2022-2023学年人教版选择性必修第二册 第五章 3.利用传感器制作简单的自动控制装置 学案

1、3利用传感器制作简单的自动控制装置一、组装门窗防盗报警装置1实验目的：了解门窗防盗报警装置，会组装门窗防盗报警装置。2实验器材：干簧管、继电器、发光二极管LED、小磁体、蜂鸣器H、电源、导线若干、开关、电阻。3实验原理与设计：电路如图所示。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

2、，继电器则相当于一个自动的双向开关。4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，按图所示连接电路。(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。二、组装光控开关1实验目的：了解光控开关电路及控制原理，会组装光控开关。2实验器材：三极管、发光二极管、二极管、继电器、灯泡(6 V，0.3 A)、可调电阻R1(最大阻值51 k)、限流电阻R2(330 )、光敏电阻、集成电路实验板、直流电源(6 V)、导线若干、黑纸。3实验原理：(1)甲图(二极管光控电路)：光控电路用发光二极管LED模仿

3、路灯，RG为光敏电阻，R2为发光二极管的限流电阻。可调电阻R1与光敏电阻RG组成串联分压电路，把光敏电阻因光照而发生的电阻变化，转换为电压的变化，加载到三极管VT的基极b上(图甲)。当基极电压达到一定程度后，三极管被导通，从而使得由电源正极经电阻R2、发光二极管、三极管集电极和发射极到达电源负极的回路被导通。可调电阻R1的作用是调整设定电路对周边光亮度的反应，在电路中能够控制三极管的基极电流。如果把R1阻值调得更大些，就会在天更暗时才点亮路灯。(2)乙图(路灯光控电路)：采用小灯泡模仿路灯，就要使用继电器来启、闭另外的供电电路，如图乙中K为继电器的线圈，S为它的常开触点。当环境光比较强时，光敏

4、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。4实验步骤：(1)按照实验电路图将各元件组装到集成电路实验板上。(2)检查各元件的连接，确保无误。(3)接通电源，调节电阻R1，使发光二极管或灯泡在普通光照条件下不亮。(4)遮挡RG，当光照减弱到某种程度时，观察发光二极管或灯泡发光。(5)让光照加强，当光照强到某种程度时，观察发光二极管或灯泡熄灭。电磁继电器的作用是什么？在控

5、制电路中并联一只二极管的目的是什么？提示：由于集成电路允许通过的电流较小，要用白炽灯泡模仿路灯，就要使用电磁继电器来启闭工作电路。在控制电路中并联一只二极管，是为了防止电磁继电器释放衔铁时线圈中的自感电动势损坏集成电路。二极管的存在可以提供自感电流的通路。 教材原型实验【典例1】某同学想通过实验探究一个热敏电阻的特性。(1)为探究热敏电阻的特性，设计了如图甲所示的电路，R0为电阻箱，R为热敏电阻，开关S、S1、S2先断开，滑动变阻器的滑片移到最_左_(选填“左”或“右”)端。(2)实验时，温控室的温度为t0，闭合S、S1，调节滑动变阻器的滑片，使电流表有合适的示数I0，现断开S1，闭合S2，滑

6、动变阻器的滑片不动，调节电阻箱R0的阻值，R090 时，电流表的示数也为I0，则此室温的热敏电阻阻值为_90_。多次改变温控室的温度，重复上述实验过程，测得多组热敏电阻在不同温度t下对应的阻值R，作出Rt图像，如图乙所示，室温t0为_30_。(3)把这个热敏电阻接入如丙图所示的电路中，可以制作温控报警器。已知电源电压为9 V，内阻r2 ，R250 ；当图中的电流表A达到或超过0.5 A时，便触发报警器(图中未画出)报警。若要求开始报警时环境温度为80 ，图中R1阻值为_20_【解析】(1)为保护用电器的使用安全，滑动变阻器的滑片移到最左边，确保闭合开关瞬间，流过电表的电流为零。(2)实验中，用

7、电阻箱代替热敏电阻，二者阻值相等。在乙图中找到纵轴坐标为90 的图线上对应的横轴坐标为30 (3)在乙图中读出环境温度为80 时热敏电阻的阻值为30 ，根据闭合电路欧姆定律有I eq f(E,rf(（RR2）R1,R1RR2) 代入数据，得R120 答案：(1)左(2) 9030(3)20【变式训练】为了消防安全，一些生产车间会使用温控报警系统。该系统核心元件可采用热敏电阻来控制。某实验兴趣小组想自制简易温控报警系统。该实验小组的同学首先对该热敏电阻的温度特性进行研究，可能用到以下实验器材：A热敏电阻Rt(常温下的阻值约为30 )B烧杯、热水、温度计C电流表(量程00.6 A，内阻r15 )D

8、电压表(量程06 V，内阻约15 k)E滑动变阻器(最大阻值为10 ，额定电流2 A)F滑动变阻器(最大阻值为500 ，额定电流0.5 A)G.电源(电动势6 V，额定电流2 A，内阻不计)H开关一个，导线若干(1)要求通过热敏电阻的电流从零开始增大，为使测量尽量准确，则滑动变阻器应选择_；(填器材前的字母标号)(2)请你按照实验要求用笔画线代替导线在实物图甲中完成余下导线的连接；(3)在探明该热敏电阻特性的基础上，该实验小组利用其特性自制简易温控报警系统。如图丙所示，当1、2两端所加电压降低至1 V时，温度控制开关自动启动报警系统，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

9、温度升高至约50 直流电源E(电动势3 V，内阻不计)；定值电阻：R110 ，R240 ，R380 ；开关S及导线若干；则定值电阻应该选择：_；(填写字母符号)(4)请在虚线框内完成电路原理图。(不考虑开关S对所设计电路的影响)【解析】(1)电源电动势为6 V，热敏电阻常温下的阻值约为30 ，故电流最大约为0.2 A，为了让电流从零开始增大应采用分压接法，故滑动变阻器应选择总阻值较小的E；(2)本实验中采用滑动变阻器分压接法，同时因电流表内阻已知，故电流表采用内接法，完成电路图如图所示：(3)串联电阻两端电压与电阻阻值成正比，电源电动势E3 V，当温度升高至约50 时，由图线知，此时光敏电阻为

10、RP20 ，UP1 V，则串联电阻分压UR2 V ，所以 eq f(RP,R) eq f(UP,UR) eq f(1,2) ，则有R2RP40 ，故选定值电阻R2。(4)电路图如图所示：答案：(1)E(2)图见解析 (3)R2(4)图见解析 创新型实验【典例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eb0.2 V时，c、e间的电阻R可忽略不计，当eb0.2 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

11、，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_光敏电阻_(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。【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，电磁铁通电，eb0.2 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。电路图如图所示答案：(1)光敏电阻(2)图见解析【创新角度】(1)光敏电阻在自动化装置中的应用。(2)街道

12、路灯自动控制电路。人体接近传感器又称无触点接近传感器(简称传感器)，是理想的电子开关量传感器，广泛应用于各种自动控制电路中，例如写字楼的自动门、公寓的楼道灯等。兴趣小组找到一只传感器，欲先确定其对人体接近的感应特性，设计了测量电路如图(a)所示，并将传感器安置在x轴上距离原点x06 m处，一人从原点O处沿x轴运动，测得通过电流表的电流与人的位置的关系如图(b)，其中传感器的动作电流I5 A，接近传感器的过程中电流I05 A时人到传感器的距离为动作距离，远离传感器的过程中电流I05 A时人到传感器的距离为释放距离。“与”门真值表输入输出ABY000010100111(1)若人行走的速度为1.5

13、m/s，自动门从动作到能让人通过需要的时间为3 s；有一条长3 m的楼梯。则此传感器适合做_；A自动门的自动控制系统，并将传感器安装在门上方B楼梯灯的自动控制系统，并将传感器安装在楼梯中间墙壁上(2)传感器能提供的电流很小，不足以驱动控制电路正常工作，往往需要配合开关电路才能提供较大控制电流。有一种“与”门开关电路，符号和真值表如表所示。A，B为两个输入端，Y为输出端，真值表中“0”表示与电源负极间电势差较小(低于某值，称为低电平)，电路处于断开状态，“1”表示与电源负极间电势差较大(大于某值，称为高电平)，电路处于接通状态。A、B输入端由“0”转为“1”的电压叫开门电压，由“1”转为“0”的

14、电压叫关门电压，若此“与”门电路的开、关门电压均为1.0 V，当UA0.8 V、UB1.2 V时，输出端Y处于_(选填“断开”或“接通”)状态；(3)楼梯灯控制系统需要同时满足两个条件才能点亮：即有人接近和光线较暗。兴趣小组欲使用上述传感器和“与”门电路制作一个楼梯灯控制系统，还需要一只光敏电阻(阻值随光照强度增大而减小)和几个定值电阻、LED灯等，设计的电路如图(c)，门电路对线路电阻没有影响，若其中R1为定值电阻，则a为_；b、c中接入定值电阻的是_。若要求当光线较暗、人到达传感器动作距离时楼梯灯亮，则与传感器串联的电阻R1阻值约为_。【解析】(1)由图(b)可知，传感器的动作距离约为x0(64.1) m1.9 m，人在3 s内行走的距离为vt4.5 m，所以若作为自动门的控制系统，则人到达门所在位置时不能通过门，故只能作为楼梯灯的控制系统，故选B；(2)当UA0.8 V，UB1.2 V时