资源简介 中小学教育资源及组卷应用平台第2节 设计和制作控制系统核心概念聚焦1.在设计和制作自动控制系统过程中,需要认识基本的电子元器件。下列元器件对应的电路符号不正确的是( )A.光敏电阻器 B.发光二极管 C.扬声器 D.变压器2.下列有关常用的电子元器件的认识与理解,错误的是( )A.光敏电阻器在光照增强时,电阻会减小 B.电容器既可储存电荷,又可释放电荷C.变压器既可升高直流电的电压又可降低电压 D.利用扬声器可将电流转化为声音3.控制电路中的主板发出指令后,必须有执行操作的相关元器件来完成相关的指令。下列元器件一般不作为执行操作的元器件的是( )A.继电器 B.电机 C.传动装置 D.集成电路片4.二极管、三极管都是最基本的半导体器材,在自动控制电路中应用极为广泛,如图所示为普通的整流二极管、发光二极管。下列对二极管的认识,正确的是( )A.二极管具有单向导电性,电流只能从正极流进负极流出B.整流二极管有白圈一端为正极,另一端为负极C.发光二极管长脚端为负极,短脚端为正极D.整流二极管可以使直流电转变为交流电5.下列器件中,属于自动控制系统“执行系统”主要器件的是( )A.温度传感器(如空调温控探头) B.光敏电阻(如楼道灯光控制传感器)C.电机(如空调压缩机电机、风扇电机) D.控制电路板(如空调主板)6.如图所示为带有电路状态指示的简易工作电路,两个发光二极管可指示电路的待机状态和工作状态。下列有关分析,正确的是( )A.红色发光二极管发光时表示电路处于工作状态B.绿色发光二极管发光时表示电路处于工作状态C.两个发光二极管都发光时表示电路处于待机状态D.两个发光二极管都不发光时表示电路处于待机状态核心素养提升7.在干燥的冬季,手触摸金属门把手,有时有触电的感觉,这是因为 起电使人体带一定量电荷,当手触摸门把手时产生放电现象。有一种静电消除器,如图甲,其内部电路可简化为图乙,R 是高值电阻,假设手握住 A 点,用 B 点接触门把手,产生放电现象,红色二极管瞬间发光,则手带 (填“正”或“负”)电荷。8.管理员给游泳池注水时忘了关闭水龙头,水从溢水槽溢出,浪费了大量的水。针对该问题,某科研小组决定设计一个水位自动控制装置,他们先收集到了以下元器件的有关信息。该科研小组设计了如图所示的控制系统的方框图。请回答下列问题:元器件 作用电磁阀门 用电控制的水阀,能控制水的通断定时器 设定工作时间水位传感器 测量水位并转化为电信号温度传感器 测量温度并转化为电信号压力传感器 测量压力并转化为电信号(1)控制系统方框图中的控制电路除了具有处理信息的功能外,还必须具备_______的功能。(2)请在所给的表中选择合适的元器件作为该控制系统的检测元件和执行器,图中①处应该填 ,②处应该填 。9.我们已经知道电动机的转动方向与电流的方向有关,你能设计一个电路来判断电动机的转向吗?请把设计的电路图画在方框中。器材有:发红光和发绿光的发光二极管各一只,电池,限流电阻、小电动机、开关、导线等,要求:电动机能实现正转、反转两种不同的工作状态,并且用红、绿色发光二极管来显示其工作状态。创新素养应用10.小明设计了一个蔬菜温室“自动温控电路”,如图甲所示。电路分控制电路和工作电路两部分,控制电路电源电压恒为 6 V,R1为温敏电阻,电磁铁电阻不计,R2为电阻箱,其阻值调为 90 Ω,R3为工作电路的加热电阻。要求温度控制在20~30 ℃之间。(1)蔬菜大棚改善的主要自然条件是 (填字母)。A.温度 B.光照 C.水分 D.土壤(2)控制电路电磁铁线圈上端磁极为 极。(3)当控制电路中的电流达到 30 mA 时,衔铁被吸下;当电流降低到 20 mA 时,衔铁被弹回。热敏电阻 R1 的阻值随温度的变化图像如图乙所示。如表所示是制定的部分评价指标。等级 优秀 合格 待改进评价指标 能自动控制室温在规定范围内波动 能自动控制室温升降 不能控制室温升降请根据评价表中的指标对小组设计进行等级判定并说明依据。参考答案1.B 2.C 3.D 4.A 5.C 6.B7.摩擦 负8.(1)发出操作指令 (2)电磁阀门 水位传感器9.10.(1) A (2) N(或北) (3)合格。I=30 mA 时,R1=110 Ω, 由图乙可知对应温度为 20℃;I=20 mA 时,控制电路中 R1'=210Ω,由图乙可知对应温度为 6℃。则该电路能将 温度控制在 6~20℃之间,不能将温度控制在 20~30℃之间,故判定为合格。21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 (共 2 页)21世纪教育网(www.21cnjy.com)中小学教育资源及组卷应用平台第2节 设计和制作控制系统 教学设计一、基本信息课题:设计和制作控制系统 课时:1课时年级:八年级 课型:工程设计+动手制作+测试优化 时长:45分钟教材:浙教版2024版八年级科学上册 设计者:__________二、教材分析1. 课标对应:技术与工程领域,要求能根据需求设计简单控制系统,完成制作、测试与改进,体会工程设计的严谨与创新。2. 单元定位:承接第1课时“自动控制系统组成”,是本章核心实践课;从“认识系统”到“创造系统”,为后续闭环控制、复杂系统设计奠基。3. 内容特点:强实践、重流程、融创新;涉及电子元件(光敏/热敏电阻、LED等)、电路连接、方案迭代,兼顾技术原理与动手能力。4. 本土关联:对接当地智能电器、轻工自动化、新能源控制产业;结合本地真实需求(如楼道光控灯、阳台温湿度报警、电瓶车头盔安全装置)设计任务。5. 育人价值:培养工程思维、创新意识、安全规范、团队协作;感受科技服务生活,增强本土科技认同。三、学情分析1. 知识基础:已掌握自动控制系统四大组成(传感器、控制器、执行器、控制对象);了解简单电路(串并联、欧姆定律);认识常见电子元件。2. 认知特点:具象思维为主,动手意愿强但设计能力弱;能模仿操作,但方案设计、故障排查、迭代优化需引导;对“工程流程”陌生。3. 生活经验:熟悉温州本地自动设备(智能门禁、光控路灯、工厂流水线);部分学生接触过乐高、创客套件,有简单搭建经验。4. 学习障碍:方案设计无思路、元件选型困惑、电路连接易错、不会调试优化;易混淆传感器类型(光敏/热敏),忽略安全规范。四、教学目标1.科学观念(1)认识光敏电阻、二极管、发光二极管等常用元件,知道它们的功能。(2)理解自动控制系统的制作流程,掌握二极管单向导电性。2.科学思维(1)能根据元件特性,分析指示电路的工作状态。(2)能结合控制需求,推理电路通断与指示灯变化关系。3.探究实践(1)能连接电池传感器电路,测试二极管正负极与发光情况。(2)能根据现象判断电路工作状态,排查简单故障。4.态度责任(1)体验设计制作控制系统的过程,形成工程思维。(2)认识自动控制技术的价值,树立安全规范操作意识。五、教学重点与难点教学重点:1.光敏电阻、二极管、发光二极管的特性与作用2.二极管单向导电性及应用3.电池传感器电路的设计与工作原理。教学难点:.1.理解发光二极管的单向导电与电路状态指示2.简单自动控制电路的分析与连接。六、教学准备1. 教师准备:多媒体课件(自动控制实例视频、电路原理图)、演示板;分组实验器材(每组:两节干电池(3V)、红绿发光二极管各1个、小灯泡1个、开关、导线若干、鳄鱼夹、电阻约100Ω限流电阻备用)。2. 学生准备:预习教材第5章第2节,了解常见电子元件;自带笔记本绘制电路草图。3. 环境布置:四人一组,实验工具摆放有序,强调用电安全。七、教学过程(一)情景导入,明确任务教师展示PPT:炎夏空调自动调温、数控机床精准加工、返回舱自动开伞等短视频/图片。提问:“这些机器为什么能‘自动’工作?它们如何感知外界并做出反应?”引出课题“设计和制作控制系统”。学生分享生活中自动控制的例子(智能电饭煲、感应水龙头等)。(二)流程导学,方案设计1. 传感器——控制系统的“感官”:展示空调温度传感器、楼梯光敏电阻实物图,讲解传感器收集信息的功能。结论:传感器将非电量(温度、光照等)转化为电信号。2. 控制电路板(中央控制器):家用电器主板作用——处理信息、发出指令。3. 执行系统:继电器、电机、传动装置等,按指令完成操作。教师引导学生画出“控制系统框图”:传感器 → 控制器 → 执行器 → 被控对象,并举例空调工作流程。(三)任务驱动:设计与制作充电器工作指示灯(探究发光二极管)活动目标:学会测试辨认发光二极管正负极,设计工作状态指示电路,连接充电器指示灯电路。器材:干电池两节(3V电池组)、红绿发光二极管各一个、小灯泡、开关、导线、鳄鱼夹若干。1. 测试发光二极管的性能教师演示并指导学生操作:(1) 观察LED引脚:较长引脚为正极(阳极),较短为负极(阴极)。电流从正极流向负极时导通发光,反接不发光。(2) 将两节干电池串联成3V电池组。(3) 用导线连接发光二极管两极分别接电池正负极,观察发光情况;交换引脚与电池连接,再次观察记录。(4) 用小灯泡替换发光二极管重复实验,对比单向导电性(小灯泡双向均亮,LED单向导通)。学生记录现象:长脚接电源正极时LED发光,反接则不发光,说明二极管具有单向导电性。2. 设计挑战:制作“电池安装正确检测仪”任务:若电池装反电器无法工作,请利用发光二极管设计一个简易仪器,检测电池安装是否正确。(1) 小组讨论,画出电路设计图(教师巡视指导)。典型方案:将红绿两只发光二极管反向并联(或使用一只LED搭配桥式思路简化),再串联限流电阻;当被测电池按正确极性接入时,红色LED亮;反接时绿色LED亮(或者相反)。引导学生利用单向导电性巧妙指示极性。(2) 根据设计图连接电路,用鳄鱼夹测试电池组,验证功能。(3) 编写使用说明书:写明检测仪接线柱,通过LED颜色判断电池正负极连接是否正确。设计参考:两只LED反向并联(红LED正极接检测正端,负极通过电阻至负端;绿LED正极接检测负端,负极通过电阻至正端),串联300Ω限流保护。当电池正确接入,红色发光;电池反接,绿色发光。3. 电路制作与探究——待机/工作状态指示电路教师展示教材电路图(两个发光二极管指示电路待机和工作状态)。(1) 学生根据图示连接电路(含开关、指示灯、负载小灯泡)。(2) 断开开关,观察记录现象:绿灯亮(待机状态),红灯灭,小灯泡不亮。(3) 闭合开关,记录现象:红灯亮,绿灯灭,小灯泡(或工作电器)亮,表示工作状态。(4) 结论:绿灯亮表示电路处于待机状态,红灯亮表示电路处于工作状态。(5) 讨论认识:发光二极管可直观显示电路不同状态,为控制系统提供人机交互;控制信号通过开关实现状态切换。(四)问题讨论与故障分析组织学生分享实验中遇到的问题。预设问题:“二极管不发光”。师生共同分析原因:① 发光二极管正负极接反;② 电源电压过低(达不到导通电压约1.8~2.2V,干电池老旧);③ 电路某处断路(接触不良或导线断开);④ 未串联限流电阻导致瞬间烧坏(强调规范)。培养学生排查故障的工程思维。(五)拓展视野:人工智能与现代控制技术教师结合PPT简述:人工智能从控制理论发展到计算机科学交叉融合,研究模拟、延伸人类智能。应用领域:机器人、自动驾驶、智能制造等。自动控制已进入智能化新阶段,是国际竞争力的重要标志。学生讨论人工智能与自动控制的关系,体会科技创新的社会意义。(六)迁移应用1.在空调系统中,当温度传感器检测到室温达到设定值时,下一个步骤是( D )A.执行器直接关闭压缩机 B.用户重新设置温度C.传感器再次检测 D.控制电路板处理信息并发出停止制冷指令2.下列关于红绿灯的叙述中,不属于电池传感器的是( D )A.电视机待机状态亮红灯,开机状态亮绿灯B.充电器充电过程中亮红灯,充电完成后自动停止充电状态亮绿灯C.热水器工作状态亮红灯,达到温度后停止加热后亮绿灯D.十字路口的交通信号灯在通行时亮绿灯,禁止通行时亮红灯3.二极管、三极管都是最基本的半导体器材,在自动控制电路中应用极为广泛,如图所示为普通的整流二极管、发光二极管。下列对二极管的认识,正确的是( A )A. 二极管具有单向导电性,电流只能从正极流进负极流出B.整流二极管有白圈一端为正极,另一端为负极C.发光二极管长脚端为负极,短脚端为正极D.整流二极管可以使直流电转变为交流电4.开关断开时红灯不亮,开关闭合时绿灯和灯泡也不亮,可能原因是( D )A.电池电量不足 B.电池接触不良 C.导线断开 D.以上都有可能5.夏天,我们把空调的温度设置在26℃。假设空调刚开启时,室内温度为32℃。按照自动控制的原理,主机是如何工作使室内温度保持在26℃左右的?写出控制原理或画出控制过程图。学生根据流程图复述:温度传感器检测室温(32℃)→控制器对比差值(设定26℃)→发出启动指令→执行机构(压缩机/风机)制冷→室温下降至26℃→传感器再次检测→控制器发出停止指令→执行机构停止→温度回升→循环。强调反馈环节维持设定温度。6.商场、剧院等公共场所的停车场为了管理车辆进出,通过智能停车系统管理出入口门闸。这个系统的出场口有下列要求:当车辆从场内经出口时,由一个“车辆智能识别模块”自动识别车辆,并根据该车辆的停留时间,“车辆付费系统”会出示付费二维码,当司机付费后,“执行系统”会自动打开门闸放行。有特殊情况时,管理人员可用遥控器直接打开门闸放行。整个系统由几个模块电路(识别系统、付费系统、人工开门和执行系统)和电源组成。根据要求在下图中连接“识别系统”“付费系统”“人工开门”三个模块。车辆出场时,识别模块→付费系统→执行系统(门闸),特殊情况人工开门模块直接→执行系统。请学生画出连接图:“车辆识别模块” → “车辆付费系统” → “执行系统”;“人工开门模块” → “执行系统”。教师点评模块化设计思想及冗余控制。(七)课堂小结与作业布置小结:控制系统的组成(传感器、控制器、执行器);发光二极管的单向导电性及其在指示电路中的应用;控制过程的基本步骤。作业:1. 完善“电池安装正确检测仪”的说明书,画出最终电路图;2. 观察家中一件电器(如电热水壶、风扇)的控制面板,推测其传感器与执行部件,写一篇50字科技笔记。八、板书设计第2节 设计和制作控制系统一、自动控制系统的组成 传感器(温度/光敏)→ 控制器(主板)→ 执行器(继电器/电机)→ 被控对象二、发光二极管(LED) 1. 单向导电性:正极→负极 导通发光;反接不亮。 2. 长正短负,测试方法。三、设计应用 电池正误检测仪(反向并联LED) 待机/工作状态指示电路(绿灯待机,红灯工作)九、教学反思1. 亮点:本土情境驱动,学生兴趣高;“设计—制作—测试—迭代”流程完整,有效培养工程思维;分组分工明确,团队协作效果好。2. 不足:部分学困生电路连接困难,耗时较长;元件数量有限,个别小组无法充分迭代;故障排查引导需更细致。3. 改进:课前增加元件识别与电路连接微视频;准备备用元件,确保人人动手;制作“故障排查思维导图”,降低难度;增加分层任务,满足不同水平学生需求。21世纪教育网(www.21cnjy.com)(共23张PPT)第2节 设计和制作控制系统浙教版 八年级下创设情境生活中有各种控制电路。各种家用电器(空调、电视机、电热水壶、油烟机、热水器等)上都有用于自动控制的控制电路板,或叫主板。观察电路板,我们发现其电路系统比较复杂。那么这些电路板是由哪些元器件组成的?各种元器件在电路中起什么作用呢?探究实践电子元器件的种类非常多,每种元器件都有其用途,承担一定的功能。常见的电子元器件有电阻器、二极管、电容器、变压器等。表5.2-1是常见的电子元器件。元器件名称 实物图 符号 元器件功能光敏电阻器 电容器 变压器 当光照增强时,电阻会减小可储存、释放电荷可升高或降低电压探究实践元器件名称 实物图 符号 元器件功能扬声器 二极管 发光二极管 集成电路片 / 将音频电信号转换成声音照明或作为电流通过的信号灯只允许单向电流通过,可实现交流电和直流电转换信息的逻辑判断、运算等较复杂的处理探究实践探索活动如图 5.2- 1所示的空调控制电路板中,你能认出哪些元器件?列出清单,并标注元器件在电路板中的位置。探究实践执行系统主要是按中央控制器的指令完成操作,继电器、电机、各种轮轴与传动装置是执行操作的主要器件。信息收集系统信息处理系统操作执行系统自动控制系统的三个子系统:各种传感器的功能是收集控制对象的各种信息,例如空调的温度传感器监测室内空气的温度、楼梯灯光敏电阻监测光的亮 度(以区分白昼与夜晚)等;控制电路板(又称主板、电脑、中央控制器)主要是处理信息并发出操作指令;探究实践用户往往要知道一些家用电器、专业仪器上的电源是否连接上,即是否通电了。因此,一般的电器上都有一个“小灯”指示是否接通了电源,有的是红色的灯,有的是绿色的灯。这些灯的主要功能是指示电源的工作状态。电视机待机状态会亮红灯,开机状态会亮绿灯;充电器充电过程中会亮绿灯,充电完成后自动停止充电的状态会亮红灯。电器上的所有指示灯不亮,一般说明电源没有接通。这些灯就是电源工作状态自动监测的传感器。探究实践实践活动设计与制作充电器的工作指示灯目标1. 学会测试和辨认发光二极管正、负极的方法。2. 根据发光二极管的性质,设计工作状态的指示电路。3. 根据设计的电路,连接充电器的工作指示灯电路。器材干电池两节,红、绿发光二极管各一个,小灯泡,开关,导线和鳄鱼夹若干。长脚 短脚探究实践过程1. 测试发光二极管的性能。发光二极管的两根引脚中,较长的为正极,较短的为负极。正极负极正极+负极-探究实践当电流从发光二极管的正极流向负极时,发光二极管发光,表明它处于导通状态。反之,电流不能从负极流向正极,发光二极管不会发光。(1)把两节干电池固定在一起,组成一个3V的电池组。(2)把两根导线连接在发光二极管的两端。(3)把发光二极管两极导线分别连接在电池两极,观察发光二极管;断开连接,换接发光二极管与电池组的接线柱,再观察发光二极管。(4)用小灯泡代替发光二极管,重复上述步骤(3)。二极管具有单向导电性二极管的长引脚接电源的正极时,二极管发光。二极管的短引脚接电源的正极时,二极管不发光。探究实践探究实践2. 设计任务。如果电池装反了,多数电器就不能正常工作。用发光二极管设计一个检测电池安装是否正确仪器。①闭合开关后,若发光二极管发光,说明电源a端(二极管长脚所接电源端)为正极,b端(二极管长脚所接电源端)为负极;若发光二极管不发光,则说明电源a端为负极,b端为正极。(1)画出电路设计图。(2)按你设计的电路,将器材连接起来,测试一下能否使用。(3)写出你设计的仪器使用说明书。ab②不可长时间保持反向连接,以免击穿二极管。红 绿SL(1) 用提供的器材连接如图所示的电路。(2) 当开关断开时,记录看到的现象。(3) 闭合开关,记录实验现象。(4) 绿灯亮表示电路处于 状态,红灯亮表示电路处于 状态。(5) 从实验现象中你获得了哪些认识?探究实践3.电路制作与探究图5.2-2是一个带有电路状态指示的工作电路,两个发光二极管可指示电路的待机状态和工作状态。待机工作③可与其他用电器配合,通过电路通断或短路实现不同状态的切换指示,应用于智能设备的状态监测。①具有单向导电性,可控制电流方向,实现特定状态的指示;②适合作为电路状态的指示灯,能区分不同工作状态;探究实践问题讨论实验中你遇到了哪些问题?产生这些问题的主要原因是什么?①发光二极管正负极接反;②电源电压过低,无法达到二极管的导通电压;③工作电路存在断路;④发光二极管被击穿。问题:原因:二极管不发光。探究实践科学·技术·社会·环境人工智能是从现代控制理论发展起来的,以计算机科学为基础,由计算机、心理学、哲学、语言学等多学科交叉融合的新兴交叉学科。它主要研究、开发用于模拟、延伸和扩展人类智能的理论、方法、技术及应用系统。人工智能的目标是了解人类智能的实质,并生产出能以与人类人工智能智能相似的方式做出反应的智能机器,该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。人工智能几乎涉及自然科学和社会科学的所有学科,其研究范围已远远超出了传统的计算机科学的范畴。人工智能广泛应用于机器人、自动驾驶技术、智能制造等。目前的人工智能技术已有相当强的自主能力,能够模拟人的很多行为。人工智能技术应用的广泛性标志着自动控制技术已经发展到新的阶段,也是国家竞争力的重要标志。探究实践迁移应用1.在空调系统中,当温度传感器检测到室温达到设定值时,下一个步骤是( )A.执行器直接关闭压缩机B.用户重新设置温度C.传感器再次进行检测D.控制电路板处理信息并发出停止制冷(或制热)的指令D2. 下列关于红绿灯的叙述中,不属于电池传感器的是( D )A. 电视机待机状态亮红灯,开机状态亮绿灯B. 充电器充电过程中亮红灯,充电完成后自动停止充电状态亮绿灯C. 热水器工作状态亮红灯,达到温度后停止加热后亮绿灯D. 十字路口的交通信号灯在通行时亮绿灯,禁止通行时亮红灯D3.二极管、三极管都是最基本的半导体器材,在自动控制电路中应用极为广泛,如图所示为普通的整流二极管、发光二极管。下列对二极管的认识,正确的是( )迁移应用4.开关断开时红灯不亮,开关闭合时绿灯和灯泡也不亮( )A.电池电量不足 B. 电池接触不良C.导线断开 D.以上都有可能AA. 二极管具有单向导电性,电流只能从正极流进负极流出B.整流二极管有白圈一端为正极,另一端为负极C.发光二极管长脚端为负极,短脚端为正极D.整流二极管可以使直流电转变为交流电D迁移应用5.夏天,我们把空调的温度设置在26℃。假设空调刚开启时,室内温度为32℃。按照自动控制的原理,主机是如何工作使室内温度保持在26℃左右的?写出控制原理或画出控制过程图。温度传感器(检测到32℃)→控制器(对比差值,下达启动指令) →执行机构(压缩机或风机启动制冷) →室内温度下降→温度传感器(检测到26℃) →控制器(对比差值,下达停止指令) →执行机构(停止工作) →温度回升→温度传感器(重复循环)。迁移应用6.商场、剧院等公共场所的停车场为了管理车辆进出,通过智能停车系统管理出入口门闸。这个系统的出场口有下列要求:当车辆从场内经出口时,由一个“车辆智能识别模块”自动识别车辆,并根据该车辆的停留时间,“车辆付费系统”会出示付费二维码,当司机付费后,“执行系统”会自动打开门闸放行。有特殊情况时,管理人员可用遥控器直接打开门闸放行。整个系统由几个模块电路(识别系统、付费系统、人工开门和执行系统)和电源组成。根据要求在下图中连接“识别系统”“付费系统”“人工开门”三个模块。车辆识别模块→车辆付费模块→执行系统。识别系统付费系统人工开门人工开门模块→执行系统。板书设计第1节 自动控制系统一、自动控制系统的组成 传感器(温度/光敏)→ 控制器(主板)→ 执行器(继电器/电机)→ 被控对象二、发光二极管(LED) 1. 单向导电性:正极→负极 导通发光;反接不亮。 2. 长正短负,测试方法。三、设计应用 电池正误检测仪(反向并联LED) 待机/工作状态指示电路(绿灯待机,红灯工作)谢谢21世纪教育网(www.21cnjy.com)中小学教育资源网站兼职招聘:https://www.21cnjy.com/recruitment/home/admin 展开更多...... 收起↑ 资源列表 二极管的单向导电性.mp4.mp4 人工智能.mp4 第2节 设计和制作控制系统 (共23张PPT).pptx 第2节 设计和制作控制系统 教学设计.docx 考试这样考--第2节 设计和制作控制系统.docx