高中物理 第三章 传感器 第3、4节 生活中的传感器 简单的光控和温控电路（选学）教学案 教科版选修3-2

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335A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336A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t2t3时间内电流不变，表示压力不变，小车做匀加速运动，在t1t2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2.0 kg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10 N(取g10 m/s2)。图337(1)若传感器a的示数为14 N，b的示数为6.0 N，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F114 N，右侧弹簧对滑块向左的推力F26.0 N。滑块所受合力产生加速度a1，根据牛顿第二定律有F1F2ma1，得a1 m/s24.0 m/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F10，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F220 N，滑块所受合力产生加速度，由牛顿第二定律得F合F2ma2。解得a210 m/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)0.20.40.60.81.01.2电阻(k)754028232018(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2 V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1.0 lx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3 V，内阻不计)；定值电阻：R110 k，R220 k，R340 k(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，E3 V，当照度降低至1.0 lx时，由图线知，此时光敏电阻RP20 k，URP2 V，串联电阻分压UR1 V，由2得R10 k，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50 mA时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分离，3、4断开；电流小于50 mA时，3、4接通。励磁线圈中允许通过的最大电流为100 mA。图3311(1)利用以