2018-2019學(xué)年高中物理 第三章 傳感器 2 生活中的傳感器 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、2　生活中的傳感器　簡單的光控和溫控電路(選學(xué)) [學(xué)習(xí)目標(biāo)定位]　1.了解洗衣機(jī)、電冰箱中的傳感器.2.了解家用報(bào)警器的原理.3.了解傳感器與人的感官的類比，以及它們各自的優(yōu)勢.4.了解一些簡單的自動控制電路． 二極管具有單向?qū)щ娦裕? 一、生活中的傳感器 在家用電器中使用最多的是溫度傳感器，其次是濕度、氣體、光、磁、壓力、煙霧、聲敏等傳感器． 1．洗衣機(jī)中的傳感器 模糊洗衣機(jī)中的傳感器有：水位傳感器、負(fù)載量傳感器、水溫傳感器、布質(zhì)傳感器、洗滌粉傳感器、臟污程度傳感器、脫水(壓電)傳感器等． 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，在控制系

2、統(tǒng)中傳感器起著非常重要的作用． 3．家用報(bào)警器 生活中有利用氣敏元件制作的有害氣體報(bào)警器和可燃?xì)怏w報(bào)警器，家庭防盜有敲擊防盜報(bào)警器及沖擊防盜報(bào)警器等． 二、簡單的光控和溫控電路 1．集成電路又稱IC，是在硅板上集合各種電子器件，實(shí)現(xiàn)某種特定功能的電路模塊，它是電子設(shè)備中最重要的部分． 2．光控自動照明電路 利用光敏電阻作控制元件，從而通過光線來實(shí)現(xiàn)自動控制，使電路在天亮?xí)r自動切斷，天黑自動接通． 3．溫控電熨斗 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(shí)，電熱器通電加熱，溫度高于指定值時(shí)要將電源關(guān)閉. 一、洗衣機(jī)中的傳感器 [問題設(shè)計(jì)] 模糊洗衣機(jī)能模仿

3、人的思維確定洗滌模式．比如可根據(jù)衣物的布質(zhì)、衣物的多少確定洗滌的力度及用水量，根據(jù)衣物的臟污程度確定漂洗的次數(shù)等，你知道這些操作模式是如何建立的嗎？ 答案　利用傳感器和電腦技術(shù)，揉入人們對家電使用的經(jīng)驗(yàn)知識，建立的操作模式． [要點(diǎn)提煉] 洗衣機(jī)中的傳感器 傳感器的類型 作用 水位傳感器 確定水位的高低和衣物吸水能力的大小 負(fù)載量傳感器 檢測洗滌物的多少 水溫傳感器 根據(jù)環(huán)境溫度和水溫，自動控制洗滌時(shí)間 布質(zhì)傳感器 自動感知衣物的重量、質(zhì)量和吸水程度，自動選擇洗滌方式 洗滌粉傳感器 測定洗滌粉的種類 臟污程度傳感器 利用紅外光電傳感器，測定水的透明度，從而檢測

4、洗凈度、漂凈度 脫水(壓電)傳感器 從脫水桶噴射出來的水作用到壓電傳感器上，根據(jù)壓力的變化，控制脫水動作 二、電冰箱中的傳感器 1．電冰箱的組成：主要由制冷系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成． 2．控制系統(tǒng)中的傳感器及其作用 傳感器類型 作用 溫控傳感器 按設(shè)定的溫度自動接通和斷開電路，控制電動機(jī)工作 除霜溫控傳感器 在除霜加熱器達(dá)到一定溫度時(shí)，自動斷開加熱器的電源 過熱及過電流保護(hù)傳感器 當(dāng)電動機(jī)不能正常工作時(shí)，可以自動切斷電源，對電動機(jī)實(shí)行保護(hù) 一、傳感器的應(yīng)用實(shí)例 例1　如圖1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(xì)管2和彈性金屬膜盒3連通成密封的系統(tǒng)，里

5、面充有氯甲烷和它的蒸氣，構(gòu)成了一個(gè)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(qiáng)增大時(shí)，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(diǎn)和靜觸點(diǎn)，控制制冷壓縮機(jī)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(jī)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(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)凸輪連桿上端右移，從而加大對彈簧7的拉力． 圖1 (1)為什么當(dāng)冰箱內(nèi)溫度較高時(shí)壓縮機(jī)能夠自動開始工作，而在達(dá)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(shí)

6、，密封系統(tǒng)中的壓強(qiáng)增大，盒體膨脹，膜盒 3通過小柱體帶動彈簧片4，使動觸點(diǎn)5與靜觸點(diǎn)6接觸，控制壓縮機(jī)自動開始工作，而在達(dá)到設(shè)定的溫度時(shí)彈簧帶動彈簧片4將觸點(diǎn)5、6斷開，使壓縮機(jī)停止工作． (2)凸輪逆時(shí)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(yùn)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 例2　如圖2所示為沖擊防盜報(bào)警器的沖擊傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖．在外殼的絕緣基板上固定一個(gè)螺栓，螺栓上有一個(gè)彈簧，彈簧的頂端焊有一個(gè)鋼球，它們都是電的良導(dǎo)體，外殼也使用電的良導(dǎo)體制成．請簡述這種裝置防盜的原理． 圖2 答案　在靜止?fàn)顟B(tài)下，不論傳感器置于何

7、種狀態(tài)，鋼球和外殼呈斷開狀態(tài)不會導(dǎo)通，一旦傳感器受到外力沖擊，如砸、碰、撞、敲擊、撬動時(shí)，則鋼球受到擾動產(chǎn)生運(yùn)動與外殼接通，便可觸發(fā)執(zhí)行電路，使報(bào)警裝置開始工作． 二、傳感器的應(yīng)用分析 例3　按圖3所示連接好電路，合上S，發(fā)現(xiàn)小燈泡不亮，原因是 ________________________________________________________________________； 用電吹風(fēng)對熱敏電阻吹一會兒，會發(fā)現(xiàn)小燈泡________，原因是________________； 停止吹風(fēng)，會發(fā)現(xiàn)________________________________________

8、_______________； 把熱敏電阻放入冷水中會發(fā)現(xiàn)______________________________________________． 圖3 答案　由于熱敏電阻阻值較大，左側(cè)電路電流較小，電磁鐵磁性較弱吸不住銜鐵　亮了　電吹風(fēng)對熱敏電阻加熱使其阻值變小，電路中電流增大，電磁鐵吸住銜鐵　小燈泡不會立即熄滅，因?yàn)闊崦綦娮铚囟热匀惠^高　小燈泡熄滅 三、光控自動照明電路的分析 例4　如圖4所示是一種煙霧報(bào)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(shí)，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(　　) 圖4

9、A．φ2>φ3 B．φ2<φ3 C．φ2＝φ3 D．無法判斷 解析　規(guī)定電源負(fù)極的電勢為零，則φ3＝保持不變．而φ2＝＝，當(dāng)有煙霧時(shí)，光敏電阻Rg增大，φ2增大．所以當(dāng)φ2>φ3時(shí)，控制電路開始工作． 答案　A 生活中的傳感器簡單的光控和溫控電路 1．(傳感器的應(yīng)用實(shí)例)壓敏電阻的阻值會隨所受壓力的增大而減小．一同學(xué)利用壓敏電阻設(shè)計(jì)了判斷升降機(jī)運(yùn)動狀態(tài)的裝置，如圖5甲所示，將壓敏電阻平放在升降機(jī)內(nèi)，受壓面朝上，在上面放一物體m，升降機(jī)靜止時(shí)電流表示數(shù)為I0.某過程中電流表的示數(shù)如圖乙所示，則在此過程(　　) 圖5 A．物體處于失重狀態(tài) B．物

10、體處于超重狀態(tài) C．升降機(jī)一定向上做勻加速運(yùn)動 D．升降機(jī)可能向下做勻減速運(yùn)動 答案　BD 解析　電流表的示數(shù)變?yōu)?I0且保持不變，說明壓敏電阻的阻值比升降機(jī)靜止時(shí)小，壓敏電阻所受壓力變大，物體處于超重狀態(tài)，即物體具有向上的加速度，B、D正確，A、C錯(cuò)誤． 2．(傳感器的應(yīng)用實(shí)例)在家用電熱滅蚊器中，電熱部分主要元件是PTC元件，PTC元件是由鈦酸鋇等半導(dǎo)體材料制成的電阻器，其電阻率ρ隨溫度t的變化關(guān)系如圖6所示，由于這種特性，PTC元件具有發(fā)熱、保溫雙重功能．對此，以下判斷正確的是 (　　) 圖6 ①通電后，其電功率先增大后減小?、谕姾螅潆姽β氏葴p小后增大?、郛?dāng)其產(chǎn)生的

11、熱量與散發(fā)的熱量相等時(shí)，溫度保持在t1不變　④當(dāng)其產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量相等時(shí)，溫度保持在t1和t2之間的某一值不變 A．①② B．②③ C．②④ D．①④ 答案　D 解析　當(dāng)溫度由零升到t1的過程中，PTC的電阻率ρ隨溫度升高而減小，其電阻R隨之減小，由于加在滅蚊器上的電壓U保持不變，滅蚊器的熱功率P隨之增大，當(dāng)t＝t1時(shí)，P＝P1達(dá)到最大．當(dāng)溫度繼續(xù)升高，ρ增大，R增大，P減小；而溫度越高，其與外界環(huán)境的溫度差也就越大，電熱滅蚊器的散熱功率P′也就越大，因此在這之間的某一溫度t3會有P＝P3＝P′，即電熱功率P減小到等于散熱功率時(shí)，即達(dá)到保溫；當(dāng)t＜t3時(shí)，P＞P′

12、，溫度自動升高到t3；當(dāng)t＞t3時(shí)，P＜P′，溫度自動降到t3，實(shí)現(xiàn)自動保溫，正確選項(xiàng)為D. 3．(自動控制電路的分析與設(shè)計(jì))如圖7所示是一種自動控制水溫的裝置，加熱電路的兩個(gè)端點(diǎn)P、Q應(yīng)接在觸頭a、b之間還是c、d之間？熱敏電阻兩端M、N應(yīng)接在哪兩個(gè)觸頭之間？ 圖7 答案　見解析 解析　P、Q應(yīng)該分別接在觸頭a、b之間，同時(shí)，M、N應(yīng)該分別接e、f，其工作原理是：當(dāng)水溫升高時(shí)，熱敏電阻阻值減小，電磁鐵中電流增大，吸引力增大，使銜鐵被吸下，a、b斷開，使加熱裝置停止加熱；當(dāng)水溫降低到一定程度時(shí)，熱敏電阻溫度減小，電磁鐵中電流減小，吸引力減小，銜鐵被彈簧拉上去，使a、b之間連接，加熱

13、裝置開始加熱，從而實(shí)現(xiàn)水溫控制． 4．(傳感器的應(yīng)用分析)工人在鍛壓機(jī)、沖床、鉆床等機(jī)器上勞動時(shí)，稍有不慎就會把手壓在里面，造成工傷事故．工廠中大都是利用光電控制設(shè)備來避免事故發(fā)生的．如圖8所示為光控繼電器的示意圖，它由電源、光電管(當(dāng)有光照射時(shí)，在陰極K端會放出電子)、放大器、電磁繼電器等幾部分組成．這樣，當(dāng)工人不慎將手伸入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，由于遮住了光線，光控繼電器銜鐵立即變化，使機(jī)床停止工作，避免事故發(fā)生．光控繼電器的原理是：當(dāng)光照射光電管時(shí)__________． 圖8 答案　見解析 解析　陰極K發(fā)射電子，電路中產(chǎn)生電流，經(jīng)放大器放大后的電流使電磁鐵M磁化，將銜鐵N吸住；無光照射光

14、電管時(shí)，電路中無電流，N自動離開M，右側(cè)電路接通，燈L亮． 題組一　傳感器應(yīng)用實(shí)例 1．關(guān)于電飯鍋的說法正確的是(　　) A．電飯鍋中的溫度傳感器的主要元件是氧化鐵 B．感溫鐵氧體在常溫下具有鐵磁性，溫度很高時(shí)失去鐵磁性 C．用電飯鍋燒水，水開時(shí)能自動斷電 D．用電飯鍋煮飯時(shí)，若溫控開關(guān)自動斷電后，它不能自動復(fù)位 答案　BD 2．如圖1所示是會議室和賓館房間的天花板上裝有的火災(zāi)報(bào)警器的結(jié)構(gòu)原理圖，罩內(nèi)裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板．平時(shí)光電三極管接收不到LED發(fā)出的光，呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)．發(fā)生火災(zāi)時(shí)，下列說法正確的是(　　) 圖1 A．進(jìn)入罩內(nèi)的煙霧遮擋

15、了光線，使光電三極管電阻更大，檢測電路檢測出變化發(fā)出警報(bào) B．光電三極管溫度升高，電阻變小，檢測電路檢測出變化發(fā)出警報(bào) C．進(jìn)入罩內(nèi)的煙霧對光有散射作用，部分光線照到光電三極管上，電阻變小，發(fā)出警報(bào) D．以上說法均不正確 答案　C 解析　由火災(zāi)報(bào)警器的原理可知，發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙霧進(jìn)入罩內(nèi)，使光發(fā)生散射，部分光線照到光電三極管上，電阻變小，與傳感器相連的電路檢測出這種變化，發(fā)出警報(bào)，C對． 3．某樓梯口的電燈開關(guān)裝有傳感器，天黑時(shí)，出現(xiàn)聲音才能發(fā)光，而白天即使有聲音，電燈也不能發(fā)光，該開關(guān)中有兩種傳感器，它們可能是(　　) A．熱敏電阻和光敏電阻 B．金屬熱電阻和光敏電阻 C．熱敏

16、電阻和霍爾元件 D．光敏電阻和駐極體話筒 答案　D 解析　兩種傳感器分別把聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號，把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，所以選項(xiàng)D正確． 4．如圖2所示為用熱敏電阻R和繼電器L等組成的一個(gè)簡單的恒溫控制電路，其中熱敏電阻的阻值會隨溫度的升高而減?。娫醇着c繼電器、熱敏電阻等組成控制電路，電源乙與恒溫箱加熱器(圖中未畫出)相連接．則 (　　) 圖2 A．當(dāng)溫度降低到某一數(shù)值，銜鐵P將會被吸下 B．當(dāng)溫度升高到某一數(shù)值，銜鐵P將會被吸下 C．工作時(shí)，應(yīng)該把恒溫箱內(nèi)的加熱器接在C、D端 D．工作時(shí)，應(yīng)該把恒溫箱內(nèi)的加熱器接在A、C端 答案　B 解析　根據(jù)溫度變化，分析R的變化

17、，確定電路中電流的變化，電流增大時(shí)，繼電器L對銜鐵P吸引力增大，P將會被吸下．當(dāng)溫度降低到某一數(shù)值，熱敏電阻R的阻值增大，電路中電流減小，繼電器L對銜鐵P吸引力減小，P將不會被吸下，故A錯(cuò)誤．當(dāng)溫度升高到某一數(shù)值，熱敏電阻R的阻值減小，電路中電流增大，繼電器L對銜鐵P吸引力增大，P將會被吸下．故B正確．恒溫箱內(nèi)溫度高到一定數(shù)值后，應(yīng)與電源斷開停止加熱，由以上分析可知，溫度升高后，A、B端斷開，所以工作時(shí)，應(yīng)該把恒溫箱內(nèi)的加熱器接在A、B端．故C、D錯(cuò)誤．故選B. 5．如果圖3是電熨斗的結(jié)構(gòu)圖，下列說法正確的是(　　) 圖3 A．雙金屬片上層金屬的膨脹系數(shù)小于下層金屬 B．常溫下，上

18、下觸點(diǎn)接觸；溫度過高時(shí)，雙金屬片發(fā)生彎曲使上下觸點(diǎn)分離 C．需要較高溫度熨燙時(shí)，要調(diào)節(jié)調(diào)溫旋鈕，使升降螺絲上升 D．雙金屬片溫度傳感器的作用是控制電路的通斷 答案　BD 解析　電熱絲通電加熱，雙金屬片溫度升高，雙金屬片的膨脹系數(shù)上大下小，溫度升高到一定值時(shí)，雙金屬片向下彎曲使觸點(diǎn)斷開，停止供電．A錯(cuò)，B、D對；需要較高溫度熨燙時(shí)，要調(diào)節(jié)調(diào)溫旋鈕，使升降螺絲下移并推動彈性銅片下移，使雙金屬片稍向下彎曲，這樣要使觸點(diǎn)斷開雙金屬片向下彎曲程度要大一些，溫度也需要更高一些，C錯(cuò)． 題組二　自動控制電路的分析與設(shè)計(jì) 6．如圖4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為可繞O

19、點(diǎn)轉(zhuǎn)動的鐵片，K為彈簧，S為一對觸頭，A、B、C、D為四個(gè)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4 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) 答案　A 7．如圖5中甲為在溫度為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乙所示．當(dāng)a、b端電壓Uab＜0時(shí)，電壓鑒別器會令開關(guān)S接通，恒溫

20、箱內(nèi)的電熱絲發(fā)熱，使箱內(nèi)溫度升高；當(dāng)Uab＞0時(shí)，電壓鑒別器會令開關(guān)S斷開，停止加熱，恒溫箱內(nèi)的溫度恒定在__________ ℃. 圖5 答案　35 解析　設(shè)電路路端電壓為U，當(dāng)Uab＝0時(shí)，有R1＝R3，解得Rt＝20 kΩ.由題圖乙可知，當(dāng)Rt＝20 kΩ時(shí)，恒溫箱內(nèi)的溫度穩(wěn)定在35 ℃. 8．如圖6所示為一自動控制溫度的電路，請說明其工作原理． 圖6 答案　見解析 解析　當(dāng)開關(guān)P在彈簧拉力作用下拉到上面與a接觸時(shí)，電熱絲工作；隨著溫度升高電熱絲電阻增大，通過熱敏電阻的電流增大，熱敏電阻溫度升高、阻值減小，通過電磁鐵的電流增大；磁性增強(qiáng)到一定程度時(shí)把P吸到b，電

21、熱絲停止工作，指示燈亮． 9．如圖7甲所示為一測量硫化鎘光敏電阻特性的實(shí)驗(yàn)電路，電源電壓恒定．電流表內(nèi)阻不計(jì)，開關(guān)閉合后，調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片，使小燈泡發(fā)光亮度逐漸增強(qiáng)，測得流過電阻的電流和光強(qiáng)的關(guān)系曲線如圖乙所示，試根據(jù)這一特性用圖丙中給定的器材設(shè)計(jì)一個(gè)自動光控電路． 圖7 答案　見解析 解析　由光敏電阻的特性曲線可以看出，當(dāng)入射光增強(qiáng)時(shí)，光敏電阻的阻值減小，通過光敏電阻的電流增大．根據(jù)題意設(shè)計(jì)的自動光控電路如圖所示．控制過程是：當(dāng)有光照射時(shí)，電路中電流增大，經(jīng)過放大器輸出一個(gè)較大的電流，驅(qū)動電磁繼電器吸引銜鐵使兩個(gè)觸點(diǎn)斷開，當(dāng)無光照射時(shí)，電路中電流減小，放大器輸出電流減小，

22、電磁繼電器釋放銜鐵，使兩個(gè)觸點(diǎn)閉合，控制電路接通，燈開始工作． 10．為了節(jié)能和環(huán)保，一些公共場所使用光控開關(guān)控制照明系統(tǒng)，光控開關(guān)可采用光敏電阻來控制，光敏電阻是阻值隨著光的照度而變化的元件(照度可以反映光的強(qiáng)弱，光越強(qiáng)照度越大，照度單位為lx)，某光敏電阻RP在不同照度下的阻值如下表： 照度(lx) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 電阻(kΩ) 75 40 28 23 20 18 (1)根據(jù)表中數(shù)據(jù)，請?jiān)趫D8中甲所示的坐標(biāo)系中描繪出阻值隨照度變化的曲線，并說明阻值隨照度變化的特點(diǎn)． 　 圖8 (2)如圖乙所示，當(dāng)1、2兩端所加電壓上

23、升至2 V時(shí)，控制開關(guān)自動啟動照明系統(tǒng)，請利用下列器材設(shè)計(jì)一個(gè)簡單電路，給1、2兩端提供電壓，要求當(dāng)天色漸暗照度降低至1.0(lx)時(shí)啟動照明系統(tǒng)，在虛線框內(nèi)完成電路原理圖． (不考慮控制開關(guān)對所設(shè)計(jì)電路的影響)提供的器材如下： 光敏電阻RP(符號，阻值見上表)； 直流電源E(電動勢3 V，內(nèi)阻不計(jì)) 定值電阻：R1＝10 kΩ，R2＝20 kΩ，R3＝40 kΩ(限選其中之一并在圖中標(biāo)出) 開關(guān)S及導(dǎo)線若干． 答案　見解析 解析　(1)光敏電阻隨光照度變化的曲線如圖甲所示，其特點(diǎn)是：光敏電阻的阻值隨光照度的增大非線性減小． (2)當(dāng)光照度降至1.0(lx)時(shí)，光敏電阻的阻值為RP＝20 kΩ，設(shè)計(jì)原理圖如圖乙所示． 根據(jù)歐姆定律與串聯(lián)電阻的分壓＝ 即＝，R＝10 kΩ 即與RP串聯(lián)的電阻應(yīng)選R1. 11