2017-2018學(xué)年高中物理 第三章 傳感器 3 生活中的傳感器 4 簡(jiǎn)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(jiǎn)單的光控和溫控電路（選學(xué)） [目標(biāo)定位]　1.了解各種傳感器在日常生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用.2.會(huì)分析簡(jiǎn)單的光控和溫控電路. 一、生活中的傳感器 1.洗衣機(jī)中的傳感器 全自動(dòng)洗衣機(jī)已實(shí)現(xiàn)了利用傳感器和電腦技術(shù)對(duì)洗滌全過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)和控制.近年流行的模糊洗衣機(jī)中的傳感器大致有：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. 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(dòng)控制、除霜溫度控制、過(guò)熱及過(guò)電流保護(hù)等. 3.家用報(bào)警器 (1)居家生活中，煤氣泄漏，

2、會(huì)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(bào)警器和可燃?xì)怏w報(bào)警器. (2)有一種敲擊防盜報(bào)警器，它利用壓電式傳感器對(duì)門(mén)窗玻璃損毀產(chǎn)生反應(yīng)，形成對(duì)報(bào)警裝置的啟動(dòng).還有一種沖擊防盜報(bào)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頭、監(jiān)控探頭，可以類(lèi)比人的眼睛. (2)對(duì)有毒有害氣體進(jìn)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(jué)、味覺(jué)器官. (3)力學(xué)和振動(dòng)傳感器，以及溫度傳感器可以認(rèn)為相當(dāng)于人類(lèi)的觸覺(jué)器官，如手、足、皮膚等. (4)聲傳感器不妨認(rèn)為是機(jī)器的耳朵. 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)

3、.銅制的測(cè)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(guò)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(huì)膨脹.測(cè)溫泡1安裝在冰箱的冷藏室中.5、6分別是電路的動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)，控制制冷壓縮機(jī)的工作.彈簧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(huà)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(duì)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(dòng)開(kāi)始工作，而在達(dá)到設(shè)定的低溫后又自動(dòng)停止工作？ (2)

4、為什么用凸輪可以改變?cè)O(shè)定的溫度？ 解析　(1)冰箱內(nèi)溫度較高時(shí)，密封系統(tǒng)中的壓強(qiáng)增大，盒體膨脹，膜盒 3通過(guò)小柱體帶動(dòng)彈簧片4，使動(dòng)觸點(diǎn)5與靜觸點(diǎn)6接觸，控制壓縮機(jī)自動(dòng)開(kāi)始工作，而在達(dá)到設(shè)定的溫度時(shí)彈簧帶動(dòng)彈簧片4將觸點(diǎn)5、6斷開(kāi)，使壓縮機(jī)停止工作. (2)凸輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)加大連桿9對(duì)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(dòng)，而彈簧7上彈力的變化會(huì)改變?cè)O(shè)定的溫度. 答案　見(jiàn)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(qǐng)簡(jiǎn)述這種裝置

5、防盜的原理. 圖2 答案　在靜止?fàn)顟B(tài)下，不論傳感器置于何種狀態(tài)，鋼球和外殼呈斷開(kāi)狀態(tài)不會(huì)導(dǎo)通，一旦傳感器受到外力沖擊，如砸、碰、撞、敲擊、撬動(dòng)時(shí)，則鋼球受到擾動(dòng)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)與外殼接通，便可觸發(fā)執(zhí)行電路，使報(bào)警裝置開(kāi)始工作. 二、簡(jiǎn)單的光控和溫控電路 1.光控自動(dòng)照明電路 利用光敏電阻作控制元件，從而通過(guò)光線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，使電路在天亮?xí)r自動(dòng)切斷，天黑時(shí)自動(dòng)導(dǎo)通. 2.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)，電熱器供電加熱，否則將電源關(guān)閉. 例3　如圖3所示是一種煙霧報(bào)警器的控制電路圖，其原理簡(jiǎn)化如下：調(diào)節(jié)可變電阻R1使U23＝0.當(dāng)有煙霧時(shí)

6、，開(kāi)始觸發(fā)工作，其中Rg是光敏電阻.由此可知，要使開(kāi)始工作，則應(yīng)滿(mǎn)足(　　) 圖3 A.φ2>φ3 B.φ2<φ3 C.φ2＝φ3 D.無(wú)法判斷 解析　規(guī)定電源負(fù)極的電勢(shì)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(kāi)始工作. 答案　A 三、自動(dòng)控制電路的分析與設(shè)計(jì) 例4　如圖4所示為某小型電磁繼電器的構(gòu)造示意圖，其中L為含鐵芯的線(xiàn)圈.P為可繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵片，K為彈簧，S為一對(duì)觸頭，A、B、C、D為四個(gè)接線(xiàn)柱.電磁繼電器與傳感器配合，可完成自動(dòng)控制的要求，其工作方式是(　　) 圖4 A.A與B接信號(hào)電壓

7、，C與D跟被控電路串聯(lián) B.A與B接信號(hào)電壓，C與D跟被控電路并聯(lián) C.C與D接信號(hào)電壓，A與B跟被控電路串聯(lián) D.C與D接信號(hào)電壓，A與B跟被控電路并聯(lián) 解析　A、B接電磁繼電器的線(xiàn)圈，所以A、B應(yīng)接信號(hào)電壓，線(xiàn)圈電流隨信號(hào)電壓變化使電磁繼電器吸引或釋放P，從而使C、D接通或斷開(kāi)，進(jìn)而起到控制作用.故正確答案為A. 答案　A 設(shè)計(jì)自動(dòng)控制電路時(shí)，一般按照以下的思路進(jìn)行： (1)根據(jù)題目給出的儀器和要求畫(huà)出控制電路和工作電路 控制電路由電源、開(kāi)關(guān)、光敏電阻(或熱敏電阻等其他敏感元件)、電磁繼電器和導(dǎo)線(xiàn)等組成；工作電路由電源、用電器(燈泡、電熱絲或其他用電器)、導(dǎo)線(xiàn)等組成.這

8、兩個(gè)電路相互獨(dú)立，又通過(guò)電磁繼電器相關(guān)聯(lián)，電磁繼電器實(shí)際上是工作電路的開(kāi)關(guān). (2)分析自控電路的合理性 電路設(shè)計(jì)完成后，要對(duì)它的合理性進(jìn)行分析，用光照射光敏電阻或?qū)崦綦娮杓訜幔瑱z查工作電路的接通和斷開(kāi)是否符合實(shí)際要求.例如，自控路燈電路的設(shè)計(jì)要求是白天切斷工作電路，使路燈熄滅，晚上接通工作電路，使路燈發(fā)光. 1.(生活中的傳感器的應(yīng)用)(多選)如圖5所示是自動(dòng)調(diào)溫式電熨斗，下列說(shuō)法正確的是(　　) 圖5 A.常溫時(shí)上下觸點(diǎn)是接觸的 B.雙金屬片溫度升高時(shí)，上層金屬片形變較大，雙金屬片將向下彎曲 C.原來(lái)溫度控制在80 ℃斷開(kāi)電源，現(xiàn)要求60 ℃斷開(kāi)電源，應(yīng)使調(diào)

9、溫旋鈕下移一些 D.由熨燙絲綢衣物狀態(tài)轉(zhuǎn)化為熨燙棉麻衣物狀態(tài)，應(yīng)使調(diào)溫旋鈕下移一些 答案　ABD 解析　常溫工作時(shí)，上下觸點(diǎn)是接通的，當(dāng)溫度升高時(shí)，上層金屬片形變大，向下彎曲，切斷電源.斷電溫度要升高則應(yīng)使調(diào)溫旋鈕下移一些，A、B、D對(duì)，C錯(cuò). 2.(自動(dòng)控制電路的分析與設(shè)計(jì))如圖6所示是自動(dòng)水位報(bào)警的示意圖，其中繼電器的線(xiàn)圈通過(guò)電流時(shí)，磁鐵吸引銜鐵1，使它與觸頭3斷開(kāi)，與觸頭2接觸.若要求水位正常時(shí)綠燈亮，高出一定水位時(shí)紅燈亮，現(xiàn)有紅、綠燈泡各一個(gè)，紅燈泡應(yīng)安在________位置，綠燈泡應(yīng)安在______位置(填“A”或“B”). 圖6 答案　B　A 解析　水位正常時(shí)，線(xiàn)

10、圈中沒(méi)有電流，銜鐵1與觸頭3接觸，這時(shí)應(yīng)綠燈亮，所以綠燈泡應(yīng)安在A位置，當(dāng)高出一定水位時(shí)，線(xiàn)圈中有電流，磁鐵吸引銜鐵1，使它與觸頭3斷開(kāi)，與觸頭2接觸，這時(shí)應(yīng)紅燈亮，所以紅燈泡應(yīng)安在B位置. 3.(生活中的傳感器的應(yīng)用)如圖7所示是電飯煲的電路圖，S1是一個(gè)溫控開(kāi)關(guān)，手動(dòng)閉合后，當(dāng)此開(kāi)關(guān)溫度達(dá)到居里點(diǎn)(103 ℃)時(shí)，會(huì)自動(dòng)斷開(kāi).S2是一個(gè)自動(dòng)溫控開(kāi)關(guān)，當(dāng)溫度低于70 ℃時(shí)，會(huì)自動(dòng)閉合；溫度高于80 ℃時(shí)，會(huì)自動(dòng)斷開(kāi).紅燈是加熱時(shí)的指示燈，黃燈是保溫時(shí)的指示燈.分流電阻R1＝R2＝500 Ω，加熱電阻絲R3＝50 Ω，兩燈的電阻不計(jì). 圖7 (1)分析電飯煲的工作原理； (2)計(jì)

11、算加熱和保溫兩種狀態(tài)下，電飯煲消耗的電功率之比； (3)簡(jiǎn)要回答，如果不閉合開(kāi)關(guān)S1能將飯煮熟嗎？ 答案　見(jiàn)解析 解析　(1)接上電源，S2自動(dòng)閉合，同時(shí)手動(dòng)閉合S1，這時(shí)黃燈短路，紅燈亮，電飯煲處于加熱狀態(tài).加熱到80 ℃時(shí)，S2自動(dòng)斷開(kāi)，S1仍閉合；飯煮熟后，溫度升高到103 ℃時(shí)，S1自動(dòng)斷開(kāi)，黃燈亮，電飯煲處于保溫狀態(tài)，由于散熱，待溫度降至70 ℃時(shí)，S2自動(dòng)閉合，電飯煲重新加熱，溫度達(dá)到80 ℃時(shí)，S2又自動(dòng)斷開(kāi)，再次處于保溫狀態(tài)，如此循環(huán). (2)加熱時(shí)電飯煲消耗的電功率P1＝，保溫時(shí)電飯煲消耗的電功率P2＝，兩式中R并＝＝ Ω＝ Ω，故＝＝＝. (3)如果不閉合S1，開(kāi)

12、始時(shí)S2是閉合的，R1被短路，功率為P1；當(dāng)溫度上升到80 ℃時(shí)，S2自動(dòng)斷開(kāi)，功率降為P2；溫度降低到70 ℃，S2自動(dòng)閉合……溫度只能在70～80 ℃之間變化，不能將飯煮熟. 4.(自動(dòng)控制電路的分析與設(shè)計(jì))按如圖8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(duì)熱敏電阻吹一會(huì)兒，會(huì)發(fā)現(xiàn)小燈泡________，原因是___________________； 停止吹風(fēng)，會(huì)發(fā)現(xiàn)____________________________________________________________； 把熱敏電阻放入冷水中會(huì)發(fā)現(xiàn)__

13、________________________________________________. 圖8 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　電吹風(fēng)對(duì)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(huì)立即熄滅，因?yàn)闊崦綦娮铚囟热匀惠^高　小燈泡熄滅 題組一　生活中的傳感器 1.壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，在升降機(jī)中將重物放在壓敏電阻上，壓敏電阻接在如圖1甲所示的電路中，電流表示數(shù)變化如圖乙所示，某同學(xué)根據(jù)電流表的示數(shù)變化情況推斷升降機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，下列說(shuō)法中正確的是(　　) 圖1 A.0～t1時(shí)間內(nèi)，升降機(jī)

14、一定勻速運(yùn)動(dòng) B.0～t1時(shí)間內(nèi)，升降機(jī)可能減速上升 C.t1～t2時(shí)間內(nèi)，升降機(jī)可能勻速上升 D.t1～t2時(shí)間內(nèi)，升降機(jī)可能勻加速上升 答案　B 解析　在0～t1時(shí)間內(nèi)，電流恒定，表明壓敏電阻的阻值恒定，則重物對(duì)壓敏電阻壓力恒定，則升降機(jī)可能處于靜止、勻速運(yùn)動(dòng)或勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，故A項(xiàng)錯(cuò)誤，B項(xiàng)正確；t1～t2時(shí)間內(nèi)，電流在增加，表明壓敏電阻的阻值在減小，則重物對(duì)壓敏電阻的壓力在增大，故不可能做勻速運(yùn)動(dòng)或勻加速運(yùn)動(dòng)，C、D兩項(xiàng)都錯(cuò). 2．(多選)為鍛煉身體，小明利用所學(xué)物理知識(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)電子拉力計(jì)，如圖2所示是原理圖．輕質(zhì)彈簧右端和金屬滑片P固定在一起(彈簧的電阻不計(jì)，P與R1間

15、的摩擦不計(jì))，彈簧勁度系數(shù)為100 N/cm.定值電阻R0＝5 Ω，ab是一根長(zhǎng)為5 cm的均勻電阻絲，阻值R1＝25 Ω，電源輸出電壓恒為U＝3 V，理想電流表的量程為0～0.6 A．當(dāng)拉環(huán)不受力時(shí)，滑片P處于a端．下列關(guān)于這個(gè)電路的說(shuō)法正確的是(不計(jì)電源內(nèi)阻)(　　) 圖2 A．小明在電路中連入R0的目的是保護(hù)電路 B．當(dāng)拉環(huán)不受力時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)后電流表的讀數(shù)為0.1 A C．當(dāng)拉力為400 N時(shí)，電流表指針指在0.3 A處 D．當(dāng)拉力為400 N時(shí)，電流表指針指在0.5 A處 答案　ABC 解析　若電路無(wú)電阻R0，且金屬滑片P在b端時(shí)，回路短路損壞電源，R0的存在使電路不

16、出現(xiàn)短路，因此A正確；當(dāng)拉環(huán)不受力時(shí)，滑片P在a端，由歐姆定律得，I＝＝0.1 A，故B正確；拉力為400 N時(shí)，由F＝kΔx，則Δx＝4 cm，對(duì)應(yīng)的電阻為RaP＝20 Ω，R1接入電路的電阻RPb＝5 Ω，由閉合電路歐姆定律得，I＝＝0.3 A，故D錯(cuò)，C正確． 3.氧化錫傳感器主要用于汽車(chē)尾氣中一氧化碳濃度的檢測(cè)，它的電阻隨一氧化碳濃度的變化而變化.在圖3所示電路中，不同的一氧化碳濃度對(duì)應(yīng)傳感器不同的電阻值，電壓表的示數(shù)與一氧化碳的濃度一一對(duì)應(yīng)，觀察電壓表示數(shù)就能判斷一氧化碳濃度是否超標(biāo).已知氧化錫傳感器的電阻的倒數(shù)與一氧化碳濃度成正比，那么，電壓表示數(shù)U與一氧化碳濃度ρ之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

17、正確的是(　　) 圖3 A.U越大，表示ρ越大，ρ與U成正比 B.U越大，表示ρ越小，ρ與U成反比 C.U越大，表示ρ越大，但ρ與U無(wú)關(guān) D.U越大，表示ρ越小，但ρ與U無(wú)關(guān) 答案　C 解析　設(shè)傳感器的電阻為R1，電源的電動(dòng)勢(shì)為E，內(nèi)阻為r，由題意得＝kρ，k是比例系數(shù).又根據(jù)閉合電路歐姆定律得，電壓表示數(shù)U＝E＝E.由數(shù)學(xué)知識(shí)分析可知，U越大，ρ越大，但ρ與U無(wú)關(guān).故選C. 題組二　自動(dòng)控制電路的分析與設(shè)計(jì) 4. (多選)如圖4所示，全自動(dòng)洗衣機(jī)中的排水閥是由程序控制器控制其動(dòng)作的，當(dāng)進(jìn)行排水和脫水工序時(shí)，控制鐵芯1的線(xiàn)圈通電，使鐵芯2運(yùn)動(dòng)，從而牽引排水閥的閥門(mén)排除

18、污水.以下說(shuō)法中正確的是(　　) 圖4 A.若輸入的控制電流由a流入，由b流出，則鐵芯2中A端為N極，B端為S極 B.若輸入的控制電流由a流入，由b流出，則鐵芯2中A端為S極，B端為N極 C.若a、b處輸入交變電流，鐵芯2不能被吸入線(xiàn)圈中 D.若a、b處輸入交變電流，鐵芯2仍能被吸入線(xiàn)圈中 答案　AD 解析　鐵芯被通電螺線(xiàn)管磁化. 5．如圖5所示是一位同學(xué)設(shè)計(jì)的防盜門(mén)報(bào)警器的簡(jiǎn)化電路示意圖．門(mén)打開(kāi)時(shí)，紅外光敏電阻R3受到紅外線(xiàn)照射，電阻減?。婚T(mén)關(guān)閉會(huì)遮蔽紅外線(xiàn)源(紅外線(xiàn)源沒(méi)有畫(huà)出)．經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)，燈的亮滅能反映門(mén)的開(kāi)、關(guān)狀態(tài)．門(mén)打開(kāi)時(shí)兩燈的發(fā)光情況以及R2兩端電壓UR2與門(mén)關(guān)

19、閉時(shí)相比(　　) 圖5 A．紅燈亮，UR2變大 B．綠燈亮，UR2變大 C．綠燈亮，UR2變小 D．紅燈亮，UR2變小 答案　D 解析　門(mén)打開(kāi)R3減小，導(dǎo)致R總減小和I總增加，Ur和UR1變大，UR2＝E－(UR1＋Ur)減小，IR3＝I總－增加，電磁繼電器磁性增強(qiáng)把銜鐵拉下，紅燈亮，綠燈滅，A、B、C均錯(cuò)誤，D正確． 6.(多選)某同學(xué)設(shè)計(jì)的家庭電路保護(hù)裝置如圖6所示，鐵芯左側(cè)線(xiàn)圈L1由火線(xiàn)和零線(xiàn)并行繞成.當(dāng)右側(cè)線(xiàn)圈L2中產(chǎn)生電流時(shí)，電流經(jīng)放大器放大后，使電磁鐵吸起鐵質(zhì)開(kāi)關(guān)K，從而切斷家庭電路.僅考慮L1在鐵芯中產(chǎn)生的磁場(chǎng)，下列說(shuō)法正確的有(　　) 圖6

20、 A.家庭電路正常工作時(shí)，L2中的磁通量為零 B.家庭電路中使用的用電器增多時(shí)，L2中的磁通量不變 C.家庭電路發(fā)生短路時(shí)，開(kāi)關(guān)K將被電磁鐵吸起 D.地面上的人接觸火線(xiàn)發(fā)生觸電時(shí)，開(kāi)關(guān)K將被電磁鐵吸起 答案　ABD 解析　由于零線(xiàn)、火線(xiàn)中電流方向相反，產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，所以家庭電路正常工作時(shí)，L2中的磁通量為零，選項(xiàng)A正確；家庭電路短路和用電器增多時(shí)均不會(huì)引起L2的磁通量的變化，選項(xiàng)B正確，C錯(cuò)誤；地面上的人接觸火線(xiàn)發(fā)生觸電時(shí)，線(xiàn)圈L1中磁場(chǎng)變化引起L2中磁通量的變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流，吸起K，切斷家庭電路，選項(xiàng)D正確. 7.如圖7所示為一自動(dòng)控制溫度的電梯，請(qǐng)說(shuō)明其工作原理.

21、 圖7 答案　見(jiàn)解析 解析　當(dāng)開(kāi)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，熱敏電阻溫度升高，阻值減小，通過(guò)電磁鐵的電流增大，電磁鐵磁性增強(qiáng)到一定程度時(shí)把P吸到與b接觸，電熱絲停止工作，指示燈亮. 8.如圖8是一種防汛報(bào)警器的原理圖，S是觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，B是一個(gè)漏斗形的竹片圓筒，里面有浮子A，請(qǐng)你說(shuō)明這種報(bào)警器的工作原理. 圖8 答案　見(jiàn)解析 解析　由題圖可以看出，水面上升時(shí)，浮子A在漏斗形的竹片圓筒內(nèi)上浮，頂起金屬板.當(dāng)水面上升達(dá)到警戒水位時(shí)，使觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)S閉合，電磁鐵電路連通，電磁鐵通電有磁性，吸下銜鐵使報(bào)警電路的觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)閉合，燈亮發(fā)出防汛警報(bào). 10