高中物理选修3-2人教版学案设计 6.3《实验：传感器的应用》

实验：传感器的应用
诱学·导入·点拨
材料：随着人们生活水平的提高，传感器在工农业生产中的应用越来越广泛，如走廊里的声、光控开关、温度报警器、孵化小鸡的恒温箱、路灯的自动控制、银行门口的自动门等，都用到了传感器。

传感器的工作离不开电子电路，传感器只是把非电学量转换为电学量，对电学量的放大、处理均是通过电子组件组成的电路来完成的。

问题：各电路是如何实现自动控制的？
导入点拨：以上各种自动控制电路都用到了传感器，但传感器完成将非电学量转换为电学量后不能直接控制电路，应通过电路将得到的电学量进行处理后才能实现自动控制。

请尝试说出它们各自的原理。

知识·巧学·升华
一、光控开关
1.工作原理
白天，光强度较大，光敏电阻R G电阻值较小，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，R G的阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端A电压上升到某个值（1.6 V），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。

知识拓展斯密特触发器是具有特殊功能的非门，即输入低电平将输出高电平；反之，则输出低电平。

光敏电阻随着光强度的变化而改变，引起斯密特触发器A端电势的变化。

2.实验探究
（1）探究过程：按图连接电路，改变R G的电阻，观察发光二极管LED的发光情况。

探究要想在天更暗时路灯才会点亮，应该把R1的阻值调大些还是调小些。

（2）分析论证：要想在天更暗时路灯才会点亮，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电压达到某个值（如1.6 V），就需要R G的阻值达到更大，即天色更暗。

联想发散R1和R G为分压电阻，其两端电压与其电阻成正比，所以斯密特触发器A端的电压高低与两个电阻都有关系。

3.问题探究
（1）问题提出：由于集成电路允许通过的电流比较小，如何使通过灯泡中的电流更大些？
（2）分析论证：采用小电流通过继电器控制电流较大的另一灯泡工作电路图6-4-2。

方法点拨用小电流来控制大电流是控制电路中常用的方法。

（3）按图连接电路，改变光敏电阻R G的电阻，观察灯泡L的通断情况，体会控制电路的作用。

误区警示二极管具有单向导电性，在电路中不能反接，否则电磁继电器将不能正常工作。

二、温度报警器
1.工作原理
将光控开关原理图中的光敏电阻改为热敏电阻，发光二极管和电阻R2改为蜂鸣器，就成为温度报警器。

如下图所示。

2.实验探究
按如图所示连接电路，改变热敏电阻R T的温度，观察蜂鸣器的通断，并分析原因。

3.分析论证
常温下，调整R1的阻值使触发器的输入端A处于低电平，则输出端Y处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时，热敏电阻R T阻值减小，斯密特触发器输入端A电压升高，当达到某一值（高电平），其输出端由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声，R1的阻值不同，则报警温度不同。

深化升华要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应减小R1的阻值，R1的阻值越小，要使斯密特触发器输入端达到高电平，则热敏电阻要越小，即温度越高。

问题·思路·探究
问题1利用斯密特触发器可以制成光控开关和温控开关，其主要作用是起到电子开关的作用，在实际电路中是否可以将其直接接入工作电路完成直接控制？
思路:集成电路允许通过的电流很小，不能直接接入实际电路。

探究:由于集成电路允许通过的电流很小，因此不能直接将光控开关和温控开关直接接入实际电路，一般是通过继电器的动作完成对实际电路的控制，所以是通过间接控制的方法来完成对实际电路的自动控制。

问题2由斯密特触发器和热敏电阻组成的温度报警器可以实现达到某一温度自动报警的目的，能否调整报警温度的高低？
思路:报警温度的高低取决于斯密特触发器A端电压达到高电平的难易程度。

探究:要调整报警温度的高低，可以通过调整R1大小的方法来实现。

R1的阻值越小，要使斯密特触发器输入端达到高电平，则热敏电阻要越小，即温度越高；反之，则热敏电阻要越大，即温度越低。

典题·热题·新题
例1如图所示是一种悬球式加速度仪，它可以用来测定沿水平轨道运动的列车的加速度，m是一个金属球，它系在金属丝的下端，金属丝的上端悬挂在O点，AB是一根长为l 的电阻丝，其阻值为R，金属丝与电阻接触良好，摩擦不计，电阻丝的中点C焊接一根导线，从O点引出一根导线，两线间接入一个电压表V（金属丝和导线电阻不计），图中虚线OC与AB相垂直，且OC=h，电阻丝AB接在电压为U的直流稳压电源上，整个装置固定在列车中使AB沿车前进的方向，列车静止时，金属丝呈竖直状态，当列车加速或减速前进时，金属丝将偏离竖直方向，从电压表的读数变化可以测出加速度的大小。

（1）当列车向右做匀加速运动时，试写出加速度a与电压表读数U′的对应关系，以便重新0刻制到电压表表面使它成为直接读加速度数值的加速度计；
（2）为什么C点设置在电阻丝AB的中间？对电压表的零刻度在表面上的位置应有什么要求？
思路解析：列车做匀加速运动时，悬球要偏离一定的角度。

加速度越大，偏离的角度越大，对应的电压表的示数也越大。

因此，角度搭起了加速度和电压表示数的桥梁。

根据牛顿运动定律和欧姆定律分别找出加速度与角度的关系和电压表示数与角度的关系，然后列方程即可求解。

解：（1）设列车加速度为a时金属丝偏离竖直方向θ角，金属丝与电阻丝的接触点为D，此时小车受到合外力为F=mgtanθ。

由牛顿第二定律：F=ma=mgtanθ,
DC
所以a=gtanθ=g
h
从电路部分看，设此时电压表示数为U′，由串联电路电压电阻关系式：
l DC R R U U AB DC ==',DC=U U 'l 。

由上得 a=Uh
gl U ′，a 与U ′成正比。

（2）加速度最大时D 移到A 点，U ′=2U ，所以h
gl a 2max =。

（3）C 点设置在AB 的中间的好处是：利用这个装置还可以测定列车做匀减速运动时的加速度。

电压表的0刻度应在表面上的中间位置。

深化升华 加速度计实际上是加速度传感器，它将加速度信号转换为电压信号输出，该传感器可以制作振动传感器（因为振动物体的加速度一般不为零），振动传感器可以广泛地应用在报警、测量等领域（如汽车、摩托车防盗报警器等）。

例2某学生为了测量一物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面的压力（比例系数为k ），如图所示．测量时先调节输入端的电压。

使转换器空载时的输出电压为0；而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压U 。

现有下列器材：力电转换器、质量为m 0的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个、电键及导线若干、待测物体（可置于力电转换器的受压面上）。

请完成对该物体质量的测量。

（1）设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大，在方框中画出完整的测量电路图； 轻轻告诉你 悲观的人虽生犹死，乐观的人永生不老。

——拜伦
（2）简要说明测量步骤，求出比例系数k ，并测出待测物体的质量m ；
（3）请设想实验中可能会出现的一个问题。

思路解析：（1）力电转换器虽然是一个全新的仪器，但它与其它所有测量仪器一样，有它们的共性，即需要有一个“调零”步骤，这个“调零”工作的要求就是当受压面上不放物体时通过对输入电路的输入电压的调零从而使输出电压为零，这就是力电转换器的“调零”。

（2）为了使输入电路上的电压可调节且调节范围尽可能大一点，可以用滑动变阻器组成分压电路。

（3）根据题给信息“被测物体质量与输出电压成正比”，先在受压面上放质量为m 0的砝码，测出其输出电压U 0，然后将待测物体放在受压面上，测出其输出电压U ，根据两者的比例关系，便可得出m 。

答案：（1）设计的电路图如图所示。

（2）测量步骤与结果如下：
① 闭合开关S ，调节变阻器的滑片P ，使转换器的输出电压为零；
② 将砝码放在转换器上，记下输出电压U 0；
③将待测物体放在转换器上，记下输出电压U ，测得U=kmg
代入k 值得m=0
U U m 0。

（3）力电转换器作为一种测量装置就有量程和零误差问题，所以实验中可能会出现的问题有:①待测物体质量超出转换器量程;②因电源电压不够而输出电压调不到零。

拓展延伸 本题以力电传感器为背景，考查了分压电路和将实际问题转化为物理模型的能力。

解决本题的关键是挖掘隐含条件，即“被测物体质量与输出电压成正比”，意味着测量电压应从零开始（用分压电路），U ＝kmg 。

因此在解决较为复杂的实际问题时，应注意审题，挖掘有用的信息，然后将其转化为物理语言或物理模型。

例 3 某中学的学生食堂新安装了磁卡就餐系统，使用不到一周，便出现了电源总开关总是无法接通。

经检查，电源总开关中漏电保护器动作切断了电源。

漏电保护器电路如图所示，变压器A 处用火线与零线双股平行绕制成线圈，然后接到磁卡机上，B 处有一个输出线圈，一旦线圈B 中有电流经放大器放大后便推动断电器切断电源。

造成漏电保护器动作切断电源的原因判断为磁卡机用电端（ ）
A ．零线与火线之间漏电
B ．火线与地线之间漏电
C ．只有火线与地线之间漏电才会产生
D ．刷卡机装得过多，造成电流太大
思路解析：变压器A 线圈因双股并绕，正向电流与反向电流产生的磁性相互抵消，多开磁卡机、少开磁卡机都如此。

所以线圈B 中无感应电流，保安器的控制开关J 不工作，不会自动切断电源。

由题意知，火线和零线均绕在铁芯上，故只有火线与零线中电流大小不等时，才会引起漏电保护器切断电源，故可能是火线与地线之间漏电，也可能是零线与地线
之间漏电。

答案：B
变式方法本题首先是物理知识内部电流、电路、电磁感应等各部分的综合。

它还涉及用电安全的问题，有较重要的现实意义。

本题也可作为触点保护器使用，当人体接触火线或零线时，继电器动作，切断电源，起到保护人身安全的作用。

例 4 现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干。

如图所示，试设计一个温控电路。

要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供电，超过某一温度时，又可以自动断电，画出电路图说明工作过程。

思路解析：热敏电阻R1与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路。

答案：（1）电路图如图所示。

（2）工作过程：闭合S当温度低于设计值时热敏电阻阻值大，通过电磁继电器电流不能使它工作，K接通电炉丝加热。

当温度达到设计值时，热敏电阻减小到某值，通过电磁继电器的电流达到工作电流，K断开，电炉丝断电，停止供热。

当温度低于设计值，又重复前述过程。