2024-2025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

PAGE9-3.生活中的傳感器4．簡(jiǎn)潔的光控和溫控電路(選學(xué))[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.了解傳感器在洗衣機(jī)、電冰箱、家用報(bào)警器中的應(yīng)用．(重點(diǎn))2.了解簡(jiǎn)潔的光控和溫控電路的工作原理及敏感元件所起的作用．(重點(diǎn))3.理解傳感器的工作原理及敏感元件所起的作用．(難點(diǎn))4.自己設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔的自動(dòng)限制電路．(難點(diǎn))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)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)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)和限制．近年來(lái)的模糊洗衣機(jī)中的傳感器大致有以下幾類：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，這些傳感器收集到的信息，經(jīng)微電腦綜合推理推斷后，執(zhí)行最佳的工作程序．2．電冰箱中的傳感器電冰箱主要由制冷系統(tǒng)和限制系統(tǒng)兩大部分組成．限制系統(tǒng)主要包括：溫度自動(dòng)限制、除霜溫度限制、過(guò)熱及過(guò)電流愛(ài)護(hù)等．3．家用報(bào)警器(1)居家生活中，煤氣泄漏會(huì)危及人身平安，須要加以防范．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和監(jiān)控探頭，可以類比人的眼睛．(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)于人的觸覺(jué)器官，如手、足、皮膚等．(4)聲傳感器相當(dāng)于人的耳朵．在有些探測(cè)活動(dòng)中，傳感器可以比人靈敏，或者可以報(bào)告更精確的結(jié)果，傳感器的確有“過(guò)人”之處．二、簡(jiǎn)潔的光控和溫控電路1．光控自動(dòng)照明電路(1)電路原理圖(如圖所示)(2)功能利用光敏電阻作限制元件，從而通過(guò)光線來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)限制，使電路在天亮?xí)r自動(dòng)切斷，天黑時(shí)自動(dòng)導(dǎo)通．(3)調(diào)試將光敏電阻用黑紙包住使它不被光照亮，假如發(fā)光二極管不亮，則調(diào)整電位器R1，直到發(fā)光二極管發(fā)光為止．然后將包袱光敏電阻的黑紙打開，看它是否熄滅，假如此時(shí)發(fā)光二極管不熄滅，則再調(diào)整電位器．反復(fù)使光敏電阻遮光或見(jiàn)光，直到可以實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管在光敏電阻有光照時(shí)熄滅，無(wú)光照時(shí)發(fā)光為止．此時(shí)發(fā)光二極管就相當(dāng)于一個(gè)由環(huán)境明暗變更而自動(dòng)限制的燈．2．溫控電熨斗(1)電路原理圖(如圖所示)(2)功能利用熱敏電阻作限制元件，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．(3)調(diào)試室溫下，假如發(fā)光二極管不亮，則調(diào)整電位器R1，直到發(fā)光二極管發(fā)光為止．然后將電烤燈通電并靠近熱敏電阻加熱，看它是否熄滅，假如此時(shí)發(fā)光二極管不熄滅，則再調(diào)整電位器．反復(fù)將電烤燈靠近或遠(yuǎn)離熱敏電阻，直到可以實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管在熱敏電阻溫度上升時(shí)熄滅，正常室溫時(shí)發(fā)光為止．1．思索推斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)通常的傳感器可以干脆用來(lái)進(jìn)行自動(dòng)限制． (×)(2)傳感器可以用來(lái)采集信息． (√)(3)傳感器可以將感受到的一些信號(hào)轉(zhuǎn)換為電學(xué)量． (√)(4)洗衣機(jī)的脫水傳感器是依據(jù)溫度變更限制脫水動(dòng)作的．(×)(5)電冰箱是利用溫度傳感器自動(dòng)控溫的． (√)2．(多選)電冰箱主要由制冷系統(tǒng)和限制系統(tǒng)兩大部分組成，在限制系統(tǒng)中，傳感器起著特別重要的作用．關(guān)于電冰箱中的傳感器，下列說(shuō)法正確的是()A．電冰箱中的溫控器是由溫度傳感器限制的B．電冰箱中的溫控器是由濕度傳感器限制的C．電冰箱由溫度傳感器限制制冷壓縮機(jī)的啟動(dòng)與停止D．電冰箱由溫度傳感器限制除霜溫控器的啟動(dòng)與停止ACD[電冰箱中溫度限制系統(tǒng)主要是溫度傳感器，與濕度無(wú)關(guān)．]3.如圖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為可經(jīng)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)接線柱．電磁繼電器與傳感器協(xié)作，可完成自動(dòng)限制的要求．其工作方式是()A．A與B接信號(hào)電壓，C與D可跟被控電路串聯(lián)B．A與B接信號(hào)電壓，C與D可跟被控電路并聯(lián)C．C與D接信號(hào)電壓，A與B可跟被控電路串聯(lián)D．C與D接信號(hào)電壓，A與B可跟被控電路并聯(lián)A[由圖可知A、B是電磁繼電器線圈，所以A、B應(yīng)接信號(hào)電壓，線圈隨信號(hào)電壓變更使電磁繼電器相吸或排斥，從而使C、D接通或斷開，進(jìn)而起到限制作用．所以選項(xiàng)A正確．]傳感器的應(yīng)用1.傳感器問(wèn)題的分析思路物理傳感器是將所感受的物理量(如力、熱、光等)轉(zhuǎn)換為便于測(cè)量的電學(xué)量的器件．我們可以把傳感器的應(yīng)用過(guò)程分為三個(gè)步驟：2．分析傳感器問(wèn)題的四點(diǎn)留意感受量分析要明確傳感器所感受的物理量，如力、熱、光、磁、聲等輸出信號(hào)分析明確傳感器的敏感元件，分析它的輸入信號(hào)及輸出信號(hào)，以及輸入信號(hào)與輸出信號(hào)間的變更規(guī)律電路結(jié)構(gòu)分析仔細(xì)分析傳感器所在的電路結(jié)構(gòu)，在熟識(shí)常用電子元件工作特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分析電路輸出信號(hào)與輸入信號(hào)間的規(guī)律執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作分析傳感器的應(yīng)用，不僅包含非電學(xué)量如何向電學(xué)量轉(zhuǎn)化的過(guò)程，還包含依據(jù)所獲得的信息限制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作的過(guò)程【例1】如圖所示為某種電冰箱內(nèi)溫度限制器的結(jié)構(gòu)．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)，限制制冷壓縮機(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)限制的，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．(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)起先工作，而在達(dá)到設(shè)定的低溫后又自動(dòng)停止工作？(2)為什么用凸輪可以變更設(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，限制壓縮機(jī)自動(dòng)起先工作，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，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共同限制彈簧片4的運(yùn)動(dòng)，而彈簧7上彈力的變更會(huì)變更設(shè)定的溫度．答案：見(jiàn)解析[跟進(jìn)訓(xùn)練]1．(多選)為了保證汽車車輪在制動(dòng)時(shí)不是完全剎死滑行，而是讓車輪仍有肯定的滾動(dòng)，我們用一個(gè)自動(dòng)檢測(cè)車速的傳感器來(lái)限制車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，其原理如圖所示(鐵質(zhì)齒輪P與車輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，右端是一個(gè)繞有線圈的磁體)，下列說(shuō)法正確的是()A．M是一個(gè)電流檢測(cè)器B．M是一個(gè)定值電阻C．該傳感器是把運(yùn)動(dòng)狀況轉(zhuǎn)化為電學(xué)物理量D．該傳感器是把運(yùn)動(dòng)狀況轉(zhuǎn)化為力學(xué)物理量AC[當(dāng)車輪帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈中會(huì)有電流，這是由于輪齒靠近線圈時(shí)被磁化，使磁場(chǎng)增加，輪齒離開線圈時(shí)磁場(chǎng)減弱，磁通量變更使線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電流．將這個(gè)電流放大后去限制制動(dòng)機(jī)構(gòu)，可有效地防止車輪被制動(dòng)抱死．所以，A，C兩項(xiàng)正確．]簡(jiǎn)潔的光控和溫控電路設(shè)計(jì)求解傳感器限制電路類問(wèn)題的一般思路(1)首先明確限制電路的工作原理；(2)然后分清所應(yīng)用的傳感器及其特性；(3)最終結(jié)合電路學(xué)問(wèn)完成設(shè)計(jì)．【例2】城市街道的路燈用光敏電阻作為傳感器限制路燈電路的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)限制．光敏電阻的阻值隨照耀光的強(qiáng)弱而變更，作為簡(jiǎn)化模型，可以近似認(rèn)為，照耀光較強(qiáng)(如白天)時(shí)電阻幾乎為0；照耀光較弱(如黑天)時(shí)電阻接近于無(wú)窮大．利用光敏電阻作為傳感器，借助電磁開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)路燈自動(dòng)在白天關(guān)閉，黑天打開．電磁開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示.1、2兩接線柱之間是勵(lì)磁線圈，3、4兩接線柱分別與彈簧片和觸點(diǎn)連接．當(dāng)勵(lì)磁線圈中電流大于50mA時(shí)，電磁鐵吸合鐵片，彈簧片和觸點(diǎn)分別，3、4斷開；電流小于50mA時(shí)，3、4接通．勵(lì)磁線圈中允許通過(guò)的最大電流為100mA.(1)利用以下器材設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)限制路燈的電路，畫出電路原理圖．光敏電阻R1，符號(hào)燈泡L，額定功率40W，額定電壓36V，符號(hào)愛(ài)護(hù)電阻R2，符號(hào)電磁開關(guān)，符號(hào)蓄電池E，電壓36V，內(nèi)阻很??；開關(guān)S，導(dǎo)線若干．(2)回答下列問(wèn)題：①假如勵(lì)磁線圈的電阻為200Ω，勵(lì)磁線圈允許加的最大電壓為________V，愛(ài)護(hù)電阻R2的阻值范圍是____________Ω.②在有些應(yīng)用電磁開關(guān)的場(chǎng)合，為了平安，往往須要在電磁鐵吸合鐵片時(shí)，接線柱3、4之間從斷開變?yōu)榻油ǎ疄榇耍姶砰_關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)如何改造？請(qǐng)結(jié)合本題中電磁開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖說(shuō)明．解析：(1)電路原理如圖所示．(2)①由題意知，最大電流Im＝100mA，則Um＝ImR＝100×10－3×200V＝20V又E＝I(R2＋R)因50mA<I≤100mA代入數(shù)據(jù)解得160Ω≤R2<520Ω.②把觸點(diǎn)從彈簧片右側(cè)移到彈簧片左側(cè)，保證當(dāng)磁鐵吸合鐵片時(shí)，3、4之間接通；不吸合時(shí)，3、4之間斷開．答案：(1)見(jiàn)解析圖(2)①20160～520②見(jiàn)解析(1)分析工作原理時(shí)，要理解兩個(gè)電路的連接狀況，即明確限制電路和工作電路．(2)明確溫度傳感器的原理，因溫度變更，阻值變更，所以要留意結(jié)合閉合電路歐姆定律進(jìn)行處理．[跟進(jìn)訓(xùn)練]2．如圖甲所示為在溫度為10℃左右的環(huán)境中工作的某自動(dòng)恒溫箱原理簡(jiǎn)圖，箱內(nèi)的電阻R1＝20kΩ、R2＝10kΩ、R3＝40kΩ，RT為熱敏電阻，它的電阻隨溫度變更的圖線如圖乙所示，a、b端電壓Uab≤0時(shí)，電壓鑒別器會(huì)令開關(guān)S接觸，恒溫箱內(nèi)的電熱絲發(fā)熱，使箱內(nèi)溫度上升；當(dāng)a、b端電壓Uab>0時(shí)，電壓鑒別器會(huì)令開關(guān)S斷開，停止加熱，則恒溫箱內(nèi)的溫度可保持在()甲乙A．10℃ B．20℃C．30℃ D．45℃C[由題可知Uab＝0是一個(gè)電壓的臨界點(diǎn)，對(duì)應(yīng)著開關(guān)S的動(dòng)作，而開關(guān)的動(dòng)作對(duì)應(yīng)著溫度的上升或下降．由電路圖可知，在R1、R2、R3給定的條件下，熱敏電阻RT的阻值確定了Uab的正負(fù)．設(shè)電源負(fù)極的電勢(shì)為零，則φa＝eq\f(R2,R1＋R2)U，φb＝eq\f(RT,R3＋RT)U，其中U為電源的路端電壓，令φa＝φb，即Uab＝0，則可得eq\f(R2,R1)＝eq\f(RT,R3)，代入數(shù)據(jù)得RT＝20kΩ，由題圖乙得對(duì)應(yīng)的溫度為30℃，C正確．]4個(gè)應(yīng)用——洗衣機(jī)中的傳感器、電冰箱中的傳感器、家用報(bào)警器、傳感器與人的器官1．下列器件是應(yīng)用力傳感器的是()A．鼠標(biāo)器 B．火災(zāi)報(bào)警器C．測(cè)溫儀 D．電子秤D[鼠標(biāo)器中的傳感器是紅外線接收管，屬于光傳感器；火災(zāi)報(bào)警器中傳感器是光電三極管，屬于光傳感器；測(cè)溫儀用的是溫度傳感器；電子秤的敏感元件是應(yīng)變片，是力傳感器，D正確．]2．壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，有位同學(xué)利用壓敏電阻設(shè)計(jì)了推斷小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的裝置，其工作原理如圖(a)所示，將壓敏電阻和一塊擋板固定在絕緣小車上，中間放置一個(gè)絕緣重球．小車向右做直線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電流表示數(shù)如圖(b)所示，下列推斷正確的是()(a)(b)A．從t1到t2時(shí)間內(nèi)，小車做勻速直線運(yùn)動(dòng)B．從t1到t2時(shí)間內(nèi)，小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)C．從t2到t3時(shí)間內(nèi)，小車做勻速直線運(yùn)動(dòng)D．從t2到t3時(shí)間內(nèi)，小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)D[由題意知，壓敏電阻中的電流隨所受壓力而變更，壓力不變時(shí)，電流肯定，壓力變更時(shí)，電流變更，由牛頓第三定律，壓敏電阻對(duì)重球也產(chǎn)生大小相同的壓力．由題圖(b)可知，在t2～t3時(shí)間內(nèi)電流不變，表示壓力不變，小車做勻加速運(yùn)動(dòng)，在t1～t2時(shí)間內(nèi)電流增大，壓力增大，小車做加速度增大的運(yùn)動(dòng)，故A、B、C均錯(cuò)誤，D正確．]3．如圖所示是一種煙霧報(bào)警器的限制電路圖，其原理簡(jiǎn)化如下：調(diào)整可變電阻R1使U23＝0.當(dāng)有煙霧時(shí)，eq\x(M741)起先觸發(fā)工作，其中Rg是光敏電阻．由此可知，要使eq\x(M741)起先工作，則應(yīng)滿意()A．φ2>φ3 B．φ2<φ3C．φ2＝φ3 D．無(wú)法推斷A[規(guī)定電源負(fù)極的電勢(shì)為零，則φ3＝eq\f(ER4,R3＋R4)保持不變．而φ2＝eq\f(ERg,R1＋R2＋Rg)＝eq\f(E,\f(R1＋R2,Rg)＋1)，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)，限制電路起先工作．]4．傳感器擔(dān)負(fù)著信息的采集任務(wù)，在自動(dòng)限制中發(fā)揮著重要作用，傳感器能夠?qū)⒏惺艿降奈锢砹?如溫度、光、聲等)轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的量(通常是電學(xué)量)．例如，熱敏傳感器主要是應(yīng)用了半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻，其阻值隨溫度變更的圖線如圖甲所示，圖乙是由熱敏電阻Rt作為傳感器制作的簡(jiǎn)潔自動(dòng)報(bào)警器的線路圖，問(wèn)：甲乙(1)為了使溫度過(guò)高時(shí)報(bào)警鈴響，c應(yīng)接在________(選填“a”或“b”)點(diǎn)．(2)若使啟動(dòng)報(bào)警的溫度提高些，應(yīng)將滑動(dòng)變阻器滑片P向________(選填“左”或“右”)移動(dòng)．(3)假如在調(diào)試報(bào)警器達(dá)最低報(bào)警溫度時(shí)，無(wú)論如何調(diào)整滑動(dòng)變阻器滑片P都不能使報(bào)警器工作，且電路連接完好，各電路元件都能處于工作狀態(tài)，則造成工作電路實(shí)際不能工作的緣由可能是_____________________________________________________________________________________________________________.解析：(1)由圖甲可知當(dāng)溫度上升時(shí)Rt的阻值減小，通過(guò)線圈的電流變大，電磁鐵的磁場(chǎng)變強(qiáng)，對(duì)銜鐵