新教材人教版高中物理選擇性必修第二冊 5.3利用傳感器制作簡單的自動控制裝置 教學講義

1、精品文檔 精心整理精品文檔 可編輯的精品文檔第五章傳感器第3節(jié)利用傳感器制作簡單的自動控制裝置【素養(yǎng)目標】1.了解門窗防盜報警裝置，會組裝門窗防盜報警裝置。2.了解光控開關電路及控制原理，會組裝光控開關?！颈貍渲R】知識準備(1)普通二極管和發(fā)光二極管都具有單向?qū)щ娦浴０l(fā)光二極管除了具有普通二極管的單向?qū)щ娦酝?導電時還能發(fā)光,它小巧玲瓏顏色鮮艷,又很省電,許多家用電器上都用發(fā)光二極管作指示燈。(2)門電路對于與門電路,只要一個輸入端輸入為“0”,則輸出端一定是“0”,只有當所有輸入都為“1”時,輸出才是“1”。對于或門電路,只要有一個輸入端輸入為“1”,則輸出一定是“1”,只有當所有輸入都為

2、“0”時,輸出才是“0”。非門電路中,當輸入為“0”時,輸出總是“1”,當輸入為“1”時,輸出反而是“0”。非門電路也稱反相器。(3)斯密特觸發(fā)器斯密特觸發(fā)器性能特別,當加在它的輸入端A的電壓逐漸上升到某個值(1.6 V)時,輸出端Y會突然從高電平跳到低電平(0.25 V),而當輸入端A的電壓下降到另一個值的時候(0.8 V),Y會從低電平跳到高電平。斯密特觸發(fā)器可以將連續(xù)變化的模擬信號轉換為突變的數(shù)字信號,而這正是進行光控所需要的。(4)邏輯電路的高低電平在邏輯電路中,常把電勢的高低叫作電平的高低,“輸出低電平”的意義是輸出端處于低電勢的狀態(tài)。斯密特觸發(fā)器是具有特殊功能的非門,常用符號表示。

3、知識點一、門窗防盜報警裝置1電路如圖所示。2工作原理：閉合電路開關S，系統(tǒng)處于防盜狀態(tài)。當門窗緊閉時，磁體M靠近干簧管SA，干簧管兩個簧片被磁化相吸而接通繼電器線圈K，使繼電器工作。繼電器的動觸點c與常開觸點a接通，發(fā)光二極管LED發(fā)光，顯示電路處于正常工作狀態(tài)。當門窗開啟時，磁體離開干簧管，干簧管失磁斷開，繼電器被斷電。繼電器的動觸點c與常閉觸點b接通，蜂鳴器H發(fā)聲報警。干簧管在電路中起傳感器和控制開關的作用，繼電器則相當于一個自動的雙向開關。3實驗器材干簧管、繼電器、發(fā)光二極管LED、蜂鳴器H、電源、導線若干、開關、電阻。4. 實驗步驟(1)連接電路前，要先判斷一下干簧管是否可以正常工作。

4、用磁體直接靠近干簧管，觀察簧片能否正常動作。 (2)確定各元件可以正常工作后，按照圖所示連接電路。 (3)接通電源后，將磁體靠近和離開干簧管，分別觀察實驗現(xiàn)象。知識點二、光控開關(1)實驗目的:了解光控開關的工作原理,練習用傳感器制作自動控制設備。(2)實驗器材:斯密特觸發(fā)器、發(fā)光二極管、二極管、繼電器、燈泡(6 V,0.3 A)、可變電阻R1(最大阻值 51 k)、電阻R2(330 )、光敏電阻、集成電路實驗板、直流電源(5 V)、導線若干、黑紙。(3)實驗電路(如圖所示):(4)工作原理:甲圖(二極管光控電路):白天,光照強度較大時,光敏電阻RG阻值較小,加在斯密特觸發(fā)器輸入端A的電壓較低

5、,則輸出端Y輸出高電平,發(fā)光二極管LED不導通;傍晚,當光照強度小到一定程度時,RG阻值增大到一定值,斯密特觸發(fā)器的輸入端A的電壓上升到1.6 V,輸出端Y突然從高電平跳到低電平,則發(fā)光二極管LED導通發(fā)光(相當于路燈亮了),這樣就達到了使路燈天亮自動熄滅、天暗自動開啟的目的。乙圖(路燈光控電路):天較亮時,光敏電阻RG阻值較小,斯密特觸發(fā)器輸入端A電壓較低,則輸出端Y輸出高電平,線圈中無電流,工作電路不通;天較暗時,光敏電阻RG電阻增大,斯密特觸發(fā)器輸入端A電勢升高,當升高到一定值,輸出端Y由高電平突然跳到低電平,有電流通過線圈,電磁繼電器工作,接通工作電路,使路燈自動開啟;天亮后,RG阻值

6、減小,斯密特觸發(fā)器輸入端A電勢逐漸降低,降到一定值,輸出端Y突然由低電平跳到高電平,則線圈中不再有電流,則電磁繼電器自動切斷工作電路的電源,路燈熄滅。(5)實驗步驟:按照實驗電路圖將各元件組裝到集成電路實驗板上。檢查各元件的連接,確保無誤。接通電源,調(diào)節(jié)電阻R1,使發(fā)光二極管或燈泡在普通光照條件下不亮。用黑紙逐漸遮住光敏電阻,觀察發(fā)光二極管或燈泡的狀態(tài)。逐漸撤掉黑紙,觀察發(fā)光二極管或燈泡的狀態(tài)。【點睛】一、電磁繼電器的工作原理由于集成電路允許通過的電流較小,要用白熾燈泡模仿路燈,就要使用電磁繼電器來啟閉工作電路,如圖所示。其中圖中虛線框內(nèi)即為電磁繼電器J,D為動觸點,E為靜觸點。當線圈A中通電

7、時,鐵芯中產(chǎn)生磁場,吸引銜鐵B向下運動,從而帶動動觸點D向下與E接觸,將工作電路接通;當線圈A中電流為0時,電磁鐵失去磁性,銜鐵B在彈簧作用下拉起,帶動觸點D與E分離,自動切斷工作電路。在控制電路中并聯(lián)一只二極管,是為了防止電磁繼電器釋放銜鐵時線圈中的自感電動勢損壞集成電路。二極管的存在可以提供自感電流的通路。二、自動控制電路的分析與設計設計自動控制電路時,一般按照以下的思路進行。(1)根據(jù)題目給出的儀器和要求畫出控制電路和工作電路控制電路由電源、開關、光敏電阻(或熱敏電阻等其他敏感元件)、電磁繼電器和導線等組成;工作電路由電源、用電器(燈泡、電熱絲或其他用電器)、導線等組成。這兩個電路相互獨

8、立,又通過電磁繼電器相關聯(lián),電磁繼電器實際上是工作電路的開關。(2)分析自控電路的合理性電路設計完成后,要對它的合理性進行分析,用光照射光敏電阻或?qū)崦綦娮杓訜?檢查工作電路的接通和斷開是否符合實際要求。例如,自控路燈電路的設計要求是白天切斷工作電路,使路燈熄滅,晚上接通工作電路,使路燈點亮發(fā)光。【課堂檢測】1.霍爾元件是磁傳感器，是實際生活中的重要元件之一。如圖所示為長度一定的霍爾元件，在該元件中通有方向從E到F的恒定電流I，現(xiàn)在空間加一豎直向下的勻強磁場，磁感應強度大小為B，其中元件中的載流子為帶負電的電荷。則下列說法正確的是（ ） A.該元件能把電學量轉化為磁學量B.左表面的電勢高于右表

9、面C.如果用該元件測赤道處的磁場，應保持平面呈水平狀態(tài)D.如果在霍爾元件中的電流大小不變，則左右表面的電勢差與磁場的磁感應強度成正比【答案】 D 【解析】A霍爾元件能夠把磁學量轉換為電學量，A不符合題意； B由于元件中的載流子為帶負電的電荷，則負電荷的運動方向由F到E，由左手定則可知負B電荷向左表面偏轉，則右表面的電勢高，B不符合題意；C如果用該元件測赤道處的磁場，由于地磁場與水平面平行，因此如果霍爾元件的平面保持水平，則無電壓產(chǎn)生，C不符合題意；D根據(jù) qvB=qUd得 U=Bdv由電流的微觀定義式 I=nqSv（n是單位體積內(nèi)的導電粒子數(shù)，q是單個導電粒子所帶的電荷量，S是導體的橫截面積，

10、v是導電粒子運動的速度）整理得 v=InqS聯(lián)立解得 U=IBdnqS可知保持電流不變，則左右表面的電勢差與磁感應強度成正比，D符合題意。故答案為：D?！痉治觥炕魻栐r利用洛倫茲力使粒子偏轉，使極板帶電產(chǎn)生電勢差，實現(xiàn)把磁學量轉化為電學量；利用左手定則可以判別電子的偏轉進而判別電勢的高低；利用洛倫茲力和電場力相等可以求出電勢差的大?。唤Y合電流的微觀表達式可以判別電勢差和磁感應強度的關系；利用地磁場的方向可以判別其霍爾元件的平面擺放方向。2.利用霍爾效應制作的霍爾元件，廣泛應用于測量和自動控制等領域。自行車速度計就是利用霍爾元件工作的，在自行車的前輪上安裝一塊磁鐵，輪子每轉一周，磁鐵就靠近霍爾

11、傳感器一次產(chǎn)生一個脈沖電壓，測出某段時間內(nèi)脈沖數(shù)，就可以得出自行車的速度。若自行車前輪的半徑為R，磁鐵到軸的距離為r，下列說法正確的是（ ） A.若霍爾元件材料使用的是鋅（載流子帶正電），通入如圖甲所示的虛線方向電流后，C端電勢高于D端電勢B.當磁鐵從如圖所示的位置逐漸靠近霍爾傳感器的過程中，C.D間的電勢差越來越大 C若自行車騎行過程中單位時間測得的脈沖數(shù)為N，則此時騎行速度為2nNrD.由于前輪漏氣，導致前輪實際半徑比錄入到速度計中的參數(shù)小，則速度計測得的騎行速度偏小【答案】 B 【解析】A若霍爾元件材料使用的是鋅，霍爾元件的電流I是由正電荷定向運動形成的，根據(jù)左手定則，則正電荷偏向D端，

12、因此C端電勢低于D端電勢。A不符合題意； B根據(jù)公式 Bq=UHdqUH=Bd由電流的微觀表達式 I=nqs=Inqs聯(lián)立可得 UH=BIdnqdh=BInqh可知磁鐵從如圖乙所示的位置逐漸靠近霍爾傳感器的過程中，磁場越來越強，C、D間的電勢差也越來越大。B符合題意；C根據(jù)單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)N，可求得車輪轉動周期 T=1N從而求得車輪的角速度 =2N最后由線速度公式，結合車輪半徑R，即可求解車輪的速度大小 =2NRC不符合題意；D若前輪漏氣，導致前輪半徑比錄入到速度計中的參數(shù)偏小，那么單位時間測得的脈沖數(shù)會增多，則速度計測得的騎行速度偏大，D不符合題意。故答案為：B?！痉治觥坷米笫侄▌t可以判

13、別電勢的高低；利用洛倫茲力和電場力相等及電流的表達式可以求出電勢差的表達式；利用周期公式可以求出角速度的大小，結合半徑可以求出車輪的速度大??；利用測量半徑偏大所以其速度及測得的騎行速度偏大?！舅仞B(yǎng)作業(yè)】1.電子秤使用的是（ ） A.超聲波傳感器B.溫度傳感器C.壓力傳感器D.光傳感器【答案】 C 【解析】根據(jù)電子秤的工作原理，可知當電子秤受到壓力的作用時，會顯示相應的大小，故使用的是壓力傳感器，C符合題意；故答案為：C.【分析】電子秤受到壓力的作用時，會顯示相應的壓力大小，故使用的是壓力傳感器。2.類人型機器人裝有作為眼睛的“傳感器”，猶如大腦的“控制器”，以及可以行走的“執(zhí)行器”，在它碰到障

14、礙物前會自動避讓并及時轉彎下列有關該機器人“眼睛”的說法中正確的是（ ）A.是力傳感器B.是光傳感器C.是溫度傳感器D.是聲音傳感器【答案】 B 【解析】解：由圖可知，該傳感器可以作為機器人的眼睛，則說明它采用的應是通過感光原理而確定障礙物的；故應為光傳感器；故選：B【分析】根據(jù)題意明確該傳感器的作用，從而明確該傳感器屬于哪一種類型3.通常當人走向銀行門口時，門就會自動打開，是因為門上安裝了下列那種傳感器（ ）A.溫度傳感器B.壓力傳感器C.紅外線傳感器D.聲音傳感器【答案】 C 【解析】解：人走向門口時，門會自動打開，是因為安裝了紅外線傳感器從而能感知紅外線，導致門被打開故選：C【分析】一般

15、人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會發(fā)出特定波長10UM左右的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的10UM左右的紅外線而進行工作的4.下列關于傳感器的說法中正確的是（ ）A.金屬熱電阻是一種可以將電學量轉換為熱學量的傳感器B.電飯鍋是通過壓力傳感器實現(xiàn)溫度的自動控制C.干簧管是一種能夠感知電場的傳感器D.傳感器能將非電學量按一定規(guī)律轉換成電學量或者是電路的通斷【答案】 D 【解析】解：A、金屬熱電阻傳感器是利用導體或半導體的電阻隨溫度變化來測量溫度的一種溫度敏感元件，可以將熱學量轉換為電學量的傳感器故A錯誤；B、電飯鍋是通過溫度傳感器實現(xiàn)溫度的自動控制，故B錯誤；C、干簧管是一種能夠

16、感知磁場的傳感器，故C錯誤；D、傳感器作為一種將其它形式的信號與電信號之間的轉換裝置，能將非電學量按一定規(guī)律轉換成電學量或者是電路的通斷，故D正確；故選：D【分析】本題考查的知識點是傳感器，但是不同的傳感器有不同的具體應用，要具體問題具體分析15.下列說法不正確的是（ ）A.溫度傳感器通常是利用物體的某一物理性質(zhì)隨溫度的變化而改變制成的B.紅外線傳感器接收攜帶著信息的紅外線，轉換成電信號，從而得知輻射源的相關信息。C.目前常用的傳感器有溫度傳感器、生物傳感器、及壓力傳感器等D.熱敏電阻是由絕緣材料制成的電阻器，其電阻值會隨溫度值的變化而改變。【答案】 D 【解析】熱敏電阻是由一些合金組成的，不

17、是絕緣材料，D錯誤6.傳感器已廣泛應用于生產(chǎn)和生活中，下列關于傳感器的說法正確的是（） A.給貨車稱重的地磅使用了光傳感器B.夜間自動打開的路燈使用了紅外線傳感器C.話筒是一種常用的聲傳感器，其作用是將電信號轉換為聲信號D.電熨斗能自動控制溫度的原因是它裝有雙金屬片。這種雙金屬片的作用是控制電路的通斷【答案】 D 【解析】A給貨車稱重的地磅是利用了壓力傳感器，A不符合題意； B燈要求夜晚亮、白天熄，則白天有光，黑夜沒有光，則是由光導致電路的電流變化，所以電路中光傳感器導致電阻變化，實現(xiàn)動控制，因此是利用半導體的光敏性，即為光電傳感器，B不符合題意；C話筒是一種常用的聲波傳感器，其作用是聲信號轉

18、換為電信號，C不符合題意；D電熨斗通過溫度傳感器，由于雙金屬片上下層膨脹系數(shù)不同，在同一溫度下的伸縮不一，從而實現(xiàn)溫度的自動控制，從而實現(xiàn)控制電路的通斷，D符合題意。故答案為：D。【分析】給貨車稱重的地磅是利用壓力傳感器；夜間自動打開的路燈使用了光電傳感器；話筒的作用是把聲信號轉換為電信號。7.交流電壓表有一定的量度范圍，它的絕緣能力也有限，不能直接連到電壓過高的電路。用變壓器把高電壓變成低電壓再接到交流電壓表上，這個問題就解決了，這樣的變壓器叫做電壓互感器.還有另一種叫做電流互感器，可以用小量程的電流表測量大電流。下列圖像中接線正確的是（ ） A.B.C.D.【答案】 D 【解析】AB電壓互感器并聯(lián)在電網(wǎng)上，且需要把一個高電壓變成低電壓，屬于降壓變壓器，原線圈的匝數(shù)要大于副線圈的匝數(shù)。AB不符合題意； CD電流互感器串聯(lián)在電網(wǎng)上，且需要把一個大電流變成小電流，所以原線圈的匝數(shù)要小于副線圈的匝數(shù)。C不符合題意；D符合題意。故答案為：D?！痉治觥侩妷夯ジ衅餍枰⒙?lián)在其電網(wǎng)上，為了實現(xiàn)降壓功能所以其原線圈的匝數(shù)要大于副線圈的匝數(shù)；電流互感器要串聯(lián)在電網(wǎng)上，為了實現(xiàn)降流的功能其原線圈的匝數(shù)要小于副線圈的匝數(shù)。8.下圖中關于傳感器的應用，說