名校密卷学年高中物理第三章传感器第34节生活中的传感器简单的光控和温控电路选学教学案教科.docx
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名校密卷学年高中物理第三章传感器第34节生活中的传感器简单的光控和温控电路选学教学案教科
第3、4节生活中的传感器__简单的光控和温控电路（选学）
1.近年流行的模糊洗衣机的传感器大致有水位传感器、负载量传感器、水温传感器、脏污程度传感器、脱水（压电）传感器等。
2．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。
在控制系统中，传感器起着非常重要的作用。
3．居家生活中，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。
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了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：
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。
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类的触觉器官，如手、足、皮肤等。
（4）声传感器不妨认为是机器的耳朵。
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
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
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。
1．自主思考——判一判
（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．合作探究——议一议
（1）家庭中电视机、空调等的遥控器应用了什么传感器？
提示：
红外线遥控传感器。
（2）夜晚，楼梯上漆黑一片，但随着我们的脚步声响，楼梯的灯亮了；我们登上一层楼，灯光照亮一层楼，而身后的灯则依次熄灭，这种楼梯灯控制装置好像能“听到”我们的到来，开灯迎接；又好像能“看见”我们的离去，关灯节能。
这种“人性化”的功能是靠什么实现的呢？
提示：
靠电路中安装的一种能将声、光信号转换为电学量的传感器——声光控延时开关实现的。
（3）电熨斗在达到设定的温度后就不再升温，当温度降低时又会继续加热，使它总与设定的温度相差不多。
你知道电熨斗是靠什么来自动控制温度的吗？
图333
提示：
利用双金属片温度传感器来控制电路的通断。
力传感器的应用
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
[典例] （多选）压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小。
某位同学利用压敏电阻设计了判断电梯运动状态的装置，其装置示意图如图334所示，将压敏电阻平放在电梯内，受压面朝上，在上面放一物体m，电梯静止时电流表示数为I0，电梯在不同的运动过程中，电流表的示数分别如图335甲、乙、丙、丁所示，下列判断中正确的是（ ）
图334
图335
A．甲图表示电梯一定处于静止状态
B．乙图表示电梯可能做匀加速上升运动
C．丙图表示电梯可能做匀加速上升运动
D．丁图表示电梯可能做变减速下降运动
[思路点拨]
解答本题时应注意以下两点：
（1）电流表示数与物体对压敏电阻的压力大小的关系。
（2）根据It图像只能分析电梯加速度的大小和方向，无法确定电梯速度的方向。
[解析] 根据欧姆定律可知电流表示数为I＝
，而R的阻值又取决于其与受压面的压力，即取决于运动状态。
若为甲图，电流恒定且等于电梯静止时电流表示数I0，故可判断此时电梯处于平衡状态，即有可能静止，也有可能做匀速直线运动，故A错；若电梯做匀加速上升运动，物体所受支持力恒定，压敏电阻阻值恒定，故电流恒定，且大于I0，故B错，C对；根据牛顿第二定律可知物体加速度a＝
，若a恒定，则N恒定，R恒定，电流恒定，若a变化→N变化→R变化→电流I变化，故D正确。
[答案] CD
力传感器感受到力的信息（如大小、方向是否变化等）后将其转化为电压、电流、电阻等电学量，所以这类问题要用到力学知识（牛顿定律、运动学公式等）和电学知识（欧姆定律、电阻定律等）综合解决。
1．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336（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（b）所示，下列判断正确的是（ ）
图336
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
解析：
选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。
2.用如图337所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度。
该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器。
用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2.0kg的滑块，滑块可无摩擦滑动。
两弹簧的另一端分别接在传感器a、b上，其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出。
现将装置沿运动方向固定在汽车上，传感器b在前，传感器a在后。
汽车静止时，传感器a、b的示数均为10N（取g＝10m/s2）。
图337
（1）若传感器a的示数为14N，b的示数为6.0N，求此时汽车的加速度大小和方向。
（2）当汽车以怎样的加速度运动时，传感器a的示数为零？
解析：
（1）如图所示，依题意，左侧弹簧对滑块向右的推力F1＝14N，右侧弹簧对滑块向左的推力F2＝6.0N。
滑块所受合力产生加速度a1，根据牛顿第二定律有F1－F2＝ma1，得a1＝
＝
m/s2＝4.0m/s2。
a1与F1同方向，即向前（向右）。
（2）a传感器的读数恰为零，即左侧弹簧的弹力F1′＝0，因两弹簧相同，左弹簧伸长多少，右弹簧就缩短多少，所以右弹簧的弹力变为F2′＝20N，滑块所受合力产生加速度，由牛顿第二定律得F合＝F2′＝ma2。
解得a2＝
＝－10m/s2。
负号表示方向向后（向左）。
答案：
见解析
简单的光控电路设计
[典例] 为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统。
光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件（照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为lx）。
某光敏电阻RP在不同照度下的阻值如下表：
照度（lx）
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
电阻（kΩ）
75
40
28
23
20
18
（1）根据表中数据，请在图338中的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点。
图338 图339
（2）如图339所示，当1、2两端所加电压上升至2V时，控制开关自动启动照明系统。
请利用下列器材设计一个简单电路，给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至1.0lx时启动照明系统，在虚线框内完成电路原理图。
（不考虑控制开关对所设计电路的影响）
提供的器材如下：
光敏电阻RP（符号
，阻值见上表）；
直流电源E（电动势3V，内阻不计）；
定值电阻：
R1＝10kΩ，R2＝20kΩ，R3＝40kΩ（限选其中之一并在图中标出）；
开关S及导线若干。
[解析]
（1）如图甲所示，光敏电阻的阻值随光照度的增大非线性减小。
（2）电路原理图如图乙所示，根据串联电阻的正比分压关系，E＝3V，当照度降低至1.0lx时，由图线知，此时光敏电阻RP＝20kΩ，URP＝2V，串联电阻分压UR＝1V，由
＝
＝2得R＝
＝10kΩ，故选定值电阻R1。
[答案] 见解析
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。
1．光电管在各种自动化装置中有很多应用，街道的路灯自动控制开关就是其应用之一，如图3310所示为其模拟电路，其中A为光电管，B为电磁继电器，C为照明电路，D为路灯。
试简述其工作原理。
图3310
解析：
开关合上后，白天，光电管在可见光照射下有电子逸出，从光电管阴极逸出的电子被加速到达阳极，使电路接通，电磁铁中的强电流将衔铁吸下，照明电路断开，灯泡不亮；夜晚，光电管无电子逸出，电路断开，弹簧将衔铁拉上，照明电路接通，这样就达到日出路灯熄，日落路灯亮的效果。
答案：
见解析
2.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3311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3311
（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＜I≤100mA
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
温控电路的设计与应用
[典例] 如图3312所示，图甲为热敏电阻的Rt图像，图乙为用此热敏电阻R和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路，继电器的电阻为100Ω。
当线圈的电流大于或等于20mA时，继电器的衔铁被吸合。
为继电器线圈供电的电池的电动势E＝9.0V，内阻可以不计。
图中的“电源”是恒温箱加热器的电源。
则
图3312
（1）应该把恒温箱内的加热器接在________（填“A、B端”或“C、D端”）。
（2）如果要使恒温箱内的温度保持50℃，可变电阻R′的阻值应调节为________Ω。
[思路点拨] 解答此题应注意以下两点：
（1）继电器的工作原理。
（2）恒温箱内的温度与电流的关系。
[解析]
（1）恒温箱内的加热器应接在A、B端。
当线圈中的电流较小时，继电器的衔铁在上方，恒温箱的加热器处于工作状态，恒温箱内温度升高。
（2）随着恒温箱内温度升高，热敏电阻R的阻值变小，则线圈中的电流变大，当线圈中的电流大于或等于20mA时，继电器的衔铁被吸到下方来，则恒温箱加热器与电源断开，加热器停止工作，恒温箱内温度降低。
随着恒温箱内温度降低，热敏电阻R的阻值变大，则线圈中的电流变小，当线圈的电流小于20mA时，继电器的衔铁又被释放到上方，则恒温箱加热器又开始工作，这样就可以使恒温箱内保持在某一温度。
要使恒温箱内的温度保持50℃，即50℃时线圈内的电流为20mA。
由闭合电路欧姆定律I＝
，r为继电器的电阻。
由图甲可知，50℃时热敏电阻的阻值为90Ω，所以R′＝
－R－r＝260Ω。
[答案]
（1）A、B端
（2）260
（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。
1．如图3313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（ ）
图3313
A．10℃ B．20℃
C．30℃D．45℃
解析：
选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。
2．现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60℃时，系统报警。
提供的器材有：
热敏电阻，报警器（内阻很小，流过的电流超过Ic时就会报警），电阻箱（最大阻值为999.9Ω），直流电源（输出电压为U，内阻不计），滑动变阻器R1（最大阻值为1000Ω），滑动变阻器R2（最大阻值为2000Ω），单刀双掷开关一个，导线若干。
在室温下对系统进行调节。
已知U约为18V，Ic约为10mA；流过报警器的电流超过20mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60℃时阻值为650.0Ω。
（1）完成待调节的报警系统原理电路图的连线。
图3314
（2）电路中应选用滑动变阻器________（填“R1”或“R2”）。
（3）按照下列步骤调节此报警系统：
①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为________Ω；滑动变阻器的滑片应置于________（填“a”或“b”）端附近，不能置于另一端的原因是________________________________________________________________________。
②将开关向________（填“c”或“d”）端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至________________________________________________________________________。
（4）保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用。
解析：
（1）电路图连接如图。
（2）报警器开始报警时，对整个回路有
U＝Ic（R滑＋R热）
代入数据可得R滑＝1150.0Ω，因此滑动变阻器应选择R2。
（3）①在调节过程中，电阻箱起到等效替代热敏电阻的作用，电阻箱的阻值应为报警器报警时热敏电阻的阻值，即为650.0Ω。
滑动变阻器在电路中为限流接法，滑片应置于b端附近，若置于另一端a时，闭合开关，则电路中的电流I＝
A≈27.7mA，超过报警器最大电流20mA，报警器可能损坏。
②开关应先向c端闭合，移动滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警为止。
答案：
（1）连线如解析图所示。
（2）R2 （3）①650.0 b 接通电源后，流过报警器的电流会超过20mA，报警器可能损坏 ②c 报警器开始报警
1．用遥控器调换电视机频道的过程，实际上就是传感器把光信号转换为电信号的过程，下列属于这类传感器的是（ ）
A．红外报警装置
B．走廊照明灯的声控开关
C．自动洗衣机中的压力传感装置
D．电饭煲中控制加热和保温的温控器
解析：
选A 电视遥控器和红外报警装置工作时都是将光信号转换为电信号，则A选项正确；而B选项是将声音信号转换为电信号，C选项是感知压力来传递信息，D选项是通过温度来控制电路。
2．（多选）如图1所示是自动调温式电熨斗，下列说法正确的是（ ）
图1
A．常温时上下触点是接触的
B．双金属片温度升高时，上金属片形变较大，双金属片将向下弯曲
C．原来温度控制在80℃断开电源，现要求60℃断开电源，应使调温旋钮下调一些
D．由熨烫丝绸衣物状态转变为熨烫棉麻衣物状态，应使调温旋钮下移一些
解析：
选ABD 常温工作时，上下触点是接通的，当温度升高时，上层金属片形变大，向下弯曲，切断电源。
切断温度要升高，则应使调温旋钮下移一些，A、B、D对，C错。
3．（多选）全自动洗衣机中的排水阀是由程序控制器控制其动作的，当进行排水的程序时，控制铁芯1的线圈通电，使铁芯2运动，从而牵引排水阀的阀门排除污水（如图2所示）。
以下说法中正确的是（ ）
图2
A．若输入的控制电流由a流入，由b流出，则铁芯2中A端为N极，B端为S极
B．若输入的控制电流由a流入，由b流出，则铁芯2中A端为S极，B端为N极
C．若a、b处输入交变电流，则铁芯2不能被吸入线圈中
D．若a、b处输入交变电流，则铁芯2仍能被吸入线圈中
解析：
选AD 若输入的控制电流由a流入，由b流出，则螺线管左端为N极，右端为S极；铁芯被通电螺线管磁化，A端为N极，B端为S极。
4．如图3所示为一种温度自动报警器的原理图，在水银温度计的顶端封入一段金属丝，以下说法正确的是（ ）
图3
A．温度升高至74℃时，L1亮灯报警
B．温度升高至74℃时，L2亮灯报警
C．温度升高至78℃时，L1亮灯报警
D．温度升高至78℃时，L2亮灯报警
解析：
选D 当温度低于78℃时，线圈中没有电流，此时仅灯L1亮；当温度升高到78℃时，线圈中有电流，磁铁吸引衔铁，灯L2被接通，所以灯L2亮报警；温度升高至74℃时，线圈中没有电流，只是灯L1亮。
5．计算机键盘是由两片金属切片组成的小电容器。
该电容器的电容可用公式C＝ε
计算，式中ε＝9×10－12F/m，S为金属片的正对面积，d表示两金属片间距。
当键被按下时，此电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能检测出哪个键被按下了，从而给出相应的信号。
设每个金属片的正对面积为50mm2，键未按下时的金属片间距为0.6mm。
如果电容变化了0.25pF，电子线路恰能检测出必要的信号，则键至少需要被按下（ ）
A．0.15mm B．0.25mm
C．0.35mmD．0.45mm
解析：
选A 根据题意d1＝0.6mm＝0.6×10－3m，
C1＝ε
＝7.5×10－13F。
按下金属片，间距变小，电容变大，变为：
C2＝（C1＋0.25×10－12）F＝1×10－12F，
根据公式C2＝ε
得，
d2＝
＝0.45×10－3m，
Δd＝d1－d2＝0.15×10－3m。
6．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4，下列对故障判断正确的是（ ）
图4
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
解析：
选C 恒温箱内温度持续升高，说明加热器没有损坏，选项D错误。
无法自动控制，而经检查控制器又没有故障，说明控制器没问题。
热敏电阻或温度设定装置出现故障都能使温度持续升高，故应选C。
7.惯性制导系统已广泛应用于弹道式导弹工程中，这个系统的重要元件之一是加速度计。
加速度计构造原理示意图如图5所示，沿导弹长度方向安装的固定光滑杆上套有一质量为m的滑块，滑块两侧分别与劲度系数均为k的弹簧相连；两弹簧的另一端与固定壁相连。
滑块原来静止，弹簧处于自然长度，滑块上有指针可通过标尺测出滑块的位移，然后通过控制系统进行制导。
设某段时间内导弹沿水平方向运动，指针向左偏离O点的距离为s，则这段时间内导弹的加速度（ ）
图5
A．方向向左，大小为
B．方向向右，大小为
C．方向向左，大小为
D．方向向右，大小为
解析：
选D 当指针向左偏离O点的距离为s时，与滑块相连的左边弹簧被压缩s，右边弹簧被拉伸s，因而弹簧对滑块的弹力的大小均为ks，且方向均水平向右，即滑块受到的合力大小为2ks，方向水平向右。
由牛顿第二定律可知选项D正确。
8．某种位移传感器的工作原理如图6（a）所示，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的滑片P一起平移，通过理想电压表的示数来反映物体M的位移x。
已知电源电动势为E，内阻不计，滑动变阻器的总长为L，物体M以O为平衡位置做简谐运动（取向右为正方向），振幅为
，物体经过O时P恰好位于滑动变阻器的中点。
若电压表的示数U随时间t的变化关系如图（b）所示
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