基极电流不足，不导通，LED/小灯泡不亮；光照弱时，RG阻值大，基极电流增大，三极管导通，集电极电流驱动LED/小灯泡发光（或继电器吸合控制大功率用电器）。 （2）实验操作： ① 电路搭建：按原理图连接光敏电阻、三极管、电阻、LED/小灯泡，明确三极管的发射极、基极、集电极接线。 ② 参数调节：让光敏电阻受强光照射，调节电阻R₁使LED刚好不发光（校准临界值）。 （3）功能验证： ① 调试操作：用手电筒照射（强光），观察LED熄灭；遮挡光敏电阻（弱光），观察LED发光。 ② 灵敏度调节：改变电阻R₁的阻值，观察光控临界值的变化，理解电阻对灵敏度的影响。 3. 核心知识总结 （1）自动控制装置的共性结构：传感器（感知非电学量）→ 控制元件（继电器/三极管）→ 执行元件（蜂鸣器/LED/灯泡）。 （2）核心逻辑：非电学量→电学量（传感器转换）→ 控制信号（继电器/三极管处理）→ 执行动作（执行元件响应）。 （三）课堂练习 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。 四、课题小结 五、板书设计 5.3 利用传感器制作简单的自动控制装置 1. 门窗防盗报警装置 核心元件：干簧管（磁场→通断）、电磁继电器 逻辑：门窗状态→干簧管通断→继电器切换→LED/蜂鸣器响应 2. 光控开关 核心元件：光敏电阻（光照→电阻）、三极管（放大） 逻辑：光照强度→光敏电阻阻值→三极管导通→LED/灯泡亮灭 3. 共性结构：传感器→控制元件（继电器/三极管）→ 执行元件 4. 核心逻辑：非电学量→电学量→控制信号→执行动作 六、作业布置 1. 完成课本“练习与应用”相关习题； 2. 完成分层作业。 七、教学反思 本节课通过实验组装与原理分析，基本达成教学目标，学生能掌握两个装置的制作与调试。成功之处在于以生活实例为切入点，实验流程清晰，降低了实践难度。但部分学生对电磁继电器的触点切换、三极管的放大原理理解不透彻，调试时故障排查能力不足。后续可增加元件功能演示动画，拆解复杂原理；设计故障排查清单，引导学生逐步解决问题；同时拓展更多简易设计任务，提升学生的实践创新能力。 学科网（北京）股份有限公司 2 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $