第2节 设计和制作控制系统 （分层作业）科学新教材浙教版八年级下册

**基本信息** 分层设计清晰（A/B/C三层），知识覆盖从控制系统基础概念到工程实践，通过真实情境题巩固科学观念与探究实践能力。 **分层设计** |层次|知识覆盖|设计特色| |----|----------|----------| |A夯基础|控制系统组成与传感器应用|以快递分拣系统、苹果分拣装置等情境题，考查扫描仪、压力传感器作用，夯实科学观念| |B提能力|传感器类型及电路分析|通过积水报警器、抢跑判断器等电路题，训练电路推理与模型建构，提升科学思维| |C链真题|真题实验与工程设计|结合门窗磁控报警实验、斜坡板自动控制模型设计，强化探究实践与创新应用，衔接阶段测评|

第1节 设计和制作控制系统（分层作业） 目录 【A 夯基础】 1 一、设计和制作控制系统 1 【B 提能力】 3 【C 链真题】 5 1、 设计和制作控制系统 1．如图所示的快递分拣系统，包含快递输送子系统和抓取子系统，其工作过程为：快递整齐排列在传送带上，输送到扫描区，扫描仪扫描快递上的条形码后将相关信息输送到工控机，工控机根据相关信息控制机械手，将快递分拣到不同分拣框内。下列关于该快递分拣系统的设计与分析中不恰当的是(　　) A．扫描仪的扫描速度会影响分拣效率 B．机械手设计时不需考虑快递的重量 C．扫描仪传感器的可靠性会影响分拣系统的稳定性 D．设计系统时需根据传送带的运行速度计算出机械手的运行速度 【答案】B 【解析】 A、扫描仪的扫描速度会直接影响快递在传送带上的输送节奏与信息采集效率，进而影响整体分拣效率，该分析恰当，不符合题意； B、机械手的抓取动作需要承受快递的重量，若不考虑快递重量，可能出现抓取不牢固、损坏快递或机械手过载损坏的问题，因此设计时必须考虑，该说法不恰当，符合题意； C、扫描仪是获取快递信息的核心传感器，其可靠性直接决定了信息采集的准确性，进而影响分拣系统的分拣稳定性，该分析恰当，不符合题意； D、传送带运行速度决定了快递的输送位置，机械手需配合传送带速度精准抓取，因此设计系统时需据此计算机械手运行速度，保证动作匹配，该分析恰当，不符合题意。 2．如图所示为苹果自动分拣装置的示意图。该装置把大小不同的苹果，按一定质量标准自动分拣为大苹果和小苹果。该装置的托盘秤压在压力传感器R1上，R1所受压力越大阻值越小。当R2两端电压超过某一值时，控制电路接通，电磁铁吸动分拣板的衔铁。该控制电路中包含保持电路，能够确保苹果在分拣板上运动时电磁铁始终保持吸动状态。下列说法正确的是( ) A．为了选出质量更大的苹果可以增加缠绕电磁铁线圈的匝数 B．为了选出质量更大的苹果可以将电源A的输出电压减小 C．为了选出质量更大的苹果可以增大R2的阻值 D．质量大的苹果将进入上通道 【答案】B 【解析】 A、增加电磁铁线圈匝数会增强电磁铁的磁性，但本题中电磁铁吸动衔铁的触发条件是R2两端电压达到设定值，改变线圈匝数不影响触发电压的设定，无法筛选出质量更大的苹果，A不符合题意； B、减小电源A的输出电压，根据串联分压规律，要使R2两端电压达到触发值，需要电路中电流更大，对应的R1阻值需更小，即苹果质量更大时，R1受压力更大、阻值更小，才能满足条件，因此可以筛选出质量更大的苹果，B符合题意； C、增大R2的阻值，根据串联分压规律，R2分得的电压会增大，较小的电流（对应R1阻值较大、苹果质量较小）就能使R2两端电压达到触发值，无法筛选出质量更大的苹果，C不符合题意； D、质量大的苹果会使R1阻值变小，电路电流变大，R2两端电压超过阈值，电磁铁吸动衔铁，分拣板向下偏转，苹果会进入下通道，而非上通道，D不符合题意。 3．很多城市已逐渐开始实行电动自行车新政策：只允许新国标电动自行车上路，要求车速不超过25km/h。下列是同学们设计的某品牌电动自行车的电路，其中符合“旋钮OP绕O点顺时针转动时，电动机转速变大，当转速超过一定值，电铃会自动报警”的电路是( ) A． B． C． D． 【答案】C 【解析】电动机的转速与电流大小有关，根据题意可知，当旋钮OP绕O点顺时针方向转动时，滑动变阻器接入电阻变小，控制电路部分电流变大，电磁铁的磁性增强，电动机转速变快；当电流达到一定程度时，电磁铁将衔铁吸过来，接通电铃所在电路而报警。 4．某同学想要设计一套浇花的控制装置，下列传感器中最合适的是(　　) A．湿敏传感器 B．光敏传感器 C．声敏传感器 D．化学传感器 【答案】A 【解析】 A、湿敏传感器能够感知土壤湿度的变化，并将湿度这一非电学量转换为可用的电信号，可精准检测土壤干湿状态，以此控制浇水装置，是设计浇花控制装置的最合适选择，符合题意； B、光敏传感器主要用于检测光照强度的强弱，适用于控制路灯、路灯开关等与光线相关的装置，无法检测土壤湿度，不符合题意； C、声敏传感器主要检测声音的强弱或有无，适用于声控灯等声音控制场景，与浇花控制的需求无关，不符合题意； D、化学传感器主要用于检测某种或某几种化学物质的成分、浓度等，浇花控制无需检测化学物质，不符合题意。 5．下列家用电器使用的传感器类型正确的是(　　) A．冰箱————温度传感器 B．电视————压力传感器 C．油烟机————化学传感器 D．电子秤————红外传感器 【答案】A 【解析】 A.冰箱的主要功能是调节温度，因此需要检测温度变化。温度传感器的作用是感知温度并转化为电信号，用于控制制冷系统的运行，故A正确； B.电视机与压力传感无关，故B错误； C.油烟机通常是通过声音、烟雾浓度或手动按键来控制，可能需要的是声音传感器或烟雾传感器等，不用化学传感器，故C错误； D.电子秤通过压力传感器测量物体质量，并转化为电信号显示质量，红外传感器用于检测红外辐射(如体温枪)，故D错误。 6．暴雨后某立交桥下积水较深，很不安全，学习小组为此设计了一个积水自动报警器，其原理如图所示。图中A、B位置可以安装电铃或LED灯，要求地面没有积水时LED灯亮，地面积水较深时电铃响。根据设计要求，电铃应该安装在图中的　　(选填“A”或“B”)位置。电磁继电器实质是一种　　(选填“用电器”或“开关”)。 【答案】B；开关 【解析】电铃安装位置：地面没有积水时，控制电路断路，电磁铁无磁性，衔铁未被吸引，此时LED灯所在的电路接通，灯亮；当地面积水较深时，积水导电使控制电路闭合，电磁铁产生磁性吸引衔铁向下运动，与触点B接触，此时电铃所在的电路接通，电铃响。结合题目要求“地面没有积水时LED灯亮，地面积水较深时电铃响”，可知积水较深时电铃需接通，因此电铃应安装在B位置。 电磁继电器的实质：电磁继电器主要由电磁铁、衔铁、弹簧、触点等部分组成，其工作原理是通过控制电路的通断控制电磁铁的磁性有无，进而吸引或释放衔铁，实现对工作电路触点的接通与断开控制。它本质上是一个由电磁铁控制的、能够实现自动控制或远程控制的开关，而非直接消耗电能的用电器。 7．在干燥的冬季，手触摸金属门把手，有时有触电的感觉，这是因为摩擦起电使人体带一定量电荷，当手触摸门把手时产生放电现象。有一种静电消除器，如图甲，其内部电路可简化为图乙，R是高值电阻，假设手握住A点，用B点接触门把手，产生放电现象，红色二极管瞬间发光，则手带　　(填“正”或“负”)电荷。 【答案】负 【解析】红色二极管瞬间发光，说明此时有电流通过红色二极管，且电流方向符合二极管的导通要求； 根据图乙中红色二极管的极性（“-”端接A侧，“+”端接B侧），可知电流必须从B侧流向A侧，才能让红色二极管导通发光； 电流方向是从B（门把手）流向A（手），根据电流方向的定义，正电荷定向移动方向与电流方向一致，负电荷定向移动方向与电流方向相反，因此手带的电荷定向移动方向是从A流向B，即手带负电荷； 验证：若手带负电，电子会从A（手）经电路流向B（门把手），电子移动方向与电流方向相反，即电流从B流向A，符合红色二极管的导通条件，因此判断正确。 8．如图是小蔡同学设计的短跑比赛“抢跑判断器”。电磁铁的上端为　　极(选填“N”或“S”)。当运动员蹲在起跑器上后，裁判员闭合开关S1、S2，发令等待指示灯亮，正式发令前有运动员抢跑，R0所受压力变小，电阻变小，电磁铁将衔铁吸下，抢跑指示灯　　亮(选填“L1”或“L2”)，则判定该运动员抢跑。 【答案】S；L2 【解析】判断电磁铁的磁极：控制电路接通后，电流从电磁铁的下端流入、上端流出。根据安培定则，右手握住螺线管，四指顺着电流方向（下端流入、上端流出），大拇指指向电磁铁的下端，因此下端为N极，上端为S极；分析正常状态（无抢跑）：运动员蹲在起跑器上时，压敏电阻R0所受压力较大，电阻较大，控制电路中电流较小，电磁铁磁性较弱，无法吸下衔铁，衔铁与上方触点接触，此时工作电路中L1所在支路接通，等待指示灯L1亮；抢跑状态：若运动员抢跑，起跑器上的压力变小，压敏电阻R0的电阻变小，控制电路中电流变大，电磁铁磁性增强，将衔铁吸下，衔铁与下方触点接触，此时工作电路中L2所在支路接通，抢跑指示灯L2亮。 9．在“利用传感器制作简单的自动控制”实验中，图1是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(是一个通过磁场控制的电开关，当外部有磁场靠近时，两簧片被磁化而吸合，开关导通)，并将干簧管接入报警电路。 ①如图2所示，干簧管SA作为传感器，用于感知磁体磁场是否存在，继电器(虚线方框部分)作为执行装置，发光二极管LED作为电路正常工作提示，蜂鸣器H作为报警提醒。电路中P点应接直流电源的　　(填“正极”或“负极”)； ②连接好电路，闭合开关S，接通电源，将磁体靠近和离开干簧管，分别观察并记录实验现象。 实验操作 磁体M靠近干簧管 磁体M离开干簧管 实验现象 　　 　　 【答案】正极；二极管发光；蜂鸣器发声 【解析】 （1）发光二极管LED正常发光时，电流需从正极流入、负极流出。由图2可知，LED的负极接干簧管SA，正极接电阻R，因此电流应从P点流入，P点应接直流电源的正极； （2）当磁体M靠近干簧管时，干簧管受磁场作用导通，此时电流经LED、R形成回路，因此实验现象为：二极管发光，蜂鸣器不工作； （3）当磁体M离开干簧管时，干簧管断开，电流无法通过LED支路，继电器线圈通电，衔铁吸合，蜂鸣器所在支路接通，因此实验现象为：二极管熄灭，蜂鸣器发声报警； 故答案为：①正极；②二极管发光，蜂鸣器不工作；③二极管熄灭，蜂鸣器发声。 10．小明在乘坐无障碍公交车时发现司机或者乘客需要手动将斜坡板下翻，非常不方便(如图a所示)小明根据此情境准备设计一个斜坡板自动控制模型，利用电机驱动，实现斜坡板自动伸展和收回，小明制作了如图b所示的模型。请在小明制作的模型基础上设计该电机传动装置。已知斜坡板的尺寸为800mm×800mm×10mm。装置设计要求如下： ①使用斜坡板时能自动展开，不用时可自动收回至收纳处； ②展开斜坡板后能旋转至一端与地面接触； ③斜坡板展开使用时，装置牢固可靠； ④斜坡板为木板，允许适当加工； ⑤使用减速电机驱动，其他材料可自选。 请根据描述和设计要求画出该装置机械部分的设计草图(电机可用方框表示)，必要时可用文字说明，并在草图上标注主要尺寸。 【答案】（1）核心传动机构设计：选用减速电机+蜗杆蜗轮传动方案。减速电机输出端连接蜗杆，蜗杆与蜗轮啮合，蜗轮固定在转动轴上，通过蜗杆蜗轮的减速增扭作用，为斜坡板提供足够的动力，同时利用蜗轮蜗杆的自锁特性，使斜坡板在任意展开角度都能保持稳定，防止意外回落； （2）转动轴与连接结构：转动轴两端通过轴座固定在收纳处支架上，保证转动的稳定性；轴上设计卡接结构，与斜坡板的端部可靠连接，将蜗轮的旋转运动传递给斜坡板，实现绕轴的0°~90°旋转（0°为收回状态，90°为展开接触地面状态）； （3）关键尺寸标注：转动轴直径：10mm，适配卡接结构与轴座； 轴座与支架的安装位置：距收纳处端部100mm，避免与斜坡板运动干涉； 蜗杆蜗轮安装位置：位于转动轴中部，靠近减速电机一侧，确保受力均匀； （4）功能与安全保障：电机正转时，通过传动机构带动斜坡板从收纳处向下旋转，直至一端与地面接触，形成无障碍通道；电机反转时，带动斜坡板向上旋转收回至收纳处；装置整体结构牢固，蜗轮蜗杆的自锁特性可防止斜坡板在断电或外力作用下意外转动，满足安全使用要求。 ​​​​​​​ 【解析】 （1）核心传动机构设计：选用减速电机+蜗杆蜗轮传动方案。减速电机输出端连接蜗杆，蜗杆与蜗轮啮合，蜗轮固定在转动轴上，通过蜗杆蜗轮的减速增扭作用，为斜坡板提供足够的动力，同时利用蜗轮蜗杆的自锁特性，使斜坡板在任意展开角度都能保持稳定，防止意外回落； （2）转动轴与连接结构：转动轴两端通过轴座固定在收纳处支架上，保证转动的稳定性；轴上设计卡接结构，与斜坡板的端部可靠连接，将蜗轮的旋转运动传递给斜坡板，实现绕轴的0°~90°旋转（0°为收回状态，90°为展开接触地面状态）； （3）关键尺寸标注：转动轴直径：10mm，适配卡接结构与轴座； 轴座与支架的安装位置：距收纳处端部100mm，避免与斜坡板运动干涉； 蜗杆蜗轮安装位置：位于转动轴中部，靠近减速电机一侧，确保受力均匀； （4）功能与安全保障：电机正转时，通过传动机构带动斜坡板从收纳处向下旋转，直至一端与地面接触，形成无障碍通道；电机反转时，带动斜坡板向上旋转收回至收纳处；装置整体结构牢固，蜗轮蜗杆的自锁特性可防止斜坡板在断电或外力作用下意外转动，满足安全使用要求。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $ 第1节 设计和制作控制系统（分层作业） 目录 【A 夯基础】 1 一、设计和制作控制系统 1 【B 提能力】 2 【C 链真题】 3 1、 设计和制作控制系统 1．如图所示的快递分拣系统，包含快递输送子系统和抓取子系统，其工作过程为：快递整齐排列在传送带上，输送到扫描区，扫描仪扫描快递上的条形码后将相关信息输送到工控机，工控机根据相关信息控制机械手，将快递分拣到不同分拣框内。下列关于该快递分拣系统的设计与分析中不恰当的是(　　) A．扫描仪的扫描速度会影响分拣效率 B．机械手设计时不需考虑快递的重量 C．扫描仪传感器的可靠性会影响分拣系统的稳定性 D．设计系统时需根据传送带的运行速度计算出机械手的运行速度 2．如图所示为苹果自动分拣装置的示意图。该装置把大小不同的苹果，按一定质量标准自动分拣为大苹果和小苹果。该装置的托盘秤压在压力传感器R1上，R1所受压力越大阻值越小。当R2两端电压超过某一值时，控制电路接通，电磁铁吸动分拣板的衔铁。该控制电路中包含保持电路，能够确保苹果在分拣板上运动时电磁铁始终保持吸动状态。下列说法正确的是( ) A．为了选出质量更大的苹果可以增加缠绕电磁铁线圈的匝数 B．为了选出质量更大的苹果可以将电源A的输出电压减小 C．为了选出质量更大的苹果可以增大R2的阻值 D．质量大的苹果将进入上通道 3．很多城市已逐渐开始实行电动自行车新政策：只允许新国标电动自行车上路，要求车速不超过25km/h。下列是同学们设计的某品牌电动自行车的电路，其中符合“旋钮OP绕O点顺时针转动时，电动机转速变大，当转速超过一定值，电铃会自动报警”的电路是( ) A． B． C． D． 4．某同学想要设计一套浇花的控制装置，下列传感器中最合适的是(　　) A．湿敏传感器 B．光敏传感器 C．声敏传感器 D．化学传感器 5．下列家用电器使用的传感器类型正确的是(　　) A．冰箱————温度传感器 B．电视————压力传感器 C．油烟机————化学传感器 D．电子秤————红外传感器 6．暴雨后某立交桥下积水较深，很不安全，学习小组为此设计了一个积水自动报警器，其原理如图所示。图中A、B位置可以安装电铃或LED灯，要求地面没有积水时LED灯亮，地面积水较深时电铃响。根据设计要求，电铃应该安装在图中的　　(选填“A”或“B”)位置。电磁继电器实质是一种　　(选填“用电器”或“开关”)。 7．在干燥的冬季，手触摸金属门把手，有时有触电的感觉，这是因为摩擦起电使人体带一定量电荷，当手触摸门把手时产生放电现象。有一种静电消除器，如图甲，其内部电路可简化为图乙，R是高值电阻，假设手握住A点，用B点接触门把手，产生放电现象，红色二极管瞬间发光，则手带　　(填“正”或“负”)电荷。 8．如图是小蔡同学设计的短跑比赛“抢跑判断器”。电磁铁的上端为　　极(选填“N”或“S”)。当运动员蹲在起跑器上后，裁判员闭合开关S1、S2，发令等待指示灯亮，正式发令前有运动员抢跑，R0所受压力变小，电阻变小，电磁铁将衔铁吸下，抢跑指示灯　　亮(选填“L1”或“L2”)，则判定该运动员抢跑。 9．在“利用传感器制作简单的自动控制”实验中，图1是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(是一个通过磁场控制的电开关，当外部有磁场靠近时，两簧片被磁化而吸合，开关导通)，并将干簧管接入报警电路。 ①如图2所示，干簧管SA作为传感器，用于感知磁体磁场是否存在，继电器(虚线方框部分)作为执行装置，发光二极管LED作为电路正常工作提示，蜂鸣器H作为报警提醒。电路中P点应接直流电源的　　(填“正极”或“负极”)； ②连接好电路，闭合开关S，接通电源，将磁体靠近和离开干簧管，分别观察并记录实验现象。 实验操作 磁体M靠近干簧管 磁体M离开干簧管 实验现象 　　 　　 10．小明在乘坐无障碍公交车时发现司机或者乘客需要手动将斜坡板下翻，非常不方便(如图a所示)小明根据此情境准备设计一个斜坡板自动控制模型，利用电机驱动，实现斜坡板自动伸展和收回，小明制作了如图b所示的模型。请在小明制作的模型基础上设计该电机传动装置。已知斜坡板的尺寸为800mm×800mm×10mm。装置设计要求如下： ①使用斜坡板时能自动展开，不用时可自动收回至收纳处； ②展开斜坡板后能旋转至一端与地面接触； ③斜坡板展开使用时，装置牢固可靠； ④斜坡板为木板，允许适当加工； ⑤使用减速电机驱动，其他材料可自选。 请根据描述和设计要求画出该装置机械部分的设计草图(电机可用方框表示)，必要时可用文字说明，并在草图上标注主要尺寸。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $