高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册3 利用传感器制作简单的自动控制装置精品课后练习题

5.3　利用传感器制作简单的自动控制装置

【学习目标】

1.　会利用干簧管制作简单的自动控制装置，如门窗防盗报警装置。

2.　会利用光敏电阻制作简单的自动控制装置，如光控开关。

3.　通过制作自动控制装置，初步养成针对学习和生活中的问题，设计方案、动手实践的意识和习惯。

【开启新探索】

传感器是构成自动控制系统的必要环节。如果没有传感器对原始信息进行准确、可靠地捕捉和转换，那么一切控制将无法实现。那么，如何利用传感器实现简单的自动控制呢？

【质疑提升1】实验1 门窗防盗报警装置

1.  门窗防盗报警装置具有自动提示、报警的功能：在睡觉前连接好电路，启动防盗报警装置。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。

（1）通过哪种传感器可以使电路获知门窗的关、开？

（2）通过什么元件可以让人知道门窗的关、开？

（3）通过什么元件可以实现蜂鸣器、指示灯只有一个工作、另外一个不工作？

（4）如何实现通过传感器自动控制单掷双刀开关？

2. 让我们首先了解一个元件：JQX-14FC电磁继电器原理图、实物照片、符号

3. 电路如图所示。理解干簧管在电路中起到的传感器和控制开关的作用，继电器则是一个自动的双向开关。试分析、解释其如何防盗、提示功能。

4．实验器材：干簧管、继电器、发光二极管LED、蜂鸣器H、电源、导线若干、开关、电阻。

5. 实验步骤

(1)连接电路前，要先判断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。

【质疑提升2】实验2　光控开关

1.　光控路灯可以根据光照的变化自动开启或关闭。利用哪种传感器可以感知光照强度的变化，进而能够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?

2.　如何将传感器产生的量值变化转化为路灯电路通断？你有怎样的方案？

3.　认识一个新元件：晶体三极管。阅读课本，说明晶体三极管的结构及在电路中有怎样的作用？

4.　在了解晶体三极管的基础上，说明右图电路是如何实现光控的？

5.　为天更暗时，路灯才亮，电阻R1的数值是调大点还是调小点？　为什么？

6.　实验器材：可调电阻、限流电阻、光敏电阻、暗电阻、亮电阻、三极管、发光二极管、继电器、小灯泡、二极管、电源。

7.　实验步骤

(1)　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。如果实验现象不明显,可用手电筒加强光照,或遮盖光敏电阻,再进行观察。

【学以致用】

1. 　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。

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。