2019-2020年高中物理選修（3-2）第三章《傳感器的應用 用傳感器制作自控裝置》word學案.doc

2019-2020年高中物理選修（3-2）第三章傳感器的應用 用傳感器制作自控裝置word學案學習目標定位 1.了解傳感器在生活和生產中的應用，嘗試運用傳感器的知識解釋一些生活中的問題.2.了解傳感器應用的一般模式.3.能設計簡單的應用傳感器的控制電路1傳感器主要由敏感元件、轉換元件、轉換電路三部分組成2溫度傳感器是一種將溫度變化轉換為電學量變化的裝置，光電傳感器是一種將光學量變化轉換為電學量變化的裝置一、生活中的傳感器電飯煲、電冰箱、空調機等與溫度控制相關的家用電器都要用到溫度傳感器；自動門、家電遙控器、非接觸紅外測溫儀以及防盜、防火報警器，均使用了紅外線傳感器；另外還有照相機中的光敏傳感器、家用便攜式電子秤的壓力傳感器等二、農業(yè)生產中的傳感器無人管理的自動灌溉系統(tǒng)利用了濕度傳感器；自動化溫室種植中，溫室的自動控溫就是在溫度傳感器的幫助下實現(xiàn)的；現(xiàn)代糧庫采用了溫度傳感器和濕度傳感器三、工業(yè)生產中的傳感器生產安全中，如將一種埋入式光纖傳感器安置在大橋或水壩中，隨時可以監(jiān)控大橋或水壩的裂痕等安全隱患；在自動控制系統(tǒng)中，如數(shù)控機床中的位移測量裝置就是利用高精度位移傳感器(如光柵傳感器)進行位移測量，從而實現(xiàn)對零部件的精密加工四、飛向太空的傳感器在運載火箭、載人飛船中，應用傳感器供遙測和遙控系統(tǒng)使用；對宇航員的各種生理狀態(tài)的測量有生理傳感器，如測量血壓、心電圖、體溫等.一、生活中的傳感器電熨斗問題設計如圖1所示為電熨斗的構造，其中雙金屬片上層金屬的膨脹大于下層金屬觀察電熨斗的構造，并回答下列問題：圖1(1)常溫下，電熨斗的上下觸點應當是接觸的還是分離的？當溫度過高時雙金屬片將怎樣起作用？(2)熨燙棉麻衣物需要設定較高的溫度，熨燙絲綢衣物需要設定較低的溫度，這是如何利用調溫旋鈕來實現(xiàn)的？答案(1)常溫時，電熨斗的上下觸點應是接觸的，這樣電熨斗接通電源后能進行加熱當溫度過高時雙金屬片膨脹，因上層的膨脹系數(shù)大，故上層膨脹的厲害，雙金屬片向下彎曲，彎曲到一定程度后，兩觸點分離，電路斷開，電熱絲停止加熱，當溫度降低后，雙金屬片恢復原狀，重新接通電路加熱(2)熨燙棉麻衣物需要設定較高的溫度，也就是要求雙金屬片彎曲程度較大時，兩觸點分離，所以應使調溫旋鈕下旋反之，熨燙絲綢衣物需要設定較低的溫度，應使調溫旋鈕上旋要點提煉雙金屬片溫度傳感器的工作原理：溫度變化時，因雙金屬片上層金屬與下層金屬的熱膨脹系數(shù)不同，雙金屬片發(fā)生彎曲從而控制電路的通斷二、生活中的傳感器電飯鍋問題設計電飯鍋的結構如圖2所示圖2(1)開始煮飯時為什么要壓下開關按鈕？手松開后這個按鈕是否會恢復到圖示的狀態(tài)？為什么？(2)煮飯時水沸騰后鍋內是否會大致保持一定的溫度？為什么？(3)飯熟后，水分被大米吸收，鍋底的溫度會有什么變化？這時電飯鍋會自動發(fā)生哪些動作？(4)如果用電飯鍋燒水，能否在水沸騰后自動斷電？答案(1)煮飯時壓下開關按鈕，感溫磁體與永磁體相互吸引結合在一起，觸點相接，電路接通，開始加熱，手松開后，由于鍋內的溫度低，感溫磁體與永磁體相互吸引而不能使按鈕恢復到題圖所示的狀態(tài)(2)煮飯時水沸騰后鍋內的溫度基本保持在水的沸點不變因為水沸騰時，溫度不變(3)飯熟后，水分被大米吸收，鍋底的溫度會升高，當溫度上升到“居里溫度”(約103 )時，感溫磁體失去磁性，在彈簧作用下永磁鐵與之分離，開關自動斷開，且不能自動復位(4)不能，因為如果用電飯鍋燒水，水沸騰后，鍋內的溫度保持在100 不變，低于“居里溫度”103 ，電飯鍋不能自動斷電，只有水燒干后，溫度升高到103 才能自動斷電，因此用電飯鍋來燒水、煲湯不能實現(xiàn)自動控溫要點提煉電飯鍋中溫度傳感器為感溫鐵氧體1居里溫度：感溫鐵氧體常溫下具有鐵磁性，溫度上升到約103時，失去鐵磁性，這一溫度稱為該材料的“居里溫度”或“居里點”2自動斷電原理：用手按下開關按鈕通電加熱，開始煮飯，當鍋內溫度達到103時，感溫鐵氧體失去磁性，與永磁體失去吸引力，被彈簧彈開，從而推動杠桿使觸點開關斷開三、用傳感器制作自控裝置課題：應用光敏電阻制作光控自動照明燈電路 實驗器材二極管VD、晶閘管VS、光敏電阻RG、電阻R(7.5 M)、燈泡L.實驗原理由晶閘管VS與電燈L構成主回路，控制回路由R與RG組成的分壓器及二極管VD構成，如圖3所示1當白天自然光線較強時，光敏電阻呈低電阻，與R分壓 圖3后使晶閘管VS門電極處于低電平，VS關斷2當夜幕降臨時，照在RG上的自然光線減弱，RC呈高阻，使VS的門電極處于高電平，VS獲正向觸發(fā)電壓而導通，燈L亮3改變R的阻值，即改變其與RG的分壓比，可調整電路的起控點一、傳感器的應用實例例1電飯煲的工作原理如圖4所示，可分為兩部分，即控制部分：由S2、R1和黃燈組成工作(加熱)部分：由發(fā)熱電阻R3、R2和紅燈組成，S1是一個磁鐵限溫開關，手動閉合，當此開關的溫度達到居里點(103)時，自動斷開，且不能自動復位(閉合)，S2是一個雙金屬片自動開關，當溫度達到7080時，自動斷開，低于70時，自動閉合，紅燈、黃燈是指示燈，通過的電流必須較小，所以R1、R2起_作用，R3是發(fā)熱電阻，由于煮飯前溫度低于70，所以S2是_(填“斷開的”或“閉合的”)接通電源并按下S1后，黃燈滅而紅燈亮，R3發(fā)熱，當溫度達到7080時，S2斷開，當溫度達到103時飯熟，S1斷開，當溫度降到70以下時，S2閉合，電飯煲處于保溫狀態(tài)，由以上描述可知R2_R3(填“”“”或“”)，若用電飯煲燒水時，直到水被燒干S1才會斷開，試解釋此現(xiàn)象圖4解析R1、R2起的作用是限流，防止指示燈(氖泡)因電流過大而燒毀，S2是自動控制溫度開關，當溫度低于70時自動閉合，當溫度達到7080時又自動斷開，使電飯煲處于保溫狀態(tài)，由于R3的功率較大，因此R2R3.由于開關S1必須當溫度達到103時才自動斷開，而水的沸點只有100，因此用電飯煲燒水時，直到水被燒干后S1才會斷開答案見解析二、傳感器的應用分析例2按圖5所示連接好電路，合上S，發(fā)現(xiàn)小燈泡不亮，原因是_；用電吹風對負溫度系數(shù)的熱敏電阻吹一會兒，會發(fā)現(xiàn)小燈泡_，原因是_；停止吹風，會發(fā)現(xiàn)_；把熱敏電阻放入冷水中會發(fā)現(xiàn)_圖5答案由于熱敏電阻阻值較大，左側電路電流較小，電磁鐵磁性較弱吸不住銜鐵亮了電吹風對熱敏電阻加熱使其阻值變小，電路中電流增大，電磁鐵吸住銜鐵小燈泡不會立即熄滅，因為熱敏電阻溫度仍然較高小燈泡熄滅例3青島奧運會帆船賽場采用風力發(fā)電給蓄電池充電，為路燈提供電能用光敏電阻作為傳感器控制路燈電路的開關，實現(xiàn)自動控制光敏電阻的阻值隨照射光的強弱而變化，作為簡化模型，可以近似認為，照射光較強(如白天)時電阻近似為0，照射光較弱(如黑天)時電阻接近于無窮大利用光敏電阻作為傳感器，借助電磁開關，可以實現(xiàn)路燈自動在白天關閉，黑天打開電磁開關的內部結構如圖6所示.1、2兩接線柱之間是勵磁線圈，3、4兩接線柱分別與彈簧片和觸點連接當勵磁線圈中電流大于50 mA時，電磁鐵吸合鐵片，彈簧片和觸點分離，3、4斷開；電流小于50 mA時，3、4接通勵磁線圈中允許通過的最大電流為100 mA.圖6(1)利用以下器材設計一個自動控制路燈的電路，畫出電路原理圖光敏電阻R1，符號燈泡L，額定功率40 W，額定電壓36 V，符號保護電阻R2，符號電磁開關，符號蓄電池E，電壓36 V，內阻很小符號開關S，導線若干(2)回答下列問題：如果勵磁線圈的電阻為200 ，勵磁線圈允許加的最大電壓為_V，保護電阻R2的阻值范圍為_.在有些應用電磁開關的場合，為了安全，往往需要在電磁鐵吸合鐵片時，接線柱3、4之間從斷開變?yōu)榻油榇?，電磁開關內部結構應如何改造？請結合本題中電磁開關內部結構圖說明答：_.答案見解析解析(1)電路原理如圖所示(2)20160520把觸點從彈簧片右側移到彈簧片左側，保證當電磁鐵吸合鐵片時，3、4之間接通；不吸合時，3、4之間斷開1(傳感器的應用實例)(雙選)壓敏電阻的阻值會隨所受壓力的增大而減小一同學利用壓敏電阻設計了判斷升降機運動狀態(tài)的裝置，如圖7甲所示，將壓敏電阻平放在升降機內，受壓面朝上，在上面放一物體m，升降機靜止時電流表示數(shù)為I0.某過程中電流表的示數(shù)如圖乙所示，則在此過程() 圖7A物體處于失重狀態(tài)B物體處于超重狀態(tài)C升降機一定向上做勻加速運動D升降機可能向下做勻減速運動答案BD解析電流表的示數(shù)變?yōu)?I0且保持不變，說明壓敏電阻的阻值比升降機靜止時小，壓敏電阻所受壓力變大，物體處于超重狀態(tài)，即物體具有向上的加速度，B、D正確，A、C錯誤2(傳感器的應用實例)(單選)在家用電熱滅蚊器中，電熱部分主要元件是PTC元件，PTC元件是由鈦酸鋇等半導體材料制成的電阻器，其電阻率隨溫度t的變化關系如圖8所示，由于這種特性，PTC元件具有發(fā)熱、保溫雙重功能對此，以下判斷正確的是 ()圖8通電后，其電功率先增大后減小通電后，其電功率先減小后增大當其產生的熱量與散發(fā)的熱量相等時，溫度保持在t1不變當其產生的熱量與散發(fā)的熱量相等時，溫度保持在t1和t2之間的某一值不變A BC D答案D解析當溫度由零升到t1的過程中，PTC的電阻率隨溫度升高而減小，其電阻R隨之減小，由于加在滅蚊器上的電壓U保持不變，滅蚊器的熱功率P隨之增大，當tt1時，PP1達到最大當溫度繼續(xù)升高，增大，R增大，P減??；而溫度越高，其與外界環(huán)境的溫的差也就越大，電熱滅蚊器的散熱功率P也就越大，因此在t1t2之間的某一溫度t3會有PP3P，即熱功率P減小到等于散熱功率時，即達到保溫；當tt3時，PP，溫度自動升高到t3；當tt3時，PP，溫度自動降到t3，實現(xiàn)自動保溫，正確選項為D.3(傳感器的應用分析)如圖9所示是一種自動控制水溫的裝置，加熱電路的兩個端點P、Q應接在觸頭a、b之間還是c、d之間？熱敏電阻兩端M、N應接在哪兩個觸頭之間？圖9答案見解析解析P、Q應該分別接在觸頭a、b上，同時，M、N應該分別接e、f，其工作原理是：當水溫升高時，熱敏電阻阻值減小，電磁鐵中電流增大，吸引力增大，使銜鐵被吸下，a、b斷開，使加熱裝置停止加熱；當水溫降低到一定程度時，熱敏電阻溫度減小，電磁鐵中電流減小，吸引力減小，銜鐵被彈簧彈上去，使a、b之間連接，加熱裝置開始加熱，從而實現(xiàn)水溫控制4(傳感器的應用分析)工人在鍛壓機、沖床、鉆床等機器上勞動時，稍有不慎就會把手壓在里面，造成工傷事故，工廠中大都是利用光電控制設備來避免事故發(fā)生的如圖10所示為光控繼電器的示意圖，它由電源、光電管(當有光照射時，在陰極K端會放出電子)、放大器、電磁繼電器等幾部分組成這樣，當工人不慎將手伸入危險區(qū)域時，由于遮住了光線，光控繼電器銜鐵立即變化，使機床停止工作，避免事故發(fā)生光控繼電器的原理是：_圖10答案見解析解析光照射光電管時，陰極K發(fā)射電子，電路中產生電流，經放大器放大后的電流使電磁鐵M磁化，將銜鐵N吸?。粺o光照射光電管時，電路中無電流，N自動離開M，右側電路接通，燈L亮題組一傳感器應用實例1(雙選)關于電飯鍋的說法正確的是()A電飯鍋中的溫度傳感器的主要元件是氧化鐵B感溫鐵氧體在常溫下具有鐵磁性，溫度很高時失去鐵磁性C用電飯鍋燒水，水開時能自動斷電D用電飯鍋煮飯時，若溫控開關自動斷電后，它不能自動復位答案BD2(單選)如圖1所示是會議室和賓館房間的天花板上裝有的火災報警器的結構原理圖，罩內裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板平時光電三極管接收不到LED發(fā)出的光，呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)發(fā)生火災時，下列說法正確的是()圖1A進入罩內的煙霧遮擋了光線，使光電三極管電阻更大，檢測電路檢測出變化發(fā)出警報B光電三極管溫度升高，電阻變小，檢測電路檢測出變化發(fā)出警報C進入罩內的煙霧對光有散射作用，部分光線照到光電三極管上，電阻變小，發(fā)出警報D以上說法均不正確答案C解析由火災報警器的原理可知，發(fā)生火災時煙霧進入罩內，使光發(fā)生散射，部分光線照到光電三極管上，電阻變小，與傳感器相連的電路檢測出這種變化，發(fā)出警報，C對3(單選)某樓梯口的電燈開關裝有傳感器，天黑時，出現(xiàn)聲音才能發(fā)光，而白天即使有聲音，電燈也不能發(fā)光，該開關中有兩種傳感器，它們可能是()A熱敏電阻和光敏電阻 B金屬熱電阻和光敏電阻C熱敏電阻和霍爾元件 D光敏電阻和駐極體話筒答案D解析兩種傳感器分別把聲音信號轉換為電信號，把光信號轉換為電信號，所以選項D正確4(雙選)如圖3是電熨斗的結構圖，下列說法正確的是()圖3A雙金屬片上層金屬的膨脹系數(shù)小于下層金屬B常溫下，上下觸點接觸：溫度過高時，雙金屬片發(fā)生彎曲使上下觸點分離C需要較高溫度熨燙時，要調節(jié)調溫旋鈕，使升降螺絲上升D雙金屬片溫度傳感器的作用是控制電路的通斷答案BD解析電熱絲通電加熱，雙金屬片溫度升高，雙金屬片的膨脹系數(shù)上大下小，溫度升高到一定時，雙金屬片向下彎曲使觸點斷開，停止供電A錯，B、D對；需要較高溫度熨燙時，要調節(jié)調溫旋鈕，使升降螺絲下移并推動彈性銅片下移，使雙金屬片稍向下彎曲，這樣要使觸點斷開雙金屬片向下彎曲程度要大一些，溫度也需要更高一些，C錯題組二傳感器的應用分析5(單選)如圖4所示為小型電磁繼電器的構造示意圖，其中L為含鐵芯的線圈P為可繞O點轉動的鐵片，K為彈簧，S為一對觸頭，A、B、C、D為四個接線柱電磁繼電器與傳感器配合，可完成自動控制的要求其工作方式是 ()圖4AA與B接信號電壓，C與D可跟被控電路串聯(lián)BA與B接信號電壓，C與D可跟被控電路并聯(lián)CC與D接信號電壓，A與B可跟被控電路串聯(lián)DC與D接信號電壓，A與B可跟被控電路并聯(lián)答案A6(單選)如圖5所示為用熱敏電阻R和繼電器L等組成的一個簡單的恒溫控制電路，其中熱敏電阻的阻值會隨溫度的升高而減小電源甲與繼電器、熱敏電阻等組成控制電路，電源乙與恒溫箱加熱器(圖中未畫出)相連接則 ()圖5A當溫度降低到某一數(shù)值，銜鐵P將會被吸下B當溫度升高到某一數(shù)值，銜鐵P將會被吸下C工作時，應該把恒溫箱內的加熱器接在C、D端D工作時，應該把恒溫箱內的加熱器接在A、C端答案B解析根據溫度變化，分析R的變化，確定電路中電流的變化，電流增大時，繼電器L對銜鐵吸引力增大，P將會被吸下當溫度降低到某一數(shù)值，熱敏電阻R的阻值增大，電路中電流減小，繼電器L對銜鐵吸引力減小，P將不會被吸下，故A錯誤當溫度升高到某一數(shù)值，熱敏電阻R的阻值減小，電路中電流增大，繼電器L對銜鐵吸引力增大，P將會被吸下故B正確恒溫箱內溫度高到一定數(shù)值后，應與電源斷開停止加熱，由以上分析可知，溫度升高后，A、B端斷開，所以工作時，應該把恒溫箱內的加熱器接在A、B端，故C、D錯誤故選B.7圖6甲為在溫度為10 左右的環(huán)境中工作的某自動恒溫箱原理簡圖，箱內的電阻R120 k，R210 k，R340 k，Rt為熱敏電阻，它的電阻隨溫度變化的圖線如圖乙所示當a、b端電壓Uab<0時，電壓鑒別器會令開關S接通，恒溫箱內的電熱絲發(fā)熱，使箱內溫度升高；當Uab>0時，電壓鑒別器會令開關S斷開，停止加熱，恒溫箱內的溫度恒定在_ .圖6答案34解析設電路路端電壓為U，當Uab0時，有R1R3，解得Rt20 k.由題圖乙可知，當Rt20 k時，t34 .8如圖7所示為一自動控制溫度的電路，請說明其工作原理圖7答案見解析解析當開關P在彈簧拉力作用下拉到上面與a接觸時，電熱絲工作；隨著溫度升高，熱敏電阻溫度升高、阻值減小，通過電磁鐵的電流增大，電磁鐵磁性增強到一定程度時把P吸到b，電熱絲停止工作，指示燈亮9如圖8甲所示為一測量硫化鎘光敏電阻特性的實驗電路，電源電壓恒定電流表內阻不計，開關閉合后，調節(jié)滑動變阻器的滑片，使小燈泡發(fā)光亮度逐漸增強，測得流過電阻的電流和光強的關系曲線如圖乙所示，試根據這一特性用圖丙中給定的器材設計一個自動光控電路圖8答案見解析解析由光敏電阻的特性曲線可以看出，當入射光增強時，光敏電阻的阻值減小，通過光敏電阻的電流增大根據題意設計的自動光控電路如圖所示控制過程是：當有光照射時，電路中電流增大，經過放大器輸出一個較大的電流，驅動電磁繼電器吸引銜鐵使兩個觸點斷開，當無光照射時，電路中電流減小，放大器輸出電流減小，電磁繼電器釋放銜鐵，使兩個觸點閉合，控制電路接通，燈開始工作10為了節(jié)能和環(huán)保，一些公共場所使用光控開關控制照明系統(tǒng)光控開關可采用光敏電阻來控制，光敏電阻是阻值隨著光的照度而變化的元件(照度可以反映光的強弱，光越強照度越大，照度單位為lx)某光敏電阻RP在不同照度下的阻值如下表：照度(lx)0.20.40.60.81.01.2電阻(k)754028232018(1)根據表中數(shù)據，請在圖9甲所示的坐標系中描繪出阻值隨照度變化的曲線，并說明阻值隨照度變化的特點乙圖9(2)如圖9乙所示，當1、2兩端電壓上升至2 V時，控制開關自動啟動照明系統(tǒng)，請利用下列器材設計一個簡單電路，給1、2兩端提供電壓，要求當天色漸暗照度降低至1.0(lx)時啟動照明系統(tǒng)，在虛線框內完成電路原理圖(不考慮控制開關對所設計電路的影響)提供的器材如下：光敏電阻RP(符號，阻值見上表)；直流電源E(電動勢3 V，內阻不計)；定值電阻：R110 k，R220 k，R340 k(限選其中之一并在圖中標出)開關S及導線若干答案見解析解析(1)光敏電阻隨光照度變化的曲線如圖甲所示，其特點是：光敏電阻的阻值隨光照度的增大非線性減小(2)當光照度降至1.0(lx)時，光敏電阻的阻值為RP20 k，設計原理圖如圖乙所示根據歐姆定律與串聯(lián)電阻的分壓知即，R10 k即與RP串聯(lián)的電阻應選R1.