2020-2021学年高中物理新人教版选择性必修第二册 5.3 利用传感器制作简单的自动控制装置 教案

2020-2021学年人教版（2019）选择性必修第二册5.3利用传感器制作简单的自动控制装置教案教学目标一、知识与技能1、通过练习电子电路的组装，获得对自动控制电路的感性认识。2、识别各种晶体管、继电器。3、了解光控开关电路及控制原理。4、了解门窗防盗报警装置及控制原理。二、过程与方法1、通过实验设计，提高学生科学思维和实验探究的能力。2、通过制作简单的自动控制装置，培养学生细致严谨、求真务实的科学精神。3、通过设计实验和讨论电路的搭建，养成相互合作的习惯和严谨的科学实验精神，培养学生准确表达，评估和反思实验的能力。三、情感态度与价值观引导学生经历实验探究过程，培养学生的学习兴趣，倡导以创新为主、实践为重的素质教育理念。重点难点1、加深对传感器原理的理解。（重点）2、实验电路的设计和实验操作。（重点）3、实验电路的设计和实验操作。（难点）教学准备多媒体课件教学过程一、导入新课：【新课导入】随着人们生活水平的提高，传感器在工农业生产中的应用越来越广泛，如走廊里的声、光控开关，温度报警器，孵小鸡用的恒温箱，路灯的自动控制，银行门口的自动门等，都用到了传感器。传感器的工作离不开电子电路，传感器只是把非电学量转换成电学量，对电学量的放大、处理均是通过电子元件组成的电路来完成的。 这节课我们就来探究门窗防盗报警装置和光控开关的工作原理。二、讲授新课：1、实验：门窗防盗报警装置【教师提问】干簧管的工作原理是什么？【教师引导】当磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用，操纵开关的是磁场这只看不见的“手”。干簧管是一种能够感知磁场的传感器。【教师提问】（1）发光二极管和普通二极管有什么特点？（2）晶体三极管的工作原理是什么？【教师引导】（1）发光二极管和普通二极管都具有单向导电性，发光二极管除了具有单向导电性外，还能发光，普通的发光二极管是用磷化稼或氮化稼等半导体材料制成的，直接将电能转化为光能，该类发光二极管的正向导通电压大于1.8V。（2）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，也用作无触点开关。晶体三极管是半导体基本元器件之一，也是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。晶体三极管具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来获得集电极电流较大的变化量。【实验】电路图：工作原理：（1）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。 （2）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。（3）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。（4）继电器的动触点c与常闭触点b接通，蜂鸣器H发声报警。（5）干簧管在电路中起传感器和控制开关的作用，继电器则相当于一个自动的双向开关。实验操作：（1）用多用电表首先测量电阻R的阻值，检查R是否符合要求；其次检测二极管是否良好。（2）连接电路前，要先判断一下干簧管是否可以正常工作。方法是：用磁体直接靠近干簧管，观察簧片能否正常动作。（3）确定各元件符合要求并可以正常工作后，按照上图所示连接电路。（4）检查各元件连接，确保无误。（5）接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，分别观察实验现象。注意事项：（1）安装前，对所有器材进行测试，确保各元件性能良好，再进行安装。（2）注意二极管、电磁继电器正确接入电路，不可错接。2、光控开关【提出问题】光控路灯可以根据光照的变化自动开启或关闭。怎样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？【设计电路】方案：用发光二极管代表路灯【教师提示】可调电阻R1与光敏电阻RG组成串联分压电路，把光敏电阻因光照而发生的电阻变化，转换为电压的变化，加载到三极管VT的基极b上。当基极电压达到一定程度后，三极管被导通，从而使得由电源正极经电阻R2、发光二极管、三极管集电极和发射极到达电源负极的回路被导通。可调电阻R1的作用是调整设定电路对周边光亮度的反应，在电路里能够控制三极管的基极电流。 【教师提问】如果想在天更暗时才点亮路灯，应把R1阻值调得大一些，还是小一些？【学生回答】该把阻值调得更大一些。因为基极电压达到一定程度三极管才导通，这时需要RG阻值更大，即天色更暗如果电路不用发光二极管来模拟，而是用功率更大的小灯泡，就要使用继电器来启、闭合另外的供电电路。如图所示：电路图中K为继电器的线圈，S为它的常开触点。为了防止继电器释放衔铁时线圈中的自感电动势损坏三极管，必须给线圈并联一只二极管D，以提供自感电流释放的通路。【教师补充】电路工作原理：（1）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。（2）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。实验操作：（1）首先用多用电表测量电阻R的阻值，检查R是否符合要求；其次检测二极管、三极管是否良好。（2）确定各元件符合要求并可以正常工作后，按照上图所示连接电路。（3）检查无误后，接通电源。（4）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。（5）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。（6）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。注意事项：（1）安装前，对所有器材进行测试，确保各元件性能良好，再进行安装。（2）注意二极管、三极管、电磁继电器正确接入电路，不可错接。课堂练习1、 如图所示为某水库用来检测水库深度的电路图，其中R为可调电阻，R'为一定值电阻，可调电阻的滑动触头与一刚性轻杆连接，轻杆另一端与浮于液面的浮标相连接.当水库的液面发生变化时，灵敏电流计的指针发生改变，则下列说法正确的是(  )A.水库的液面降低时，滑动触头向下移动，灵敏电流计的示数变小B.水库的液面降低时，滑动触头向下移动，灵敏电流计的示数变大C.水库的液面升高时，滑动触头向下移动，灵敏电流计的示数变小D.水库的液面升高时，滑动触头向下移动，灵敏电流计的示数变大答案：D2、如图所示是温度自动报警器的工作原理图，图中1是电磁铁、2是衔铁、3是触点、4是水银温度计(水银导电).则下列说法正确的是()A.温度高于警戒温度时，电铃不报警、指示灯亮B.温度低于警戒温度时，电铃报警、指示灯熄灭C.温度高于警戒温度时，指示灯亮、电铃报警D.温度低于警戒温度时，指示灯亮、电铃不报警答案：D3、如图所示为某会议厅安装的火灾报警系统的原理图，装置用一耐火的不透明材料制成的外罩罩住，罩内的发光二极管和光电三极管用一不透明的挡板隔开，没有险情时光电三极管不能收到发光二极管所发出的光，此时光电三极管的电阻较高。则下列说法正确的是(  ) A.当会议厅发生火灾时，罩内的烟雾对光有散射作用，散射的光照射到光电三极管上使其电阻变小而报警B.当会议厅发生火灾时，进入罩内的烟雾挡住了光线，使得光电三极管的电阻变大而报警C.当会议厅发生火灾时，光电三极管的温度升高，使得光电三极管的电阻变小而报警D.当会议厅发生火灾时，由于环境气体的浓度变大而报警答案：A4、如图所示是某居民小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，为光敏电阻(光照增强电阻变小)，为定值电阻，接监控装置.则()①当有人通过通道而遮蔽光线时，之间电压升高②当有人通过通道而遮蔽光线时，之间电压降低③当仅增大的阻值时，可增大之间的电压④当仅减小的阻值时，可增大之间的电压A.①③B.①④C.②③D.②④答案：C5、动自行车是一种应用广泛的交通工具，其速度控制是通过转动右把手实现的，这种转动把手称为“霍尔转把”，属于传感器非接触控制.转把内部有永久磁铁和霍尔器件等，截面如图甲.开启电源时，在霍尔器件的上、下面之间加一定的电压，形成电流，如图乙.随着转把的转动，其内部的永久磁铁也跟着转动，霍尔器件能输出控制车速的电压，已知电压与车速关系如图丙.以下关于“霍尔转把”叙述正确的是() A.为提高控制的灵敏度，永久磁铁的上、下端分别为N、S极B.按图甲顺时针转动电动车的右把手，车速将变快C.图乙中从霍尔器件的左、右侧面输出控制车速的霍尔电压D.若霍尔器件的上、下面之间所加电压正负极性对调，将影响车速控制答案：B板书设计5.3利用传感器制作简单的自动控制装置一、一些元器件的原理和使用要点1、发光二极管2、半导体三极管3、电磁继电器二、光控开关的实验过程教学后记引导学生对本节多学知识进行自主交流探究，根据学生表述，查漏补缺，并有针对性地进行讲解补充。