物理3 利用传感器制作简单的自动控制装置教学设计

利用传感器制作简单的自动控制装置

【教学目标】

一、知识与技能

1．知道干簧管、光敏电阻、三极管、二极管、电磁继电器的功能。

2．会利用传感器制作简单的自动控制装置。

二、过程与方法

通过实验培养动手能力，体会传感器在实际中的应用。

三、情感、态度与价值观

在实验中通过动手组装和调试，增强理论联系实际的意识，激发学习兴趣，培养良好的科学态度。

【教学重点】

门窗防盗报警装置和光控开关的工作原理。

【教学难点】

根据已知的传感器设计门窗防盗报警装置和光控开关的电路。

【教学过程】

一、器材介绍

1．二极管：单向导电性，在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态；在反向电压作用下电阻很大，处于截止状态。

2．三极管：全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管，是一种控制电流的半导体器件。其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号，也用作无触点开关。

3．电磁继电器：电磁继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（输入回路）和被控制系统（输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流、较低的电压去控制较大电流、较高的电压的一种“自动开关”。

二、门窗防盗报警装置

1．目标效果：当门窗紧闭时，蜂鸣器不响，指示灯亮；当门窗被打开时，蜂鸣器发出声音警报，指示灯灭。

师生共同分析现象的实质：

靠近，蜂鸣器不响，指示灯亮；远离，蜂鸣器发出声音警报，指示灯灭。

让学生根据实质选择传感器，根据上节课所学可以选择使用干簧管。

2．实验器材和装置

（1）实验电路图

（2）实验器材

（3）电路工作原理

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。

学生根据实验操作进行实验，观察实验是否成功，如果实验失败，请其他小组一起分析实验失败的原因。

3．实验操作

（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，按照电路图所示连接电路。

（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。

三、光控开关

1．目标效果：在天色暗到一定程度时让路灯自动开启，而在天明时自动熄灭。

师生共同分析现象的实质：

光照弱，路灯开启；光照强，路灯熄灭。

让学生根据实质选择传感器，根据上节课所学可以选择使用光敏电阻。

教师提醒：工作电流很微弱，不能直接驱动执行机构工作，需要放大电路。

结合课前器材介绍，电路中需要增加三极管。

2．实验器材和装置

（1）实验电路图

若想采用小灯泡模仿路灯，就要使用继电器（K）来启、闭另外的供电电路。

（2）实验器材

（3）电路工作原理

当环境光比较强时，光敏电阻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。

学生根据实验操作进行实验，观察实验是否成功，如果实验失败，请其他小组一起分析实验失败的原因。

3．实验操作

（1）按照电路图连接电路，检查无误后，接通电源。

（2）让光敏电阻RG受到白天较强的自然光照射，调节电阻R1使发光二极管LED或小灯泡L刚好不发光。

（3）遮挡RG，当光照减弱到某种程度时，就会看到发光二极管LED或小灯泡L发光。

（4）让光照加强，当光照强到某种程度时，则发光二极管LED或小灯泡L熄灭。

【巩固练习】

1．某同学设计了一个加速度计，如图所示。较重的滑块2可以在光滑的框架1中平移，滑块两侧用弹簧3拉着；R为滑动变阻器，4是滑动片，它与电阻器任一端之间的电阻值都与它到这端的距离成正比。这个装置就是一个加速度传感器。两个电池E的电压相同。按图连接电路后，电压表指针的零点位于表盘中央，当P端的电势高于Q端时，指针向零点右侧偏转。

将框架固定在运动的物体上，当物体具有图示方向的加速度??时，电压表的指针将向哪个方向偏转？简述你分析的过程。

2．双金属温度传感器是将两种具有不同热膨胀系数的金属贴合在一起制成的。当它温度升高时，两种金属伸长不一样而发生弯曲变形，使触点接通或断开。日光灯启动器里就有一个双金属温度传感器。取一个报废的日光灯启动器，去掉外壳，在充有氖气的玻璃泡内，有一个U形的双金属片，其旁边有一根直立的金属丝，两者构成一对触点。常温下两触点是分离的，温度升高时，双金属片因形变而与金属丝接触。

敲碎氖泡的玻璃，调节两触点之间的距离，使温度升高到60℃时两触点恰好接通。请你利用这个双金属温度传感器，设计一个电热水器自动加热的控制方案。当水温低于60℃时自动通电加热，高于60℃时自动断电。

3．工人在锻压机、冲床、钻床等机器上劳动时，稍有不慎就会把手压在里面，造成工伤事故，工厂中大都是利用光电控制设备来避免事故发生的。如图所示为光控继电器的示意图，它由电源、光电二极管（当有光照射时，二极管导通；没有光照时，二极管截止。）、放大器、电磁继电器等几部分组成。这样，当工人不慎将手伸入危险区域时，由于遮住了光线，光控继电器衔铁立即带动开关，使机床停止工作，避免事故发生。请简述光控继电器的原理。

4．现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干。如图所示，试设计一个温控电路。要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度时，又可以自动断电，画出电路图说明工作过程。