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第2节　科学制作：简单的自动控制装置 学案
学习目标：
利用传感器制作简单的自动控制装置，进一步理解传感器的工作原理。
基础知识：
一、简单的自动控制装置
1．实验目的
(1)设计并制作光报警装置。
(2)设计并制作温度报警装置。
(3)了解制作的报警装置的工作原理。
2．实验器材
光敏电阻、热敏电阻、温度计、干电池、手电筒、蜂鸣器、开关、导线、变阻器。
3．实验原理与设计
(1)光报警装置：如图所示，利用光敏电阻作控制元件，从而通过光线来实现自动控制，当光照强度发生变化时，电阻R发生变化，电路中的电流变化，当R的阻值变化到一定值时，蜂鸣器发生报警。
(2)温度报警装置：如图所示，利用热敏电阻作控制元件，从而通过温度来实现自动控制，当温度发生变化时，电阻RT发生变化，电路中的电流变化，当RT的阻值变化到一定值时，蜂鸣器发生报警。
4．实验步骤
(1)光报警装置实验步骤
①按照电路图将各元件组装到集成电路实验板上。
②检查各元件的连接，确保无误。
③接通电源，调节滑动变阻器，使蜂鸣器在普通光照条件下不报警。
④用黑纸逐渐遮住光敏电阻，注意蜂鸣器是否发声，并做好记录。
⑤逐渐撤掉黑纸，注意蜂鸣器是否发声，并做好记录。
(2)温度报警装置
①按照电路图将各元件组装到集成电路实验板上。
②检查各元件的连接，确保无误。
③接通电源，调节滑动变阻器，使蜂鸣器常温下不发声。
④用热水使热敏电阻的温度升高，注意蜂鸣器是否发声，并做好记录。
⑤将热敏电阻从热水中取出，注意蜂鸣器是否发声，并做好记录。
重难点理解：
简单的自动控制装置
1.数据测量
(1)光报警装置中记录滑动变阻器滑片的位置，光敏电阻特性、光照强度与蜂鸣器报警的关系
光敏电阻特性测量步骤：
①将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器按实验原理图甲所示电路连接好，其中多用电表置于“×100”挡；
甲
②先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值，并记录数据；
③打开电源，让小灯泡发光，调节小灯泡的亮度使之逐渐变亮，观察多用电表表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录；
④用手掌(或黑纸)遮光时，观察多用电表表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录。根据记录数据分析光敏电阻的特性；
⑤光敏电阻在暗环境下电阻值很大，强光照射下电阻值很小；
⑥实验中，如果效果不明显，可将电阻部分电路放入带盖的纸盒中，并通过盖上小孔改变射到光敏电阻上的光的多少来达到实验目的；
(2)温度报警装置中记录滑动变阻器滑片的位置，热敏电阻特性、温度与蜂鸣器报警的关系
热敏电阻特性测量步骤：
①按实验原理图乙连接好电路，将热敏电阻绝缘处理；
乙
②把多用电表置于欧姆挡，并选择适当的量程测出烧杯中没有水时热敏电阻的阻值，并记下温度计的示数；
③向烧杯中注入少量的冷水，使热敏电阻浸没在冷水中，记下温度计的示数和多用电表测量的热敏电阻的阻值；
④将热水分几次注入烧杯中，测出不同温度下热敏电阻的阻值，并记录；
⑤在如图坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线；
⑥热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，随温度的降低而增大；
⑦实验时，加热水后要等一会儿再测热敏电阻阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温。
2．注意事项
(1)安装前，对器材进行测试，确保各元件性能良好后，再进行安装。
(2)光报警装置实验中，注意光敏电阻的特性选择是否合适，否则继电器不能正常工作。
(3)光报警装置实验中要想光更弱时蜂鸣器报警，应该把滑动变阻器的阻值调小些。
(4)温度报警器实验中，要使蜂鸣器在更低的温度时报警，应该把滑动变阻器的阻值调小些。
典例1、光敏电阻在各种自动化装置中有很多应用．街道路灯自动控制就是应用之一，如图5所示电路为模拟电路，其中A为一光敏电阻，B为电磁继电器，C为电流信号放大器，D为路灯．请连成正确的电路，达到日出路灯熄、日落路灯亮的效果．
图5
解析　当有光照射时，电流经过放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸合，使两个触点断开；当无光照时，电流减小，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个触点闭合，控制路灯电路接通，路灯开始工作，电路如图所示．
典例2、.传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用。有一种测量人的体重的电子秤，其测量部分的原理图如图中的虚线框所示，它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)和显示体重大小的仪表(实质是理想电流表)组成。压力传感器表面能承受的最大压强为1×107 Pa，且已知压力传感器的电阻R与所受压力的关系如表所示。设踏板和压杆的质量可以忽略不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.8 V，g取10 m/s2。请作答：
压力F/N 0 250 500 750 1 000 1 250 1 500 …
电阻R/Ω 300 270 240 210 180 150 120 …
(1)该秤零点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘________A处。
(2)如果某人站在该秤踏板上，电流表刻度盘的示数为20 mA，这个人的质量是________kg。
[解析]　(1)由题表格知，踏板空载时，压力传感器的电阻R＝300 Ω，
此时电流表中电流I＝＝ A＝1.6×10－2 A。
(2)当电流I′＝20 mA＝2×10－2 A时，压力传感器的电阻R′＝＝ Ω＝240 Ω，
由表格可知，这个人受到的重力为500 N，此人质量为50 kg。
[答案]　(1)1.6×10－2　(2)50
巩固练习：
1.测定压力变化的电容式传感器如图1所示，A为固定电极，B为可动电极，组成一个电容大小可变的电容器．可动电极两端固定，当待测压力施加在可动电极上时，可动电极发生形变，从而改变了电容器的电容．现将此电容式传感器连接到如图所示的电路中，当待测压力增大时(　　)
A．电容器的电容将减小
B．电阻R中没有电流
C．电阻R中有从a流向b的电流
D．电阻R中有从b 流向a的电流
2．(多选)电熨斗已经走进千家万户，特别是服装店更离不开它，现在的电熨斗具有自动控制温度功能，可以通过双金属片来控制电路的通断．如图2为电熨斗的结构示意图，下列关于电熨斗的控制电路的说法正确的是(　　)
A．常温下，电熨斗的上下触点应该是分离的
B．图中双金属片上层的膨胀系数大于下层金属片的膨胀系数
C．熨烫棉麻衣物时需要设定较高的温度，应旋转调温旋钮，使升降螺钉上升
D．熨烫丝绸衣物时需要设定较低的温度，应旋转调温旋钮，使升降螺钉上升
3.如图甲所示为一热敏电阻的R－t图像，图乙为用此热敏电阻R和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路，继电器线圈的电阻为200 Ω.当线圈中的电流大于或等于20 mA时，继电器的衔铁被吸合．为继电器线圈供电电池的电动势E＝8 V，内阻可以不计．图中的“电源”是恒温箱加热电源．
(1)图甲说明热敏电阻的阻值随着温度的升高而________(选填“增大”“减小”或“不变”)．
(2)应该把恒温箱内加热器接________(选填“AB”或“CD”)端．
(3)如果要使恒温箱内的温度保持100 ℃，滑动变阻器R1接入电路的电阻值为________ Ω.
参考答案：
1. 　D．
2. BD．
3.答案　(1)减小　(2)AB　(3)150
解析　(1)由题图甲可知热敏电阻的阻值随着温度的升高而减小；
(2)当温度较低的时候，热敏电阻的阻值较大，电路中的电流较小，此时继电器的衔铁与AB部分连接，此时是需要加热的，恒温箱内的加热器要工作，所以应该把恒温箱内的加热器接在AB端．
(3)当温度达到100 ℃时，加热电路就要断开，此时继电器的衔铁要被吸合，即控制电路的电流要达到20 mA＝0.02 A，根据闭合电路欧姆定律可得：I＝，解得：R1＝150 Ω.

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