2018-2019學(xué)年高中物理 第三章 傳感器 3 生活中的傳感器 4 簡單的光控和溫控電路（選學(xué)）學(xué)案 教科版選修3-2

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1、 3．生活中的傳感器 4．簡單的光控和溫控電路(選學(xué)) 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識 脈 絡(luò) 1.了解傳感器在洗衣機、電冰箱、家用報警器中的應(yīng)用．(重點) 2.了解簡單的光控和溫控電路的工作原理及敏感元件所起的作用．(重點) 3.理解傳感器的工作原理及敏感元件所起的作用．(難點) 4.自己設(shè)計簡單的自動控制電路．(難點) [自 主 預(yù) 習(xí)·探 新 知] [知識梳理] 一、生活中的傳感器 1．洗衣機中的傳感器 全自動洗衣機已經(jīng)實現(xiàn)利用傳感器和電腦技術(shù)對洗滌全過程進行檢測和控制．近年來的模糊洗衣機中的傳感器大致有以下幾類：水位傳感器、負載量傳感器、水溫傳感器、布質(zhì)傳感器、洗

2、滌粉傳感器、臟污程度傳感器、脫水(壓電)傳感器，這些傳感器收集到的信息，經(jīng)微電腦綜合推理判斷后，執(zhí)行最佳的工作程序． 2．電冰箱中的傳感器 電冰箱主要由制冷系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分組成．控制系統(tǒng)主要包括：溫度自動控制、除霜溫度控制、過熱及過電流保護等． 3．家用報警器 (1)居家生活中，煤氣泄漏會危及人身安全，需要加以防范．我們可以利用氣敏元件制作有害氣體報警器和可燃氣體報警器． (2)有一種敲擊防盜報警器，它利用壓電式傳感器對門窗玻璃損毀產(chǎn)生反應(yīng)，形成對報警裝置的啟動．還有一種沖擊防盜報警器，由沖擊傳感器和執(zhí)行電路兩部分組成． 4．傳感器與人的感官 (1)光傳感器和由它制成的錄像

3、頭和監(jiān)控探頭，可以類比人的眼睛． (2)對有毒有害氣體進行監(jiān)控的化學(xué)和生物傳感器，相當(dāng)于人的鼻和舌等嗅覺、味覺器官． (3)力學(xué)和振動傳感器，以及溫度傳感器可以認為相當(dāng)于人的觸覺器官，如手、足、皮膚等． (4)聲傳感器相當(dāng)于人的耳朵．在有些探測活動中，傳感器可以比人靈敏，或者可以報告更準(zhǔn)確的結(jié)果，傳感器確實有“過人”之處． 二、簡單的光控和溫控電路 1．光控自動照明電路 (1)電路原理圖(如圖3-3-1所示) 圖3-3-1 (2)功能 利用光敏電阻作控制元件從而通過光線來實現(xiàn)自動控制，使電路在天亮?xí)r自動切斷，天黑時自動導(dǎo)通． (3)調(diào)試 將光敏電阻用黑紙包住使它不被光

4、照亮，如果發(fā)光二極管不亮，則調(diào)節(jié)電位器R1，直到發(fā)光二極管發(fā)光為止．然后將包裹光敏電阻的黑紙打開，看它是否熄滅，如果此時發(fā)光二極管不熄滅，則再調(diào)節(jié)電位器．反復(fù)使光敏電阻遮光或見光，直到可以實現(xiàn)發(fā)光二極管在光敏電阻有光照時熄滅，無光照時發(fā)光為止．此時發(fā)光二極管就相當(dāng)于一個由環(huán)境明暗變化而自動控制的燈． 2．溫控電熨斗 (1)電路原理圖(如圖3-3-2所示) 圖3-3-2 (2)功能 利用熱敏電阻作控制元件，從而使電熨斗的溫度在低于指定值時，電熱器供電加熱，否則將電源關(guān)閉． (3)調(diào)試 室溫下，如果發(fā)光二極管不亮，則調(diào)節(jié)電位器R1，直到發(fā)光二極管發(fā)光為止．然后將電烤燈通電并靠近熱

5、敏電阻加熱，看它是否熄滅，如果此時發(fā)光二極管不熄滅，則再調(diào)節(jié)電位器．反復(fù)將電烤燈靠近或遠離熱敏電阻，直到可以實現(xiàn)發(fā)光二極管在熱敏電阻溫度升高時熄滅，正常室溫時發(fā)光為止． [基礎(chǔ)自測] 1．思考判斷 (1)通常的傳感器可以直接用來進行自動控制． (×) (2)傳感器可以用來采集信息． (√) (3)傳感器可以將感受到的一些信號轉(zhuǎn)換為電學(xué)量． (√) (4)洗衣機的脫水傳感器是根據(jù)溫度變化控制脫水動作的． (×) (5)電冰箱是利用溫度傳感器自動控溫的． (√) 2．(多選)電冰箱主要由制冷系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分組成，在控制系統(tǒng)中，傳感器起著非常重要的作用．關(guān)于電冰箱中的傳感器，

6、下列說法正確的是(　　) A．電冰箱中的溫控器是由溫度傳感器控制的 B．電冰箱中的溫控器是由濕度傳感器控制的 C．電冰箱由溫度傳感器控制制冷壓縮機的啟動與停止 D．電冰箱由溫度傳感器控制除霜溫控器的啟動與停止 ACD　[電冰箱中溫度控制系統(tǒng)主要是溫度傳感器，與濕度無關(guān)．] 3.如圖3-3-3所示為小型電磁繼電器的構(gòu)造示意圖，其中L為含鐵芯的線圈．P為可經(jīng)O點轉(zhuǎn)動的鐵片，K為彈簧，S為一對觸頭，A、B、C、D為四個接線柱．電磁繼電器與傳感器配合，可完成自動控制的要求．其工作方式是(　　) 圖3-3-3 A．A與B接信號電壓，C與D可跟被控電路串聯(lián) B．A與B接信號電壓，C與

7、D可跟被控電路并聯(lián) C．C與D接信號電壓，A與B可跟被控電路串聯(lián) D．C與D接信號電壓，A與B可跟被控電路并聯(lián) A　[由圖可知A、B是電磁繼電器線圈，所以A、B應(yīng)接信號電壓，線圈隨信號電壓變化使電磁繼電器相吸或排斥，從而使C、D接通或斷開，進而起到控制作用．所以選項A正確．] [合 作 探 究·攻 重 難] 傳感器的應(yīng)用 1.傳感器問題的分析思路 物理傳感器是將所感受的物理量(如力、熱、光等)轉(zhuǎn)換為便于測量的電學(xué)量的器件．我們可以把傳感器的應(yīng)用過程分為三個步驟： ?? 2．分析傳感器問題的四點注意 感受量 分析 要明確傳感器所感受的物理量，如力、熱、光、磁、聲等

8、輸出信號分析 明確傳感器的敏感元件，分析它的輸入信號及輸出信號，以及輸入信號與輸出信號間的變化規(guī)律 電路結(jié)構(gòu)分析 認真分析傳感器所在的電路結(jié)構(gòu)，在熟悉常用電子元件工作特點的基礎(chǔ)上，分析電路輸出信號與輸入信號間的規(guī)律 執(zhí)行機構(gòu)工作分析 傳感器的應(yīng)用，不僅包含非電學(xué)量如何向電學(xué)量轉(zhuǎn)化的過程，還包含根據(jù)所獲得的信息控制執(zhí)行機構(gòu)進行工作的過程 　如圖3-3-4所示為某種電冰箱內(nèi)溫度控制器的結(jié)構(gòu)．銅制的測溫泡1、細管2和彈性金屬膜盒3連通成密封系統(tǒng)，里面充有氯甲烷和它的蒸氣，構(gòu)成了一個溫度傳感器．膜盒3為扁圓形(圖中顯示它的切面)，右表面固定，左表面通過小柱體與彈簧片4連接．盒中氣體的壓強增

9、大時，盒體就會膨脹．測溫泡1安裝在冰箱的冷藏室中.5、6分別是電路的動觸點和靜觸點，控制制冷壓縮機的工作．拉簧7的兩端分別連接到彈簧片4和連桿9上．連桿9的下端是裝在機箱上的軸．凸輪8是由設(shè)定溫度的旋鈕(圖中未畫出)控制的，逆時針旋轉(zhuǎn)時凸輪連桿上端右移，從而加大對彈簧7的拉力． 圖3-3-4 (1)為什么當(dāng)冰箱內(nèi)溫度較高時壓縮機能夠自動開始工作，而在達到設(shè)定的低溫后又自動停止工作？ (2)為什么用凸輪可以改變設(shè)定的溫度？ 【解析】　(1)冰箱內(nèi)溫度較高時，密封系統(tǒng)中的壓強增大，盒體膨脹，膜盒3通過小柱體帶動彈簧片4，使動觸點5與靜觸點6接觸，控制壓縮機自動開始工作，而在達到設(shè)定的溫

10、度時彈簧帶動彈簧片4將觸點5、6斷開，使壓縮機停止工作． (2)凸輪逆時針轉(zhuǎn)動會加大連桿9對彈簧7的拉力，該拉力與彈性金屬膜盒3共同控制彈簧片4的運動，而彈簧7上彈力的變化會改變設(shè)定的溫度． 【答案】　見解析 [針對訓(xùn)練] 1．(多選)為了保證汽車車輪在制動時不是完全剎死滑行，而是讓車輪仍有一定的滾動，我們用一個自動檢測車速的傳感器來控制車輪的轉(zhuǎn)動，其原理如圖3-3-5所示(鐵質(zhì)齒輪P與車輪同步轉(zhuǎn)動，右端是一個繞有線圈的磁體)，下列說法正確的是(　　) 圖3-3-5 A．M是一個電流檢測器 B．M是一個定值電阻 C．該傳感器是把運動情況轉(zhuǎn)化為電學(xué)物理量 D．該傳感器是把運

11、動情況轉(zhuǎn)化為力學(xué)物理量 AC　[當(dāng)車輪帶動齒輪轉(zhuǎn)動時，線圈中會有電流，這是由于輪齒靠近線圈時被磁化，使磁場增強，輪齒離開線圈時磁場減弱，磁通量變化使線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電流．將這個電流放大后去控制制動機構(gòu)，可有效地防止車輪被制動抱死．所以，A，C兩項正確．] 2．小強用恒溫箱進行實驗時，發(fā)現(xiàn)恒溫箱的溫度持續(xù)升高，無法自動控制．經(jīng)檢查，恒溫箱的控制器沒有故障．參照圖3-3-6，下列對故障判斷正確的是(　　) 圖3-3-6 A．只可能是熱敏電阻出現(xiàn)故障 B．只可能是溫度設(shè)定裝置出現(xiàn)故障 C．熱敏電阻和溫度設(shè)定裝置都可能出現(xiàn)故障 D．可能是加熱器出現(xiàn)故障 C　[由恒溫箱原理圖可知，若

12、熱敏電阻出現(xiàn)故障或溫度設(shè)定出現(xiàn)故障都會向控制器傳遞錯誤信息，導(dǎo)致控制器發(fā)出錯誤指令，故C正確，A、B錯誤；若加熱器出現(xiàn)故障，只有一種可能，即不能加熱，而題中加熱器一直加熱才會使溫度持續(xù)升高，故D錯誤．] 簡單的光控和溫控電路設(shè)計 求解傳感器控制電路類問題的一般思路 (1)首先明確控制電路的工作原理； (2)然后分清所應(yīng)用的傳感器及其特性； (3)最后結(jié)合電路知識完成設(shè)計． 　在城市街道的路燈用光敏電阻作為傳感器控制路燈電路的開關(guān)，實現(xiàn)自動控制．光敏電阻的阻值隨照射光的強弱而變化，作為簡化模型，可以近似認為，照射光較強(如白天)時電阻幾乎為0；照射光較弱(如黑天)時電阻接近于無窮

13、大．利用光敏電阻作為傳感器，借助電磁開關(guān)，可以實現(xiàn)路燈自動在白天關(guān)閉，黑天打開．電磁開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-3-7所示.1、2兩接線柱之間是勵磁線圈，3、4兩接線柱分別與彈簧片和觸點連接．當(dāng)勵磁線圈中電流大于50 mA時，電磁鐵吸合鐵片，彈簧片和觸點分離，3、4斷開；電流小于50 mA時，3、4接通．勵磁線圈中允許通過的最大電流為100 mA. 圖3-3-7 (1)利用以下器材設(shè)計一個自動控制路燈的電路，畫出電路原理圖． 光敏電阻R1，符號 燈泡L，額定功率40 W，額定電壓36 V，符號 保護電阻R2，符號 電磁開關(guān)，符號 蓄電池E，電壓36 V，內(nèi)阻很??；開關(guān)S，導(dǎo)線若干．

14、 (2)回答下列問題： ①如果勵磁線圈的電阻為200 Ω，勵磁線圈允許加的最大電壓為________V，保護電阻R2的阻值范圍是____________Ω. ②在有些應(yīng)用電磁開關(guān)的場合，為了安全，往往需要在電磁鐵吸合鐵片時，接線柱3、4之間從斷開變?yōu)榻油ǎ疄榇?，電磁開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)如何改造？請結(jié)合本題中電磁開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖說明． 【解析】　(1)電路原理如圖所示． (2)①由題意知，最大電流Im＝100 mA，則 Um＝ImR＝100×10－3×200 V＝20 V 又E＝I(R2＋R) 因50 mA

15、彈簧片右側(cè)移到彈簧片左側(cè)，保證當(dāng)磁鐵吸合鐵片時，3、4之間接通；不吸合時，3、4之間斷開． 【答案】　(1)見解析　(2)①20　160～520?、谝娊馕? (1)分析工作原理時，要理解兩個電路的連接情況，即明確控制電路和工作電路． (2)明確溫度傳感器的原理，因溫度變化，阻值變化，所以要注意結(jié)合閉合電路歐姆定律進行處理. [針對訓(xùn)練] 3．如圖3-3-8甲所示為在溫度為10 ℃左右的環(huán)境中工作的某自動恒溫箱原理簡圖，箱內(nèi)的電阻R1＝20 kΩ、R2＝10 kΩ、R3＝40 kΩ，RT為熱敏電阻，它的電阻隨溫度變化的圖線如圖3-3-8乙所示，a、b端電壓Uab≤0時，電壓鑒

16、別器會令開關(guān)S接觸，恒溫箱內(nèi)的電熱絲發(fā)熱，使箱內(nèi)溫度升高；當(dāng)a、b端電壓Uab>0時，電壓鑒別器會令開關(guān)S斷開，停止加熱，則恒溫箱內(nèi)的溫度可保持在(　　) 甲　　　　　　　　　　　　乙 圖3-3-8 A．10 ℃　　 B．20 ℃　　　C．30 ℃　　　D．45 ℃ C　[由題可知Uab＝0是一個電壓的臨界點，對應(yīng)著開關(guān)S的動作，而開關(guān)的動作對應(yīng)著溫度的上升或下降．由電路圖可知，在R1、R2、R3給定的條件下，熱敏電阻RT的阻值決定了Uab的正負．設(shè)電源負極的電勢為零，則φa＝U，φb＝U，其中U為電源的路端電壓，令φa＝φb，即Uab＝0，則可得＝，代入數(shù)據(jù)得RT＝20 kΩ，由

17、題圖乙得對應(yīng)的溫度為30 ℃，C正確．] 4．傳感器擔(dān)負著信息的采集任務(wù)，在自動控制中發(fā)揮著重要作用，傳感器能夠?qū)⒏惺艿降奈锢砹?如溫度、光、聲等)轉(zhuǎn)換成便于測量的量(通常是電學(xué)量)．例如，熱敏傳感器主要是應(yīng)用了半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻，其阻值隨溫度變化的圖線如圖3-3-9甲所示，圖3-3-9乙是由熱敏電阻Rt作為傳感器制作的簡單自動報警器的線路圖，問： 甲　　　　　　　　　　　　　乙 圖3-3-9 (1)為了使溫度過高時報警鈴響，c應(yīng)接在________(選填“a”或“b”)點． (2)若使啟動報警的溫度提高些，應(yīng)將滑動變阻器滑片P向________(選填“左”或“右”)移動．

18、 (3)如果在調(diào)試報警器達最低報警溫度時，無論如何調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片P都不能使報警器工作，且電路連接完好，各電路元件都能處于工作狀態(tài)，則造成工作電路實際不能工作的原因可能是___________________________ ________________________________________________________. 【解析】　(1)由圖甲可知當(dāng)溫度升高時Rt的阻值減小，通過線圈的電流變大，電磁鐵的磁場變強，對銜鐵的引力變大，可與a點接觸，欲使報警器報警，c應(yīng)接在a點． (2)若使啟動報警的溫度提高些，可使電路的相對電流減小一些，以使得熱敏電阻Rt的阻值減小得更

19、大一些，所以將滑動變阻器滑片P向左移動，增大滑動變阻器接入電路的阻值． (3)在調(diào)試報警器達最低報警溫度時，無論如何調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片P都不能使報警器工作，可能是通過線圈的電流太小，電磁鐵的磁場弱，對銜鐵的引力較小，也可能是彈簧的彈力較大，電磁鐵對銜鐵的引力不能將銜鐵吸引到和a接觸的狀態(tài)，還可能是乙圖電源電壓太低或繼電器線圈匝數(shù)太少． 【答案】　(1)a　(2)左　(3)乙圖中的電源電壓太低或繼電器線圈匝數(shù)太少或彈簧勁度系數(shù)太大(任選一條) [當(dāng) 堂 達 標(biāo)·固 雙 基] 1．下列器件是應(yīng)用力傳感器的是(　　) A．鼠標(biāo)器　　　　　 B．火災(zāi)報警器 C．測溫儀 D．電子秤 D　

20、[鼠標(biāo)器中的傳感器是紅外線接收管，屬于光傳感器；火災(zāi)報警器中傳感器是光電三極管，屬于光傳感器；測溫儀用的是溫度傳感器；電子秤的敏感元件是應(yīng)變片，是力傳感器，D正確．] 2．壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，有位同學(xué)利用壓敏電阻設(shè)計了判斷小車運動狀態(tài)的裝置，其工作原理如圖3-3-10(a)所示，將壓敏電阻和一塊擋板固定在絕緣小車上，中間放置一個絕緣重球．小車向右做直線運動過程中，電流表示數(shù)如圖3-3-10(b)所示，下列判斷正確的是(　　) (a)　　　　　　　　　(b) 圖3-3-10 A．從t1到t2時間內(nèi)，小車做勻速直線運動 B．從t1到t2時間內(nèi)，小車做勻加速直線運動

21、 C．從t2到t3時間內(nèi)，小車做勻速直線運動 D．從t2到t3時間內(nèi)，小車做勻加速直線運動 D　[由題意知，壓敏電阻中的電流隨所受壓力而變化，壓力不變時，電流一定，壓力變化時，電流變化，由牛頓第三定律，壓敏電阻對重球也產(chǎn)生大小相同的壓力．由題圖(b)可知，在t2～t3時間內(nèi)電流不變，表示壓力不變，小車做勻加速運動，在t1～t2時間內(nèi)電流增大，壓力增大，小車做加速度增大的運動，故A、B、C均錯誤，D正確．] 3．如圖3-3-11所示是一種煙霧報警器的控制電路圖，其原理簡化如下：調(diào)節(jié)可變電阻R1使U23＝0.當(dāng)有煙霧時，開始觸發(fā)工作，其中Rg是光敏電阻．由此可知，要使開始工作，則應(yīng)滿足(　　

22、) 【導(dǎo)學(xué)號：24622104】 圖3-3-11 A．φ2>φ3 B．φ2<φ3 C．φ2＝φ3 D．無法判斷 A　[規(guī)定電源負極的電勢為零，則φ3＝保持不變．而φ2＝＝，當(dāng)有煙霧時，光敏電阻Rg增大，φ2增大．所以當(dāng)φ2>φ3時，控制電路開始工作．] 4．傳感器是把非電學(xué)物理量(如位移、壓力、流量、聲強等)轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的一種元件．如圖3-3-12所示為一種電容傳感器，電路可將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號．電路中a、b構(gòu)成一個電容器，b是固定不動的金屬板，a是能在聲波驅(qū)動下沿水平方向振動的鍍有金屬層的振動膜．若聲源S發(fā)出頻率恒定的聲波使a振動，則a在振動過程中(　　) 圖3-3-12 A．a(chǎn)、b板之間的電場強度不變 B．a(chǎn)、b板所帶的電荷量不變 C．電路中始終有方向不變的電流 D．向右位移最大時，電容器的電容最大 D　[a、b始終跟電源相連，電勢差U不變，由于a、b間距離變化，由E＝知場強變化，A錯誤．由C＝知，d變化時C變化，a向右位移最大時，電容最大，D正確．由Q＝CU知a、b所帶電荷量變化，電路中電流方向改變，B、C錯誤．] 10