5.3 用传感器制作简单的自动控制装置 课件-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

该高中物理课件聚焦“利用传感器制作简单的自动控制装置”，通过门窗防盗报警装置、光控开关两个实验，从元件测试到电路连接，搭建从具体装置组装到控制原理理解的学习支架，衔接电磁继电器、光敏电阻等元件的应用。 其亮点是以实验探究为核心，结合科学探究（动手测试元件、观察现象）和科学思维（分析电路原理、设计应用），如“学以致用”中自动注水装置设计，强化物理观念。学生提升实践与问题解决能力，教师获得结构化教学资源，提高教学效率。

5.3 利用传感器制作简单 的自动控制装置 实验1 门窗防盗报警装置 实验目的 了解门窗报警装置的控制原理,会组装门窗防盗报警器。 实验器材 序号 名称 规格型号 数量 1 干簧管SA 常开型 1 2 继电器 JQX-14FC 5 V 1 3 发光二极管LED 绿色 1 4 电阻R 330 Ω 1 5 蜂鸣器H 有源型 1 6 电源 干电池6V 1 7 小磁体   1 8 开关   1 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,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。干簧管在电路中起传感器和控制开关的作用,继电器则相当于一个自动的双向开关。实验原理图如图所示。 实验步骤 (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,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。 注意事项 安装前,对实验器材进行测试,确保各元件性能良好后,再进行安装。 实验2 光控开关 实验目的 了解光控开关电路及控制原理,会组装光控开关。 实验器材 序号 名称 规格型号 数量 1 可调电阻R1 最大电阻为51 kΩ 1 2 限流电阻R2 330 Ω 1 3 光敏电阻RG 暗电阻>1 MΩ 亮电阻<3 kΩ 1 4 三极管VT 8 050 1 5 发光二极管LED 红色 1 6 继电器 HRS1H-S 5 V 或JQX-14FC 5 V 1 7 小灯泡L 6 V　0.3 A 1 8 二极管D IN4001 1 9 电源 干电池6 V 1 实验原理 当环境光比较强时,光敏电阻RG的阻值很小,三极管不导通,发光二极管或继电器所在的回路相当于断路,即发光二极管不工作;继电器处于常开状态,小灯泡L不亮。 当环境光比较弱时,光敏电阻RG的阻值变大,三极管导通,且获得足够的基极电流,产生较大的集电极电流,点亮发光二极管或驱动继电器吸合而点亮小灯泡L。实验原理图如图所示。 实验步骤 (1)连接电路,检查无误后,接通电源。 (2)让光敏电阻RG受到白天较强的自然光照射,调节电阻R1使发光二极管LED或小灯泡L刚好不发光。 (3)遮挡RG,当光照减弱到某种程度时,就会看到发光二极管LED或小灯泡L发光。 (4)让光照加强,当光照强到某种程度时,则发光二极管LED或小灯泡L熄灭。 注意事项 (1)安装前,对实验器材进行测试,确保各元件性能良好后,再进行安装。 (2)光控开关实验中,二极管连入电路的极性不能反接。 (3)如果实验现象不明显,可用手电筒加强光照,或遮盖光敏电阻,再进行观察。 实验热点•探究突破 热点1 电磁继电器工作原理与应用 典例剖析 【例1】 继电器的原理图如图所示,当在接线柱2、3间接入电源时,电磁体便将衔铁P吸离A而与B接触,从而达到控制电路的目的。接线柱　　　　与接有电源的负温度系数的热敏电阻串接,接线柱　　　　与外电路串接,即可在温度过高时切断外电路,实现对外电路的自动控制。    答案:2、3　1、5 解析:A为常闭触点,正常情况下与衔铁P相吸;B为常开触点,正常情况下与衔铁P分离,因此,1、5与外电路相连。当温度过高时,电磁体将衔铁P吸下,以切断电路,所以,2、3应与接有电源的热敏电阻相连。 学以致用 1.如图所示,A是浮子,B是金属触头,C为住宅楼房顶上的蓄水池,M是带水泵的电动机,D是弹簧,E是衔铁,F是电磁体,S1、S2分别为触头开关,S为开关,J为电池。请利用上述器材,设计一个住宅楼房顶上的自动注水装置。 (1)连接电路图。 (2)简述其工作原理(涉及的元件可用字母代替)。 答案:(1)电路图如图所示。 (2)按图接好电路,闭合开关S,水泵工作,水位升高,当浮子A上升使B接触到S1时,左侧电路(控制电路)工作,电磁体F有磁性,拉下衔铁E,使S2断开,电动机M不工作,停止注水。当水位下降,使B与S1脱离,左侧电路停止工作,电磁体F无磁性,弹簧D的弹力拉动衔铁E,使S2接通,电动机M工作。 热点2 光控开关的工作原理与应用 典例剖析 【例2】光敏电阻在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,图示电路为其模拟电路,其中干电池的内阻可忽略不计,A处接电磁继电器,B为三极管(当φe-φb≥0.2 V时,c、e间的电阻R可忽略不计,当φe-φb<0.2 V时,R可视为无穷大),b点的电势由R1与R2的比值决定,R1、R2中有一个是定值电阻,另一个是光敏电阻,阻值随光照强度增强而减小,C为电磁继电器,D为路灯。为了达到日出路灯熄,日落路灯亮的效果,请回答下列问题: (1)R1是　　　　　　　(选填“光敏电阻”或“定值电阻”)。 (2)请用笔画线代替导线,将实物连接成正确的电路。 答案:(1)光敏电阻 (2)如图所示 解析:(1)由于光敏电阻阻值随着光照强度的增大而减小,为使路灯正常工作,在白天时电磁继电器的触点断开,电磁体通电, φe-φb≥0.2 V,R1变小或R2变大,而白天时光敏电阻阻值变小,所以R1是光敏电阻。 (2)根据题述分析可知,A处与继电器相连,路灯与火线、零线相连接,开关应接在火线上,画导线时要避免交叉,电路图如答案图所示。 学以致用 2.工人在锻压机、冲床、钻床等机器上劳动时,稍有不慎就会把手压在里面,造成工伤事故。工厂中大都是利用光电控制设备来避免事故发生的。 下图为光控继电器的示意图,它由电源、光电管(当有光照射时,在阴极K端会放出电子)、放大器、电磁继电器等组成。这样,当工人不慎将手伸入危险区域时,由于遮住了光线,光控继电器衔铁位置立即变化,使机床停止工作,避免事故发生。光控继电器的原理:当光照射光电管时,________________。  答案:阴极K发射电子,电路中产生电流,经放大器放大后的电流使电磁体M磁化,将衔铁N吸住 热点3 自动控制电路的设计 典例剖析 【例3】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 　　　　(以上两空选填“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(以上两空选填“A”或“B”)。  (3)图甲中线圈下端P的磁极是　　　　(选填“N”或“S”)极。  (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)环境温度大于等于80 ℃时,警铃报警。 解析:(1)分析题图乙可知,热敏电阻40 ℃对应的阻值为70 Ω。温度升高时,热敏电阻阻值减小,根据欧姆定律可知,电路中电流增大,电磁体的磁性增大。 (2)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)分析电流的流向,根据安培定则可得到线圈的下端P的磁极是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。控制电路的总电阻为 =60 Ω。热敏电阻为R=R总-R0=60 Ω-30 Ω=30 Ω,由题图乙可知,此时t=80 ℃,即当温度t≥80 ℃时,警铃报警。 规律方法 设计自动控制电路时,一般按照以下思路进行: (1)根据题目给出的仪器和要求画出控制电路和工作电路。 ①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。 ②工作电路由电源、用电器(灯泡、电热丝或其他用电器)、导线等组成。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)分析自控电路的合理性。 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。 学以致用 3.某同学用光敏电阻和电磁继电器等器材设计自动光控照明电路。 (1)下图中左侧为电磁继电器的构造示意图,其中L为含有铁芯的线圈,P为可绕O点转动的衔铁,K为弹簧,S为一对触头,A、B、C、D为四个接线柱。工作时,应将　　　　(选填“A、B”或“C、D”)接照明电路。  (2)请在图中用笔画线代替导线,完成实物电路的连接。 答案:(1)C、D (2)如图所示 解析:(1)由电磁继电器的工作原理可知,电磁体连接的是控制电路,衔铁连接的是工作电路,故工作时,应将“C、D”接照明电路。 (2)光敏电阻、定值电阻、开关、电源与L组成控制电路,C、D与灯泡组成工作电路,电路图如答案图所示。 随 堂 训 练 1.下图是一位同学设计的防盗门报警器的简化电路示意图。闭合开关,门打开时,红外光敏电阻R3受到红外线照射,电阻减小;门关闭会遮蔽红外线源(红外线源没有画出)。经实际试验,灯的亮、灭能反映门的开、关状态。与门关闭时相比,门打开时两灯的发光情况以及R2两端的电压U2变化情况分别是 (　　) A.红灯亮,U2变大 B.绿灯亮,U2变大 C.绿灯亮,U2变小 D.红灯亮,U2变小 答案:D 解析:闭合开关,门打开时,R3的阻值减小,导致总电阻R总减小和总电流I总增大,内电压Ur和R1两端的电压 U1均变大,R2两端的电压U2=E-(U1+Ur)减小,通过R3的电流 增大,电磁继电器磁性增强,把衔铁吸下,红灯亮,绿灯灭,选项D正确。 2.下图为自动水位报警器的示意图,在水位低于B时,电磁体所在的控制电路断路,电磁体没有　　　　,上面的触点　　　, 　　　　灯亮;当水位升高到B时,电磁体所在的控制电路接通,电磁体有　　　　,吸引衔铁,上面的触点断开,下面的触点　　　　,　　　　灯亮。  磁性 闭合 绿 磁性 闭合 红 解析:当电磁体所在的控制电路断开时,电磁体内无电流,所以没有磁性,此时右侧电路的绿灯连入电路;当水位升高后左侧电路接通,电磁体内有电流,右侧电路的红灯连入电路。 3.气体传感器利用物质的化学反应将某种气体的浓度转换成电信号输出,如图所示,B为将可燃气体或有毒气体浓度转换为电信号的传感器,简称电子鼻。有如下器材:U=220 V的电源、排风扇M、继电器G、控制电源A、控制开关S。请设计一个家用自动排烟电路,并在图中完成连线。 答案:如图所示 解析:电磁继电器起开关作用,所以低压控制电源、气体传感器、开关和电磁继电器应组成一个电路,另一个是由排风扇和高压电源组成的电路。如答案图所示。 $