物理人教版 (2019)3 利用傳感器制作簡單的自動控制裝置學案

這是一份物理人教版 (2019)3 利用傳感器制作簡單的自動控制裝置學案，共9頁。學案主要包含了實驗目的，實驗原理，實驗器材，實驗步驟，注意事項等內(nèi)容，歡迎下載使用。
利用傳感器制作簡單的自動控制裝置  實驗一　門窗防盜報警裝置一、實驗目的1．了解門窗防盜報警裝置的工作原理。2．了解干簧管和繼電器的特點和在裝置中的作用。二、實驗原理1．干簧管(1)特點：感知磁場是否存在的傳感器。(2)作用：將磁場的存在與否轉換為電路的通斷。2．繼電器(1)特點：繼電器線圈中有電流通過時，開關與觸點a接通，無電流時，開關與觸點b接通。(2)作用：將繼電器中電流的有無轉換為指示燈和蜂鳴器電路的控制，相當于一個自動的雙向開關。3．實驗電路4．工作原理閉合開關S，系統(tǒng)處于防盜狀態(tài)，當門窗緊閉時，磁體M使干簧管處于導通狀態(tài)，繼電器使開關c與觸點a接通，二極管LED發(fā)光。當門窗開啟時，磁體離開干簧管，干簧管失磁斷開，繼電器被斷電，使開關轉換為c、b接通，蜂鳴器H發(fā)聲報警。三、實驗器材干簧管SA、繼電器、發(fā)光二極管LED、電阻R(330 Ω)、蜂鳴器H、電源、小磁體、開關等。四、實驗步驟1．連接電路前，要先判斷一下干簧管是否可以正常工作。用磁體直接靠近干簧管，觀察簧片能否正常動作。2．確定各元件可以正常工作后，按照實驗電路圖連接電路。3．接通電源后，將磁體靠近和離開干簧管，分別觀察實驗現(xiàn)象。實驗二　光控開關一、實驗目的1．了解光控開關的工作原理。2．練習利用光控開關制作自動控制設備。二、實驗原理1．晶體三極管(1)兩種類型(2)三個電極①發(fā)射極e，②基極b，③集電極c。(3)重要特性①從基極輸入一個較小的電流，就會在集電極獲得較大的電流，這就是三極管的電流放大作用。②在控制電路中具有完成斷路和接通的開關作用。2．光控開關(1)電路圖(2)工作原理當光照較強時，RG較小，加在基極上電壓較小，三極管不導通，LED不亮；當光線較弱時，RG阻值增大，加在基極上電壓增大，當達到一定程度后，三極管被導通，發(fā)光二極管LED開始發(fā)光。3．光控開關控制電路(1)電路圖(2)工作原理當環(huán)境光比較強時，光敏電阻RG的阻值很小，三極管不導通，繼電器所在的回路相當于斷路；當環(huán)境光線比較暗時，光敏電阻RG阻值較大，三極管導通，集電極電流較大，驅(qū)動繼電器吸合開關S，點亮燈泡L。(注：與繼電器并聯(lián)的二極管D，提供自感電流釋放通路，以保護三極管不被燒壞。)三、實驗器材可調(diào)電阻R1(最大電阻為51 kΩ)、限流電阻R2(330 Ω)、光敏電阻RG、三極管VT、發(fā)光二極管LED、繼電器、小燈泡L(6 V、0.3 A)、二極管D、電源等。四、實驗步驟1．按照實驗電路圖連接電路，檢查無誤后，接通電源。2．讓光敏電阻RG受到白天較強的自然光照射，調(diào)節(jié)電阻R1使發(fā)光二極管LED或小燈泡L剛好不發(fā)光。3．遮擋RG，當光照減弱到某種程度時，就會看到發(fā)光二極管LED或小燈泡L發(fā)光。4．讓光照加強，當光照增強到某種程度時，發(fā)光二極管LED或小燈泡L熄滅。五、注意事項1．安裝前，對器材進行測試，確保各元件性能良好后，再進行安裝。2．光控開關實驗中，二極管連入電路的極性不能反接，否則將燒壞門電路集成塊。3．光控開關實驗中要想天更暗時“路燈”才會亮，應該把R1的阻值調(diào)大些。   　報警系統(tǒng)的電路問題[例題1]　把蜂鳴器、光敏電阻、干簧管繼電器、開關、電源按如圖所示電路連接，制成光電報警裝置。當有光照射報警裝置且光照較強時，蜂鳴器發(fā)聲，當沒有光照或者光照很弱時，蜂鳴器不發(fā)聲。①光敏電阻：受光照射后，阻值會變小。②干簧管繼電器：由干簧管和繞在干簧管外的線圈組成，當線圈中有一定的電流時，線圈產(chǎn)生的磁場使密封在干簧管內(nèi)的兩個鐵質(zhì)簧片磁化，兩個簧片在磁力作用下由原來的分離狀態(tài)變成閉合狀態(tài)。當線圈中沒有電流或者電流很微弱時，簧片在彈力的作用下恢復到分離狀態(tài)。請將下面的電路連接完整。[解析]　如圖所示，當有光照且光照較強時，光敏電阻的阻值變小，使得干簧管繼電器線圈中有較大的電流，從而產(chǎn)生磁場，導致兩個鐵質(zhì)簧片閉合，最終使得蜂鳴器發(fā)聲。[答案]　如解析圖所示[針對訓練]　傳感器擔負著信息采集的任務，在自動控制中發(fā)揮著重要作用，傳感器能夠?qū)⒏惺艿降奈锢砹?如溫度、光、聲等)轉換成便于測量的量(通常是電學量)，例如熱敏傳感器，主要是應用了半導體材料制成的熱敏電阻。某熱敏電阻RT阻值隨溫度變化的圖像如圖甲所示，圖乙是由該熱敏電阻RT作為傳感器制作的簡單自動報警器線路圖。問：(1)為了使溫度過高時報警器鈴響，c應接在__________(填“a”或“b”)處；(2)若要使啟動報警的溫度提高些，應將滑動變阻器的滑片P向________移動(填“左”或“右”)；(3)如果在調(diào)試報警器達到最低報警溫度時，無論如何調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片P都不能使報警器工作，且電路連接完好，各電路元件都能處于工作狀態(tài)，則造成工作電路不能正常工作的原因可能是：_________________________________________________________________________________________________________________________________。解析：(1)由題圖甲可知，熱敏電阻RT在溫度升高時阻值變小，電路中電流變大，電磁鐵磁性增強，把右側銜鐵吸引過來，與a接觸，故c應接在a處。(2)為使達到啟動報警的溫度提高，則應使電路中電阻更大，故滑動變阻器的滑片應左移。(3)在最低報警溫度時不能報警，說明此時電路產(chǎn)生的電流不能讓豎直片與a接觸，這可能由多種原因造成，如：①電源提供的電流太小，導致磁鐵的磁性太弱；②彈簧的勁度系數(shù)太大，電磁鐵的吸引力小于彈簧的彈力等。答案：(1)a　(2)左　(3)電源提供的電壓太小以至于電磁鐵磁性太弱或彈簧勁度系數(shù)太大  光控開關的應用[例題2]　如圖甲所示是一測量硫化鎘光敏電阻特性的實驗電路，電源電壓恒定，電流表內(nèi)阻不計，開關閉合后，調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片，使小燈泡發(fā)光逐漸增強，測得流過電阻的電流和光強的關系曲線如圖乙所示，試根據(jù)丙圖所給器材設計一個路燈自動光控電路。要求有光照時路燈不亮，無光照時路燈工作。[解析]　由流過光敏電阻的電流和光強的關系曲線可以看出，當入射光增強時，流過光敏電阻的電流增大。根據(jù)題意設計一個路燈自動控制電路如圖所示。控制過程：當有光照射時，流過光敏電阻的電流增大，并經(jīng)過放大器輸出一個較大的電流，驅(qū)動電磁繼電器吸合，使兩個常閉觸點斷開，當無光照時，電流減小，放大器輸出電流也減小，電磁繼電器釋放銜鐵，使兩個觸點閉合，控制路燈電路接通，路燈開始工作。[答案]　見解析[針對訓練]　為了節(jié)能和環(huán)保，一些公共場所使用光控開關控制照明系統(tǒng)。光控開關可采用光敏電阻來控制，光敏電阻是阻值隨著光的照度變化而發(fā)生變化的元件(照度可以反映光的強弱，光越強，照度越大，照度單位為lx)。某光敏電阻RG在不同照度下的阻值如下表所示。 照度/lx0.20.40.60.81．01．2電阻/kΩ754028232018 (1)根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，請在給定的坐標系中描繪出阻值隨照度變化的曲線，并說明阻值隨照度變化的特點；(2)如圖所示，當1、2兩端所加電壓上升至2 V時，控制開關自動啟動照明系統(tǒng)。請利用下列器材設計一個簡單電路，給1、2兩端提供電壓，要求當天色漸暗照度降低至1．0 lx時啟動照明系統(tǒng)，在虛線框內(nèi)完成電路原理圖。(不考慮控制開關對所設計電路的影響)提供的器材如下：光敏電阻RG(符號，阻值見表)；直流電源E(電動勢3 V，內(nèi)阻不計)；定值電阻R1＝10 kΩ，R2＝20 kΩ，R3＝40 kΩ(限選其中之一并在圖中標出)；開關S及導線若干。解析：(1)阻值隨照度變化曲線如圖甲所示。　(2)原理：利用串聯(lián)電路的分壓規(guī)律設計電路。當照度降低至1．0 lx時，光敏電阻RG＝20 kΩ，由題中信息可知U12＝2 V，E＝3 V，＝，代入數(shù)據(jù)解得R＝10 kΩ，所以定值電阻應選R1。電路原理圖如圖乙所示。答案：(1)見解析圖　光敏電阻的阻值隨光的照度的增大而非線性減小　(2)見解析 1．如圖所示是一位同學設計的防盜門報警器的簡化電路示意圖。門打開時，紅外光敏電阻R3受到紅外線照射，電阻減?。婚T關閉時會遮蔽紅外線源(紅外線源沒有畫出)。經(jīng)實際試驗，可知燈的亮滅情況能反映門的開關狀態(tài)。門打開時兩燈的發(fā)光情況及R2兩端電壓UR2與門關閉時相比(　　)A．紅燈亮，UR2變大　　　　　　 B．綠燈亮，UR2變大C．綠燈亮，UR2變小 D．紅燈亮，UR2變小解析：選D　當門打開時，R3受紅外線照射，電阻減小，則總電阻減小，總電流I增大，R2兩端電壓UR2＝E－I(R1＋r)減小，R2中電流IR2＝減小，所以R3中電流IR3＝I－IR2增大，電磁繼電器產(chǎn)生的磁場增強，把銜鐵吸下，紅燈亮，選項D正確。2．設計一個自動防盜報警電路，要求：晚間房門被打開，細導線EF被扯斷，電鈴發(fā)聲自動報警。把如圖所示的電路元件連成電路。解析：EF斷開時，電鈴發(fā)聲，應使電鈴與導線EF并聯(lián)后，再與電阻串聯(lián)，如圖所示。答案：見解析3．目前有些居民區(qū)樓道燈的控制使用的是一種延時開關，該延時開關的簡化原理如圖所示。圖中D是紅色發(fā)光二極管(只要有很小的電流通過，就能使其發(fā)出紅色亮光)，R為限流電阻，K為按鈕式開關，虛線框內(nèi)S表示延時開關電路，當按下K接通電路瞬間，延時開關觸發(fā)，相當于S閉合，這時釋放K后，延時開關S約在1 min后斷開，燈泡熄滅。根據(jù)上述信息和原理圖，我們可推斷：按鈕式開關K按下前，發(fā)光二極管是________(填“發(fā)光的”或“熄滅的”)；將按鈕式開關K按下再釋放后，燈泡L發(fā)光持續(xù)時間約________ min，這一過程中發(fā)光二極管是________(填“發(fā)光的”或“熄滅的”)。限流電阻R的阻值和燈絲電阻RL相比，應滿足R________RL的條件。解析：按鈕式開關K按下前，發(fā)光二極管、限流電阻與燈泡串聯(lián)，有電流通過發(fā)光二極管，因此發(fā)光二極管處于發(fā)光狀態(tài)。當將按鈕式開關K按下再釋放后，由于接通電路瞬間延時開關觸發(fā)，相當于S閉合，二極管被短路，所以處于熄滅狀態(tài)。由于延時開關S約1 min后斷開，燈泡熄滅，則知燈泡L發(fā)光持續(xù)時間約1 min。由于R為限流電阻，且二極管只要有很小的電流通過就能發(fā)光，若要保證延時開關斷開時，二極管發(fā)光，燈泡L不發(fā)光，則應滿足R?RL。答案：發(fā)光的　1　熄滅的　?4．某研究學習小組設計的模擬街道路燈自動控制系統(tǒng)的電路圖如圖所示，光控開關可采用光敏電阻來控制，光敏電阻的阻值隨著光照強度增強而減小，利用直流電源為電磁鐵供電，利用照明電源為電燈供電。為達到天亮燈熄、天黑燈亮的效果，電燈應接在________(選填“A、B”或“B、C”)之間，請用筆畫線代替導線，將電路補充完整。解析：該模擬電路的工作原理是：由光敏電阻感知光照強度變化，調(diào)節(jié)電磁鐵線圈中電流的大小，即可調(diào)節(jié)電磁鐵磁性的強弱，吸下或者釋放銜鐵，從而控制燈的亮滅，即達到天亮燈熄、天黑燈亮的效果。因為天亮時光照強度大，光敏電阻阻值較小，電磁鐵線圈中電流較大，磁性較強，可將銜鐵吸下；又因為天亮時需要使燈熄滅，所以燈應接在A、B之間。電路連線時直接將D、E兩端與光敏電阻、滑動變阻器、開關以及電源串聯(lián)即可。電路如圖所示：答案：A、B　見解析圖