第5章 第2节 科学制作：简单的自动控制装置（Word教参）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册（鲁科版 福建专用）

本讲义聚焦简单自动控制装置的制作与原理这一核心知识点，系统梳理光敏电阻、热敏电阻的特性及光报警、温度报警电路的工作原理，通过实验步骤、数据表格、关键点反思等学习支架，引导学生从原理理解到动手组装、数据收集与处理。 该资料以经典科学探究为核心，突出科学探究与科学思维素养，如通过调节滑动变阻器探究报警临界条件，结合创新考法（如电子吊秤设计）培养模型建构能力。课中辅助教师引导学生动手实践，课后通过练习题和反思问题帮助学生查漏补缺，深化对传感器应用的理解。

第2节　科学制作：简单的自动控制装置 (实验课——基于经典科学探究) 一、实验装置 二、实验原理 图甲和图乙分别是光报警装置和温度报警装置的电路图。 1.图甲中，有光照射光敏电阻RL时，其阻值减小，随着光的强度增大，阻值减小到一定程度时，蜂鸣器开始报警。 2.图乙中，热敏电阻RT温度升高时，其阻值减小，随着温度升高，阻值减小到一定程度时，蜂鸣器开始报警。 一、实验步骤 1.按实验原理图组装电路。 2.用一定亮度的光照射光敏电阻。 3.调节滑动变阻器，使蜂鸣器开始报警。 4.换用另一亮度的光照射光敏电阻，重复实验几次。 5.用热水将热敏电阻加热到一定温度，用温度计测出这个温度。 6.调节滑动变阻器，使蜂鸣器开始报警。 7.改变热水温度，重复实验几次。 二、数据处理 1.数据收集 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 2.实验结论 对于光报警装置实验和温度报警装置实验，滑动变阻器阻值不同，报警的临界不同。若要使温度报警装置在较高温度报警，则接入滑动变阻器阻值应大一些；若要使光报警装置在较高亮度下报警，则接入滑动变阻器阻值应大一些。 [关键点反思] 1.组装好电路后，闭合开关蜂鸣器立刻报警，该如何处理? 提示：闭合开关后蜂鸣器立刻报警，说明回路中电流过大，可更换最大阻值更大的滑动变阻器。 2.上述实验若要在滑动变阻器阻值较小、光照较强时使光报警器报警，则滑动变阻器如何连接? 提示：滑动变阻器应串联连入电路。 考法(一)　实验原理与操作 [例1]　传感器担负着信息采集的任务，在自动控制中发挥着重要作用，传感器能够将感受到的物理量(如温度、光、声等)转换成便于测量的量(通常是电学量)，例如热敏传感器，主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻。某热敏电阻RT阻值随温度变化的图像如图甲所示，图乙是由该热敏电阻RT作为传感器制作的简单自动报警器线路图。问： (1)为了使温度过高时报警器铃响，c应接在　　　(选填“a”或“b”)处。  (2)若要使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器的滑片P向　　　　移动(选填“左”或“右”)。  (3)如果在调试报警器达到最低报警温度时，无论如何调节滑动变阻器的滑片P都不能使报警器工作，且电路连接完好，各电路元件都能处于工作状态，则造成工作电路不能正常工作的原因可能是：____________ ______________________________________________________________________________________。 [解析]　(1)由题图甲可知，热敏电阻RT在温度升高时阻值变小，电路中电流变大，电磁铁磁性增强，把右侧衔铁吸引过来，与a接触，故c应接在a处。 (2)为使启动报警的温度提高，则应使电路中电阻更大，故滑动变阻器的滑片应左移。 (3)在最低报警温度时不能报警，说明此时电磁铁产生的磁性不能让衔铁与a接触，这可能由多种原因造成，如：①电源提供的电压太小，导致电磁铁的磁性太弱；②弹簧的劲度系数太大，电磁铁的吸引力小于弹簧的弹力等。 [答案]　(1)a　(2)左　(3)电源提供的电压太小以至于电磁铁磁性太弱(或弹簧劲度系数太大) [微点拨] 设计自动控制电路的思路 (1)根据题目给出的仪器和要求画出控制电路和工作电路。控制电路由电源、开关、光敏电阻(或热敏电阻等其他敏感元件)、电磁继电器和导线等组成；工作电路由电源、用电器(灯泡、电热丝或其他用电器)、导线组成。这两个电路相互独立，又通过电磁继电器相关联，电磁继电器实际上是工作电路的开关。 (2)分析自动控制电路的合理性。电路设计完成后，要对它的合理性进行分析，用光照射光敏电阻或对热敏电阻加热，检查工作电路的接通和断开是否符合实际要求，比如，自控路灯电路的设计要求是白天切断工作电路，使路灯熄灭，晚上接通工作电路，使路灯发光。 考法(二)　数据处理和误差分析 [例2]　某同学利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性，制作了一个简易的汽车低油位报警装置。 (1)该同学首先利用多用电表欧姆“×100”挡粗测该热敏电阻在常温下的阻值，示数如图甲所示，则此时热敏电阻的阻值为RT=　　　　 kΩ。  (2)该同学为了进一步探究该热敏电阻阻值随温度变化的关系，设计了如图乙所示的实验电路，定值电阻R0=2.0 kΩ，则在闭合开关前，滑动变阻器的滑片P应置于最　　　　(选填“左”或“右”)端；在某次测量中，若毫安表A1的示数为2.25 mA，A2的示数为1.50 mA，两电表可视为理想电表，则热敏电阻的阻值为　　　　 kΩ。  (3)经过多次测量，该同学得到热敏电阻阻值随温度的变化关系图像如图丙所示，可知该热敏电阻的阻值随温度升高变化得越来越　　　　　(选填“快”或“慢”)。  (4)该同学利用此热敏电阻设计的汽车低油位报警装置如图丁所示，其中电源电动势E=6.0 V，定值电阻R=1.8 kΩ，长为l=50 cm的热敏电阻下端紧靠在油箱底部，不计报警器和电源的内阻。已知流过报警器的电流I≥2.4 mA时报警器开始报警，若测得报警器报警时油液(热敏电阻)的温度为30 ℃，油液外热敏电阻的温度为70 ℃，由此可知油液的警戒液面到油箱底部的距离约为　　　 cm。  [解析]　(1)由多用电表欧姆挡的读数规则可知，此时热敏电阻的阻值RT=19×100 Ω=1.9 kΩ。 (2)滑动变阻器采用分压接法，为保护电路安全，在开关闭合前应将滑动变阻器的滑片P置于最左端。由于RT和R0并联，故有I1R0=I2RT 代入数据解得RT=3.0 kΩ。 (3)由题图丙可知，该热敏电阻的阻值随温度的升高而逐渐减小，从曲线的斜率可以看出，图线斜率越来越小，故该热敏电阻的阻值随温度升高变化得越来越慢。 (4)设警戒液面到油箱底部的距离为x，温度为30 ℃时热敏电阻的阻值RT1=1.5 kΩ，则在油液内的热敏电阻的阻值R1=RT1，同理，可得油液外的热敏电阻的阻值R2=RT2，其中RT2=0.5 kΩ， 由闭合电路欧姆定律有E=I(R+R1+R2) 将E=6 V、I=2.4 mA、R=1.8 kΩ代入可得x=10 cm。 [答案]　(1)1.9　(2)左　3.0　(3)慢　(4)10 考法(三)　源于经典实验的创新考查 [例3]　如图甲所示是大型机械厂里用来称重的电子吊秤，其中实现称重的关键元件是拉力传感器。其工作原理是：挂钩上挂上重物，传感器中拉力敏感电阻丝在拉力作用下发生形变，拉力敏感电阻丝的电阻也随着发生变化，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号(电压或电流)，从而将所称物体重量变换为电信号。 (1)简述拉力敏感电阻丝的阻值随拉力变化的原因____________________________________________。  (2)小明找到一根拉力敏感电阻丝RL，其阻值随拉力变化的图像如图乙所示，再按图丙所示电路制作了一个简易“吊秤”。电路中电源电动势E约为15 V，内阻约为2 Ω；灵敏毫安表量程为0~10 mA，内阻约为5 Ω；R是电阻箱，最大阻值是9 999 Ω；RL接在A、B两接线柱上，通过光滑绝缘滑环可将重物吊起。接通电路完成下列操作。 a.滑环下不吊重物时，调节电阻箱，当电流表为某一合适示数I时，读出电阻箱的示数R1； b.滑环下吊上待测重物，测出电阻丝与竖直方向的夹角为θ； c.调节电阻箱，使　　　　　　　　　　，读出此时电阻箱的示数R2；  d.算得图乙直线的斜率k和截距b；则待测重物的重力的表达式为G=　　　　　　(用以上测得的物理量表示)；测得θ=53°(sin 53°=0.8，cos 53°=0.6)，R1、R2分别为1 052 Ω和1 030 Ω，结合图乙信息，可得待测重物的重力G=　　　　　 N(结果保留三位有效数字)。  (3)针对小明的设计方案，为了提高测量重量的精度，你认为下列措施可行的是　　　　。  A.将毫安表换成量程不同、内阻更小的毫安表 B.将毫安表换成量程为0~10 μA的微安表 C.将电阻箱换成精度更高的电阻箱 D.适当增大A、B接线柱之间的距离 [解析]　(1)拉力敏感电阻丝受拉力时，长度增加而横截面积减小，根据电阻定律R=ρ知其阻值增大。 (2)根据等效替代法测电阻，调节电阻箱，使电流表的示数仍为I；由题图乙可得 k== Ω/N=0.2 Ω/N 由平衡条件得2ΔFcos θ=G 由等效替代法测电阻得ΔRL=R1-R2 联立解得G= 可得待测重物的重力 G= N=132 N。 (3)为了提高测量重量的精度，将电阻箱换成精度更高的电阻箱，适当增大A、B接线柱之间的距离，使得拉力敏感电阻丝的受力大一些。根据闭合电路欧姆定律得电流I=只有几毫安，所以不能将毫安表换成量程为0~10 μA的微安表，将毫安表换成其他量程、内阻更小的毫安表对测量精度无影响。故选C、D。 [答案]　(1)拉力敏感电阻丝受拉力时，长度增加而横截面积减小，根据电阻定律知其阻值增大 (2)电流表的示数仍为I　　132 (3)CD [创新分析] (1)利用拉力敏感电阻丝的电阻随拉力的变化规律间接测量重物的重力。 (2)理论分析提高测量重量精度的措施。 1.为了设计一个白天自动关灯、黑夜自动开灯的自动控制装置，可供选择的器材如下：光敏电阻、继电器、直流电源、交流电源、开关、灯泡及导线若干。 (1)如图所示为已画出的部分电路，请补画完整电路原理图。 (2)关于以上电路工作的原理，下列说法正确的是　　　　。  A.光敏电阻受光照，电阻变小，继电器工作 B.光敏电阻受光照，电阻变小，继电器不工作 C.继电器工作时，照明电路闭合，灯泡亮 D.继电器不工作时，照明电路闭合，灯泡亮 解析：(1)如图所示。 (2)有光照射时，光敏电阻阻值变小，控制电路中电流变大，线圈磁性增强，将G处动片吸引过来，G与H断开，继电器工作，照明电路断开，灯泡不亮。继电器不工作时，照明电路闭合，灯泡亮。 答案：(1)见解析图　(2)AD 2.(2024·山东滨州高二阶段练习)小欣同学发现学校楼道的灯，白天不亮，晚上经过楼道时，发出声音才亮，她经过调查了解到楼道的灯使用声、光控照明系统，声、光控开关需要同时满足光线较暗、有活动声音时才打开，其示意图如图甲所示(电源及电流表内阻不计)。 (1)声控开关和光控开关的连接方式为　　　　　 (选填“串联”或“并联”)。  (2)其中光控开关的结构如图乙所示，现用多用电表测量电磁继电器的等效电阻，将多用电表的选择开关置于“×1”挡，再将红、黑表笔短接，调零后，测量的示数如图丙所示，则电磁继电器的等效电阻为　　　　　 Ω。光敏电阻的阻值随照度(照度可以反映光的强弱，光越强，照度越大，单位为lx)的变化关系如图丁所示，由图丁可知随照度的增加，光敏电阻的阻值　　　　　 (选填“增大”“减小”或“不变”)。  (3)已知光控开关的电源电动势为3.0 V，电阻箱的阻值为10 Ω。若要求当流过电磁继电器的电流为0.05 A时，光控开关闭合，则此时的照度约为　　　　　 lx。为了节约用电，需要降低照度值，应该把电阻箱的阻值调　　　　　 (选填“大”或“小”)。  解析：(1)声、光控开关需要同时满足光线较暗、有活动声音时才打开，所以声控开关和光控开关的连接方式为串联。 (2)由题图丙可知，电磁继电器的等效电阻为20×1 Ω=20 Ω。 由题图丁可知，随照度的增加，光敏电阻的阻值减小。 (3)由闭合电路欧姆定律可得E=I(R1+R箱+R电磁) 解得此时光敏电阻的阻值 R1=-R箱-R电磁= Ω-10 Ω-20 Ω=30 Ω 由题图丁可知此时的照度约为0.6 lx。 为了节约用电，需要降低照度值，由以上计算可知，应该把电阻箱的阻值调小。 答案：(1)串联　(2)20　 减小　(3)0.6　小 3.现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过120 ℃时，系统报警。提供的器材有： 热敏电阻(该热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，在120 ℃时阻值为700.0 Ω)； 报警器(内阻很小，流过的电流超过Ic时就会报警，Ic约为10 mA；流过报警器的电流超过20 mA时，报警器可能损坏)； 电阻箱(最大阻值为999.9 Ω)； 直流电源(输出电压U约为18 V，内阻不计)； 滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω)； 滑动变阻器R2(最大阻值为2 000 Ω)； 单刀双掷开关一个，导线若干。 在室温下对系统进行调节，调节的报警系统原理电路图如图所示。 (1)电路中应选用滑动变阻器　　　　　(选填“R1”或“R2”)。  (2)按照下列步骤调节此报警系统： ①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为　　　 Ω；滑动变阻器的滑片应置于　　　　(选填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是　　　　　　　　　　　。  ②将开关向　　　　(选填“c”或“d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至　　　　　　　。  ③滑动变阻器滑片的位置　　　　(选填“不变”“向左滑动”或“向右滑动”)，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用。  (3)若要将此系统改为光敏电阻控制的报警系统，要求当光敏电阻的光照达到或超过某一特定值时，系统报警，且光敏电阻在这一特定值时的电阻为650 Ω，则需将上述电路中的　　　 换成光敏电阻，并将电阻箱的阻值调到　　　 Ω，然后重复上述操作即可。  解析：(1)电源输出电压为18 V，而报警时的电流为10 mA，此时电阻约为R= Ω=1 800 Ω，而热敏电阻的阻值约为700 Ω，故滑动变阻器接入电路的电阻约为1 100 Ω，故应选择R2； (2)①因要求热敏电阻达到120°时报警，此时电阻为700 Ω，故应将电阻箱调节至700 Ω；然后由最大阻值开始调节滑动变阻器，直至报警器报警，故开始时滑片应在b端，如果开始时滑片置于a端，接通电源后，流过报警器的电流会超过20 mA，报警器可能损坏。 ②将开关接到c端与电阻箱连接，调节滑动变阻器直至报警器开始报警即可。 ③滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用。 (3)需将上述电路中的热敏电阻换成光敏电阻，并将电阻箱的阻值调到650 Ω，然后重复上述操作即可。 答案：(1) R2　(2)①700.0　 b　接通电源后，流过报警器的电流会超过20 mA，报警器可能损坏 ②c　报警器开始报警　③不变　(3)热敏电阻　 650 4.光敏电阻广泛地应用于光控制电路中，物理探究小组设计了图甲所示的电路测量不同照度下的光敏电阻的阻值，照度单位为勒克斯(lx)。小组成员先将照射光敏电阻的光调至某一照度，将电阻箱阻值调到最大，先闭合开关S1，再将开关S2与1连接，调节电阻箱的阻值如图乙所示时，此时通过电流表G的电流为I，然后将开关S2与2连接，当调节电阻箱的阻值如图丙所示时，电流表的示数恰好也为I。 (1)图乙的读数R1=　　　　　 Ω，图丙的读数R2=　　　　 Ω，此照度下光敏电阻的阻值R0=　　　　 Ω。  (2)图丁是该小组描绘出的光敏电阻的阻值随照度变化的关系图像，由图丁可知(1)中的照度为　　　　 lx(保留两位有效数字)。  (3)此光敏电阻的阻值随照度的减小而　　　　　(填“增大”“不变”或“减小”)。  (4)小组设计了如图戊所示的电路控制路灯，图戊中R0为此实验的光敏电阻，R1为滑动变阻器，电磁继电器的衔铁由软铁(容易磁化和消磁)制成，R2为电磁铁的线圈电阻，K为单刀双掷开关。当照度小到某一值时，衔铁就会被吸下，交流电路接通；当照度达到某一值时，衔铁就会被弹簧拉起，交流电路就会断开，路灯熄灭。请在图戊中原有电路的基础上用笔画线连接电路实现这一功能。 解析：(1)根据题图乙、丙中电阻箱各旋钮的示数，可知R1=2 320 Ω，R2=1 120 Ω； 根据题意可知，开关S2与1连接和与2连接时电流表的示数都为I，根据闭合电路欧姆定律可知两种情况下电路中电阻大小相等，所以R0=R1 -R2=2 320 Ω-1 120 Ω=1 200 Ω； (2)根据R0的阻值，结合题图丁的图像可知(1)中的照度为1.0 lx； (3)根据题图丁可知，此光敏电阻的阻值随照度的减小而增大； (4)将线圈与光敏电阻并联，然后与滑动变阻器以及电源串联，这样当照度减小时，光敏电阻的阻值增大，并联部分的分压变大，线圈中的电流增大，电磁铁的磁性变强，将衔铁吸下，路灯接通；当照度增大时，光敏电阻阻值变小，并联部分分压变小，线圈中的电流减小，电磁铁的磁性变弱，衔铁弹起，路灯熄灭。 答案：(1)2 320　1 120　1 200　(2)1.0　(3)增大　(4)见解析图 学科网（北京）股份有限公司 $