高考物理复习 第六章传感器学案23.docx

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高考物理复习第六章传感器学案23

高考物理复习学案2　传感器的应用

学案3　实验：

传感器的应用

[学习目标定位]1.了解传感器在日常生活和生产中的应用.2.了解传感器应用的一般模式.3.能设计简单的应用传感器的控制电路.4.利用斯密特触发器设计光控开关和温度报警器．

1．二极管具有单向导电性，发光二极管导电时还能发光．

2．输出状态和输入状态呈相反的逻辑关系叫“非”逻辑关系，具有“非”逻辑关系的电路叫“非”门，符号为

.

传感器应用的一般模式

一、力传感器的应用——电子秤

常用的一种力传感器是由金属梁和应变片组成的，应变片能够把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量．

二、温度传感器的应用——电熨斗、电饭锅

1．电熨斗装有双金属片温度传感器，这种传感器的作用是控制电路的通断．

2．电饭锅中也应用了温度传感器，它的主要元件是感温铁氧体．

其常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，但是温度上升到约103_℃时，就失去了铁磁性，不能被磁体吸引，这个温度称为该材料的“居里温度”或“居里点”．

三、光传感器的应用——火灾报警器

烟雾散射式火灾报警器是利用烟雾对光的散射来工作的．

四、实验：

传感器的应用

斯密特触发器是具有特殊功能的非门，它可以将连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号，常用符号

表示.

一、力传感器的应用——电子秤

1．组成及敏感元件：

由金属梁和应变片组成，敏感元件是应变片．

2．工作原理：

二、温度传感器的应用——电熨斗

[问题设计]

如图1所示为电熨斗的构造，其中双金属片上层金属的热膨胀系数大于下层金属．

图1

（1）常温下，电熨斗的上、下触点应当是接触的还是分离的？

当温度过高时双金属片将怎样起作用？

（2）熨烫棉麻衣物需要设定较高的温度，熨烫丝绸衣物需要设定较低的温度，这是如何利用调温旋钮来实现的？

答案　

（1）常温时，电熨斗的上、下触点接触，这样电熨斗接通电源后能进行加热．当温度过高时双金属片膨胀，因上层的热膨胀系数较大，故上层膨胀的厉害，双金属片向下弯曲，弯曲到一定程度后，两触点分离，电路断开，电热丝停止加热；当温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热．

（2）熨烫棉麻衣物需要设定较高的温度，也就是要求双金属片弯曲程度较大时，两触点分离，所以应使调温旋钮下旋．反之熨烫丝绸衣物需要设定较低的温度，应使调温旋钮上旋．

[要点提炼]

双金属片温度传感器的工作原理：

温度变化时，因双金属片上层金属与下层金属的热膨胀系数不同，双金属片发生弯曲从而控制电路的通断．

三、温度传感器的应用——电饭锅

[问题设计]

电饭锅的结构如图2所示．

图2

（1）开始煮饭时为什么要压下开关按钮？

手松开后这个按钮是否会恢复到图示的状态？

为什么？

（2）煮饭时水沸腾后锅内是否会大致保持一定的温度？

为什么？

（3）饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会有什么变化？

这时电饭锅会自动发生哪些动作？

（4）如果用电饭锅烧水，能否在水沸腾后自动断电？

答案　

（1）煮饭时压下开关按钮，感温磁体与永磁体相互吸引结合在一起，触点相接，电路接通，开始加热，手松开后，由于锅内的温度低，感温磁体与永磁体相互吸引而不能使按钮恢复到题图所示的状态．

（2）煮饭时水沸腾后锅内的温度基本保持在水的沸点不变．因为水沸腾时，温度不变．

（3）饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会升高，当温度上升到“居里温度”（约103℃）时，感温磁体失去磁性，在弹簧作用下永磁铁与之分离，开关自动断开，且不能自动复位．

（4）不能，因为如果用电饭锅烧水，水沸腾后，锅内的温度保持在100℃不变，低于“居里温度”103℃，电饭锅不能自动断电，只有水烧干后，温度升高到103℃才能自动断电，因此用电饭锅来烧水、煲汤不能实现自动控温．

[要点提炼]

电饭锅中温度传感器为感温铁氧体．

1．居里温度：

感温铁氧体常温下具有铁磁性，温度上升到约103℃时，失去铁磁性，这一温度称为该材料的“居里温度”或“居里点”．

2．自动断电原理：

用手按下开关按钮通电加热，开始煮饭，当锅内温度达到103℃时，感温铁氧体失去磁性，与永久磁铁失去吸引力，被弹簧弹开，从而推动杠杆使触点开关断开．

四、光传感器的应用——火灾报警器

1．组成：

如图3所示，发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板．

2．工作原理：

平时，光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态，烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小．与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报．

图3

五、光控开关和温度报警器

[问题设计]

如图4所示的光控电路，用二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻，R1的最大阻值为51kΩ，R2阻值为330Ω.试分析其工作原理．

图4

答案　白天，光照强度较大，光敏电阻RG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的阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端A的电压上升到某个值（如1.6V），输出端Y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天明熄灭、天暗自动开启的目的．

[延伸思考]　要想在天更暗时路灯才会被点亮，应该怎样调节R1?

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的阻值更大，即天色更暗．

[要点提炼]

1．斯密特触发器：

当输入端电压逐渐上升到某一个值（1.6V）时，输出端会突然从高电平跳到低电平（0.25V），当输入端电压下降到另一个值（0.8V）时，输出端会从低电平跳到高电平（3.4V）．

2．普通二极管：

具有单向导电性．

3．发光二极管：

具有单向导电性，同时还能发光．

4．光控开关工作原理电路图（如图5甲、乙所示）

图5

5．温度报警器工作原理电路图（如图6所示）

图6

R1的阻值不同，则报警温度不同，可以通过调节R1来调节蜂鸣器的报警温度．

一、传感器的应用举例

例1

　按图7所示连接好电路，合上S，发现小灯泡不亮，原因是_______________________；

用电吹风对热敏电阻吹一会儿，会发现小灯泡________，原因是_________________；

停止吹风，会发现________________；

把热敏电阻放入冷水中会发现__________________________________________．

图7

答案　由于热敏电阻阻值较大，左侧电路电流较小，电磁铁磁性较弱吸不住衔铁　亮了　电吹风对热敏电阻加热使其阻值变小，电路中电流增大，电磁铁吸住衔铁　小灯泡不会立即熄灭，因为热敏电阻温度仍然较高　小灯泡熄灭

二、传感器的应用实例

例2

　电饭煲的工作原理如图

图8

8所示，可分为两部分，即控制部分：

由S2、R1和黄灯组成．工作（加热）部分：

由发热电阻R3、R2和红灯组成，S1是一个磁铁限温开关，手动闭合，当此开关的温度达到居里点（103℃）时，自动断开，且不能自动复位（闭合），S2是一个双金属片自动开关，当温度达到70℃～80℃时，自动断开，低于70℃时，自动闭合，红灯、黄灯是指示灯，通过的电流必须较小，所以R1、R2起________作用，R3是发热电阻，由于煮饭前温度低于70℃，所以S2是________（填“断开的”或“闭合的”）．接通电源并按下S1后，黄灯灭而红灯亮，R3发热，当温度达到70℃～80℃时，S2断开，当温度达到103℃时饭熟，S1断开，当温度降到70℃以下时，S2闭合，电饭煲处于保温状态，由以上描述可知R2________R3（填“＜”“＝”或“＞”），若用电饭煲烧水时，直到水被烧干S1才会断开，试解释此现象．

解析　R1、R2起的作用是限流，防止指示灯（氖泡）因电流过大而烧毁，S2是自动控制温度开关，当温度低于70℃时自动闭合，当温度达到70℃～80℃时又自动断开，使电饭煲处于保温状态，由于R3的功率较大，因此R2＞R3.由于开关S1必须当温度达到103℃时才自动断开，而水的沸点只有100℃，因此用电饭煲烧水时，直到水被烧干后S1才会断开．

答案　见解析

三、温度报警器的应用

例3

　图9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9

（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）为什么高温时电铃会被接通？

（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？

解析　

（1）温度较低时RT的阻值很大，R的阻值比RT小得多，因此P、X之间电压较大．要求此时电铃不发声，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两端的电压不太高，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．

答案　见解析

1．（传感器的应用实例）压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小．一同学利用压敏电阻设计了判断升降机运动状态的装置，如图10甲所示，将压敏电阻平放在升降机内，受压面朝上，在上面放一物体m，升降机静止时电流表示数为I0.某过程中电流表的示数如图乙所示，则在此过程（　　）

图10

A．物体处于失重状态

B．物体处于超重状态

C．升降机一定向上做匀加速运动

D．升降机可能向下做匀减速运动

答案　BD

解析　电流表的示数变为2I0且保持不变，说明压敏电阻的阻值比升降机静止时小，压敏电阻所受压力变大，物体处于超重状态，即物体具有向上的加速度，B、D正确，A、C错误．

2．（传感器的应用实例）在家用电热灭蚊器中，电热部分主要元件是PTC元件，PTC元件是由钛酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率ρ随温度t的变化关系如图11所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、保温双重功能．对此，以下判断正确的是（　　）

图11

①通电后，其电功率先增大后减小　②通电后，其电功率先减小后增大　③当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1不变　④当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1和t2之间的某一值不变

A．①②B．②③

C．②④D．①④

答案　D

解析　当温度由零升到t1的过程中，PTC的电阻率ρ随温度升高而减小，其电阻R随之减小，由于加在灭蚊器上的电压U保持不变，灭蚊器的热功率P随之增大，当t＝t1时，P＝P1达到最大．当温度继续升高，ρ增大，R增大，P减小；而温度越高，其与外界环境温度的差别也就越大，电热灭蚊器的散热功率P′也就越大，因此在这之间的某一温度t3会有P＝P3＝P′，即电热功率P减小到等于散热功率时，即达到保温；当t＜t3时，P＞P′，使温度自动升高到t3；当t＞t3时，P＜P′，使温度自动降到t3，实现自动保温，正确选项为D.

3．（光控开关的分析）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12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为路灯总开关控制继电器，它在获得高电压时才启动（图中未画路灯电路）．

图12

（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端输出高压信号，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．

题组一　传感器应用实例

1．关于电饭锅的说法正确的是（　　）

A．电饭锅中的温度传感器的主要元件是氧化铁

B．感温铁氧体在常温下具有铁磁性，温度很高时失去铁磁性

C．用电饭锅烧水，水开时能自动断电

D．用电饭锅煮饭时，若温控开关自动断电后，它不能自动复位

答案　BD

2．如图1所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图，罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板．平时光电三极管接收不到LED发出的光，呈现高电阻状态．发生火灾时，下列说法正确的是（　　）

图1

A．进入罩内的烟雾遮挡了光线，使光电三极管电阻更大，检测电路检测出变化发出警报

B．光电三极管温度升高，电阻变小，检测电路检测出变化发出警报

C．进入罩内的烟雾对光有散射作用，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，发出警报

D．以上说法均不正确

答案　C

解析　由火灾报警器的原理可知，发生火灾时烟雾进入罩内，使光发生散射，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，与传感器相连的电路检测出这种变化，发出警报，C对．

3．某楼梯口的电灯开关装有传感器，天黑时，出现声音才能发光，而白天即使有声音，电灯也不能发光，该开关中有两种传感器，它们可能是（　　）

A．热敏电阻和光敏电阻

B．金属热电阻和光敏电阻

C．热敏电阻和霍尔元件

D．光敏电阻和驻极体话筒

答案　D

解析　两种传感器分别把声音信号转换为电信号，把光信号转换为电信号，所以选项D正确．

4．如图2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2

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　根据温度变化，分析R的变化，确定电路中电流的变化，电流增大时，继电器L对衔铁P吸引力增大，P将会被吸下．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．故选B.

题组二　光控开关和温度报警器的分析

5．如图3所示为一个电平检测逻辑电路，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

答案　BC

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

6.如图4所示的光控电路中，发光二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻．“

”是具有特殊功能的非门，当加在它的输入端A的电势逐渐上升到某个值时，输出端Y会突然从高电平跳到低电平，而当输入端A的电势下降到另一个值时，Y会从低电平跳到高电平．在天暗时路灯（发光二极管）会点亮，下列说法中正确的是（　　）

图4

A．天暗时，Y处于高电平

B．天暗时，Y处于低电平

C．当R1调大时，A端的电势降低，灯（发光二极管）点亮

D．当R1调大时，A端的电势降低，灯（发光二极管）熄灭

答案　BD

解析　天暗时，RG阻值增大，则A处于高电平，Y处于低电平，在电源正极和Y之间的发光二极管导通发光．当R1调大时，R1分压增大，则A点电势低，所以Y处于高电平，发光二极管不导通，灯熄灭．

7．如图5是温度报警器电路示意图，下列关于此电路的分析正确的是（　　）

图5

A．当RT的温度升高时，RT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，RT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

解析　当RT温度升高时，RT阻值减小，A点电势升高到某一数值时，Y端电势突然降低，蜂鸣器导通发出警报声，A错，B对．当增大R1时，A端电势升高到某一数值时，Y端电势突然降低，电流通过蜂鸣器，发出报警声，C对，D错．

题组三　传感器的应用分析

8．如图6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6

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

答案　A

9．如图7所示为一自动控制温度的电路，请说明其工作原理．

图7

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．

10．如图8甲所示为一测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路，电源电压恒定．电流表内阻不计，开关闭合后，调节滑动变阻器的滑片，使小灯泡发光亮度逐渐增强，测得流过电阻的电流和光强的关系曲线如图乙所示，试根据这一特性用图丙中给定的器材设计一个自动光控电路．

图8

答案　见解析

解析　由光敏电阻的特性曲线可以看出，当入射光增强时，光敏电阻的阻值减小，通过光敏电阻的电流增大．根据题意设计的自动光控电路如图所示．控制过程是：

当有光照射时，电路中电流增大，经过放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸引衔铁使两个触点断开，当无光照射时，电路中电流减小，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个触点闭合，控制电路接通，灯开始工作．