1、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。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。(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
2、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按照电路图将各元件组装到集成电路实验板上。检查各元件的连接，确保无误。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。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。逐渐撤掉黑纸，
3、注意蜂鸣器是否发声，并做好记录。(2)温度报警装置按照电路图将各元件组装到集成电路实验板上。检查各元件的连接，确保无误。接通电源，调节滑动变阻器，使蜂鸣器常温下不发声。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。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
4、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)传感器用途外部传感器用于感知外部工作环境和外界事
5、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。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
6、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：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；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；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；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；光敏电阻在暗环境下电阻值很大，强光照射下电阻值很小；实验中，如果效果不明显
7、，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：按实验原理图连接好电路，将热敏电阻绝缘处理；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；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；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；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；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
8、；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
9、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 k，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 ，黑暗时为1 000 ，允许
10、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0100 ，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
11、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：(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。2自动门红外线传感器(1)
12、工作原理当有人接近自动门时，人体发出的红外线被传感器接收到，就会产生电压输出信号，信号经过电路处理后，使定时器工作，由定时器构成的电路使继电器通电，自动门电动机转动，门自动打开；当人通过自动门几秒后，定时器又使继电器断电，自动门电动机反转，门自动关闭。(2)工作流程图3指纹识别器电容传感器工作原理：指纹识别器是通过电容器来识别指纹的。传感器表面集合了很多个电容器的极板，其外面是绝缘表面，当用户的手指放在绝缘表面上时，手指的皮肤就成了电容器的另一个极板，由于指纹的脊和谷相对于另一个极板的距离不同，使电容阵列不同位置的电容器的电容值也不同。通过读取这些电容的差异，就能够获取指纹信息。这样就把指纹的
13、信息转化成了电信号，再经过电路对电信号的比较，就可以实现对指纹的识别。4机器人与传感器(1)机器人定义：是一种拟人化的电子机械装置，具有一定的运动、感觉和判断功能。组成：机械系统、传感器系统、信息处理和控制系统。(2)传感器系统作用：机器人的感觉器官。分类：外部传感器和内部传感器。【典例2】当你走近某些写字楼、机场、宾馆等大厅的入口时，大门会自动打开，进入大厅后，门又会自动关闭，关于这种自动门的下列说法中正确的是()A控制这种自动门开关的是一种红外线传感器B控制这种自动门开关的是一种普通光电传感器，能使自动门“见光开”C大人走近门会自动打开，小孩走近门，门不会自动打开D男孩走近门会自动打开，女
14、孩走近门，门可能不会开A控制自动门开关的传感器是红外线传感器，A正确，B错误；尽管不同物体(包括大人、孩子)不同温度发出的红外线波长不同，但在设置这个传感器范围时应当充分考虑到大人、小孩个体的差异及人体体温的变化范围。大人、小孩、男孩、女孩靠近，门都会自动打开，C、D错误。跟进训练2机器人通过哪种传感器感知周围环境，从而避开障碍物()A温度传感器 B压力传感器C味觉传感器 D视觉传感器D机器人通过“眼睛”(摄像机)即视觉传感器感知周围景物，从而避开障碍物。1街旁的路灯，江海里的航标都要求在夜晚亮，白天熄，利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的()A压敏
15、性 B光敏性C热敏性 D三种特性都利用B由题意可知，这一装置要对光敏感，能区分白天与夜晚，所以选B。虽然白天与夜晚温度也不相同，但温度除与昼夜有关外还与季节有关，因此不能选C。2传感器广泛应用在我们的生产生活中，常用的计算机键盘就是一种传感器。如图所示，键盘上每一个键的下面都连一小金属片，与该金属片隔有一定空气间隙的是另一小的固定金属片，这两金属片组成一个小电容器。当键被按下时，此小电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能够检测出哪个键被按下，从而给出相应的信号。这种计算机键盘使用的是()A温度传感器 B压力传感器C磁传感器 D光传感器B小金属片被按下时，对该键有一个压力，小金属片向下移动
16、，两个极板之间的距离改变，电容改变，将压力这个力学量转化为电容这个电学量，所以计算机键盘使用的是压力传感器，B正确，A、C、D错误。3某小型电磁继电器，其中L为含铁芯的线圈。P为可绕O点转动的铁片，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线柱。电磁继电器与传感器配合，可完成自动控制的要求如图所示。其工作方式是()AA与B接信号电压，C与D跟被控电路串联BA与B接信号电压，C与D跟被控电路并联CC与D接信号电压，A与B跟被控电路串联DC与D接信号电压，A与B跟被控电路并联AA、B接电磁继电器线圈，所以A、B应接信号电压，线圈随信号电压变化使电磁继电器相吸或释放，从而使C、D接通或断开，进而
17、起到控制作用，故正确答案为A。4(新情境题，以“智能测温仪”为背景，考查传感器的应用)新冠肺炎疫情期间，涌现出的多种智能测温终端成为许多社区、校园和办公楼宇的“复工神器”，人只要在测温终端前站定，就能自动测量体温。手持测温枪智能测温设备问题：(1)上述测温仪器的主要测温部件是什么？(2)智能测温设备与手持测温枪相比有哪些优势？提示：(1)主要部件是红外线传感器。(2)智能测温设备可以将测温的时间大大缩短，更能减少人员接触，降低感染风险。答案见解析回归本节知识，自我完成以下问题：1请写出光报警器的实验结论？提示：滑动变阻器阻值变大时，蜂鸣器报警所需要的光照强度增大。2请写出温度报警器的实验结论？
18、提示：滑动变阻器阻值变大时，蜂鸣器报警所需要的温度升高。3试写出几种传感器的应用？提示：自动感应门、洗衣机水位控制、指纹识别器、机器人等。机器人1920年，捷克斯洛伐克作家卡佩克在一本科幻小说中构思了一个机器人，名字叫Robot，他可以不吃饭，却能不知疲倦地工作，展现了人类持续多年的一种愿望。1947年世界上第一个机器人在美国诞生，这是一台为反应堆搬运核燃料的简单机器，代替人来从事危险的工作。此后由于现代制造业的需求，有关机器人的研究迅速发展起来。我们常常根据机器人的结构和功能把它们粗略地分为几代。第一代机器人只能按照编好的程序，由内部的计算机安排它的动作，对外界没有感知，例如汽车生产线上用于
19、点焊的机器人。第二代机器人有了感觉，它的身上安装了传感器，起到人的感官的作用，例如利用光传感器能让机器人沿着地面上画出的白色轨迹运动，利用图像传感器能让机器人产生视觉来识别烧杯和铁块，当它的手拿着烧杯时，力传感器会使手指感知压力和滑动，从而既能拿住又不会捏碎。第三代是智能机器人，是人们梦寐以求的，也正是当前在努力发展的，它以人工智能理论和现代信息技术为基础，能够自主地从经验中学习，不断完善自身的程序，增强自己的功能。机器人的种类很多，应用最广泛的是工业机器人，它们大多数是第一代机器人。目前全世界已经有约100万台工业机器人在使用中，它们把人从繁重的体力劳动和危险的环境中解放出来，极大地提高了生产率。机器人的感知系统主要由什么组成？机器人的“看见”与人眼的“看见”相同吗？提示：传感器，不相同。