16.4 电磁继电器与自动控制（教学设计）物理新教材沪粤版九年级下册

第4节 电磁继电器与自动控制（教学设计） 年级 九年级 学科 物理 教师 课题 第4节 电磁继电器与自动控制 教学 目标 物理观念 知道电磁继电器的结构与工作原理，明确其用弱电流、低电压控制强电流、高电压的功能特点。 科学思维 能拆分区分控制电路与工作电路，梳理电磁继电器的动作逻辑，体会物理建模思想。 科学探究 经历观察电磁继电器结构、动手连接控制与工作电路的实验，观察触点状态转换、用电器工作变化，提升动手与归纳能力。 科学态度 与责任 建立高压操作的安全意识，了解电磁继电器在高危场景的应用价值，体会物理知识服务生产生活的意义。 教材 分析 本节内容是电磁铁知识的延伸与应用，也是从“电生磁”向“电磁控制”过渡的关键节点。教材首先介绍电磁继电器的结构，接着分析其工作原理，最后展示其在温度自动控制、水位自动控制等场景中的应用。电磁继电器是自动控制系统中的核心执行元件，理解它有助于学生打破对传统机械开关的认知局限，建立电子控制的初步概念。由于涉及两个独立电路（控制电路与工作电路）的交互作用，且内部结构隐蔽，对学生空间想象力和逻辑推理能力有一定要求。 本节内容由“电磁继电器的结构与原理”和“电磁继电器的应用”两部分构成。电磁继电器的工作原理是重点，利用其实现自动控制的设计思路是难点。 学情分析 1. 知识储备分析：学生已经学习了电流的磁效应、电磁铁及其磁性强弱的影响因素，知道通电螺线管具有磁性，且可以通过电流有无来控制磁性的有无。这为本节学习奠定了理论基础。 2. 思维能力分析：九年级学生具备一定的电路分析能力，但面对包含电磁铁的非纯电阻电路，特别是当控制电路与工作电路分离时，容易混淆。学生习惯于直观操作，对于“间接控制”的逻辑转换需要引导。 3. 学习兴趣与态度分析：学生对自动化设备（如自动门、报警器）充满好奇，渴望了解其内部秘密。但电磁继电器内部结构较小，直接观察困难，需借助多媒体或拆解模型辅助教学。 教学重点 电磁继电器的结构、工作原理及其应用。 教学难点 分析电磁继电器的工作过程，理解控制电路对工作电路的控制逻辑；设计简单的自动控制电路。 教学 器材 电磁继电器实物（透明外壳或可拆卸）、低压电源、开关、导线、小灯泡（或电铃）、高压电源模拟装置（可用另一组电池代替）、多媒体PPT，包含视频：《电磁继电器的结构与工作》、《恒温箱工作原理》、《水位自动报警器》等。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 【提出问题】 （1）在工厂里，很多机器需要很大的电流才能工作，如果直接用手动开关去控制这么强的电流，会有什么危险？ （2）我们在生活中见过自动门、自动售货机，它们没有人去按开关，是怎么知道该启动还是停止的？ 【回答】 直接控制强电流容易触电，不安全；自动设备可能是通过传感器感知环境变化来控制的。 【追问】 有没有一种装置，能让我们用安全的低电压、弱电流，去控制危险的高电压、强电流呢？这就是我们要学习的“电磁继电器”。 思考并回答问题，意识到直接控制强电的危险性，产生探索新装置的兴趣。 学习新课 一、电磁继电器的结构与原理 认识电磁继电器 【展示实物】 出示电磁继电器实物，引导学生观察外部接线柱和内部结构（若为透明外壳）。 【提问1】 电磁继电器主要由哪几部分组成？ 【分析与讲解】 结合挂图或PPT剖面图，详细介绍各部分名称及作用： 电磁铁：核心部件，通电产生磁性，断电磁性消失。 衔铁：被电磁铁吸引的铁片，带动触点动作。 弹簧：当电磁铁失去磁性时，将衔铁拉回原位。 触点：分为静触点和动触点，相当于开关的接触点，控制工作电路的通断。 【归纳】 电磁继电器实质上是一个由电磁铁控制的开关。 【例题1】 如图所示为一种温度报警器的原理图，为热敏电阻，其温度升高时电阻变小。当温度升高时，通过电磁铁的电流________，电磁铁的磁性增强，当衔铁被吸下时________灯亮，发出报警信号。 【答案】 变大 红 【详解】由欧姆定律可知，控制电路电源电压不变，温度升高时总电阻减小，故通过电磁铁的电流变大；电流变大时，电磁铁的磁性增强，当衔铁被吸下时，红灯所在的工作电路接通，故红灯亮。 观察实物，识别电磁铁、衔铁、弹簧、触点四个主要部件。 完成例题1。 学习新课 二、用电磁继电器进行自动控制 1. 探究工作原理 【演示实验/视频播放】 连接如下电路： 控制电路：低压电源、开关、电磁铁线圈串联。 工作电路：高压电源（或另一组电池）、小灯泡、触点串联。 【操作步骤】 （1）断开控制电路开关，观察衔铁位置和小灯泡状态。 （2）闭合控制电路开关，观察衔铁动作和小灯泡状态。 （3）再次断开开关，观察复位情况。 【现象记录】 开关断开：电磁铁无磁性，弹簧拉起衔铁，动触点与静触点分离（或接触，视常开/常闭类型而定，此处以常见的“常开”为例），工作电路断路，绿灯亮。 开关闭合：电磁铁有磁性，吸引衔铁向下运动，动触点与静触点接触，工作电路通路，灯亮。 【分析与论证】 引导学生总结工作流程： 通电 电磁铁有磁性 吸引衔铁 触点闭合 工作电路接通。 断电 电磁铁无磁性 弹簧拉起衔铁 触点断开 工作电路切断。 【核心结论】 电磁继电器利用低电压、弱电流电路的通断，来间接控制高电压、强电流电路的通断。实现了远距离操纵和自动控制。 2.电磁继电器的应用 ①温度自动控制——恒温箱 【情境引入】 孵化小鸡需要恒定的温度，如何设计一个电路，当温度低于设定值时加热，高于设定值时停止加热？ 【原理分析】 引入双金属片温度计或热敏电阻作为控制电路中的感应元件。 当温度升高 双金属片弯曲（或热敏电阻阻值变化） 控制电路断开（或电流减小到不足以吸合衔铁） 电磁铁失去磁性 衔铁被弹簧拉起 加热电路接通。 当温度降低 恢复原状 控制电路接通 电磁铁吸引衔铁 加热电路断开。 【播放视频】 ——《恒温箱工作原理动画演示》 ②水位自动控制——水位报警器 【提出问题】 水库水位过高时需要报警，如何设计？ 【设计思路】 传感器：两个金属块A、B置于警戒水位处。 控制电路：电源、电磁铁、金属块A、B串联。水是导体。 工作电路：电源、电铃（红绿灯）、触点串联。 【工作过程】 水位未到达A、B：控制电路断路，电磁铁无磁性，触点断开，电铃不响。 水位到达A、B：水将A、B连通，控制电路接通，电磁铁有磁性，吸引衔铁，触点闭合，电铃（红灯）电路接通，发出警报。 【师生共同分析实例】 ① 防盗报警：门窗上安装微动开关，一旦门窗被打开，控制电路接通，警铃大作。 ② 路灯自动控制：利用光敏电阻，天黑时电阻变大（或变小，视电路设计），控制路灯开启。 【播放视频】 ——《生活中的自动控制系统》 【例题2】 如图所示是电梯自动控制系统电路图，地板装的R是压敏电阻，其阻值随压力的增大而减小。当有人站上电梯时，控制电路中的电流____________（选填“变大”、“不变”或“变小”），电磁铁的上端为____________（选填“N极”或“S极”），此时电梯的电动机M____________。（选填“快行”或“慢行”） 【答案】 变大 N极 快行 【详解】因压敏电阻阻值随压力增大而减小，有人站上电梯时R阻值变小，控制电路电压不变，由可知，控制电路电流变大。 用安培定则（右手螺旋定则）：右手握住螺线管，四指指向控制电路中电流的环绕方向（电流从电磁铁下端流入、上端流出），大拇指指向电磁铁的上端，因此电磁铁的上端为N极。 有人时控制电路电流变大，电磁铁磁性增强，吸引衔铁向下与触点2接触，此时工作电路中的定值电阻被断路，电动机直接接在电源两端，电压更大，转速更快，因此电动机快行。 观看演示实验，记录现象。 小组讨论，梳理“电 磁 力 动 通断”的逻辑链条。 理解电磁继电器作为“自动开关”的本质。 知道电磁继电器的应用及其原理。 完成例题2。 课 堂 练 习 1．如图是一种温度自动报警器的示意图，在温度计里封入一段金属丝，当温度达到金属丝下端所指温度时，电铃响起，发出报警信号，下列说法不正确的是（     ） A．衔铁可用铜片代替 B．该温度计相当于控制电磁铁的开关 C．温度计的测温液具有热胀冷缩的性质 D．通过电磁铁的电流越大，它的磁性越强 【答案】A 【详解】A．电磁铁只能吸引铁、钴、镍这类物质；铜不能被电磁铁吸引，所以衔铁不能用铜片代替，故A错误； B．温度升高，测温液体上升接触金属丝，左侧控制电路接通；温度下降，电路断开，所以温度计相当于控制电磁铁的开关，故B正确； C．该温度计的测温液依靠热胀冷缩的性质，随温度变化升降来触发控制电路，故C正确； D．电磁铁磁性强弱和电流大小有关，线圈匝数不变时，电流越大，磁性越强，故D正确。 本题选错误的，故选A。 2．如图所示是某款“照明灯”的电路。其控制电路中，为光敏电阻，其阻值随光照强度而变化。闭合开关S，电磁铁的上端为________极。白天光照强，的阻值较________（选填“大”或“小”），电路中电流较大，衔铁被吸下，灯L将________（选填“发光”或“不发光”）。 【答案】 N 小 不发光 【详解】根据右手螺旋定则，将右手握住螺线管，四指指向电流方向（电流从电磁铁上端流入、下端流出），大拇指指向上端（N极），因此电磁铁上端为N（北）极； 由题意知，白天光照强，电流较大，而电源电压不变，根据欧姆定律可知，总电阻较小，定值电阻不变，因此光敏电阻阻值较小； 当衔铁被吸下后，受控的照明灯电路断开，电路没有接通，因此灯L不发光，符合白天照明灯不需要工作的特点。 3．如图是一款具有加热和理疗功能的足浴盆的简化电路图，其中所有电源电压恒定，温控电阻置于温度检测区域，其阻值随温度升高而升高。水温达到设定温度时衔铁弹起。电磁铁工作时，其上端为___________极，若将足浴盆的设定温度调高，则需___________（写出一种方法即可） 【答案】 N 减小滑动变阻器R2​接入电路的阻值 【详解】由图可知，控制电路中电流从电磁铁上端流入、下端流出；根据安培定则：右手握住螺线管，四指顺着电流方向，大拇指指向螺线管上端，因此电磁铁上端为N（北）极。 已知R3阻值随温度升高而增大，设定温度调高后，达到设定温度时R3的阻值比原设定温度更大；衔铁弹起时电磁铁磁性减弱到临界值，控制电路的电流大小不变，电源电压恒定，根据欧姆定律，控制电路总电阻需要保持不变，因此需要减小滑动变阻器R2接入电路的阻值。 4．如图是一种水位自动报警器的原理图（纯净的水是不导电的，但一般的水都能导电）。当水位没有达到金属块A时，绿灯处于___________路状态。当水位达到金属块A，电磁铁吸引衔铁落下，水位自动报警，电磁铁上端是___________（选填“N极”或“S极”） 【答案】 通 S极 【详解】当水位没有达到金属块A时，使控制电路断开，电磁铁失去磁性，弹簧拉着衔铁使动触点与上面的静触点接触，工作电路接通，则绿灯亮，绿灯处于通路状态。 当水位达到金属块A，电磁铁吸引衔铁落下，水位自动报警，电流从电磁铁的下端流入，由安培定则可知电磁铁的下端是N极，上端是S极。 5．暴雨后立交桥下积水较深很不安全，物理学习小组为此设计了一个积水自动报警器，其原理图如图所示。此装置中用到了电磁继电器，它是利用电流的________效应工作的，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________（填“A”或“B”）位置。 【答案】 磁 B 【详解】电磁继电器的核心部件是电磁铁，通电时产生磁性吸引衔铁，断电时磁性消失，这是利用了电流的磁效应。 当地面积水较深时，左侧控制电路接通，电磁铁产生磁性吸下衔铁，使动触点与下方的静触点接触，此时工作电路中 位置被接通，根据题意此时电铃响，说明电铃应安装在 位置。 6．电磁继电器可以实现低压控制高压，它在电路中的作用相当于（     ） A．开关 B．电源 C．导线 D．用电器 【答案】A 【详解】电磁继电器的主要构成是电磁铁，通过电磁铁磁性强弱变化，把衔铁吸合或释放，实现工作电路的通断，可以实现低电压、弱电流控制高电压、强电流，它的作用相当于工作电路中的开关。 故选A。 7．电梯超载报警装置的工作原理如图所示，为保护电阻，为压敏电阻。均闭合，人员超载时，电梯内报警装置会发出电铃声音进行提示。电磁铁的上端为________极，电梯超载时，的阻值________（选填“变大”“变小”或“不变”）。 【答案】 S 变小 【详解】由图可知，电磁铁线圈的电流从下端流入，上端流出，用右手握住电磁铁，四指指向电流方向，大拇指指向下端，因此下端为N极，上端为S极。 电梯超载时，控制电路需要有足够大的电流，让电磁铁磁性增强，把衔铁吸下来，使触点K从A切换到B，接通报警电路，电铃响。 电磁铁磁性增强，说明控制电路中的电流变大。 控制电路的电源电压不变，根据欧姆定律，电流变大说明电路总电阻变小。 保护电阻R的阻值不变，所以只能是压敏电阻R0的阻值变小。 8．如图，为某大桥设计一个车辆超重的报警装置，当路面压力达到设定值时，压力传感器就接通电路。要求车辆超重时，信号灯就发光，请在图中连好电路。 【答案】 【详解】根据题意知道，这是一个电磁继电器的工作原理图，左侧与电磁铁连接的为控制电路，右侧与信号灯连接的为工作电路，压力传感器、电磁铁、电源组成控制电路；信号灯、电源、触点开关组成工作电路。 9．在跨学科实践活动中，小明为某仓库设计了温度报警电路。为定值电阻、为热敏电阻，其阻值随温度的升高而变小。温度正常时指示灯L发光，当温度升高到报警温度时，指示灯熄灭，蜂鸣器报警。下列设计电路正确的是（　　） A． B． C． D． 【答案】D 【详解】AD．当温度升高到报警温度时，R2阻值随温度的升高而减小，根据可知，电流会变大，衔铁将被吸下，指示灯熄灭，蜂鸣器报警，故A错误，D正确； B．控制电路中L与R1并联，无论温度高低，L都发光，无法实现“温度高熄灭”，故B错误； C．指示灯在工作电路的干路上，无论衔铁是否吸下，不会熄灭，故C错误。 故选D。 10．【探究名称】设计“红色文化”自动讲解装置的电路 为让学生更了解“红色文化”学校准备在宣传栏增设一个自动感应讲解装置。当参观者靠近时，自动播放红色故事：人离开后，自动停止。 【项目任务】利用电磁继电器、电源、光敏电阻R（其阻值随光照强度的增大而减小）、指示灯L等器材，设计一个自动控制电路。要求：光线较暗（模拟有人靠近遮挡光线）时，工作电路接通，指示灯L亮，播放讲解 （用播放器的符号表示）；光线较亮时，工作电路断开指示灯L 灭，停止播放。 【设计规划】 (1)请在虚线框内完成工作电路的设计。 (2)控制电路中，电磁继电器相当于一个由___________控制的开关，当电路中有电流通过时电磁铁___________端为N极。光敏电阻R在此电路中的作用相当于一个受___________影响的传感器。 (3)调试过程中发现，光线稍亮时，装置就开始工作，说明触发灵敏度太高。为了使装置在光线更暗时才被触发，可以___________（选填“增大”或“减小”）控制电路的电源电压，或者___________（选填“增大”或“减小”）电磁铁线圈的匝数。 【展示交流】 该装置成功模拟了自动感应功能。同学们在设计与调试过程中，不仅加深了对电磁继电器原理的理解，更在重温红色历史中激发了爱国热情，坚定了科技报国的志向。 【答案】(1) (2) 电磁铁 上 光照强度 (3) 增大 增大 【详解】（1）光线较暗时，光敏电阻阻值大，控制电路电流小，电磁铁磁性弱，衔铁被弹簧拉起，接通A与B间的工作电路。据此作图。 （2）[1]电磁继电器的本质是由电磁铁控制工作电路通断的开关。 [2]根据安培定则：电流从线圈上端流入，下端流出，大拇指指向上端，可判断出电磁铁上端为N极。 [3]光敏电阻的阻值随光照强度改变，因此是受光照强度影响的光传感器。 （3）[1]现在故障是光线稍亮（光敏电阻R还没到足够大）就触发工作，说明需要让只有R更大（对应光线更暗）时，电流才小到让电磁铁磁性不足，才会释放衔铁触发工作。增大控制电路电源电压后，根据，相同R下电流更大，电磁铁磁性更强，只有R更大（光线更暗）时，电流才会小到不足以吸住衔铁，符合要求。 [2]增大电磁铁线圈匝数后，相同电流下电磁铁磁性更强，同理也只有光线更暗（R更大，电流更小）时，才会触发工作。 板 书 设 计 第4节 电磁继电器与自动控制 一、电磁继电器 构造：电磁铁、衔铁、弹簧、触点。 实质：由电磁铁控制的开关。 原理： 通电 有磁性 吸衔铁 触点动作 断电 无磁性 弹簧拉 触点复位 优点： 低电压、弱电流 控制 高电压、强电流 远距离操纵 自动控制 二、应用实例 温度控制：恒温箱（双金属片/热敏电阻 + 电磁继电器） 水位控制：水位报警器（水导电 + 电磁继电器） 其他：光控、声控、防盗报警等 三、自动控制系统的组成 传感器（感知） 控制电路（处理） 电磁继电器（执行） 工作电路（对象） 课 堂 小 结 第4节 电磁继电器与自动控制 作 业 教学反思 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $