高中物理第3章第34节生活中的传感器简单的光控和温控电路选学学案教科版选修32.docx

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高中物理第3章第34节生活中的传感器简单的光控和温控电路选学学案教科版选修32

学案2　生活中的传感器　简单的光控和温控电路（选学）

[目标定位]　1.了解洗衣机、电冰箱中的传感器.2.了解家用报警器的原理.3.了解传感器与人的感官的类比，以及它们各自的优势.4.了解一些简单的自动控制电路．

一、洗衣机中的传感器

[问题设计]

模糊洗衣机能模仿人的思维确定洗涤模式．比如可根据衣物的布质、衣物的多少确定洗涤的力度及用水量，根据衣物的脏污程度确定漂洗的次数等，你知道这些操作模式是如何建立的吗？

答案　利用传感器和电脑技术，揉入人们对家电使用的经验知识，建立的操作模式．

[要点提炼]

模糊洗衣机中的传感器

传感器的类型

作用

水位传感器

确定水位的高低和衣物吸水能力的大小

负载量传感器

检测洗涤物的多少

水温传感器

根据环境温度和水温，自动控制洗涤时间

布质传感器

自动感知衣物的重量和吸水程度，感知衣物的质量，自动选择洗涤方式

洗涤粉传感器

测定洗涤粉的种类

脏污程度

传感器

利用红外光电传感器，测定水的透明度，从而检测洗净度、漂净度

脱水（压电）

传感器

从脱水桶喷射出来的水，作用到压电传感器上，根据压力的变化，控制脱水动作

二、电冰箱中的传感器

1．电冰箱的组成：

主要由制冷系统和控制系统组成．

2．控制系统中的传感器及其作用

传感器类型

作用

温控传感器

按设定的温度自动接通和断开电路，控制电动机工作

除霜温控传感器

在除霜加热器达到一定温度时，自动断开加热器的电源

过热及过电

流保护传感器

当电动机不能正常工作时，可以自动切断电源，对电动机实行保护

三、简单的光控和温控电路

1．集成电路又称IC，是在硅板上集合各种电子器件，实现某种特定功能的电路模块，它是电子设备中最重要的部分．

2．光控自动照明电路

利用光敏电阻作控制元件，从而通过光线来实现自动控制，使电路在天亮时自动切断，天黑自动接通．

3．温控电熨斗

利用热敏电阻作控制元件，从而使电熨斗的温度在低于指定值时，电热器通电加热，温度高于指定值时要将电源关闭．

一、传感器的应用实例

例1

　如图1所示为某种电冰箱内温度控制器的结构．铜制的测温泡1、细管2和弹性金属膜盒3连通成密封系统，里面充有氯甲烷和它的蒸气，构成了一个温度传感器．膜盒3为扁圆形（图中显示它的切面），右表面固定，左表面通过小柱体与弹簧片4连接．盒中气体的压强增大时，盒体就会膨胀．测温泡1安装在冰箱的冷藏室中.5、6分别是电路的动触点和静触点，控制制冷压缩机的工作．拉簧7的两端分别连接到弹簧片4和连杆9上．连杆9的下端是装在机箱上的轴．凸轮8是由设定温度的旋钮（图中未画出）控制的，逆时针旋转时凸轮连杆上端右移，从而加大对弹簧7的拉力．

图1

（1）为什么当冰箱内温度较高时压缩机能够自动开始工作，而在达到设定的低温后又自动停止工作？

（2）为什么用凸轮可以改变设定的温度？

解析　

（1）冰箱内温度较高时，密封系统中的压强增大，盒体膨胀，膜盒3通过小柱体带动弹簧片4，使动触点5与静触点6接触，控制压缩机自动开始工作，而在达到设定的温度时弹簧带动弹簧片4将触点5、6断开，使压缩机停止工作．

（2）凸轮逆时针转动会加大连杆9对弹簧7的拉力，该拉力与弹性金属膜盒3共同控制弹簧片4的运动，而弹簧7上弹力的变化会改变设定的温度．

答案　见解析

例2

　如图2所示为冲击防盗报警器的冲击传感器的结构示意图．在外壳的绝缘基板上固定一个螺栓，螺栓上有一个弹簧，弹簧的顶端焊有一个钢球，它们都是电的良导体，外壳也使用电的良导体制成．请简述这种装置防盗的原理．

图2

答案　在静止状态下，不论传感器置于何种状态，钢球和外壳呈断开状态不会导通，一旦传感器受到外力冲击，如砸、碰、撞、敲击、撬动时，则钢球受到扰动产生运动与外壳接通，便可触发执行电路，使报警装置开始工作．

二、传感器的应用分析

例3

　按图3所示连接好电路，合上S，发现小灯泡不亮，原因是________________；

用电吹风对热敏电阻吹一会儿，会发现小灯泡________，原因是________________________________________________________________________；

停止吹风，会发现____________________________________；

把热敏电阻放入冷水中会发现____________________________________________．

图3

答案　由于热敏电阻阻值较大，左侧电路电流较小，电磁铁磁性较弱吸不住衔铁　亮了　电吹风对热敏电阻加热使其阻值变小，电路中电流增大，电磁铁吸住衔铁　小灯泡不会立即熄灭，因为热敏电阻温度仍然较高　小灯泡熄灭

三、光控自动照明电路的分析

例4

　如图4所示是一种烟雾报警器的控制电路图，其原理简化如下，调节可变电阻R1使U23＝0.当有烟雾时，

开始触发工作，其中Rg是光敏电阻．由此可知，要使

开始工作，则应满足（　　）

图4

A．φ2>φ3B．φ2<φ3

C．φ2＝φ3D．无法判断

解析　规定电源负极的电势为零，则φ3＝

保持不变，而φ2＝

＝

，当有烟雾时，光敏电阻Rg增大，φ2增大，所以当φ2>φ3时，控制电路开始工作．

答案　A

生活中的传感器简单的光控和温控电路

1．（传感器的应用实例）压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小．一同学利用压敏电阻设计了判断升降机运动状态的装置，如图5甲所示，将压敏电阻平放在升降机内，受压面朝上，在上面放一物体m，升降机静止时电流表示数为I0.某过程中电流表的示数如图乙所示，则在此过程（　　）

图5

A．物体处于失重状态

B．物体处于超重状态

C．升降机一定向上做匀加速运动

D．升降机可能向下做匀减速运动

答案　BD

解析　电流表的示数变为2I0且保持不变，说明压敏电阻的阻值比升降机静止时小，压敏电阻所受压力变大，物体处于超重状态，即物体具有向上的加速度，B、D正确，A、C错误．

2．（传感器的应用实例）在家用电热灭蚊器中，电热部分主要元件是PTC元件，PTC元件是由钛酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率ρ随温度t的变化关系如图6所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、保温双重功能．对此，以下判断正确的是（　　）

图6

①通电后，其电功率先增大后减小　②通电后，其电功率先减小后增大　③当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1不变　④当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1和t2之间的某一值不变

A．①②B．②③C．②④D．①④

答案　D

解析　当温度由零升到t1的过程中，PTC的电阻率ρ随温度升高而减小，其电阻R随之减小，由于加在灭蚊器上的电压U保持不变，灭蚊器的热功率P随之增大，当t＝t1时，P＝P1达到最大．当温度继续升高，ρ增大，R增大，P减小；而温度越高，其与外界环境的温度差也就越大，电热灭蚊器的散热功率P′也就越大，因此在t1和t2之间的某一温度t3会有P＝P3＝P′，即电热功率P减小到等于散热功率时，即达到保温．当t＜t3时，P＞P′，温度自动升高到t3；当t＞t3时，P＜P′，温度自动降到t3，实现自动保温，正确选项为D.

3．（自动控制电路的分析与设计）如图7所示是一种自动控制水温的装置，加热电路的两个端点P、Q应接触头a、b还是c、d？

热敏电阻两端M、N应接哪两个触头？

图7

答案　见解析

解析　P、Q应该分别接触头a、b，同时，M、N应该分别接触头e、f，其工作原理是：

当水温升高时，热敏电阻阻值减小，电磁铁中电流增大，吸引力增大，使衔铁被吸下，a、b断开，使加热装置停止加热；当水温降低到一定程度时，热敏电阻阻值增大，电磁铁中电流减小，吸引力减小，衔铁被弹簧拉上去，使a、b之间连接，加热装置开始加热，从而实现水温控制．

4．（传感器的应用分析）工人在锻压机、冲床、钻床等机器上劳动时，稍有不慎就会把手轧在里面，造成工伤事故．工厂中大都是利用光电控制设备来避免事故发生的．如图8所示为光控继电器的示意图，它由电源、光电管（当有光照射时，在阴极K端会放出电子）、放大器、电磁继电器等几部分组成．这样，当有光照时，灯L不亮，当无光照射光电管时，灯L亮，则光控继电器的原理是：

________________________________________________________________________.

图8

答案　见解析

解析　当光照射光电管时，阴极K发射电子，电路中产生电流，经放大器放大后的电流使电磁铁M磁化，将衔铁N吸住，灯L不亮；无光照射光电管时，电路中无电流，N自动离开M，右侧电路接通，灯L亮．

题组一　传感器应用实例

1．关于电饭锅的说法正确的是（　　）

A．电饭锅中的温度传感器的主要元件是氧化铁

B．感温铁氧体在常温下具有铁磁性，温度很高时失去铁磁性

C．用电饭锅烧水，水开时能自动断电

D．用电饭锅煮饭时，若温控开关自动断电后，它不能自动复位

答案　BD

2．如图1所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图，罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板．平时光电三极管接收不到LED发出的光，呈现高电阻状态．发生火灾时，下列说法正确的是（　　）

图1

A．进入罩内的烟雾遮挡了光线，使光电三极管电阻更大，检测电路检测出变化发出警报

B．光电三极管温度升高，电阻变小，检测电路检测出变化发出警报

C．进入罩内的烟雾对光有散射作用，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，发出警报

D．以上说法均不正确

答案　C

解析　由火灾报警器的原理可知，发生火灾时烟雾进入罩内，使光发生散射，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，与传感器相连的电路检测出这种变化，发出警报，C对．

3．某楼梯口的电灯开关装有传感器，天黑时，出现声音才能发光，而白天即使有声音，电灯也不能发光，该开关中有两种传感器，它们可能是（　　）

A．热敏电阻和光敏电阻

B．金属热电阻和光敏电阻

C．热敏电阻和霍尔元件

D．光敏电阻和驻极体话筒

答案　D

解析　两种传感器分别把光信号转换为电信号，把声音信号转换为电信号，所以选项D正确．

4．将如图2所示装置安装在沿直轨道运动的火车车厢中，使杆沿轨道方向固定，就可以对火车运动的加速度进行检测．闭合开关S，当系统静止时，穿在光滑绝缘杆上的小球停在O点，固定在小球上的变阻器滑片停在变阻器BC的正中央，此时，电压表指针指在表盘刻度中央．当火车在水平方向有加速度时，小球在光滑绝杆上移动，滑片P随之在变阻器上移动，电压表指针发生偏转．已知，当火车向左加速运动时，电压表的指针向右偏．则（　　）

图2

A．电压表指针向左偏，说明火车可能向右做加速运动

B．电压表指针向右偏，说明火车可能向右做加速运动

C．电压表指针向左偏，说明火车可能向右做减速运动

D．电压表指针向左偏，说明火车可能向左做加速运动

答案　A

解析　因为当火车向左加速运动时，有向左的加速度，弹簧处于伸长状态，滑片P靠近变阻器C端，电压表的指针向右偏．所以，当滑片P靠近变阻器B端时，电压表的指针将向左偏，此时，弹簧处于压缩状态，火车具有向右的加速度，火车可能在向右做加速运动，也可能在向左做减速运动，选项A正确，C、D错误；同理可知B错误．

5．如图3是电熨斗的结构图，下列说法正确的是（　　）

图3

A．双金属片上层金属的膨胀系数小于下层金属

B．常温下，上、下触点接触；温度过高时，双金属片发生弯曲使上、下触点分离

C．需要较高温度熨烫时，要调节调温旋钮，使升降螺丝上升

D．双金属片温度传感器的作用是控制电路的通断

答案　BD

解析　电热丝通电加热，双金属片温度升高，双金属片的膨胀系数上大下小，温度升高到一定值时，双金属片向下弯曲使触点断开，停止供电，A错，B、D对；需要较高温度熨烫时，要调节调温旋钮，使升降螺丝下移并推动弹性铜片下移，使双金属片稍向下弯曲，这样要使触点断开双金属片向下弯曲程度要大一些，温度也需要更高一些，C错．

题组二　自动控制电路的分析与设计

6．如图4所示为用热敏电阻R和继电器L等组成的一个简单的恒温控制电路，其中热敏电阻的阻值会随温度的升高而减小．电源甲与继电器、热敏电阻等组成控制电路，电源乙与恒温箱加热器（图中未画出）相连接．则（　　）

图4

A．当温度降低到某一数值，衔铁P将会被吸下

B．当温度升高到某一数值，衔铁P将会被吸下

C．工作时，应该把恒温箱内的加热器接在C、D端

D．工作时，应该把恒温箱内的加热器接在A、C端

答案　B

解析　根据温度变化，分析R的变化，确定电路中电流的变化．当温度降低到某一数值，热敏电阻R的阻值增大，电路中电流减小，继电器L对衔铁P吸引力减小，P将不会被吸下，故A错误．当温度升高到某一数值，热敏电阻R的阻值减小，电路中电流增大，继电器L对衔铁P吸引力增大，P将会被吸下，故B正确．恒温箱内温度高到一定数值后，应与电源断开停止加热，由以上分析可知，温度升高后，A、B端断开，所以工作时，应该把恒温箱内的加热器接在A、B端，故C、D错误．

7.如图5所示为小型电磁继电器的构造示意图，其中L为含铁芯的线圈．P为可绕O点转动的铁片，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线柱．电磁继电器与传感器配合，可完成自动控制的要求，其工作方式是（　　）

图5

A．A与B接信号电压，C与D可跟被控电路串联

B．A与B接信号电压，C与D可跟被控电路并联

C．C与D接信号电压，A与B可跟被控电路串联

D．C与D接信号电压，A与B可跟被控电路并联

答案　A

8．小强用恒温箱进行实验时，发现恒温箱的温度持续升高，无法自动控制．经检查，恒温箱的控制器没有故障．如图6所示，下列对故障判断正确的是（　　）

图6

A．只可能是热敏电阻出现故障

B．只可能是温度设定装置出现故障

C．热敏电阻和温度设定装置都可能出现故障

D．可能是加热器出现故障

答案　C

解析　由恒温箱原理图可知，若热敏电阻出现故障或温度设定装置出现故障都会向控制器传递错误信息，导致控制器发出错误指令，故C正确，A、B错误．若加热器出现故障，只有一种可能，即不能加热，而题中加热器一直加热才会使温度持续升高，故D错误．

9．某同学设计的家庭电路保护装置如图7所示，铁芯左侧线圈L1由火线和零线并行绕成．当右侧线圈L2中产生电流时，电流经放大器放大后，使电磁铁吸起铁质开关K，从而切断家庭电路．仅考虑L1在铁芯中产生的磁场，下列说法正确的有（　　）

图7

A．家庭电路正常工作时，L2中的磁通量为零

B．家庭电路中使用的电器增多时，L2中的磁通量不变

C．家庭电路发生短路时，开关K将被电磁铁吸起

D．地面上的人接触火线发生触电时，开关K将被电磁铁吸起

答案　ABD

解析　电路正常或短路时，火线和零线中通过的电流大小相等、方向相反，故L1中火线与零线中电流产生的磁场相抵消，铁芯中的磁通量为零，L2中无感应电流产生，电磁铁中也就无电流，开关K不会被吸起，A、B项正确，C项错误．当地面上的人接触火线发生触电时，火线与零线中的电流大小不再相等，则L2中产生感应电流，电磁铁也就能把开关K吸起，即D正确．

10．如图8中甲为在温度为10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻R1＝20kΩ，R2＝10kΩ，R3＝40kΩ，Rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示．当a、b端电压Uab＜0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度升高；当Uab＞0时，电压鉴别器会令开关S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在__________℃.

图8

答案　35

解析　设电路路端电压为U，当Uab＝0时，有

R1＝

R3，解得Rt＝20kΩ.由题图乙可知，当Rt＝20kΩ时，恒温箱内的温度稳定在35℃.

11．如图9所示为一自动控制温度的电路，请说明其工作原理．

图9

答案　见解析

解析　当温度较低时，开关P在弹簧拉力作用下拉到上面与a接触，电热丝工作；随着温度升高，电热丝电阻增大，与电阻丝相并联的热敏电阻两端电压增大，热敏电阻温度升高，阻值减小，通过电磁铁的电流增大；磁性增强到一定程度时把P吸到b，电热丝停止工作，指示灯亮．