高中物理第六章传感器3实验传感器的应用学案新人教版选修.docx

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高中物理第六章传感器3实验传感器的应用学案新人教版选修

3实验：

传感器的应用

[目标定位]　1.理解光控开关、温度报警器的工作原理.2.理解光控开关、温度报警器的灵敏度调节原理.3.会用传感器制作简单的自动控制设备.

一、光控开关电路分析

1.工作原理（如图1所示）.

图1

2.斯密特触发器

实质是一个具有特殊功能的非门，当A端电势高于1.6V时，Y端会输出0.25V的低电势，当A端电势低于0.8V时，Y端会输出3.4V的高电势.

3.电路分析

（1）电磁继电器的工作原理

由于集成电路允许通过的电流较小，要用白炽灯泡模仿路灯，就要使用继电器来启闭另外的供电电路.如图2所示，图中虚线框内即为电磁继电器J，D为动触点，E为静触点.当线圈A中通电时，铁芯中产生磁场，吸引衔铁B向下运动，从而带动动触点D向下与静触点E接触，将工作电路接通，当线圈A中电流为零时，电磁铁失去磁性，衔铁B在弹簧作用下被拉起，动触点D与静触点E分离，自动切断工作电路.

图2

（2）控制电路的原理

天较亮时，光敏电阻RG阻值较小，斯密特触发器输入端A电势较低，则输出端Y输出高电平，线圈中无电流，工作电路不通；天较暗时，光敏电阻RG电阻增大，斯密特触发器输入端A电势升高，当升高到一定值，输出端Y由高电平突然跳到低电平，有电流通过线圈A，电磁继电器工作，接通工作电路，使路灯自动开启；天明后，RG阻值减小，斯密特触发器输入端A电势逐渐降低，降到一定值，输出端Y突然由低电平跳到高电平，则线圈A中不再有电流，电磁继电器自动切断工作电路的电源，路灯熄灭.

深度思考

如图1甲所示，要想在天更暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值如何调节？

答案　要想在天更暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大些，这样要使斯密特触发器的输入端A的电压达到某个值（如1.6V），就需要RG的值达到更大，即天色更暗.

例1

　如图3所示为一个逻辑电平检测电路，A与被测点相接，则（　　）

图3

A.A为低电平，LED发光

B.A为高电平，LED发光

C.A为低电平，LED不发光

D.A为高电平，LED不发光

解析　A为低电平时，Y为高电平，LED的电压小，不发光；A为高电平时，Y为低电平，LED的电压大，发光，故B、C正确.

答案　BC

（1）图中“

”叫斯密特触发器，是一种具有特殊功能的“非”门.

（2）与物理学中的电路图不同，在涉及门电路的电路图时，表示的是电路中的逻辑关系，通常不把电流的通路完整地画出来.

针对训练1　如图4所示的光控电路，用发光二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻，R1的最大电阻为51kΩ，R2为330Ω.白天，光的强度较大，光敏电阻RG的电阻值较________，加在斯密特触发器A端的电压较________，则输出端Y输出高电平，发光二极管LED________（填“导通”或“不导通”）；当天色暗到一定程度时，RG的阻值增大到一定值，斯密特触发器输入端A的电压上升到某个值（1.6V），输出端Y突然从高电平跳到低电平，则发光二极管LED______（填“导通”或“不导通”），这样就达到了使路灯白天熄灭，天暗自动开启的目的.

图4

答案　小　低　不导通　导通

解析　白天，光照强度较大，光敏电阻RG的电阻值较小，加在斯密特触发器A端的电压较低，则输出端Y输出高电平，发光二极管LED不导通；当天色暗到一定程度时，RG阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端A的电压上升到某个值（1.6V）时，输出端Y会突然从高电平跳到低电平，则发光二极管LED导通发光（相当于路灯亮了），这样就达到了使路灯白天熄灭，天暗自动开启的目的.

二、温度报警器电路分析

1.电路

如图5所示.

图5

2.工作原理

常温下，调整R1的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电平，则输出端Y处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时，热敏电阻RT阻值减小，斯密特触发器输入端A电势升高，当达到某一值（高电平），其输出端由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声，R1的阻值不同，则报警温度不同.

深度思考

如图5所示，要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应如何调节滑动变阻器R1?

答案　要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应减小R1的阻值，R1阻值越小，加在斯密特触发器输入端A端达到高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高.

例2

　温度报警器电路如图6所示，常温下，调整____的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电平，则输出端Y处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时，热敏电阻RT阻值____，斯密特触发器的输入端A电势____，当达到某一值（高电平）时，其输出端由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声.R1的阻值不同，则报警温度不同.

图6

解析　常温下，调整R1的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电平，则输出端Y处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时，热敏电阻RT阻值减小，斯密特触发器输入端A电势升高，当达到某一值（高电平）时，其输出端由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出警报声，R1的阻值不同，报警温度不同.

答案　R1　减小　升高

针对训练2　如图7所示，是一个火警报警装置的逻辑电路图.RT是一个热敏电阻，低温时电阻值很大，高温时电阻值很小，R是一个阻值较小的分压电阻.

图7

（1）要做到低温时电铃不响，火警时产生高温，电铃响起，在图中虚线处应接入怎样的元件？

（2）为什么温度高时电铃会被接通？

（3）为了提高该电路的灵敏度，即报警温度调得稍低些，R的值应大一些还是小一些？

答案　见解析

解析　

（1）温度较低时RT的阻值很大，R比RT小得多，因此P、X之间电压较大.要求此时电铃不响，表明输出给电铃的电压应该较小，输入与输出相反，可见虚线处元件应是“非”门.

（2）高温时RT的阻值减小，P、X之间电压降低，输入低电压时，从“非”门输出的是高电压，电铃响起.（3）由前面分析可知，若R较大，由于它的分压作用，RT两端的电压降低，则外界温度不太高时，就能使P、X之间电压降到低电压输入，电铃就能发声，因此R较大时，反应较灵敏.

三、自动控制电路的分析与设计

例3

　现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干.如图8所示，试设计一个温控电路.要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度时，又可以自动断电，画出电路图并说明工作过程.

图8

解析　热敏电阻与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路.

答案　电路图如图所示.工作过程：

闭合开关S，当温度低于设计值时，热敏电阻的阻值较大，通过电磁继电器的电流不能使它工作，K接通使电炉丝加热，当温度达到设计值时，热敏电阻的阻值减小到某一值，通过电磁继电器的电流达到工作电流，K断开，电炉丝断电，停止供热.当温度低于设计值时，又重复上述过程.

设计自动控制电路时，一般按照以下的思路进行：

（1）根据题目给出的仪器和要求画出控制电路和工作电路

控制电路由电源、开关、光敏电阻（或热敏电阻等其他敏感元件）、电磁继电器和导线等组成；工作电路由电源、用电器（灯泡、电热丝或其他用电器）、导线等组成.这两个电路相互独立，又通过电磁继电器相关联，电磁继电器实际上是工作电路的开关.

（2）分析自控电路的合理性

电路设计完成后，要对它的合理性进行分析，用光照射光敏电阻或对热敏电阻加热，检查工作电路的接通和断开是否符合实际要求.例如，自控路灯电路的设计要求是白天切断工作电路，使路灯熄灭，晚上接通工作电路，使路灯发光.

1.（温度报警器电路分析）（多选）如图9是温度报警器的电路示意图，下面对此电路的分析正确的是（　　）

图9

A.当RT的温度升高时，其阻值减小，A端电势降低，Y端电势升高，蜂鸣器会发出报警声

B.当RT的温度升高时，其阻值减小，A端电势升高，Y端电势降低，蜂鸣器会发出报警声

C.当增大R1时，A端电势升高，Y端电势降低，蜂鸣器会发出报警声

D.当增大R1时，A端电势降低，Y端电势升高，蜂鸣器会发出报警声

答案　BC

2.（自动控制电路的分析与设计）如图10所示，某小型电磁继电器，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10

A.A与B接信号电压，C与D跟被控电路串联

B.A与B接信号电压，C与D跟被控电路并联

C.C与D接信号电压，A与B跟被控电路串联

D.C与D接信号电压，A与B跟被控电路并联

答案　A

解析　A、B接电磁继电器的线圈，所以A、B应接信号电压，线圈电流随信号电压变化使电磁继电器相吸或释放，从而使C、D接通或断开，进而起到控制作用，故正确答案为A.

3.（自动控制电路的分析与设计）如图11所示是自动水位报警的示意图，其中继电器的线圈通过电流时，磁铁吸引衔铁1，使它与触头3断开，与触头2接触.若要求水位正常时绿灯亮，高出一定水位时红灯亮，现有红、绿灯泡各一个，红灯泡应安在________位置，绿灯泡应安在______位置（填“A”或“B”）.

图11

答案　B　A

解析　水位正常时，线圈中没有电流，衔铁1与触头3接触，这时应绿灯亮，所以绿灯泡应安在A位置，当高出一定水位时，线圈中有电流，磁铁吸引衔铁1，使它与触头3断开，与触头2接触，这时应红灯亮，所以红灯泡应安在B位置.

4.（光控开关电路分析与设计）光敏电阻在各种自动化装置中有很多应用，其中就可用于街道路灯的自动控制开关，如图12所示为模拟电路，其中A为光敏电阻，B为电磁继电器，C为照明电路，D为路灯，请连成正确的电路，达到日出灯熄、日落灯亮的效果.

图12

答案　见解析图

解析　电路连接如图所示.当天亮时，光线照射光敏电阻A，其阻值迅速减小，控制回路电流增大，电磁继电器B工作，吸下衔铁使触点断开，路灯熄灭.当夜晚降临，光线变暗，光敏电阻A的阻值增大，控制回路电流减小，弹簧将衔铁拉起，触点接通，路灯点亮.

题组一　光控开关电路分析

1.逻辑电路在电子线路中有着重要的应用.某同学利用“非”门电路设计了一个路灯自动控制门电路.天黑了，让路灯自动接通；天亮了，让路灯自动熄灭.图1中RG是一个光敏电阻，当有光线照射时，光敏电阻的阻值会明显减小.R是可调电阻，起分压作用.“非”门电路能将输入的高压信号转变为低压信号，或将低压信号转变为高压信号，J为路灯总开关控制电路，它在获得高电压时才启动（图中未画出路灯电路）.

图1

（1）当天黑时，RG的阻值变________，“非”门电路获得_______电压，J得到_______电压.（填“大”、“小”或“高”、“低”）

（2）如果路灯开关自动接通时天色还比较亮，现要调节自动控制装置，使得它在天色较暗时才会自动接通开关，应将R的阻值调________（填“大”或“小”）一些.

答案　

（1）大　低　高　

（2）大

解析　

（1）天黑时，光线减弱，光敏电阻RG的阻值变大，A端输入低电压，Y端输出高电压，J得到高电压，开始控制路灯工作.

（2）如果路灯开关自动接通时天色还比较亮，应将R的阻值调大，使A端输入电压较高，当天色较暗时，RG的电阻变大，A端的电压降低，Y端的电压升高，J得到高电压，开始控制路灯工作.

2.把蜂鸣器、光敏电阻、干簧管继电器、开关、电源按如图2甲所示电路连接，制成光电报警装置.当报警器有光照射时，蜂鸣器发声，当没有光照或者光照很弱时，蜂鸣器不发声.光敏电阻：

光敏电阻受光照射后，阻值会变小.干簧管继电器：

由干簧管和绕在干簧管外的线圈组成，如图乙所示，当线圈中有一定的电流时，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化，两个簧片在磁力作用下由原来的分离状态变成闭合状态.当线圈中没有电流或者电流很微弱时，磁场消失，簧片在弹力的作用下回复到分离状态.试说明光电报警器的工作原理.

图2

答案　当报警器有光照射时，光敏电阻阻值减小，电路中电流增大，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化，两个簧片由原来的分离状态变成闭合状态，蜂鸣器电路接通，蜂鸣器发声；反之，当没有光照射或光照很微弱时，光敏电阻阻值很大，电路中的电流很小，干簧管内的两个铁质簧片处于分离状态，连接蜂鸣器的电路断开，蜂鸣器不发声.

题组二　温控开关电路分析

3.如图3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3

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　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.

4.如图4所示为一自动控制温度的电路，请说明其工作原理.

图4

答案　见解析

解析　当开关P在弹簧拉力作用下拉到上面与a接触时，电热丝工作；随着温度升高，热敏电阻温度升高，阻值减小，通过电磁铁的电流增大，电磁铁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.

题组三　自动控制电路的分析与设计

5.（多选）如图5所示，全自动洗衣机中的排水阀是由程序控制器控制其动作的，当进行排水和脱水工序时，控制铁芯1的线圈通电，使铁芯2运动，从而牵引排水阀的阀门排除污水.以下说法中正确的是（　　）

图5

A.若输入的控制电流由a流入，由b流出，则铁芯2中A端为N极，B端为S极

B.若输入的控制电流由a流入，由b流出，则铁芯2中A端为S极，B端为N极

C.若a、b处输入交变电流，铁芯2不能被吸入线圈中

D.若a、b处输入交变电流，铁芯2仍能被吸入线圈中

答案　AD

解析　铁芯被通电螺线管磁化.

6.（多选）某同学设计的家庭电路保护装置如图6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6

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　由于零线、火线中电流方向相反，产生的磁场方向相反，所以家庭电路正常工作时，L2中的磁通量为零，选项A正确；家庭电路短路和用电器增多时均不会引起L2的磁通量的变化，选项B正确，C错误；地面上的人接触火线发生触电时，线圈L1中磁场变化引起L2中磁通量的变化，产生感应电流，吸起K，切断家庭电路，选项D正确.

7.如图7是一种防汛报警器的原理图，S是触点开关，B是一个漏斗形的竹片圆筒，里面有浮子A，请你说明这种报警器的工作原理.

图7

答案　见解析

解析　由题图可以看出，水面上升时，浮子A在漏斗形的竹片圆筒内上浮，顶起金属板.当水面上升达到警戒水位时，使触点开关S闭合，电磁铁电路连通，电磁铁通电有磁性，吸下衔铁使报警电路的触点开关闭合，灯亮发出防汛警报.