第2节 科学制作：简单的自动控制装置 第3节 大显身手的传感器 [核心素养·明目标]
| 兑换券制作 核心素养 | 学习目标 |
物理观念 | 能针对真实情境提出与实验有关的物理问题；能了解常见传感器的工作原理，解释传感器在生产生活中的应用。 |
科学思维 | 了解敏感元件在自动控制电路中的作用。 |
科学探究 | 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。 |
科学态度与责任交换目录 | 了解生活中传感器的简单应用及给人类生产、生活带来的便利。 |
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知识点一 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。
(3)了解制作的报警装置的工作原理。
2．实验器材
股骨头仪光敏电阻、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。破门弹
(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。
实验时应注意哪几方面的安全操作？
提示：实验时手电筒不要对着人的眼睛直射；避免被热水烫伤。
1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)随着滑动变阻器接入电路的阻值增大，蜂鸣器报警时的光照变强。 (√)
(2)随着滑动变阻器接入电路的阻值增大，蜂鸣器报警时的温度变低。 (×)
知识点二 大显身手的传感器
1．自动感应门
(1)控制自动门的开关装有一种红外线传感器。
(2)自动门系统三环节：检测门前是否有人，判断检测结果，发出相关指令，执行指令。
2．洗衣机的水位控制装置
全自动洗衣机的水位控制装置中使用压力传感器，当筒内水位到达设定高度时，凸起的膜片使动触点接触控制电路的静触点，使控制电路接通，关闭进水电磁阀门，同时接通洗涤电动机电源。
3．指纹识别器
指纹识别器是通过电容传感器来识别指纹的。手指皮肤与电容传感器表面构成了电容阵列，指纹的脊和谷相对于另一极板之间的距离不同，使电容阵列中不同位置的电容器电容不同。
4．机器人
(1)机器人传感器的分类：机器人传感器分为外部传感器和内部传感器。
(2)传感器用途
①外部传感器用于感知外部工作环境和外界事物对机器人的刺激。使机器人拥有类似人的
视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等感觉。
②内部传感器(如角度传感器、关节传感器等)用于检测机器人自身的状态。
如图所示是中大型超市卖场在入口处安装的自动感应单向门，人走到跟前就会自动打开，过去之后自己关闭，这种感应门的工作原理是什么呢？
提示：当单向门上的(雷达或者红外线)传感器检测到有人到达入口时，发出开门信号，门自动打开。
2：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)洗衣机的自动控制装置利用了压力传感器。 (√)
(2)指纹识别器是利用压力传感器。 (×)
(3)机器人利用多种传感器从而具有拟人化的特点。 (√)
(4)发生地震后救援人员使用的搜寻废墟下幸存者生命迹象的生命探测仪中应用了红外线传感器。 (√)
考点1 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所示电路连接好，其中多用电表置于“×100”挡；
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按实验原理图连接好电路，将热敏电阻绝缘处理；
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】 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，超过某一温度又可以自动断电，画出电路图并说明工作过程。
[解析] 热敏电阻RT与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路。电路图如图所示
当温度低于某一值时，热敏电阻的阻值很大，流过电磁继电器的电流很小，继电器无法吸引衔铁P，K处接通，电炉丝处于加热状态；当温度高于某一值时，热敏电阻的阻值变得很小，通过电磁继电器的电流较大，继电器吸引衔铁P，K处断开，电炉丝停止加热。
[答案] 见解析
[跟进训练]
1．一台臭氧发生器P的电阻为10 kΩ，当供电电压等于24 V时能正常工作，否则不产生臭氧。现要用这种臭氧发生器制成自动消毒装置，要求它在有光照时能产生臭氧，在黑暗时不产生臭氧，拟用一个光敏电阻R1对它进行控制，R1的阻值在有光照时为100 Ω，黑暗时为1 000 Ω，允许通过的最大电流为3 mA；电源E的电压为36 V，内阻不计；另有一个滑动变阻器R2，阻值为0～100 Ω，允许通过的最大电流为0.4 A；一个开关S和导线若干。臭氧发生器P和光敏电阻R1的符号如图所示。
设计一个满足上述要求的电路图，图中各元件要标上字母代号，其中滑动变阻器两固定接线柱端分别标上字母A、B。(电路图画在虚线框内)
[解析] 为了能控制臭氧发生器，应该用滑动变阻器的分压式接法，有光照时P能正常工作，无光照时P不工作。电路图如图所示：
[答案] 见解析图
考点2 大显身手的传感器
火灾探测器(如图所示)的核心元件为气敏传感器，当烟雾在空气中的浓度超过设定值时，可以触发报警，并对外发出声光报警信号。此时传感器是将什么量进行转换的？
提示：传感器是将烟雾产生的光学量转换为电路的接通，从而对外发出声光报警信号。
1．洗衣机水位控制装置－－压力传感器
工作原理图及结构：诱捕黄鳝
(1)结构：
1是洗衣机的外筒，2是洗衣机的内筒，3是气室，4是传感器的膜盒。
(2)工作原理：
如图(a)所示，气室下部与外筒连通，上部与软管、传感器的膜盒连通。当向桶内注水后，有一部分水进入气室，气室内被密封的空气压强增大，使传感器的膜盒中的膜片受力向上凸起，如图(b)所示，当筒中水位达到设定的高度时，凸起的膜片使动触点a与静触点b脱离，并与静触点c接触，从而接通控制电路，关闭进水电磁阀门，接通洗涤电动机电源，洗衣机开始工作。
