2020_2021学年新教材高中物理第5章传感器及其应用2科学制作：简单的自动控制装置课件鲁科版选择性必修第二册202106262130.ppt

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1、第2节科学制作：简单的自动控制装置 【实验目的实验目的】(1)(1)设计并制作光报警装置。设计并制作光报警装置。(2)(2)设计并制作温度报警装置。设计并制作温度报警装置。(3)(3)了解制作的报警装置的工作原理。了解制作的报警装置的工作原理。必备知识必备知识素养奠基素养奠基【实验器材实验器材】光敏电阻、光敏电阻、_(_(随温度升高阻值减小随温度升高阻值减小) )、温度计、干电池、手电筒、烧、温度计、干电池、手电筒、烧杯、蜂鸣器、开关、导线、变阻器。杯、蜂鸣器、开关、导线、变阻器。热敏电阻热敏电阻【实验原理与设计实验原理与设计】1.1.实验的基本思想实验的基本思想 控制变量法。控制变量法。(1

2、)(1)变量的控制要求：变量的控制要求：在物理实验中，要注意控制实验过程中的不同变量。在物理实验中，要注意控制实验过程中的不同变量。(2)(2)设计思路：设计思路：控制温度和控制温度和_不变，改变滑动变阻器阻值，直至蜂鸣器报警。不变，改变滑动变阻器阻值，直至蜂鸣器报警。亮度亮度2.2.实验原理：实验原理：(1)(1)蜂鸣器在电流蜂鸣器在电流( (电压电压) )达到一定值时会报警；达到一定值时会报警；(2)(2)控制光照强度不变，光敏电阻阻值控制光照强度不变，光敏电阻阻值_；(3)(3)控制温度不变，热敏电阻阻值不变；控制温度不变，热敏电阻阻值不变；(4)(4)改变滑动变阻器阻值，可以改变通过蜂

3、鸣器的电流，引起报警。改变滑动变阻器阻值，可以改变通过蜂鸣器的电流，引起报警。不变不变关键能力关键能力素养形成素养形成【实验过程实验过程】一、实验步骤一、实验步骤安装实验器材：安装实验器材：(1)(1)制作光报警装置。制作光报警装置。按光报警器装置电路图组装好仪器；按光报警器装置电路图组装好仪器；将手电筒的亮度调至一挡，固定并照射光敏电阻；将手电筒的亮度调至一挡，固定并照射光敏电阻；将滑动变阻器调至最大阻值处；将滑动变阻器调至最大阻值处；闭合开关，逐步减小滑动变阻器阻值，直至蜂鸣器报警，记录滑动变阻器阻闭合开关，逐步减小滑动变阻器阻值，直至蜂鸣器报警，记录滑动变阻器阻值、滑片所处位置，断开开关

4、；值、滑片所处位置，断开开关；将手电筒的亮度调至二挡，固定并照射光敏电阻重复；将手电筒的亮度调至二挡，固定并照射光敏电阻重复；将手电筒的亮度调至三挡，固定并照射光敏电阻重复；将手电筒的亮度调至三挡，固定并照射光敏电阻重复；填写表格，记录数据。填写表格，记录数据。(2)(2)制作温度报警装置。制作温度报警装置。按照温度报警器装置电路图组装好仪器；按照温度报警器装置电路图组装好仪器；将热敏电阻放置到温度较低的热水中，测出并记录温度；将热敏电阻放置到温度较低的热水中，测出并记录温度；将滑动变阻器调至最大阻值处；将滑动变阻器调至最大阻值处；闭合开关，逐步减小滑动变阻器阻值，直至蜂鸣器报警，记录滑动变阻

5、器阻闭合开关，逐步减小滑动变阻器阻值，直至蜂鸣器报警，记录滑动变阻器阻值、滑片所处位置，断开开关；值、滑片所处位置，断开开关；将热敏电阻放置到温度适中的热水中，测出并记录温度重复；将热敏电阻放置到温度适中的热水中，测出并记录温度重复；将热敏电阻放置到温度较高的热水中，测出并记录温度重复；将热敏电阻放置到温度较高的热水中，测出并记录温度重复；填写表格，记录数据。填写表格，记录数据。【思考思考讨论讨论】(1)(1)组装好电路后，闭合开关蜂鸣器立刻报警，该如何处理？组装好电路后，闭合开关蜂鸣器立刻报警，该如何处理？( (科学思维科学思维) )(2)(2)实验时应注意哪几方面的安全操作？实验时应注意哪

6、几方面的安全操作？( (科学态度与责任科学态度与责任) )提示：提示：(1)(1)闭合开关后蜂鸣器立刻报警，说明回路中电流过大，可更换最大阻闭合开关后蜂鸣器立刻报警，说明回路中电流过大，可更换最大阻值更大的滑动变阻器。值更大的滑动变阻器。 (2)(2)实验时手电筒不要对着人的眼睛直射；避免被热水烫伤。实验时手电筒不要对着人的眼睛直射；避免被热水烫伤。二、数据收集与分析二、数据收集与分析依据具体的实验操作记录，填写表格。依据具体的实验操作记录，填写表格。光光报报警警装装置置手电筒亮度手电筒亮度滑片所处位置滑片所处位置( (左左/ /中中/ /右右) )滑动变阻器阻值滑动变阻器阻值( (小小/ /

7、中中/ /大大) )一挡一挡二挡二挡三挡三挡温温度度报报警警装装置置水温水温温度温度()()滑片所处位置滑片所处位置( (左左/ /中中/ /右右) )滑动变阻器阻值滑动变阻器阻值( (小小/ /中中/ /大大) )低低中中较高较高三、实验结论三、实验结论1.1.对于光报警器实验，滑动变阻器阻值变大时，蜂鸣器报警所需要的光照强度对于光报警器实验，滑动变阻器阻值变大时，蜂鸣器报警所需要的光照强度增大。增大。2.2.对于温度报警器，滑动变阻器阻值变大时，蜂鸣器报警所需要的温度升高。对于温度报警器，滑动变阻器阻值变大时，蜂鸣器报警所需要的温度升高。四、误差分析四、误差分析偶然误差：温度计读数时造成的

8、偶然误差，手电筒照射角度偏差造成的偶然误偶然误差：温度计读数时造成的偶然误差，手电筒照射角度偏差造成的偶然误差。差。系统误差：测量时水温变化或者外部光照变化引起的测量误差。系统误差：测量时水温变化或者外部光照变化引起的测量误差。【思考思考讨论讨论】针对上述误差分析如何改进？针对上述误差分析如何改进？( (科学思维科学思维) )提示：提示：多人多次测量数据并取平均值；实验时动作快一些减少外部环境的变化。多人多次测量数据并取平均值；实验时动作快一些减少外部环境的变化。实验研析实验研析素养迁移素养迁移类型一设计报警电路类型一设计报警电路【典例典例1 1】为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控制照

9、明系统。光控为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统。光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件( (照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为lx)lx)。某光敏电阻。某光敏电阻R Rp p在在不同照度下的阻值如表：不同照度下的阻值如表：照度照度/lx/lx0.20.20.40.40.60.60.80.81.01.01.21.2电阻电阻/k/k757540402828232320201818(1)(1)根据表中数据，请在图甲给定的

10、坐标系中描绘出光敏电阻阻值随照度变化根据表中数据，请在图甲给定的坐标系中描绘出光敏电阻阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点。的曲线，并说明阻值随照度变化的特点。(2)(2)如图乙所示，当如图乙所示，当1 1、2 2两端所加电压上升至两端所加电压上升至2 V2 V时，控制开关自动启动照明系时，控制开关自动启动照明系统，请利用下列器材设计一个简单电路。给统，请利用下列器材设计一个简单电路。给1 1、2 2两端提供电压，要求当天色渐两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至暗照度降低至1.0 lx1.0 lx时启动照明系统，在虚线框内完成电路原理图。时启动照明系统，在虚线框内完成电路原理图。

11、( (不考虑控制开关对所设计电路的影响不考虑控制开关对所设计电路的影响) )提供的器材如下：提供的器材如下：光敏电阻光敏电阻R Rp p( (符号符号 ，阻值见图表，阻值见图表) )直流电源直流电源E(E(电动势电动势3 V3 V，内阻不计，内阻不计) )定值电阻：定值电阻：R R1 1=10 k=10 k，R R2 2=20 k=20 k，R R3 3=40 k(=40 k(限选其中之一并在图中标出限选其中之一并在图中标出) )；开关开关S S及导线若干。及导线若干。【解析解析】(1)(1)根据表中的数据，在坐标纸上描点连线，得到如图所示的变化曲根据表中的数据，在坐标纸上描点连线，得到如图所

12、示的变化曲线。阻值随照度变化的特点：光敏电阻的阻值随光的照度的增大非线性减小。线。阻值随照度变化的特点：光敏电阻的阻值随光的照度的增大非线性减小。(2)(2)因天色渐暗照度降低至因天色渐暗照度降低至1.0 lx1.0 lx时启动照明系统，此时光敏电阻阻值为时启动照明系统，此时光敏电阻阻值为20 20 kk，两端电压为，两端电压为2 V2 V，电源电动势为，电源电动势为3 V3 V，故应加上一个分压电阻，分压电阻，故应加上一个分压电阻，分压电阻阻值为阻值为10 k10 k，即选用，即选用R R1 1；此电路的原理图如图所示。；此电路的原理图如图所示。答案：答案：(1)(1)见解析见解析(2)(2

13、)见解析见解析类型二数据分析类型二数据分析【典例典例2 2】小明利用热敏电阻设计了一个小明利用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路过热自动报警电路”，如图甲所示。，如图甲所示。将热敏电阻将热敏电阻R R安装在需要探测温度的地方，当环境温度正常时，继电器的上触安装在需要探测温度的地方，当环境温度正常时，继电器的上触点接触，下触点分离，指示灯亮；当环境温度超过某一值时，继电器的下触点点接触，下触点分离，指示灯亮；当环境温度超过某一值时，继电器的下触点接触，上触点分离，警铃响。图甲中继电器的供电电压接触，上触点分离，警铃响。图甲中继电器的供电电压U U1 1=3 V=3 V，继电器线圈用，继电器线圈

14、用漆包线绕成，其电阻漆包线绕成，其电阻R R0 0为为30 30 。当线圈中的电流大于等于。当线圈中的电流大于等于50 mA50 mA时，继电器的时，继电器的衔铁将被吸合，警铃响。图乙是热敏电阻的阻值随温度变化的图像。衔铁将被吸合，警铃响。图乙是热敏电阻的阻值随温度变化的图像。(1)(1)由图乙可知，当环境温度为由图乙可知，当环境温度为40 40 时，热敏电阻阻值为时，热敏电阻阻值为_。当环。当环境温度升高时，热敏电阻阻值将境温度升高时，热敏电阻阻值将_，继电器的磁性将，继电器的磁性将_(_(均选均选填填“增大增大”“”“减小减小”或或“不变不变”) )。 (2)(2)图甲中警铃的接线柱图甲中

15、警铃的接线柱C C应与接线柱应与接线柱_相连，指示灯的接线柱相连，指示灯的接线柱D D应与接应与接线柱线柱_相连相连( (均选填均选填“A”A”或或 “ “B”)B”)。(3)(3)图甲中线圈下端图甲中线圈下端P P的磁极是的磁极是_极极( (选填选填“N”N”或或“S”)S”)。 (4)(4)请计算说明，环境温度在什么范围内时，警铃报警。请计算说明，环境温度在什么范围内时，警铃报警。【解析解析】(1)(1)分析乙图，找到热敏电阻分析乙图，找到热敏电阻40 40 对应的阻值为对应的阻值为70 70 ；分析图像发；分析图像发现：温度升高时，热敏电阻阻值减小，根据欧姆定律，电路中电流就会增大，现：

16、温度升高时，热敏电阻阻值减小，根据欧姆定律，电路中电流就会增大，电磁铁的磁性就会增大；电磁铁的磁性就会增大；(2)(2)由题中由题中“当环境温度超过某一值时，继电器的下触点接触，上触点分离，当环境温度超过某一值时，继电器的下触点接触，上触点分离，警铃响警铃响”，所以警铃的接线柱，所以警铃的接线柱C C应与接线柱应与接线柱B B相连，指示灯的接线柱相连，指示灯的接线柱D D应与接线应与接线柱柱A A相连；相连；(3)(3)由安培定则可判断出线圈的下端由安培定则可判断出线圈的下端P P的极性是的极性是S S极；极；(4)(4)当线圈中的电流当线圈中的电流I=50 mA=0.05 AI=50 mA=

17、0.05 A时，继电器的衔铁将被吸合，警铃报警，时，继电器的衔铁将被吸合，警铃报警，所以控制电路的总电阻为：所以控制电路的总电阻为：R R总总=60 =60 所以热敏电阻为：所以热敏电阻为：R=30 R=30 由图乙可知，此时由图乙可知，此时t=80 t=80 所以，当温度所以，当温度t80 t80 时，警铃报警。时，警铃报警。答案：答案：(1)70(1)70减小增大减小增大(2)B(2)BA A(3)S(3)S(4)(4)环境温度大于等于环境温度大于等于80 80 时，时，警铃报警。警铃报警。课堂检测课堂检测素养达标素养达标1.(1.(多选多选) )如图所示的火灾报警装置，如图所示的火灾报警

18、装置，R R1 1为热敏电阻，电源为热敏电阻，电源内阻不计，若温度升高，则内阻不计，若温度升高，则R R1 1的阻值会急剧减小，从而引的阻值会急剧减小，从而引起电铃电压的增加。当电铃电压达到一定值时，电铃会起电铃电压的增加。当电铃电压达到一定值时，电铃会响。下列说法中正确的是响。下列说法中正确的是( () )A.A.要使报警的临界温度升高，可以适当增大电源的电动势要使报警的临界温度升高，可以适当增大电源的电动势B.B.要使报警的临界温度降低，可以适当增大电源的电动势要使报警的临界温度降低，可以适当增大电源的电动势C.C.要使报警的临界温度升高，可以把要使报警的临界温度升高，可以把R R2 2的

19、滑片的滑片P P适当向下移适当向下移D.D.要使报警的临界温度降低，可以把要使报警的临界温度降低，可以把R R2 2的滑片的滑片P P适当向下移适当向下移【解析解析】选选B B、D D。要使报警的临界温度升高，。要使报警的临界温度升高，R R1 1对应的阻值减小，电路中电流对应的阻值减小，电路中电流会增大，电铃两端的电压会增大，而电铃电压达到一定值时，电铃会响，要使会增大，电铃两端的电压会增大，而电铃电压达到一定值时，电铃会响，要使电铃的电压仍为原来的值，必须适当减小电源的电动势，相反，要使报警的临电铃的电压仍为原来的值，必须适当减小电源的电动势，相反，要使报警的临界温度降低，可以适当增大电源

20、的电动势，故界温度降低，可以适当增大电源的电动势，故A A错误，错误，B B正确；要使报警的临界正确；要使报警的临界温度升高，温度升高，R R1 1对应的阻值减小，根据串联电路的特点可知，将使电铃的电压增对应的阻值减小，根据串联电路的特点可知，将使电铃的电压增大，要使电铃的电压仍为原来的值，可以把大，要使电铃的电压仍为原来的值，可以把R R2 2的滑片的滑片P P适当向上移，以减小适当向上移，以减小R R2 2，相反，要使报警的临界温度降低，可以把相反，要使报警的临界温度降低，可以把R R2 2的滑片的滑片P P适当向下移，故适当向下移，故C C错误，错误，D D正正确。确。2.(2.(多选多

21、选) )如图是温度自动报警器的工作原理图，如图是温度自动报警器的工作原理图，图中图中1 1是电磁铁、是电磁铁、2 2是衔铁、是衔铁、3 3是触点、是触点、4 4是水银温是水银温度计。则下列说法正确的是度计。则下列说法正确的是( () )A.A.温度低于警戒温度时，电铃报警温度低于警戒温度时，电铃报警B.B.温度高于警戒温度时，电铃报警温度高于警戒温度时，电铃报警C.C.温度低于警戒温度时，电铃控制电路处于通路温度低于警戒温度时，电铃控制电路处于通路状态指示灯亮状态指示灯亮D.D.温度高于警戒温度时，电铃控制电路处于通路温度高于警戒温度时，电铃控制电路处于通路状态指示灯亮状态指示灯亮【解析解析】

22、选选B B、C C。温度升高，水银面上升，因水银是导体，当温度上升到金属。温度升高，水银面上升，因水银是导体，当温度上升到金属丝下端所指温度时，控制电路被接通，电磁铁线圈就有电流通过，电磁铁产生丝下端所指温度时，控制电路被接通，电磁铁线圈就有电流通过，电磁铁产生磁性吸引衔铁，使触点开关闭合，工作电路形成回路，电铃就响起来，发出报磁性吸引衔铁，使触点开关闭合，工作电路形成回路，电铃就响起来，发出报警信号，选项警信号，选项A A错误，错误，B B正确。当温度低于警戒温度时，控制电路处于断路状态，正确。当温度低于警戒温度时，控制电路处于断路状态，电磁铁线圈没有电流通过，电磁铁没有磁性。此时指示灯通过

23、常闭触点与工作电磁铁线圈没有电流通过，电磁铁没有磁性。此时指示灯通过常闭触点与工作电源接通，指示灯亮，选项电源接通，指示灯亮，选项C C正确，正确，D D错误。错误。3.3.某同学用光敏电阻和电磁继电器等器材设计自动光控照明电路。某同学用光敏电阻和电磁继电器等器材设计自动光控照明电路。(1)(1)光强光强(E)(E)是表示光强弱程度的物理量，单位为坎德拉是表示光强弱程度的物理量，单位为坎德拉(cd)(cd)。如图。如图(a)(a)所示是所示是光敏电阻阻值随光强变化的图线，由此可得到的结论是：光敏电阻阻值随光强变化的图线，由此可得到的结论是：_。(2)(2)如图如图(b)(b)为电磁继电器的构造

24、示意图，其中为电磁继电器的构造示意图，其中L L为含有铁芯的线圈，为含有铁芯的线圈，P P为可绕为可绕O O点转动的衔铁，点转动的衔铁，K K为弹簧，为弹簧，S S为一对触头，为一对触头，A A、B B、C C、D D为四个接线柱。工作时，为四个接线柱。工作时，应将应将_(_(选填选填“A A、B”B”或或“C C、D”)D”)接照明电路。接照明电路。(3)(3)请在图请在图(c)(c)中用笔画线代替导线，完成实物电路的连接。中用笔画线代替导线，完成实物电路的连接。(4)(4)已知电源电动势为已知电源电动势为3 V3 V，内阻很小，电磁铁线圈电阻，内阻很小，电磁铁线圈电阻R R0 0=20.0

25、 =20.0 ，电流超过，电流超过50 mA50 mA时可吸合衔铁。如果要求光强达到时可吸合衔铁。如果要求光强达到2cd2cd时，照明电路恰好接通，则图时，照明电路恰好接通，则图(c)(c)中定值电阻中定值电阻R=_R=_。【解析解析】(1)(1)由图由图(a)(a)所示图像可知：随光照强度的增加光敏电阻阻值减小。所示图像可知：随光照强度的增加光敏电阻阻值减小。(2)(2)当较小的电流经过接线柱当较小的电流经过接线柱A A、B B流入线圈时，电磁铁把衔铁吸下，使流入线圈时，电磁铁把衔铁吸下，使C C、D D两两个接线柱所连的触点接通，较大的电流就可以通过个接线柱所连的触点接通，较大的电流就可以

26、通过C C、D D带动机器工作了。可知带动机器工作了。可知A A、B B间接控制电路，间接控制电路，C C、D D为间接被控电路，即：工作时，应将为间接被控电路，即：工作时，应将C C、D D接照明电路。接照明电路。(3)(3)光敏电阻、定值电阻、电源与光敏电阻、定值电阻、电源与L L组成控制电路，组成控制电路，C C、D D与灯泡组成工作电路，与灯泡组成工作电路，电路图如图所示：电路图如图所示：(4)(4)由图由图(a)(a)所示图线可知，所示图线可知，2cd2cd对应的光敏电阻阻值：对应的光敏电阻阻值：R R光敏光敏=18 =18 ，由闭合电路欧姆定律可知：由闭合电路欧姆定律可知： ，代入

27、数据解得：，代入数据解得：R=22 R=22 。答案：答案：(1)(1)随光照强度的增加光敏电阻阻值减小随光照强度的增加光敏电阻阻值减小(2) C(2) C、D D(3)(3)见解析图见解析图(4)22(4)220EIRRR光敏【补偿训练补偿训练】某同学学习传感器后，用电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关、导线等仪器某同学学习传感器后，用电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关、导线等仪器设计了一个高温报警器，要求是：正常情况绿灯亮，有险情时电铃报警。电路设计了一个高温报警器，要求是：正常情况绿灯亮，有险情时电铃报警。电路如图所示，图中仪器还不完整。请完成以下问题：如图所示，图中仪器还不完整。请完成以

28、下问题：(1)(1)图中的甲还需要放入的元件是图中的甲还需要放入的元件是_。A.A.二极管二极管B.B.光敏电阻光敏电阻C.NTCC.NTC热敏电阻热敏电阻( (阻值随温度升高而减小阻值随温度升高而减小) )D.PTCD.PTC热敏电阻热敏电阻( (阻值随温度升高而增大阻值随温度升高而增大) )(2)(2)电路正确连接之后，该同学调试过程发现报警时温度比预期偏高了一点点。电路正确连接之后，该同学调试过程发现报警时温度比预期偏高了一点点。要求在温度更低一点时就开始报警，则需要调节滑动变阻器的滑动头往要求在温度更低一点时就开始报警，则需要调节滑动变阻器的滑动头往_(_(选填选填“左左”或或“右右”

29、) )移动一点。移动一点。【解析解析】(1)(1)根据要求，在常温下热敏电阻甲阻值较大，电磁铁磁性较弱，不根据要求，在常温下热敏电阻甲阻值较大，电磁铁磁性较弱，不能将衔铁吸下，此时绿灯所在电路接通，绿灯亮；温度升高，热敏电阻阻值较能将衔铁吸下，此时绿灯所在电路接通，绿灯亮；温度升高，热敏电阻阻值较小，控制电路电流增大时，电磁铁磁性增大，将衔铁吸下，电铃报警。所以图小，控制电路电流增大时，电磁铁磁性增大，将衔铁吸下，电铃报警。所以图中的甲还需要放入的元件是中的甲还需要放入的元件是NTCNTC热敏电阻，故选热敏电阻，故选C C。(2)(2)电路正确连接之后，该同学调试过程发现报警时温度比预期偏高了一点点，电路正确连接之后，该同学调试过程发现报警时温度比预期偏高了一点点，电路在热敏电阻的电阻值比较小的时候才报警，说明电路中的总电阻值比较大。电路在热敏电阻的电阻值比较小的时候才报警，说明电路中的总电阻值比较大。要求在温度更低一点时就开始报警，则需要调节滑动变阻器，使滑动变阻器的要求在温度更低一点时就开始报警，则需要调节滑动变阻器，使滑动变阻器的电阻值小一些，则需要将滑动头往右移动一些。电阻值小一些，则需要将滑动头往右移动一些。答案：答案：(1)C(1)C(2)(2)右右