資源簡介

(共50張PPT)
活動一
探究電熱水壺
系統中的控制過程
（黔科版）四年級
01
教學目標
02
課堂導入
03
學習目標
04
考察電熱水壺燒水的控制過程
05
探究電熱水壺的保溫控制過程
06
拓展延伸
07
課堂小結
08
板書設計
01
教學目標
1、信息意識：能夠掌握如何識別和獲取相關信息，如電熱水壺的工作原理、溫度控制機制等。
2、計算思維：能夠掌握優化加熱效率。學會使用基本原理來解決問題和設計系統。
3、數字化學習與創新：能夠使用數字工具和技術來探索電熱水壺系統，從而促進創新思維的發展。
4、信息社會責任：能夠使用技術創新減少這些負面影響。這有助于培養學生的社會責任感和可持續發展的意識。
前面單元中，我們嘗試對控制系統進行逐層分解，認識了子系統和組成系統的各個模塊。接下來，我們將一起來探究在控制系統中增加反饋后的變化。
為什么空調啟動后，可以讓室內溫度保持在設定的溫度上下
02
課堂導入
為什么冰箱啟動后，冷藏室的溫度也能保持在設定的溫度左右呢
是反饋的
作用。
03
學習目標
了解反饋是控制的重要手段。
初步了解反饋對系統優化的作用。
小茗的爺爺想讓小茗幫忙在網上訂購一個電熱水壺。小茗上網瀏覽時，發現有兩款電熱水壺(圖3-1-1)，一款只能燒開水，另一款不僅能燒開水，還具有自動保溫功能，小茗建議爺爺購買具有保溫功能的電熱水壺。那么，這兩款電熱水壺分別是怎樣工作的 控制過程有何區別 讓我們來一探究竟吧。
04
課堂導入
圖 3-1-1
04
課堂導入
你將學到
★開環控制系統和閉環控制系統有什么區別
★反饋是如何影響控制過程的
★反饋的作用是什么
活動向導
1.考察電熱水壺燒水的控制過程
2.探究電熱水壺的保溫控制過程
知識拓展
04
課堂導入
05
考察電熱水壺燒水的控制過程
用電熱水壺燒水時,將其接通電源后撥動開關，此時指示燈亮起，水壺底座中的加熱元件(發熱管)開始加熱。水燒開沸騰后，電熱水壺的開關會自動斷開，停止加熱。使用者不需要時刻在旁照看，十分方便，如圖 3-1-2所示。
圖 3-1-2
05
考察電熱水壺燒水的控制過程
從電熱水壺燒水的工作過程來看，開關、控制電路和發熱管這三個核心部件共同協作，構成了電熱水壺的燒水加熱控制系統，它是電熱水壺控制系統的一個子系統。這個子系統可以用一個控制系統框圖來表示:輸入為開關，輸出為水溫的升高，兩者之間是控制電路和發熱管，如圖 3-1-3 所示。
圖 3-1-3
05
考察電熱水壺燒水的控制過程
小貼士
控制系統框圖能準確地表達系統的功能、構成和信號傳遞方向。
被控對象是指所要控制的設備、裝置或生產過程。
05
考察電熱水壺燒水的控制過程
從圖中可以發現，輸入到輸出是單向的，且輸出(水溫升高)不會反過來影響或改變系統的輸入(電源)。這種控制系統被稱為開環控制系統。
05
考察電熱水壺燒水的控制過程
想一想
燒開一壺冷水，和燒開半壺冷水花費的計間一樣嗎
一、熱量的需求
全壺水：需要將整壺水的初始溫度加熱到沸點（通常是100°C），這需要更多的熱量。
半壺水：只需要加熱一半的水量到沸點，因此所需的總熱量較少。
所以：燒開一壺冷水和半壺冷水所需的時間是不同的，半壺水通常會更快燒開，因為它需要較少的熱量來達到沸點。這一現象體現了物理學中的能量守恒和熱傳導原理。
05
考察電熱水壺燒水的控制過程
想一想
燒開一壺冷水和燒開一壺 40℃的溫水，花費的時間一樣嗎
一、熱量的需求
冷水：需要將整壺水的初始溫度加熱到沸點（通常是100°C），這需要更多的熱量。
40°C的溫水：只需要將水的溫度從40°C加熱到100°C，因此所需的總熱量較少。
所以：燒開一壺冷水和一壺40°C的溫水所需的時間是不同的，40°C的溫水通常會更快燒開，因為它需要較少的熱量來達到沸點。這一現象體現了物理學中的能量守恒和熱傳導原理。
05
考察電熱水壺燒水的控制過程
科學園地
開環控制系統及其特點
開環控制系統是一種輸入單向控制輸出的控制系統。其控制系統框圖如圖 3-1-4 所示。
圖 3-1-4
05
考察電熱水壺燒水的控制過程
科學園地
可以看出，開環控制系統從輸入開始，通過一個環節指向下一個環節，最終輸出，沒有反饋回路。輸入單向控制輸出，輸出結果對系統的控制沒有影響。例如，按下開關，電燈就亮起。按下開關的瞬間，控制活動就結束了，燈是否亮起都不會影響按開關這個活動。
05
考察電熱水壺燒水的控制過程
科學園地
開環控制系統的優點是系統設計相對簡單，缺點是容易受到外界干擾因素的影響。例如，水量和初始水溫不同，會導致同一電熱水壺把水燒開的時間也不同。
05
考察電熱水壺燒水的控制過程
你知道嗎？
電熱水壺燒水過程中，負責水燒開自動斷電的是一個子系統，即水燒開斷電控制系統，其工作原理是:當水溫上升到100℃時，水開始沸騰，產生的水蒸氣通過手柄里的蒸汽管進行熱傳導，沖擊手柄內的蒸汽開關。蒸汽開關內部有一個蒸汽感溫元件，它是一個蝶形雙金屬片受熱時會發生變形，推開開關觸點，從而切斷電源停止加熱，如圖3-1-5所示。這是電熱水壺的第一重安全保護機制，另外還有防于燒控制系統和熔斷保護控制系統兩重保護機制。
圖3-1-5
05
考察電熱水壺燒水的控制過程
想一想
水燒開斷電控制系統是開環控制系統嗎
一、水燒開斷電控制系統不是開環控制系統，而是閉環控制系統。
開環控制系統與閉環控制系統最主要的區別在于是否包含反饋環節。開環系統沒有反饋機制，即輸出量不會對輸入產生影響；而閉環系統則通過反饋機制，使輸出能夠影響輸入，從而實現更精確的控制。在電熱水壺的燒開斷電控制系統中，當水溫達到設定值時，系統會自動斷電，這一過程涉及到溫度的實時監測和反饋控制，顯然屬于閉環控制。
05
考察電熱水壺燒水的控制過程
數字化學習
上網了解防于燒控制系統和熔斷保捫控制系統的原理。
一、 防干燒控制系統：其原理主要基于溫度傳感器和控制電路的協同工作。當電熱水壺中的水位低于安全閾值時，溫度傳感器會檢測到異常溫度（通常是快速上升的溫度），并將這一信號傳遞給控制電路。控制電路接收到信號后，會立即切斷加熱元件的電源，以防止因無水干燒而損壞設備或引發安全事故。
二、熔斷保護控制系統：熔斷保護控制系統是一種用于保護電器免受過載或短路損害的安全措施。其核心部件是熔斷器，通常由易熔金屬制成，并串聯在電路中。當電路中的電流超過熔斷器的額定值時，易熔金屬會迅速熔化，從而切斷電流，防止電路過載或短路引發的火災等危險
05
考察電熱水壺燒水的控制過程
做一做
電風扇是生活中一種常見的電器，接通電源，使用調速開關選擇轉速，電風扇就會按選擇的轉速大小運行，使空氣加速流通。電機是電風扇的執行器，感應磁鐵構成的控制電路是控制器，如圖 3-1-6所示。
圖3-1-6
05
考察電熱水壺燒水的控制過程
做一做
(1)想一想，電風扇是開環控制系統嗎 分析電風扇工作過程。并畫出它的控制系統框圖。
電風扇是開環控制系統
05
考察電熱水壺燒水的控制過程
做一做
(2)說說電風扇的工作過程受哪些干擾因素影響
一、 電動機磨損：長時間使用后，電動機的軸承可能會磨損，導致轉速下降或產生噪音。
二、電源波動：家庭電網中的電壓波動可能會影響電動機的轉速和穩定性。
三、灰塵積累：風扇葉片和電動機上的灰塵積累會影響散熱效果和轉動效率。
四、環境溫度：高溫環境可能加速電動機的磨損，降低其效率。
五、濕度：高濕度可能導致電動機部件生銹或腐蝕。
六、空氣質量：空氣中的塵埃和污染物可以積聚在風扇葉片上，影響其旋轉。
05
考察電熱水壺燒水的控制過程
做一做
(3)尋找生活中其他開環控制系統，在全班分享。
一、 定時器控制的設備：如廚房定時器、洗衣機的定時功能等，用戶設定時間后，設備會在設定時間結束時停止工作，不需要根據實際完成情況調整。
二、手動開關控制的燈光：當用戶打開或關閉燈光時，沒有反饋機制來調整燈光的狀態。
三、簡單的機械裝置：如水龍頭、門鎖等，它們的操作不依賴于任何形式的反饋來調整其狀態。
四、一次性使用的設備：如煙花、爆竹等，一旦啟動就會按照預定的程序運行，不會因為外界因素而改變其行為。
05
考察電熱水壺燒水的控制過程
知識拓展
開環控制系統和閉環控制系統有什么區別
一、開環控制系統：
在開環系統中，控制器根據輸入信號直接控制輸出，沒有反饋環節。
輸入信號經過控制器處理后直接作用于被控對象，產生輸出。
二、閉環控制系統：
閉環系統則包含一個反饋環節，將輸出信號的一部分或全部回送到控制器輸入端，與期望值進行比較。比較結果（即誤差信號）用于調整控制器的輸出，以減小或消除輸出偏差。
05
考察電熱水壺燒水的控制過程
知識拓展
反饋是如何影響控制過程的
一、誤差檢測與修正：
反饋機制首先檢測輸出與期望值之間的差異（即誤差）。
控制器根據誤差信號調整其輸出，以減小或消除誤差。
二、系統穩定性與魯棒性：
負反饋有助于提高系統的穩定性，因為它能夠抑制擾動和噪聲的影響。
閉環系統通常比開環系統更具魯棒性，能夠更好地應對外部環境和內部參數的變化。
06
探究電熱水壺的保溫控制過程
小茗推薦爺爺購買的是具有保溫功能的電熱水壺，既能燒水，又能保溫。用戶可以預設期望的水溫，如82℃。水燒開后，撥動單獨的保溫開關，可啟動電熱水壺的保溫控制系統。保溫控制系統主要包含溫度傳感器、溫控器和保溫發熱管等模塊。溫度傳感器持續檢測當前實際水溫，當水溫降低，當前水溫與預設期望水溫之間存在偏差時，溫控器會發出信號，指揮保溫發熱管對水進行加熱。
06
探究電熱水壺的保溫控制過程
經過加熱，當水溫上升，當前水溫與預設期望水溫之間偏差消除時，溫控器會發出另一種信號， 指揮保溫發熱管停止對水加熱。其控制框圖如圖3-1-7所示。
圖3-1-7
06
探究電熱水壺的保溫控制過程
可以發現，該控制系統除了有一個前向的控制通路，還有一個從輸出(實際水溫)通過溫度傳感器反饋回輸入端的反饋回路。它們共同控制著是否加熱使實際水溫維持在設定的期望溫度附近，即水溫的變化處于一個相對穩定的狀態，使電熱水壺能應對外界環境的影響，實現保溫效果。這種具有反饋回路的控制系統，稱為閉環控制系統。
06
探究電熱水壺的保溫控制過程
水溫差=期望水溫一實時水溫
為了減少電熱水壺頻繁加熱的次數，可以給水溫差設定一個偏移范圍，例如期望水溫設定為82℃，偏移范圍為2℃。在保溫狀態下，水溫差大于偏移范圍，即實時水溫低于80℃后才會自動加熱。
小貼士
06
探究電熱水壺的保溫控制過程
閉環控制系統與反饋
閉環控制系統是輸出量通過檢測裝置反饋給輸入環節，并對控制過程產生影響的控制系統，又稱為反饋控制系統。其控制系統框圖如圖 3-1-8 所示。
科學園地
圖 3-1-8
06
探究電熱水壺的保溫控制過程
閉環控制系統的輸入會影響輸出，同時輸出通過反饋又影響著輸入。反饋是系統實現穩態或優化的重要手段。例如，當手機開啟了“亮度自動調節”功能后,屏幕會通過光敏傳感器自動檢測周圍環境光強弱指導調節屏幕亮度，從而使用戶的眼睛感覺舒適。這體現了反饋的優化作用。
科學園地
06
探究電熱水壺的保溫控制過程
在工業生產中，常使用閉環控制系統對被控制量(如溫度、流量、濃度等)進行自動控制，使其接近給定值或保持在給定范圍內，以提高產品質量，減少生產過程中的能耗，從而提高生產效率。
科學園地
06
探究電熱水壺的保溫控制過程
1、用兩種方式玩一個雙簧畫圖游戲，A同學露出頭，能眼觀八方、但不能使用手;B同學躲在A同學身后，不能看，但可以伸出雙手在A同學身前的黑板上畫圖。請兩組同學(每組兩人)配合完成一幅簡易圖，如房子。
第一組:畫圖過程中，A同學不能說話提示，
第二組:畫圖過程中，A 同學能說話提示。
做一做
06
探究電熱水壺的保溫控制過程
做一做
(1)哪一組同學在雙簧畫圖游戲中的畫圖成功率更高一點 為
什么
一、成功率分析
第一組：由于A同學不能說話提示，B同學只能依靠自己的理解和猜測來完成畫作，這可能導致畫作與預期有較大偏差，成功率相對較低。
第二組：A同學可以說話提示，這使得B同學能夠更準確地理解A的意圖，從而更精確地完成畫作，成功率相對較高。
06
探究電熱水壺的保溫控制過程
做一做
(2)第一組和第二組可以分別類比為哪一種控制系統，開環控制系統還是閉環控制系統
一、類比控制系統
第一組：可以類比為開環控制系統。在這個系統中，沒有反饋環節，B同學（執行器）直接根據A同學（控制器）的初始指令進行操作，無法根據實際情況調整動作。
第二組：可以類比為閉環控制系統。在這個系統中，A同學（控制器）通過觀察B同學（執行器）的動作（即反饋），并給出相應的提示（即控制信號），以調整B同學的動作，使系統達到期望的狀態。
06
探究電熱水壺的保溫控制過程
做一做
(3)在第二組游戲中，A 同學的眼睛、大腦、嘴巴、B 同學的手可以類比為控制系統框圖中的哪些部件
一、類比控制系統框圖中的部件
A同學的眼睛：可以類比為傳感器，負責收集外部信息（即觀察B同學的動作）。
A同學的大腦：可以類比為控制器，負責處理收集到的信息，并做出決策（即給出提示）。
A同學的嘴巴：可以類比為輸出接口，將控制器的決策（即提示）傳達給B同學（執行器）。
B同學的手：可以類比為執行器，負責執行控制器的指令（即根據A同學的提示進行畫圖）。
06
探究電熱水壺的保溫控制過程
2、日常生活中有著各式各樣的臺燈，有的臺燈只具備開關功能，有的臺燈除了具備開關功能外，還可以通過旋鈕或者觸摸按鍵調節亮度有的臺燈甚至可以根據周圍環境光的變化自動調節亮度，實時匹配最佳光線。請分析以上各種臺燈是否具有閉環控制系統，并嘗試畫出它們的控制系統框圖。
做一做
不具備閉環控制系統，這種臺燈只有開關兩種狀態，沒有反饋機制來調整輸出（即燈光亮度）。
06
探究電熱水壺的保溫控制過程
我國的天問一號火星探測器在著陸過程中，會受到火星大氣環境等未知因素的影響，要進行實時高精度導航非常困難。由于火星與地球距離遙遠，探測器與地球之間存在至少10分鐘的通信延遲，這意味著探測器著陸時可能與地球“失去聯系”，一旦失去控制就將撞毀在火星表面。因此，探測器必須在著陸階段具有自主導航、控制和規避障礙的能力。
你知道嗎？
06
探究電熱水壺的保溫控制過程
在科研人員的努力下，探測器在著陸階段利用光學相機獲取火星表面圖像，提取星表特征點、隕石坑、山脊、溝壑等作為導航標志，通過跟蹤這些特征并結合慣性導航信息，對自己的位置、速度、姿態等進行實時估算，從而完成精確著陸，如圖3-1-9所示。
你知道嗎？
圖3-1-9
06
分析以下哪些例子存在閉環控制系統，在相應的選項前打鉤，并簡要說明。嘗試畫出其控制系統框圖。
挑戰時刻

探究電熱水壺的保溫控制過程
√
聲音發聲：當按下門鈴按鈕時，按鈕上的電路會產生射頻信號，該信號通過天線發射出去。門鈴主機內置揚聲器，將接收到的電信號轉化為聲音信號。
05
探究電熱水壺的保溫控制過程
知識拓展
反饋是如何影響控制過程的
一、提高系統穩定性：負反饋可以有效提高系統的穩定性，使系統輸出更加穩定可靠。
二、降低失真和噪聲：負反饋能夠減小放大器的非線性失真和內部噪聲，從而提高輸出信號的質量和純度。
三、擴展頻帶寬度：引入負反饋可以展寬放大器的通頻帶，使放大器對不同頻率的信號具有更好的響應能力。
07
拓展延伸
1、開環和閉環控制的區別
07
拓展延伸
2、生活中還有哪些開環和閉環控制實例呢？
(1)烤箱烤面包：用戶設置時間和溫度后，烤箱按照預設規律加熱，不考慮面包的實際烘烤狀態。
（2）倒水：用戶根據水杯的大小和傾斜角度控制水流量，不會考慮水的密度、溫度等外部因素。
（3）電視遙控器：按下遙控器按鍵后，電視接收信號并執行相應操作，不反饋當前操作效果。
（4）飲水機：按下按鈕后，飲水機會按照預設規律出水，不檢測用戶是否已接滿水杯。
07
拓展延伸
3、開環和閉環給我們生活帶來了哪些好處？
(1) 提高系統穩定性：閉環控制系統通過負反饋機制不斷調整輸出，使系統更加穩定可靠。
（2）降低失真和噪聲：閉環控制系統能夠減小放大器的非線性失真和內部噪聲，提高輸出信號質量。
（3）擴展頻帶寬度：引入負反饋可以展寬系統的通頻帶，使其對不同頻率的信號具有更好的響應能力。
（4）改變輸入輸出電阻：閉環控制系統可以根據需要改變輸入電阻和輸出電阻，以滿足特定電路的需求
07
拓展延伸
4、我們如何學好開環和閉環控制？
(1) 理解開環和閉環控制系統的基本概念和原理是關鍵。這包括了解它們的結構、工作原理、優缺點以及應用場景。
（2）通過實際案例分析來加深理解。觀察身邊的開環和閉環控制系統實例，如自動燈光控制系統、恒溫器、自動洗衣機等，分析它們的工作過程和控制方式。
（3）進行實踐操作。如果條件允許的話，可以嘗試搭建簡單的開環和閉環控制系統模型，通過實際操作來體驗它們的控制過程和效果。
（4）多做練習題和模擬實驗。通過解決具體問題來鞏固所學知識，提高應用能力。
08
課堂小結
《探究電熱水壺系統中的控制過程》課程小結： 了解了反饋機制的重要性。沒有反饋的系統就像是盲目行動，很容易出錯。比如，如果電熱水壺沒有溫控器，一旦水燒開了就可能會繼續加熱，甚至引發危險。而有了反饋機制，系統就能及時調整自己的行為，保證安全和效率。我們用一個簡單的電路模擬了電熱水壺的工作過程，通過調節電阻來模擬不同的水溫，觀察系統的響應。這個實驗讓我們直觀地看到了開環和閉環控制的區別。
09
板書設計
探究電熱水壺系統中的控制過程
一、考察電熱水壺燒水的控制過程
二、探究電熱水壺的保溫控制過程
課后作業
1、在父母的陪同下，網絡上搜索有哪些常見的閉環控制系統，選擇一個閉環控制系統的電器并畫出系統控制框圖。
https：//www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

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