《第2節(jié) 科學(xué)制作：簡單的自動控制裝置》（同步訓(xùn)練）高中物理選擇性必修 第二冊

《第2節(jié)科學(xué)制作：簡單的自動控制裝置》同步訓(xùn)練(答案在后面)一、單項(xiàng)選擇題（本大題有7小題，每小題4分，共28分）1、下列哪個裝置不屬于簡單的自動控制裝置？（）A.溫度控制器B.聲光報警器C.電動門D.電腦2、在制作簡單的自動控制裝置時，以下哪個部件不是必需的？（）A.傳感器B.控制器C.執(zhí)行器D.電源3、在簡單自動控制裝置的設(shè)計中，用于檢測被控對象狀態(tài)并轉(zhuǎn)換為電路信號的部分被稱為（）。A.執(zhí)行器B.檢測器C.控制器D.電源4、在簡單自動控制裝置中，以下哪個元件可以用于根據(jù)接收到的控制信號來調(diào)節(jié)輸出，實(shí)現(xiàn)自動控制功能？A.傳感器B.開關(guān)C.電機(jī)D.電阻5、下列哪個裝置是完成自動控制的典型實(shí)例？（）A.鬧鐘B.自動洗衣機(jī)C.電風(fēng)扇D.普通手機(jī)6、自動控制裝置中，傳感器能夠?qū)⒎请娏康男盘栟D(zhuǎn)換為電信號的原因是？（）A.電阻值的變化B.電容值的變化C.電感值的變化D.基于電磁感應(yīng)原理7、以下哪種材料最適合用于制作簡單的自動控制裝置中的觸發(fā)器？（）A.紙張B.塑料C.金屬片D.絕緣膠帶二、多項(xiàng)選擇題（本大題有3小題，每小題6分，共18分）1、在科學(xué)制作活動中，設(shè)計并制作簡單的自動控制裝置時，以下哪些元件是常見的控制元件？A、電阻B、壓力傳感器C、熱敏電阻D、霍爾元件2、在設(shè)計一個用于控制水泵自動啟動的裝置時，下列哪些條件可能被用來觸發(fā)裝置控制水泵啟動？A、水位高度達(dá)到預(yù)定值B、水質(zhì)變渾濁C、溫度到達(dá)特定值D、電路中檢測到特定頻率的信號3、題目：以下關(guān)于自動控制裝置原理的說法中，正確的是（）A.自動控制裝置主要是通過物理方法實(shí)現(xiàn)自動控制的B.自動控制裝置能夠?qū)崿F(xiàn)精確的控制，克服人的主觀因素C.自動控制裝置不能自主思考，必須依賴人的意志和控制D.自動控制裝置的應(yīng)用范圍僅限于工業(yè)自動化三、非選擇題（前4題每題10分，最后一題14分，總分54分）第一題請根據(jù)以下條件，設(shè)計一個簡單的自動控制裝置，并簡要說明其工作原理：1.需要控制的對象是一個開關(guān)，當(dāng)開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時，控制裝置應(yīng)該使其自動打開；當(dāng)開關(guān)處于打開狀態(tài)時，控制裝置應(yīng)該使其自動關(guān)閉。2.控制裝置需要使用一個溫度傳感器，當(dāng)環(huán)境溫度高于設(shè)定值時，控制裝置應(yīng)該使開關(guān)關(guān)閉；當(dāng)環(huán)境溫度低于設(shè)定值時，控制裝置應(yīng)該使開關(guān)打開。3.控制裝置需要使用一個繼電器作為執(zhí)行器，當(dāng)控制裝置輸出信號時，繼電器應(yīng)該吸合，從而控制開關(guān)的狀態(tài)。第二題題目：設(shè)計一個基于傳感器的自動控制裝置，用于控制一個房間的照明系統(tǒng)。當(dāng)房間內(nèi)有人時，燈應(yīng)自動開啟；當(dāng)房間內(nèi)沒有人時，燈應(yīng)自動關(guān)閉。請詳細(xì)描述你的設(shè)計方案，并說明所使用傳感器及其原理。第三題題目：請設(shè)計一個簡單的自動控制裝置，用于保持一個物體在特定高度上上下移動。要求該裝置能夠在物體到達(dá)預(yù)定高度時自動啟動，并在物體離開預(yù)定高度時自動停止。請描述裝置的原理、主要組成部分以及工作過程。第四題題目：設(shè)計一個簡單的自動控制裝置，實(shí)現(xiàn)當(dāng)溫度超過設(shè)定值時，能夠自動關(guān)閉加熱器。請說明裝置的組成、工作原理和設(shè)計步驟。第五題設(shè)計一個簡單的自控裝置，用于自動澆灌植物。題意要求：1.原理：你需要根據(jù)物理學(xué)中的一個基本原理來設(shè)計該裝置。2.材料：你只能使用底部帶有一個小孔的塑料瓶、水、土以及一根細(xì)管作為材料。3.功能：該裝置應(yīng)該能夠利用底部的孔緩慢地將水滴入土中?！兜?節(jié)科學(xué)制作：簡單的自動控制裝置》同步訓(xùn)練及答案解析一、單項(xiàng)選擇題（本大題有7小題，每小題4分，共28分）1、下列哪個裝置不屬于簡單的自動控制裝置？（）A.溫度控制器B.聲光報警器C.電動門D.電腦答案：D解析：溫度控制器、聲光報警器和電動門都是根據(jù)某些條件自動控制工作狀態(tài)的裝置，屬于簡單的自動控制裝置。而電腦則是一種復(fù)雜的電子設(shè)備，它可以通過編程實(shí)現(xiàn)各種控制功能，但并不屬于簡單的自動控制裝置。2、在制作簡單的自動控制裝置時，以下哪個部件不是必需的？（）A.傳感器B.控制器C.執(zhí)行器D.電源答案：D解析：在制作簡單的自動控制裝置時，傳感器用于檢測外部條件的變化，控制器根據(jù)傳感器反饋的信息進(jìn)行決策，執(zhí)行器負(fù)責(zé)執(zhí)行控制命令。這三部分是構(gòu)成簡單自動控制裝置的基本要素。電源雖然為整個裝置提供能量，但并不是必需的部件，因?yàn)榧词箾]有電源，上述三個部件也可以組成一個閉合的控制回路。3、在簡單自動控制裝置的設(shè)計中，用于檢測被控對象狀態(tài)并轉(zhuǎn)換為電路信號的部分被稱為（）。A.執(zhí)行器B.檢測器C.控制器D.電源答案：B解析：在自動控制裝置中，檢測器的作用是檢測被控制對象（如水位、溫度等）的狀態(tài)，并將其轉(zhuǎn)換為可以傳輸?shù)碾娦盘?，然后傳遞給控制器進(jìn)行處理。執(zhí)行器則是用來執(zhí)行控制命令，對被控對象進(jìn)行操作的部分?？刂破饔脕砀鶕?jù)輸入信號進(jìn)行決策和控制。4、在簡單自動控制裝置中，以下哪個元件可以用于根據(jù)接收到的控制信號來調(diào)節(jié)輸出，實(shí)現(xiàn)自動控制功能？A.傳感器B.開關(guān)C.電機(jī)D.電阻答案：C解析：在簡單自動控制裝置中，執(zhí)行控制動作的關(guān)鍵元件是執(zhí)行器。電機(jī)可以接受控制信號，從而調(diào)節(jié)輸出，比如調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速或泵的流量等，因此它是實(shí)現(xiàn)自動控制功能的關(guān)鍵元件。傳感器用于檢測和輸入信息，開關(guān)用于接通或斷開電路，電阻用于限流或分壓，但它們自身并不直接調(diào)節(jié)輸出。5、下列哪個裝置是完成自動控制的典型實(shí)例？（）A.鬧鐘B.自動洗衣機(jī)C.電風(fēng)扇D.普通手機(jī)答案：B解析：在選項(xiàng)中，自動洗衣機(jī)通過一系列傳感器和執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)自動進(jìn)水、排水、洗滌、漂洗和脫水等功能，這是一種典型的自動控制裝置。而鬧鐘、電風(fēng)扇和普通手機(jī)雖然包含了自動控制的部分功能，但它們不是最終完成自動控制的整個系統(tǒng)，故選B。6、自動控制裝置中，傳感器能夠?qū)⒎请娏康男盘栟D(zhuǎn)換為電信號的原因是？（）A.電阻值的變化B.電容值的變化C.電感值的變化D.基于電磁感應(yīng)原理答案：D解析：在自動控制裝置中，傳感器的作用是將生產(chǎn)線上的機(jī)械信號或者非電信號轉(zhuǎn)換為電信號，以便后續(xù)的信號處理和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如繼電器、電機(jī)等）控制。這一過程通?；陔姶鸥袘?yīng)原理，即當(dāng)傳感器中通過的磁場變化時，在其內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。因此，答案為D。其他選項(xiàng)雖與電子元件相關(guān)，但不是傳感器實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換的主要原因。7、以下哪種材料最適合用于制作簡單的自動控制裝置中的觸發(fā)器？（）A.紙張B.塑料C.金屬片D.絕緣膠帶答案：C解析：在制作簡單的自動控制裝置時，觸發(fā)器需要具備導(dǎo)電性，以便在電路中起到開關(guān)的作用。金屬片因其良好的導(dǎo)電性能，最適合用于制作觸發(fā)器。紙張和塑料雖然易于加工，但導(dǎo)電性能較差，不適合用作觸發(fā)器。絕緣膠帶則主要用于隔離和絕緣，不適用于觸發(fā)器。二、多項(xiàng)選擇題（本大題有3小題，每小題6分，共18分）1、在科學(xué)制作活動中，設(shè)計并制作簡單的自動控制裝置時，以下哪些元件是常見的控制元件？A、電阻B、壓力傳感器C、熱敏電阻D、霍爾元件答案：B、C、D解析：在制作簡單的自動控制裝置時，常用的控制元件包括壓力傳感器、熱敏電阻用于檢測壓力變化和溫度變化，而霍爾元件可以用于檢測磁場變化。電阻通常作為固定值元件而不是控制元件使用，故A項(xiàng)不選。2、在設(shè)計一個用于控制水泵自動啟動的裝置時，下列哪些條件可能被用來觸發(fā)裝置控制水泵啟動？A、水位高度達(dá)到預(yù)定值B、水質(zhì)變渾濁C、溫度到達(dá)特定值D、電路中檢測到特定頻率的信號答案：A、C、D解析：水位高度成為一個直接的物理參數(shù)，可以通過液位傳感器檢測；溫度可以通過熱敏電阻或其他溫度傳感器檢測，從而決定水泵的啟動；電路中特定頻率的信號可以觸發(fā)繼電器等元件動作，進(jìn)而控制水泵。而水質(zhì)變渾濁是一個結(jié)果，不一定可以直接作為觸發(fā)條件。3、題目：以下關(guān)于自動控制裝置原理的說法中，正確的是（）A.自動控制裝置主要是通過物理方法實(shí)現(xiàn)自動控制的B.自動控制裝置能夠?qū)崿F(xiàn)精確的控制，克服人的主觀因素C.自動控制裝置不能自主思考，必須依賴人的意志和控制D.自動控制裝置的應(yīng)用范圍僅限于工業(yè)自動化答案：A、B解析：本題考查對于自動控制裝置原理的理解。選項(xiàng)A正確，因?yàn)樽詣涌刂蒲b置通常是通過電磁等物理方法實(shí)現(xiàn)控制和反饋機(jī)制；選項(xiàng)B也正確，自動控制裝置可以精確地執(zhí)行預(yù)定程序，不受人的主觀情緒和操作失誤的影響；選項(xiàng)C錯誤，因?yàn)殡m然自動控制裝置本身沒有自主思考的能力，但它可以根據(jù)預(yù)設(shè)的程序和傳感器的反饋進(jìn)行自我調(diào)節(jié)；選項(xiàng)D錯誤，因?yàn)樽詣涌刂蒲b置的應(yīng)用范圍非常廣泛，不僅限于工業(yè)自動化，還廣泛應(yīng)用于航空航天、交通管理、家用電器等領(lǐng)域。故正確答案是A、B。三、非選擇題（前4題每題10分，最后一題14分，總分54分）第一題請根據(jù)以下條件，設(shè)計一個簡單的自動控制裝置，并簡要說明其工作原理：1.需要控制的對象是一個開關(guān)，當(dāng)開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時，控制裝置應(yīng)該使其自動打開；當(dāng)開關(guān)處于打開狀態(tài)時，控制裝置應(yīng)該使其自動關(guān)閉。2.控制裝置需要使用一個溫度傳感器，當(dāng)環(huán)境溫度高于設(shè)定值時，控制裝置應(yīng)該使開關(guān)關(guān)閉；當(dāng)環(huán)境溫度低于設(shè)定值時，控制裝置應(yīng)該使開關(guān)打開。3.控制裝置需要使用一個繼電器作為執(zhí)行器，當(dāng)控制裝置輸出信號時，繼電器應(yīng)該吸合，從而控制開關(guān)的狀態(tài)。答案：1.設(shè)計方案：（1）將溫度傳感器放置在需要監(jiān)測的環(huán)境中。（2）連接溫度傳感器到微控制器（如Arduino）的A/D轉(zhuǎn)換接口。（3）連接繼電器的控制線到微控制器的數(shù)字輸出端口。（4）編寫微控制器的程序，實(shí)現(xiàn)以下功能：讀取溫度傳感器的值。根據(jù)設(shè)定溫度值判斷開關(guān)狀態(tài)。根據(jù)判斷結(jié)果，輸出控制信號給繼電器，控制開關(guān)狀態(tài)。2.工作原理：當(dāng)溫度傳感器檢測到環(huán)境溫度高于設(shè)定值時，微控制器輸出低電平信號給繼電器，繼電器吸合，開關(guān)關(guān)閉。當(dāng)環(huán)境溫度低于設(shè)定值時，微控制器輸出高電平信號給繼電器，繼電器斷開，開關(guān)打開。通過這種自動控制，可以實(shí)現(xiàn)對開關(guān)狀態(tài)的自動調(diào)節(jié)。解析：本題要求設(shè)計一個簡單的自動控制裝置，需要考慮溫度傳感器、微控制器和繼電器三個部分。溫度傳感器用于檢測環(huán)境溫度，微控制器用于處理溫度信息并輸出控制信號，繼電器用于執(zhí)行開關(guān)的打開和關(guān)閉操作。通過編寫微控制器的程序，實(shí)現(xiàn)溫度與開關(guān)狀態(tài)之間的自動控制，從而完成題目要求。在設(shè)計過程中，需要注意溫度傳感器的放置位置、微控制器的接口連接以及程序的編寫，以確保控制裝置能夠正常工作。第二題題目：設(shè)計一個基于傳感器的自動控制裝置，用于控制一個房間的照明系統(tǒng)。當(dāng)房間內(nèi)有人時，燈應(yīng)自動開啟；當(dāng)房間內(nèi)沒有人時，燈應(yīng)自動關(guān)閉。請詳細(xì)描述你的設(shè)計方案，并說明所使用傳感器及其原理。答案：設(shè)計方案：1.輔助設(shè)備和原理：運(yùn)動傳感器：用于檢測是否有人進(jìn)入房間。當(dāng)紅外、人體熱信號、動態(tài)光線或聲音出現(xiàn)時，傳感器輸出信號。微控制單元（MCU，如Arduino）：作為整個裝置的“大腦”，負(fù)責(zé)讀取傳感器的數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要控制燈光。燈光開關(guān)：用于控制燈的開關(guān)狀態(tài)。本方案使用繼電器來實(shí)現(xiàn)燈的控制，因?yàn)槔^電器可以接通或斷開電路，從而控制電源到燈泡流動。2.硬件布置：運(yùn)動傳感器安裝在房間的入口附近，確保能夠檢測到進(jìn)入或離開房間的人。燈光開關(guān)安裝在可行的位置，既可以是墻壁開關(guān)的位置，也可以是隨傳感器一起放在入口附近的位置，以減少電線的使用。3.程序設(shè)計：傳感器連接到MCU的輸入端。燈光連接到MCU控制的繼電器。運(yùn)動傳感器檢測到有活動信號（即人出現(xiàn)），則向MCU發(fā)送信號。MCU接收到信號后，檢測是否有足夠的活動持續(xù)時間（以避免瞬時運(yùn)動導(dǎo)致的誤判斷），例如，如果檢測到活動長達(dá)30秒，則認(rèn)為有人進(jìn)入了房間，啟動燈。沒有活動信號持續(xù)5分鐘（為了防止瞬間的動作導(dǎo)致的被執(zhí)行運(yùn)行），則認(rèn)為房間為空，MCU關(guān)閉燈。解析：此設(shè)計利用了運(yùn)動傳感器（光傳感器、紅外傳感器等），能夠感知移動的生物發(fā)出的熱量、光線或動作。當(dāng)有明顯的動作時，將發(fā)出特定信號，通知MCU。MCU會通過編程，根據(jù)接收到的信號判斷是否有人進(jìn)入房間，并控制繼電器控制燈光是否打開。此方案不僅實(shí)用，還考慮到了這方面設(shè)計的合理性，因?yàn)椴粌H在有人時自動照明，更重要的是避免了在無人時不必要的能源消耗。此外，5分鐘的延遲關(guān)閉設(shè)計可以進(jìn)一步防止不必要的開關(guān)切換，滿足環(huán)保節(jié)能的要求。第三題題目：請設(shè)計一個簡單的自動控制裝置，用于保持一個物體在特定高度上上下移動。要求該裝置能夠在物體到達(dá)預(yù)定高度時自動啟動，并在物體離開預(yù)定高度時自動停止。請描述裝置的原理、主要組成部分以及工作過程?！敬鸢浮吭O(shè)計原理：1.利用重力或電機(jī)驅(qū)動力使物體在水平軌道上運(yùn)動。2.通過限位開關(guān)控制電機(jī)的啟停，保證物體在預(yù)定高度上運(yùn)動。主要組成部分：1.物體：用于被控制。2.水平軌道：物體在其上運(yùn)動。3.限位開關(guān)：用于控制電機(jī)啟停。4.電機(jī)：驅(qū)動物體上下移動。5.電源：為電機(jī)提供電能。工作過程：（1）當(dāng)物體靜止在起始位置時，限位開關(guān)處于閉合狀態(tài)，電機(jī)未啟動。（2）啟動電機(jī)，使物體在水平軌道上向上運(yùn)動。（3）當(dāng)物體到達(dá)預(yù)定高度時，限位開關(guān)分離，電機(jī)停止工作，物體停止上升。（4）物體在預(yù)定高度停留一段時間后，限位開關(guān)重新閉合，電機(jī)重新啟動，物體開始向下運(yùn)動。（5）當(dāng)物體離開預(yù)定高度時，限位開關(guān)再次分離，電機(jī)停止工作，物體停止下降。【解析】1.本題考查對自動控制裝置原理及工作過程的掌握。2.要求學(xué)生describle裝置的原理、主要組成部分及工作過程，體現(xiàn)了對學(xué)生綜合運(yùn)用知識的能力的考察。3.設(shè)計過程中，學(xué)生需要運(yùn)用物理知識，如重力、電機(jī)驅(qū)動力、限位開關(guān)等，將這些知識綜合運(yùn)用到實(shí)際裝置的搭建中。4.學(xué)生在解答過程中，需要注重邏輯性，確?；卮鹎逦?zhǔn)確。第四題題目：設(shè)計一個簡單的自動控制裝置，實(shí)現(xiàn)當(dāng)溫度超過設(shè)定值時，能夠自動關(guān)閉加熱器。請說明裝置的組成、工作原理和設(shè)計步驟。答案：一、裝置組成：1.溫度傳感器：用于檢測環(huán)境溫度。2.控制器：用于接收溫度傳感器的信號，并控制加熱器的開關(guān)。3.加熱器：用于加熱環(huán)境，當(dāng)溫度低于設(shè)定值時，加熱器工作；當(dāng)溫度超過設(shè)定值時，加熱器停止工作。4.電源：為整個裝置提供能源。二、工作原理：1.溫度傳感器將環(huán)境溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號。2.控制器接收溫度傳感器的信號，并與預(yù)設(shè)的溫度值進(jìn)行比較。3.當(dāng)環(huán)境溫度低于預(yù)設(shè)值時，控制器輸出信號，使加熱器工作，加熱環(huán)境。4.當(dāng)環(huán)境溫度超過預(yù)設(shè)值時，控制器輸出信號，使加熱器停止工作，實(shí)現(xiàn)自動控制。三、設(shè)計步驟：1.選擇合適的溫度傳感器和控制器，確保其性能滿足設(shè)計要求。2.設(shè)計溫度傳感器的安裝位置，確保能夠準(zhǔn)確檢測環(huán)境溫度。3.設(shè)計控制器的電路，包括信號處理、比較、輸出等模塊。4.設(shè)計加熱器的安裝位置，確保其能夠有效加熱環(huán)境。5.進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，調(diào)整控制器參數(shù)，使裝置能夠在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。解析：本題目考察了學(xué)生對自動控制裝置的理解和應(yīng)用。在解答過程中，學(xué)生需要明確裝置的組成、工作原理和設(shè)計步驟。首先，要了解溫度傳感器、控制器、加熱器和電源等組成部分的作用。其次，要掌握工作原理，即溫度傳感器檢測環(huán)境溫度，控制器根據(jù)預(yù)設(shè)溫度值控制加熱器的工作狀態(tài)。最后，要熟悉設(shè)計步驟，包括選擇合適的元器件、設(shè)計電路、安裝和調(diào)試等。通過本題目的解答，學(xué)生可以加深對自動控制裝置的認(rèn)識，提高解決實(shí)際問題的能力。第五題設(shè)計一個簡單的自控裝置，用于自動澆灌植物。題意要求：1.原理：你需要根據(jù)物理學(xué)中的一個基本