高中物理第三章传感器3生活中的传感器4简单的光控和温控电路选学名师制作优质学案教科版选修3.docx

高中物理第三章传感器3生活中的传感器4简单的光控和温控电路选学名师制作优质学案教科版选修3.docx

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高中物理第三章传感器3生活中的传感器4简单的光控和温控电路选学名师制作优质学案教科版选修3

3．生活中的传感器

4．简单的光控和温控电路（选学）

学习目标

知识脉络

1.了解传感器在洗衣机、电冰箱、家用报警器中的应用．（重点）

2.了解简单的光控和温控电路的工作原理及敏感元件所起的作用．（重点）

3.理解传感器的工作原理及敏感元件所起的作用．（难点）

4.自己设计简单的自动控制电路．（难点）

[自主预习·探新知]

[知识梳理]

一、生活中的传感器

1．洗衣机中的传感器

全自动洗衣机已经实现利用传感器和电脑技术对洗涤全过程进行检测和控制．近年来的模糊洗衣机中的传感器大致有以下几类：

水位传感器、负载量传感器、水温传感器、布质传感器、洗涤粉传感器、脏污程度传感器、脱水（压电）传感器，这些传感器收集到的信息，经微电脑综合推理判断后，执行最佳的工作程序．

2．电冰箱中的传感器

电冰箱主要由制冷系统和控制系统两大部分组成．控制系统主要包括：

温度自动控制、除霜温度控制、过热及过电流保护等．

3．家用报警器

（1）居家生活中，煤气泄漏会危及人身安全，需要加以防范．我们可以利用气敏元件制作有害气体报警器和可燃气体报警器．

（2）有一种敲击防盗报警器，它利用压电式传感器对门窗玻璃损毁产生反应，形成对报警装置的启动．还有一种冲击防盗报警器，由冲击传感器和执行电路两部分组成．

4．传感器与人的感官

（1）光传感器和由它制成的录像头和监控探头，可以类比人的眼睛．

（2）对有毒有害气体进行监控的化学和生物传感器，相当于人的鼻和舌等嗅觉、味觉器官．

（3）力学和振动传感器，以及温度传感器可以认为相当于人的触觉器官，如手、足、皮肤等．

（4）声传感器相当于人的耳朵．在有些探测活动中，传感器可以比人灵敏，或者可以报告更准确的结果，传感器确实有“过人”之处．

二、简单的光控和温控电路

1．光控自动照明电路

（1）电路原理图（如图331所示）

图331

（2）功能

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，天黑时自动导通．

（3）调试

将光敏电阻用黑纸包住使它不被光照亮，如果发光二极管不亮，则调节电位器R1，直到发光二极管发光为止．然后将包裹光敏电阻的黑纸打开，看它是否熄灭，如果此时发光二极管不熄灭，则再调节电位器．反复使光敏电阻遮光或见光，直到可以实现发光二极管在光敏电阻有光照时熄灭，无光照时发光为止．此时发光二极管就相当于一个由环境明暗变化而自动控制的灯．

2．温控电熨斗

（1）电路原理图（如图332所示）

图332

（2）功能

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，电热器供电加热，否则将电源关闭．

（3）调试

室温下，如果发光二极管不亮，则调节电位器R1，直到发光二极管发光为止．然后将电烤灯通电并靠近热敏电阻加热，看它是否熄灭，如果此时发光二极管不熄灭，则再调节电位器．反复将电烤灯靠近或远离热敏电阻，直到可以实现发光二极管在热敏电阻温度升高时熄灭，正常室温时发光为止．

[基础自测]

1．思考判断

（1）通常的传感器可以直接用来进行自动控制．（×）

（2）传感器可以用来采集信息．（√）

（3）传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量．（√）

（4）洗衣机的脱水传感器是根据温度变化控制脱水动作的．（×）

（5）电冰箱是利用温度传感器自动控温的．（√）

2．（多选）电冰箱主要由制冷系统和控制系统两大部分组成，在控制系统中，传感器起着非常重要的作用．关于电冰箱中的传感器，下列说法正确的是（　　）

A．电冰箱中的温控器是由温度传感器控制的

B．电冰箱中的温控器是由湿度传感器控制的

C．电冰箱由温度传感器控制制冷压缩机的启动与停止

D．电冰箱由温度传感器控制除霜温控器的启动与停止

ACD　[电冰箱中温度控制系统主要是温度传感器，与湿度无关．]

3.如图333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为可经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333

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

A　[由图可知A、B是电磁继电器线圈，所以A、B应接信号电压，线圈随信号电压变化使电磁继电器相吸或排斥，从而使C、D接通或断开，进而起到控制作用．所以选项A正确．]

[合作探究·攻重难]

传感器的应用

1.传感器问题的分析思路

物理传感器是将所感受的物理量（如力、热、光等）转换为便于测量的电学量的器件．我们可以把传感器的应用过程分为三个步骤：

⇒

⇒

2．分析传感器问题的四点注意

感受量

分析

要明确传感器所感受的物理量，如力、热、光、磁、声等

输出信号分析

明确传感器的敏感元件，分析它的输入信号及输出信号，以及输入信号与输出信号间的变化规律

电路结构分析

认真分析传感器所在的电路结构，在熟悉常用电子元件工作特点的基础上，分析电路输出信号与输入信号间的规律

执行机构工作分析

传感器的应用，不仅包含非电学量如何向电学量转化的过程，还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程

　如图334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334

（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

[针对训练]

1．（多选）为了保证汽车车轮在制动时不是完全刹死滑行，而是让车轮仍有一定的滚动，我们用一个自动检测车速的传感器来控制车轮的转动，其原理如图335所示（铁质齿轮P与车轮同步转动，右端是一个绕有线圈的磁体），下列说法正确的是（　　）

图335

A．M是一个电流检测器

B．M是一个定值电阻

C．该传感器是把运动情况转化为电学物理量

D．该传感器是把运动情况转化为力学物理量

AC　[当车轮带动齿轮转动时，线圈中会有电流，这是由于轮齿靠近线圈时被磁化，使磁场增强，轮齿离开线圈时磁场减弱，磁通量变化使线圈中产生了感应电流．将这个电流放大后去控制制动机构，可有效地防止车轮被制动抱死．所以，A，C两项正确．]

2．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．参照图336，下列对故障判断正确的是（　　）

图336

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

C　[由恒温箱原理图可知，若热敏电阻出现故障或温度设定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．]

简单的光控和温控电路设计

求解传感器控制电路类问题的一般思路

（1）首先明确控制电路的工作原理；

（2）然后分清所应用的传感器及其特性；

（3）最后结合电路知识完成设计．

　在城市街道的路灯用光敏电阻作为传感器控制路灯电路的开关，实现自动控制．光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化，作为简化模型，可以近似认为，照射光较强（如白天）时电阻几乎为0；照射光较弱（如黑天）时电阻接近于无穷大．利用光敏电阻作为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭，黑天打开．电磁开关的内部结构如图337所示.1、2两接线柱之间是励磁线圈，3、4两接线柱分别与弹簧片和触点连接．当励磁线圈中电流大于50mA时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分离，3、4断开；电流小于50mA时，3、4接通．励磁线圈中允许通过的最大电流为100mA.

图337

（1）利用以下器材设计一个自动控制路灯的电路，画出电路原理图．

光敏电阻R1，符号

灯泡L，额定功率40W，额定电压36V，符号

保护电阻R2，符号

电磁开关，符号

蓄电池E，电压36V，内阻很小；开关S，导线若干．

（2）回答下列问题：

①如果励磁线圈的电阻为200Ω，励磁线圈允许加的最大电压为________V，保护电阻R2的阻值范围是____________Ω.

②在有些应用电磁开关的场合，为了安全，往往需要在电磁铁吸合铁片时，接线柱3、4之间从断开变为接通．为此，电磁开关内部结构应如何改造？

请结合本题中电磁开关内部结构图说明．

【解析】　

（1）电路原理如图所示．

（2）①由题意知，最大电流Im＝100mA，则

Um＝ImR＝100×10－3×200V＝20V

又E＝I（R2＋R）

因50mA

代入数据解得160Ω≤R2<520Ω.

②把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当磁铁吸合铁片时，3、4之间接通；不吸合时，3、4之间断开．

【答案】　

（1）见解析　

（2）①20　160～520　②见解析

（1）分析工作原理时，要理解两个电路的连接情况，即明确控制电路和工作电路．

（2）明确温度传感器的原理，因温度变化，阻值变化，所以要注意结合闭合电路欧姆定律进行处理.

[针对训练]

3．如图338甲所示为在温度为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338乙所示，a、b端电压Uab≤0时，电压鉴别器会令开关S接触，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度升高；当a、b端电压Uab>0时，电压鉴别器会令开关S断开，停止加热，则恒温箱内的温度可保持在（　　）

甲　　　　　　　　　　　　乙

图338

A．10℃　　B．20℃　　　C．30℃　　　D．45℃

C　[由题可知Uab＝0是一个电压的临界点，对应着开关S的动作，而开关的动作对应着温度的上升或下降．由电路图可知，在R1、R2、R3给定的条件下，热敏电阻RT的阻值决定了Uab的正负．设电源负极的电势为零，则φa＝

U，φb＝

U，其中U为电源的路端电压，令φa＝φb，即Uab＝0，则可得

＝

，代入数据得RT＝20kΩ，由题图乙得对应的温度为30℃，C正确．]

4．传感器担负着信息的采集任务，在自动控制中发挥着重要作用，传感器能够将感受到的物理量（如温度、光、声等）转换成便于测量的量（通常是电学量）．例如，热敏传感器主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻，其阻值随温度变化的图线如图339甲所示，图339乙是由热敏电阻Rt作为传感器制作的简单自动报警器的线路图，问：

甲　　　　　　　　　　　　　乙

图339

（1）为了使温度过高时报警铃响，c应接在________（选填“a”或“b”）点．

（2）若使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器滑片P向________（选填“左”或“右”）移动．

（3）如果在调试报警器达最低报警温度时，无论如何调节滑动变阻器滑片P都不能使报警器工作，且电路连接完好，各电路元件都能处于工作状态，则造成工作电路实际不能工作的原因可能是___________________________

________________________________________________________.

【解析】　

（1）由图甲可知当温度升高时Rt的阻值减小，通过线圈的电流变大，电磁铁的磁场变强，对衔铁的引力变大，可与a点接触，欲使报警器报警，c应接在a点．

（2）若使启动报警的温度提高些，可使电路的相对电流减小一些，以使得热敏电阻Rt的阻值减小得更大一些，所以将滑动变阻器滑片P向左移动，增大滑动变阻器接入电路的阻值．

（3）在调试报警器达最低报警温度时，无论如何调节滑动变阻器滑片P都不能使报警器工作，可能是通过线圈的电流太小，电磁铁的磁场弱，对衔铁的引力较小，也可能是弹簧的弹力较大，电磁铁对衔铁的引力不能将衔铁吸引到和a接触的状态，还可能是乙图电源电压太低或继电器线圈匝数太少．

【答案】　

（1）a　

（2）左　（3）乙图中的电源电压太低或继电器线圈匝数太少或弹簧劲度系数太大（任选一条）

[当堂达标·固双基]

1．下列器件是应用力传感器的是（　　）

A．鼠标器　　　　　B．火灾报警器

C．测温仪D．电子秤

D　[鼠标器中的传感器是红外线接收管，属于光传感器；火灾报警器中传感器是光电三极管，属于光传感器；测温仪用的是温度传感器；电子秤的敏感元件是应变片，是力传感器，D正确．]

2．压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图3310（a）所示，将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球．小车向右做直线运动过程中，电流表示数如图3310（b）所示，下列判断正确的是（　　）

（a）　　　　　　　　　（b）

图3310

A．从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动

B．从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动

C．从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动

D．从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动

D　[由题意知，压敏电阻中的电流随所受压力而变化，压力不变时，电流一定，压力变化时，电流变化，由牛顿第三定律，压敏电阻对重球也产生大小相同的压力．由题图（b）可知，在t2～t3时间内电流不变，表示压力不变，小车做匀加速运动，在t1～t2时间内电流增大，压力增大，小车做加速度增大的运动，故A、B、C均错误，D正确．]

3．如图3311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（　　）

【导学号：

24622104】

图3311

A．φ2>φ3B．φ2<φ3

C．φ2＝φ3D．无法判断

A　[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．]

4．传感器是把非电学物理量（如位移、压力、流量、声强等）转换成电学量的一种元件．如图3312所示为一种电容传感器，电路可将声音信号转化为电信号．电路中a、b构成一个电容器，b是固定不动的金属板，a是能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜．若声源S发出频率恒定的声波使a振动，则a在振动过程中（　　）

图3312

A．a、b板之间的电场强度不变

B．a、b板所带的电荷量不变

C．电路中始终有方向不变的电流

D．向右位移最大时，电容器的电容最大

D　[a、b始终跟电源相连，电势差U不变，由于a、b间距离变化，由E＝

知场强变化，A错误．由C＝

知，d变化时C变化，a向右位移最大时，电容最大，D正确．由Q＝CU知a、b所带电荷量变化，电路中电流方向改变，B、C错误．]