2022-2023學(xué)年人教版選擇性必修第二冊 第五章 3.利用傳感器制作簡單的自動控制裝置 學(xué)案

1、3利用傳感器制作簡單的自動控制裝置一、組裝門窗防盜報警裝置1實驗?zāi)康模毫私忾T窗防盜報警裝置，會組裝門窗防盜報警裝置。2實驗器材：干簧管、繼電器、發(fā)光二極管LED、小磁體、蜂鳴器H、電源、導(dǎo)線若干、開關(guān)、電阻。3實驗原理與設(shè)計：電路如圖所示。閉合電路開關(guān)S，系統(tǒng)處于防盜狀態(tài)。當(dāng)門窗緊閉時，磁體M靠近干簧管SA，干簧管兩個簧片被磁化相吸而接通繼電器線圈K，使繼電器工作。繼電器的動觸點c與常開觸點a接通，發(fā)光二極管LED發(fā)光，顯示電路處于正常工作狀態(tài)。當(dāng)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。繼電器的動觸點c與常閉觸點b接通，蜂鳴器H發(fā)聲報警。干簧管在電路中起傳感器和控制開關(guān)的作用

2、，繼電器則相當(dāng)于一個自動的雙向開關(guān)。4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，按圖所示連接電路。(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。二、組裝光控開關(guān)1實驗?zāi)康模毫私夤饪亻_關(guān)電路及控制原理，會組裝光控開關(guān)。2實驗器材：三極管、發(fā)光二極管、二極管、繼電器、燈泡(6 V，0.3 A)、可調(diào)電阻R1(最大阻值51 k)、限流電阻R2(330 )、光敏電阻、集成電路實驗板、直流電源(6 V)、導(dǎo)線若干、黑紙。3實驗原理：(1)甲圖(二極管光控電路)：光控電路用發(fā)光二極管LED模仿

3、路燈，RG為光敏電阻，R2為發(fā)光二極管的限流電阻。可調(diào)電阻R1與光敏電阻RG組成串聯(lián)分壓電路，把光敏電阻因光照而發(fā)生的電阻變化，轉(zhuǎn)換為電壓的變化，加載到三極管VT的基極b上(圖甲)。當(dāng)基極電壓達(dá)到一定程度后，三極管被導(dǎo)通，從而使得由電源正極經(jīng)電阻R2、發(fā)光二極管、三極管集電極和發(fā)射極到達(dá)電源負(fù)極的回路被導(dǎo)通。可調(diào)電阻R1的作用是調(diào)整設(shè)定電路對周邊光亮度的反應(yīng)，在電路中能夠控制三極管的基極電流。如果把R1阻值調(diào)得更大些，就會在天更暗時才點亮路燈。(2)乙圖(路燈光控電路)：采用小燈泡模仿路燈，就要使用繼電器來啟、閉另外的供電電路，如圖乙中K為繼電器的線圈，S為它的常開觸點。當(dāng)環(huán)境光比較強(qiáng)時，光敏

4、電阻RG的阻值很小，三極管不導(dǎo)通，發(fā)光二極管或繼電器所在的回路相當(dāng)于斷路，即發(fā)光二極管不工作；繼電器處于常開狀態(tài)，小燈泡L不亮。當(dāng)環(huán)境光比較弱時，光敏電阻RG的阻值變大，三極管導(dǎo)通，且獲得足夠的基極電流，產(chǎn)生較大的集電極電流，點亮發(fā)光二極管或驅(qū)動繼電器吸合而點亮小燈泡L。4實驗步驟：(1)按照實驗電路圖將各元件組裝到集成電路實驗板上。(2)檢查各元件的連接，確保無誤。(3)接通電源，調(diào)節(jié)電阻R1，使發(fā)光二極管或燈泡在普通光照條件下不亮。(4)遮擋RG，當(dāng)光照減弱到某種程度時，觀察發(fā)光二極管或燈泡發(fā)光。(5)讓光照加強(qiáng)，當(dāng)光照強(qiáng)到某種程度時，觀察發(fā)光二極管或燈泡熄滅。電磁繼電器的作用是什么？在控

5、制電路中并聯(lián)一只二極管的目的是什么？提示：由于集成電路允許通過的電流較小，要用白熾燈泡模仿路燈，就要使用電磁繼電器來啟閉工作電路。在控制電路中并聯(lián)一只二極管，是為了防止電磁繼電器釋放銜鐵時線圈中的自感電動勢損壞集成電路。二極管的存在可以提供自感電流的通路。 教材原型實驗【典例1】某同學(xué)想通過實驗探究一個熱敏電阻的特性。(1)為探究熱敏電阻的特性，設(shè)計了如圖甲所示的電路，R0為電阻箱，R為熱敏電阻，開關(guān)S、S1、S2先斷開，滑動變阻器的滑片移到最_左_(選填“左”或“右”)端。(2)實驗時，溫控室的溫度為t0，閉合S、S1，調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片，使電流表有合適的示數(shù)I0，現(xiàn)斷開S1，閉合S2，滑

6、動變阻器的滑片不動，調(diào)節(jié)電阻箱R0的阻值，R090 時，電流表的示數(shù)也為I0，則此室溫的熱敏電阻阻值為_90_。多次改變溫控室的溫度，重復(fù)上述實驗過程，測得多組熱敏電阻在不同溫度t下對應(yīng)的阻值R，作出Rt圖像，如圖乙所示，室溫t0為_30_。(3)把這個熱敏電阻接入如丙圖所示的電路中，可以制作溫控報警器。已知電源電壓為9 V，內(nèi)阻r2 ，R250 ；當(dāng)圖中的電流表A達(dá)到或超過0.5 A時，便觸發(fā)報警器(圖中未畫出)報警。若要求開始報警時環(huán)境溫度為80 ，圖中R1阻值為_20_【解析】(1)為保護(hù)用電器的使用安全，滑動變阻器的滑片移到最左邊，確保閉合開關(guān)瞬間，流過電表的電流為零。(2)實驗中，用

7、電阻箱代替熱敏電阻，二者阻值相等。在乙圖中找到縱軸坐標(biāo)為90 的圖線上對應(yīng)的橫軸坐標(biāo)為30 (3)在乙圖中讀出環(huán)境溫度為80 時熱敏電阻的阻值為30 ，根據(jù)閉合電路歐姆定律有I eq f(E,rf(（RR2）R1,R1RR2) 代入數(shù)據(jù)，得R120 答案：(1)左(2) 9030(3)20【變式訓(xùn)練】為了消防安全，一些生產(chǎn)車間會使用溫控報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)核心元件可采用熱敏電阻來控制。某實驗興趣小組想自制簡易溫控報警系統(tǒng)。該實驗小組的同學(xué)首先對該熱敏電阻的溫度特性進(jìn)行研究，可能用到以下實驗器材：A熱敏電阻Rt(常溫下的阻值約為30 )B燒杯、熱水、溫度計C電流表(量程00.6 A，內(nèi)阻r15 )D

8、電壓表(量程06 V，內(nèi)阻約15 k)E滑動變阻器(最大阻值為10 ，額定電流2 A)F滑動變阻器(最大阻值為500 ，額定電流0.5 A)G.電源(電動勢6 V，額定電流2 A，內(nèi)阻不計)H開關(guān)一個，導(dǎo)線若干(1)要求通過熱敏電阻的電流從零開始增大，為使測量盡量準(zhǔn)確，則滑動變阻器應(yīng)選擇_；(填器材前的字母標(biāo)號)(2)請你按照實驗要求用筆畫線代替導(dǎo)線在實物圖甲中完成余下導(dǎo)線的連接；(3)在探明該熱敏電阻特性的基礎(chǔ)上，該實驗小組利用其特性自制簡易溫控報警系統(tǒng)。如圖丙所示，當(dāng)1、2兩端所加電壓降低至1 V時，溫度控制開關(guān)自動啟動報警系統(tǒng)，請利用下列器材設(shè)計一個簡單電路，給1、2兩端提供電壓，要求當(dāng)

9、溫度升高至約50 直流電源E(電動勢3 V，內(nèi)阻不計)；定值電阻：R110 ，R240 ，R380 ；開關(guān)S及導(dǎo)線若干；則定值電阻應(yīng)該選擇：_；(填寫字母符號)(4)請在虛線框內(nèi)完成電路原理圖。(不考慮開關(guān)S對所設(shè)計電路的影響)【解析】(1)電源電動勢為6 V，熱敏電阻常溫下的阻值約為30 ，故電流最大約為0.2 A，為了讓電流從零開始增大應(yīng)采用分壓接法，故滑動變阻器應(yīng)選擇總阻值較小的E；(2)本實驗中采用滑動變阻器分壓接法，同時因電流表內(nèi)阻已知，故電流表采用內(nèi)接法，完成電路圖如圖所示：(3)串聯(lián)電阻兩端電壓與電阻阻值成正比，電源電動勢E3 V，當(dāng)溫度升高至約50 時，由圖線知，此時光敏電阻為

10、RP20 ，UP1 V，則串聯(lián)電阻分壓UR2 V ，所以 eq f(RP,R) eq f(UP,UR) eq f(1,2) ，則有R2RP40 ，故選定值電阻R2。(4)電路圖如圖所示：答案：(1)E(2)圖見解析 (3)R2(4)圖見解析 創(chuàng)新型實驗【典例2】光敏電阻在自動化裝置中有很多應(yīng)用，街道路燈自動控制就是其應(yīng)用之一，圖示電路為其模擬電路，其中干電池的內(nèi)阻可忽略不計，A處接電磁繼電器，B為三極管(當(dāng)eb0.2 V時，c、e間的電阻R可忽略不計，當(dāng)eb0.2 V時，R可視為無窮大)，b點的電勢由R1與R2的比值決定，R1、R2中有一個是定值電阻，另一個是光敏電阻，阻值隨光照強(qiáng)度增強(qiáng)而減小

11、，C為電磁繼電器，D為路燈。為了達(dá)到日出路燈熄，日落路燈亮的效果，請回答下列問題：(1)R1是_光敏電阻_(選填“光敏電阻”或“定值電阻”)；(2)請用筆畫線代替導(dǎo)線，將實物連接成正確的電路?！窘馕觥?1)由于光敏電阻阻值隨著光照強(qiáng)度的增大而減小，為使路燈正常工作，在白天時電磁繼電器的觸點斷開，電磁鐵通電，eb0.2 V，R1變小或R2變大，而白天時光敏電阻阻值變小，所以R1是光敏電阻；(2)根據(jù)題述分析可知，A處與繼電器相連，路燈與火線、零線相連接，開關(guān)應(yīng)接在火線上，畫導(dǎo)線時要避免交叉。電路圖如圖所示答案：(1)光敏電阻(2)圖見解析【創(chuàng)新角度】(1)光敏電阻在自動化裝置中的應(yīng)用。(2)街道

12、路燈自動控制電路。人體接近傳感器又稱無觸點接近傳感器(簡稱傳感器)，是理想的電子開關(guān)量傳感器，廣泛應(yīng)用于各種自動控制電路中，例如寫字樓的自動門、公寓的樓道燈等。興趣小組找到一只傳感器，欲先確定其對人體接近的感應(yīng)特性，設(shè)計了測量電路如圖(a)所示，并將傳感器安置在x軸上距離原點x06 m處，一人從原點O處沿x軸運(yùn)動，測得通過電流表的電流與人的位置的關(guān)系如圖(b)，其中傳感器的動作電流I5 A，接近傳感器的過程中電流I05 A時人到傳感器的距離為動作距離，遠(yuǎn)離傳感器的過程中電流I05 A時人到傳感器的距離為釋放距離?！芭c”門真值表輸入輸出ABY000010100111(1)若人行走的速度為1.5

13、m/s，自動門從動作到能讓人通過需要的時間為3 s；有一條長3 m的樓梯。則此傳感器適合做_；A自動門的自動控制系統(tǒng)，并將傳感器安裝在門上方B樓梯燈的自動控制系統(tǒng)，并將傳感器安裝在樓梯中間墻壁上(2)傳感器能提供的電流很小，不足以驅(qū)動控制電路正常工作，往往需要配合開關(guān)電路才能提供較大控制電流。有一種“與”門開關(guān)電路，符號和真值表如表所示。A，B為兩個輸入端，Y為輸出端，真值表中“0”表示與電源負(fù)極間電勢差較小(低于某值，稱為低電平)，電路處于斷開狀態(tài)，“1”表示與電源負(fù)極間電勢差較大(大于某值，稱為高電平)，電路處于接通狀態(tài)。A、B輸入端由“0”轉(zhuǎn)為“1”的電壓叫開門電壓，由“1”轉(zhuǎn)為“0”的

14、電壓叫關(guān)門電壓，若此“與”門電路的開、關(guān)門電壓均為1.0 V，當(dāng)UA0.8 V、UB1.2 V時，輸出端Y處于_(選填“斷開”或“接通”)狀態(tài)；(3)樓梯燈控制系統(tǒng)需要同時滿足兩個條件才能點亮：即有人接近和光線較暗。興趣小組欲使用上述傳感器和“與”門電路制作一個樓梯燈控制系統(tǒng)，還需要一只光敏電阻(阻值隨光照強(qiáng)度增大而減小)和幾個定值電阻、LED燈等，設(shè)計的電路如圖(c)，門電路對線路電阻沒有影響，若其中R1為定值電阻，則a為_；b、c中接入定值電阻的是_。若要求當(dāng)光線較暗、人到達(dá)傳感器動作距離時樓梯燈亮，則與傳感器串聯(lián)的電阻R1阻值約為_。【解析】(1)由圖(b)可知，傳感器的動作距離約為x0(64.1) m1.9 m，人在3 s內(nèi)行走的距離為vt4.5 m，所以若作為自動門的控制系統(tǒng)，則人到達(dá)門所在位置時不能通過門，故只能作為樓梯燈的控制系統(tǒng)，故選B；(2)當(dāng)UA0.8 V，UB1.2 V時