第2节 科学制作：简单的自动控制装置-【金版新学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册同步课堂高效讲义教师用书（鲁科版）

本讲义聚焦传感器在自动控制装置中的应用这一核心知识点，系统梳理光报警装置和温度报警装置的制作原理，涵盖实验目的、器材、控制变量法应用、步骤及数据收集分析，衔接光控开关、报警电路设计等知识点，形成从实践操作到理论应用的完整学习支架。 该资料以实验探究为核心，通过设计光/温度报警装置培养科学探究能力，数据记录与分析环节强化科学思维（模型建构、科学推理），结合节能等实际应用渗透科学态度与责任。课中辅助教师引导学生动手实践，课后练习题帮助学生巩固传感器应用原理，有效查漏补缺。

第2节　科学制作：简单的自动控制装置 一、实验目的 1.设计并制作光报警装置。 2.设计并制作温度报警装置。 3.了解制作的报警装置的工作原理。 二、实验器材 　　光敏电阻、热敏电阻(随温度升高阻值减小)、温度计、干电池、手电筒、蜂鸣器、开关、导线、变阻器。 三、实验原理与设计 1.实验的基本思想——控制变量法 (1)变量的控制要求： 在物理实验中，要注意控制实验过程中的不同变量。 (2)设计思路： 控制亮度和温度不变，改变滑动变阻器阻值，直至蜂鸣器报警。 2.实验原理 (1)蜂鸣器在电流(电压)达到一定值时会报警； (2)控制光照强度不变，光敏电阻阻值不变； (3)控制温度不变，热敏电阻阻值不变； (4)改变滑动变阻器阻值，可以改变通过蜂鸣器的电流，引起报警。 四、实验步骤 1.制作光报警装置 (1)按光报警器装置电路图组装好仪器； (2)将手电筒的亮度调至一挡，固定并照射光敏电阻； (3)将滑动变阻器调至最大阻值处； (4)闭合开关，逐步减小滑动变阻器阻值，直至蜂鸣器报警，记录滑动变阻器阻值、滑片所处位置，断开开关； (5)将手电筒的亮度调至二挡，固定并照射光敏电阻重复(3)(4)； (6)将手电筒的亮度调至三挡，固定并照射光敏电阻重复(3)(4)； (7)填写表格，记录数据。 2.制作温度报警装置 (1)按照温度报警器装置电路图组装好仪器； (2)将热敏电阻放置到温度较低的热水中，测出并记录温度； (3)将滑动变阻器调至最大阻值处； (4)闭合开关，逐步减小滑动变阻器阻值，直至蜂鸣器报警，记录滑动变阻器阻值、滑片所处位置，断开开关； (5)将热敏电阻放置到温度适中的热水中，测出并记录温度重复(3)(4)； (6)将热敏电阻放置到温度较高的热水中，测出并记录温度重复(3)(4)； (7)填写表格，记录数据。 五、数据收集与分析 　依据具体的实验操作记录，填写表格。 光 报 警 装 置 手电筒亮度 滑片所处位置 (左/中/右) 滑动变阻器阻值 (小/中/大) 一挡 二挡 三挡 温 度 报 警 装 置 水温 温度 (℃) 滑片所处位置 (左/中/右) 滑动变阻器阻值 (小/中/大) 低 中 较高 学生用书⬇第104页 六、实验结论 1.对于光报警器实验，滑动变阻器阻值变大时，蜂鸣器报警所需要的光照强度增大。 2.对于温度报警器，滑动变阻器阻值变大时，蜂鸣器报警所需要的温度升高。 七、误差分析 　偶然误差：温度计读数时造成的偶然误差，手电筒照射角度偏差造成的偶然误差。 系统误差：测量时水温变化或者外部光照变化引起的测量误差。 知识点一　设计光控开关 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。光控开关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表所示： 照度/lx 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 电阻/kΩ 75 40 28 23 20 18 (1)根据表中数据，请在图甲给定的坐标系中描绘出光敏电阻阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点。 　　　　　　 　　　　　　 (2)如图乙所示，当1、2两端所加电压上升至2 V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： 光敏电阻Rp(符号，阻值见图表) 直流电源E(电动势3 V，内阻不计) 定值电阻：R1＝10 kΩ，R2 ＝20 kΩ，R3＝40 kΩ(限选其中之一并在图中标出)；开关S及导线若干。 答案：(1)见解析　(2)见解析 解析：(1)根据表中的数据，在坐标纸上描点连线，得到如图所示的变化曲线。 阻值随照度变化的特点：光敏电阻的阻值随光的照度的增大非线性减小。 (2)因天色渐暗照度降低至1.0 lx时启动照明系统，此时光敏电阻阻值为20 kΩ，两端电压为2 V，电源电动势为3 V，故应加上一个分压电阻，分压电阻阻值为10 kΩ，即选用R1；此电路的原理图如图所示。 针对练1.(多选)计算机光驱的主要部分是激光头，它可以发射脉冲激光信号，激光扫描光盘信息时，激光头利用光敏电阻自动计数器将反射回来的脉冲信号传输给信号处理系统，再通过计算机显示出相应信息。光敏电阻自动计数器的示意图如图所示，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是 (　　) A.当有光照射R1时，处理系统获得高电压 B.当有光照射R1时，处理系统获得低电压 C.信号处理系统每获得一次低电压就计数一次 D.信号处理系统每获得一次高电压就计数一次 答案：AD 解析：R1、R2和电源形成一个闭合电路，只有R2两端获得高电压时，处理系统才能进行信号处理，当激光照到光敏电阻时，R1阻值变小，总电流变大，R2两端电压变高，故选A、D。 针对练2.电控调光玻璃能根据光照强度自动调节玻璃的透明度，将光敏电阻Rx和定值电阻R0接在9 V的电源上，光敏电阻阻值随光强变化关系如表所示： 光强I/cd 1 2 3 4 5 电阻值/ Ω 18 9 6 3.6 学生用书⬇第105页 “光强”是表示光强弱程度的物理量，符号为I，单位为坎德拉(cd) (1)当光照强度为4坎德拉(cd)时光敏电阻Rx的阻值大小为　　　　 Ω。 (2)其原理是光照增强，光敏电阻Rx阻值变小，施加于玻璃两端的电压降低，玻璃透明度下降，反之则玻璃透明度上升。若电源电压不变，R0是定值电阻，则下列电路图中符合要求的是　　　　(填字母)。 答案：(1)4.5　C 解析：(1)由表格数据可知，光敏电阻Rx与光强I的乘积均为18 Ω·cd不变，则当E＝4 cd时，光敏电阻的阻值：Rx＝＝4.5 Ω。 (2)由题意可知，光敏电阻Rx与定值电阻R0串联连接，光照增强时，光敏电阻Rx阻值减小，电路中的总电阻减小，由I＝可知，电路中的电流增大，由U＝IR可知，R0两端的电压增大，因串联电路中总电压等于各分电压之和，所以Rx两端的电压减小。反之，光照减弱时，光敏电阻Rx阻值增大，R0两端的电压减小，Rx两端的电压增大。则玻璃并联在R0两端时不符合，玻璃并联在Rx两端时符合，故A错误，C正确；若玻璃与电源并联，光照变化时，玻璃两端的电压不变，故B、D错误。 知识点二　设计报警电路 小明利用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路”，如图甲所示。将热敏电阻R安装在需要探测温度的地方，当环境温度正常时，继电器的上触点接触，下触点分离，指示灯亮；当环境温度超过某一值时，继电器的下触点接触，上触点分离，警铃响。图甲中继电器的供电电压U1＝3 V，继电器线圈用漆包线绕成，其电阻R0为30 Ω。当线圈中的电流大于等于50 mA时，继电器的衔铁将被吸合，警铃响。图乙是热敏电阻的阻值随温度变化的图像。 (1)由图乙可知，当环境温度为40 ℃时，热敏电阻阻值为　　　　 Ω。当环境温度升高时，热敏电阻阻值将　　　，继电器的磁性将　　　　(后两空均选填“增大”“减小”或“不变”)。 (2)图甲中警铃的接线柱C应与接线柱　　　　相连，指示灯的接线柱D应与接线柱　　　　相连(均选填“A”或“B”)。 (3)图甲中线圈下端P的磁极是　　　　极(选填“N”或“S”)。 (4)请计算说明，环境温度在什么范围内时，警铃报警。 答案：(1)70　减小　增大　(2)B　A　(3)S (4)见解析 解析：(1)分析题图乙，找到热敏电阻40 ℃对应的阻值为70 Ω；分析图像发现：温度升高时，热敏电阻阻值减小，根据欧姆定律，电路中电流就会增大，电磁铁的磁性就会增大； (2)由题中“当环境温度超过某一值时，继电器的下触点接触，上触点分离，警铃响”，所以警铃的接线柱C应与接线柱B相连，指示灯的接线柱D应与接线柱A相连； (3)由安培定则可判断出线圈的下端P的极性是S极； (4)当线圈中的电流I＝50 mA＝0.05 A时，继电器的衔铁将被吸合，警铃报警，所以控制电路的总电阻为：R总＝60 Ω 所以热敏电阻为：R＝30 Ω 由图乙可知，此时t＝80 ℃ 所以，当温度t≥80 ℃时，警铃报警。 针对练1.传感器的种类多种多样，其性能也各不相同，空调机在室内温度达到设定的温度后，会自动停止工作，空调机内使用的传感器是(　　) A.生物传感器　　　　　　　　 B.红外传感器 C.温度传感器 D.压力传感器 答案：C 解析：空调机根据温度调节工作状态，所以内部使用了温度传感器，故C正确，A、B、D错误。 针对练2.如图是具有自动报警功能的防盗门的工作原理示意图，它利用干簧管作为传感器，继电器(虚线方框部分)作为执行装置。下列说法不正确的是(　　) A.当门紧闭时，磁体M靠近干簧管SA，开关c与b接通 B.当门紧闭时，磁体M靠近干簧管SA，开关c与a接通 C.当门被推开时，磁体M离开干簧管SA，继电器被断电，开关c与b接通 D.当门被推开时，磁体M离开干簧管SA，开关c与b接通，蜂鸣器H发声报警 答案：A 解析：当门紧闭时，磁体M靠近干簧管SA，继电器接通，开关c与a接通，LED灯亮，故A错误，B正确；当门被推开时，磁体M离开干簧管SA，继电器被断电，开关c与b接通，LED灯不亮，蜂鸣器H发声报警，故C、D正确。故选A。 学生用书⬇第106页 1.(多选)如图所示的火灾报警装置，R1为热敏电阻，电源内阻不计，若温度升高，则R1的阻值会急剧减小，从而引起电铃电压的增加。当电铃电压达到一定值时，电铃会响。下列说法中正确的是 (　　) A.要使报警的临界温度升高，可以适当增大电源的电动势 B.要使报警的临界温度降低，可以适当增大电源的电动势 C.要使报警的临界温度升高，可以把R2的滑片P适当向下移 D.要使报警的临界温度降低，可以把R2的滑片P适当向下移 答案：BD 解析：要使报警的临界温度升高，R1对应的阻值减小，电路中电流会增大，电铃两端的电压会增大，而电铃电压达到一定值时，电铃会响，要使电铃的电压仍为原来的值，必须适当减小电源的电动势，相反，要使报警的临界温度降低，可以适当增大电源的电动势，故A错误，B正确；要使报警的临界温度升高，R1对应的阻值减小，根据串联电路的特点可知，将使电铃的电压增大，要使电铃的电压仍为原来的值，可以把R2的滑片P适当向上移，以减小R2，相反，要使报警的临界温度降低，可以把R2的滑片P适当向下移，故C错误，D正确。 2.(多选)如图是温度自动报警器的工作原理图，图中1是电磁铁、2是衔铁、3是触点、4是水银温度计。则下列说法正确的是(　　) A.温度低于警戒温度时，电铃报警 B.温度高于警戒温度时，电铃报警 C.温度低于警戒温度时，电铃控制电路处于断路状态，指示灯亮 D.温度高于警戒温度时，电铃控制电路处于通路状态，指示灯亮 答案：BC 解析：温度升高，水银面上升，因水银是导体，当温度上升到金属丝下端所指温度时，控制电路被接通，电磁铁线圈就有电流通过，电磁铁产生磁性吸引衔铁，使触点开关闭合，工作电路形成回路，电铃就响起来，发出报警信号，选项A错误，B正确；当温度低于警戒温度时，控制电路处于断路状态，电磁铁线圈没有电流通过，电磁铁没有磁性。此时指示灯通过常闭触点与工作电源接通，指示灯亮，选项C正确；当温度高于警戒温度时，控制电路处于通路状态，电磁铁线圈有电流通过，电磁铁有磁性，此时电铃通过常闭触点与工作电路接通，电路报警，灯不亮，D错误。 3.夜间，居民楼的楼道里只是偶尔有人经过，“长明灯”会造成浪费。科研人员利用“光敏”材料制成“光控开关”——天黑时自动闭合，天亮时自动断开；利用“声敏”材料制成“声控开关”——当有人走动发出声音时自动闭合，无人走动时自动断开。若将这两种开关配合使用，就可以使楼道里的灯变得“聪明”。这种“聪明”的电路是(　　) 答案：D 解析：在白天时，一般不需要灯照明的；天黑以后，特别是夜深人静时，一般也不需要灯照明，也就是说天黑且人在楼道里走动时需要灯照明。“声控开关”闭合时，发生短路，A错误；不管是“光控开关”，还是“声控开关”各自都能让灯发光，达不到节能目的，B错误；“光控开关”闭合时，发生短路，C错误；“光控开关”与“声控开关”同时闭合时，灯才亮，能达到节能的目的，D正确。故选D。 4.用压敏电阻可制成压力传感器，它受到的压力越大，输出的电压就越大，用它可以对汽车称重。经实测，某压力传感器输出电压与力的关系式为U＝×10－5F(V)。将该压力传感器水平放置，并和电阻箱R'(最大电阻999.9 Ω)及部分其他器材组成了如图所示的电路，闭合开关S，当线圈中的电流I≥20 mA时，电磁继电器的衔铁被吸合。已知继电器线圈的电阻为30 Ω，继电器控制电路的电压由传感器的输出电压U提供。(假设U不受继电器电路影响) (1)当压力增加到一定程度时，电铃报警，说明汽车超载，则图中电铃应接在　　　　(选填“A、B”或“C、D”)两端。 (2)为使车重G≥3.6×105 N时启动报警系统，则电阻箱R'的电阻应调节到　　　　 Ω。 (3)通过调整电阻箱R'的阻值，可以调整报警车重，能使该装置报警的最小车重为　　　　N。 答案：(1)C、D　(2)120　(3)7.2×104 解析：(1)当压力增大到一定程度时，压力传感器输出电压达到一定数值，线圈中电流大于或等于20 mA时，电磁继电器的衔铁被吸合，C、D间的电路就会被接通，因此电铃应接在C、D之间。 (2)当F＝3.6×105 N时，由U＝×10－5F 可得U＝3 V，而使得电磁继电器的衔铁被吸合的最小电流为20 mA，故电路总电阻R总＝ Ω＝150 Ω，所以电阻箱接入电路的阻值R'＝R总－R线＝150 Ω－30 Ω＝120 Ω。 (3)因为使电磁继电器衔铁被吸合的最小电流I＝20 mA＝0.02 A，继电器线圈的电阻R线＝30 Ω，所以要使该装置报警，压力传感器输出的电压最小值为U最小＝IR线＝0.02 A×30 Ω＝0.6 V，由公式可知，输出电压为0.6 V时，对应的压力为7.2×104 N。 学生用书⬇第107页 学科网（北京）股份有限公司 $