2020-2021学年高中物理 6.3 实验 传感器的应用学案 新人教版选修3-2

实验传感器的应用
[目标定位］1。

理解光控开关、温度报警器的工作原理。

2。

理解光控开关、温度报警器的灵敏度调节原理。

3。

会用传感器制作简单的自动控制设备．
1．斯密特触发器:当输入端电压上升到某一值（1。

6 V)时,输出端会突然从高电平跳到低电平（0。

25 V），当输入端电压下降到某一值(0.8 V)时，输出端会从低电平跳到高电平(3.4 V)．
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．光控开关的工作原理(如图1所示）．
图1
甲图：白天，光强度较大，光敏电阻R G阻值较小，加在斯密特触发器输入端A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），天明后，R G阻值减小，斯密特触发器输入端A电势逐渐降低，降到0。

8 V时，输出端Y突然由低电平跳到高电平，二极管LED熄灭．这样就达到了使路灯天明自动熄灭,天暗自动开启的目的．
乙图:控制电路原理：天较亮时,光敏电阻R G阻值较小，斯密特触发器输入端A电压较低，则输出端Y输出高电平,线圈中无电流，工作电路不通；天较暗时,光敏电阻R G电阻增大,斯密特触发器输入端A电势升高，当升高到一定值，输出端Y由高电平突然跳到低电平,有电
流通过线圈,电磁继电器工作，接通工作电路，使路灯自动开启；天明后，R G阻值减小，斯密特触发器输入端A电势逐渐降低，降到一定值，输出端Y突然由低电平跳到高电平，则线圈中不再有电流，则电磁继电器自动切断工作电路的电源，路灯熄灭．
一、光控开关电路分析
1．斯密特触发器
实质是一个具有特殊功能的非门,当A端电势高于1。

6 V时，Y端会输出0.25 V的低电势,当A端电势低于0.8 V时，Y端会输出3.4 V的高电势．
2．电路分析
(1）电磁继电器的工作原理
由于集成电路允许通过的电流较小，要用白炽灯泡模仿路灯，就要使用继电器来启闭另外的供电电路．如图2所示，图中虚线框内即为电磁继电器J，D为动触点，E为静触点．当线圈A中通电时，铁芯中产生磁场,吸引衔铁B向下运动，从而带动动触点D向下与静触点E接触,将工作电路接通，当线圈A中电流为零时,电磁铁失去磁性,衔铁B在弹簧作用下被拉起,动触点D与静触点E分离，自动切断工作电路．
图2
（2）控制电路的原理
天较亮时,光敏电阻R G阻值较小，斯密特触发器输入端A电势较低，则输出端Y输出高电平，线圈中无电流，工作电路不通；天较暗时，光敏电阻R G电阻增大，斯密特触发器输入端A电势升高，当升高到一定值,输出端Y由高电平突然跳到低电平，有电流通过线圈A,
电磁继电器工作,接通工作电路,使路灯自动开启；天明后,R G阻值减小，斯密特触发器输入端A电势逐渐降低，降到一定值，输出端Y突然由低电平跳到高电平,则线圈A中不再有电流，则电磁继电器自动切断工作电路的电源，路灯熄灭．
例1如图3所示为一个逻辑电平检测电路，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
解析A为低电平时，Y为高电平，LED的电压小，不发光；A为高电平时,Y为低电平，LED的电压大,发光，故B、C正确．
答案BC
针对训练1 如图4所示的光控电路，用发光二极管LED模仿路灯,R G为光敏电阻，R1的最大电阻为51 kΩ，R2为330 Ω.白天，光的强度较大，光敏电阻R G的电阻值较________，加在斯密特触发器A端的电压较________，则输出端Y输出高电平,发光二极管LED________（填“导通”或“不导通”）；当天色暗到一定程度时，R G的阻值增大到一定值，斯密特触发器输入端A的电压上升到某个值(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________(填“导通"或“不导通”)，这样就达到了使路灯白天熄灭，天暗自动开启的目的．
图4
答案小低不导通导通
解析白天,光照强度较大，光敏电阻R G的电阻值较小，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(电平指某个端点与“地”之间的电压）,发光二极管LED不导通；当天色暗到一定程度时，R G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(1。

6 V）时，输出端Y会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白天熄灭，天暗自动开启的目的．
二、温度报警器电路分析
1．电路组成
斯密特触发器、热敏电阻、蜂鸣器、滑动变阻器，连接如图5所示．
图5
2．工作原理
常温下，调整R1的阻值使斯密特触发器的输入端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电势升高，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．
3．报警温度调节
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，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高．
例2温度报警器电路如图6所示，常温下，调整________的阻值使斯密特触发器的输入端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______,斯密特触发器的输入端A电势______,当达到某一值（高电平)时,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．
图6
解析常温下,调整R1的阻值使斯密特触发器的输入端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电势升高,当达到某一值(高电平）时，其输出端由高电平跳到低电平,蜂鸣器通电，从而发出警报声，R1的阻值不同,报警温度不同．
答案R1减小升高
针对训练2 如图7所示，是一个火警报警装置的逻辑电路图．R T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7
（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）为什么温度高时电铃会被接通？
（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?
答案见解析
解析（1）温度较低时R T的阻值很大,R比R T小得多,因此P、X之间电压较大．要求此时电铃不响，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R T的阻值减小,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，R T两端的电压降低，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．
三、自动控制电路的分析与设计
例3如图8所示，某小型电磁继电器，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8
A．A与B接信号电压，C与D跟被控电路串联
B．A与B接信号电压,C与D跟被控电路并联
C．C与D接信号电压，A与B跟被控电路串联
D．C与D接信号电压，A与B跟被控电路并联
解析A、B接电磁继电器的线圈,所以A、B应接信号电压,线圈电流随信号电压变化使电磁继电器相吸或释放，从而使C、D接通或断开,进而起到控制作用，故正确答案为A。

答案A
光控开关电路分析
1．光敏电阻在各种自动化装置中有很多应用，其中就可用于街道路灯的自动控制开关，如图9所示为模拟电路，其中A为光敏电阻，B为电磁继电器，C为照明电路,D为路灯，请连成正确的电路,达到日出灯熄、日落灯亮的效果．
图9
答案见解析图
解析电路连接如图所示．当天亮时，光线照射光敏电阻A，其阻值迅速减小，控制回路电流增大，电磁继电器B工作,吸下衔铁使触点断开，路灯熄灭．当夜晚降临，光线变暗,光敏电阻A的阻值增大，控制回路电流减小,弹簧将衔铁拉起，触点接通，路灯点亮．
自动控制电路的分析与设计
2。

某仪器内部电路如图10所示,其中M是一个质量较大的金属块，左、右两端分别与金属丝制作的弹簧相连，并套在光滑水平细杆上，a、b、c三块金属片间隙很小(b固定在金属块上），当金属块处于平衡状态时，两根弹簧均处于原长状态，若将该仪器固定在一辆汽车上,下列说法中正确的是( ）
图10
A．当汽车加速前进时，甲灯亮
B．当汽车加速前进时,乙灯亮
C．当汽车刹车时，乙灯亮
D．当汽车刹车时，甲、乙两灯均不亮
答案B
解析当汽车向右加速时，M向左移动，与a接触,乙灯亮;当汽车刹车时，M向右移动,与c接触，甲灯亮．
3．如图11所示是自动水位报警的示意图，其中继电器的线圈通过电流时，磁铁吸引衔铁1，使它与触头3断开，与触头2接触．若要求水位正常时绿灯亮,高出一定水位时红灯亮,
现有红、绿灯泡各一个，红灯泡应安在________位置，绿灯泡应安在________位置（填“A”或“B”）．
图11
答案 B A
解析水位较低时，线圈中没有电流，衔铁1与触头3接触,这时应绿灯亮,所以绿灯泡应安在A位置，当高出一定水位时，线圈中有电流，磁铁吸引衔铁1，使它与触头3断开，与触头2接触，这时应红灯亮,所以红灯泡应安在B位置．
(时间：60分钟)
题组一光控开关电路分析
1．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1中R G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为路灯总开关控制电路，它在获得高电压时才启动（图中未画出路灯电路）．
图1
（1)当天黑时,R G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R G的阻值变大，A端输入低电压，Y端输出高电压，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,R G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．
2．把蜂鸣器、光敏电阻、干簧管继电器开关、电源按如图2甲所示电路连接，制成光电报警装置．当报警器有光照射时，蜂鸣器发声，当没有光照或者光照很弱时，蜂鸣器不发声．①光敏电阻:光敏电阻受光照射后，阻值会变小．②干簧管继电器开关：由干簧管和绕在干簧管外的线圈组成，如图乙所示,当线圈中有一定的电流时,线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化,两个簧片在磁力作用下由原来的分离状态变成闭合状态．当线圈中没有电流或者电流很微弱时，磁场消失，簧片在弹力的作用下回复到分离状态．试说明光电报警器的工作原理．
图2
答案当报警器有光照射时，光敏电阻阻值减小,电路中电流增大，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化,两个簧片由原来的分离状态变成闭合状态，蜂鸣器电路接通，蜂鸣器发声；反之，当没有光照射或光照很微弱时，光敏电阻阻值很大，电路中的电流很小，干簧管内的两个铁质簧片处于分离状态，连接蜂鸣器的电路断开,蜂鸣器不发声．题组二温控开关电路分析
3．如图3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3
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．
4．如图4所示为一自动控制温度的电路，请说明其工作原理．
图4
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．
题组三自动控制电路的分析与设计
5．如图5所示,全自动洗衣机中的排水阀是由程序控制器控制其动作的,当进行排水和脱水
工序时,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．以下说法中正确的是( )
图5
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,铁芯2不能被吸入线圈中
D．若a、b处输入交变电流，铁芯2仍能被吸入线圈中
答案AD
解析铁芯被通电螺线管磁化．
6．某同学设计的家庭电路保护装置如图6所示,铁芯左侧线圈L1由火线和零线并行绕成．当右侧线圈L2中产生电流时,电流经放大器放大后,使电磁铁吸起铁质开关K，从而切断家庭电路．仅考虑L1在铁芯中产生的磁场，下列说法正确的有( ）
图6
A．家庭电路正常工作时，L2中的磁通量为零
B．家庭电路中使用的电器增多时，L2中的磁通量不变
C．家庭电路发生短路时，开关K将被电磁铁吸起
D．地面上的人接触火线发生触电时，开关K将被电磁铁吸起
答案ABD
解析由于零线、火线中电流方向相反，产生的磁场方向相反，所以家庭电路正常工作时，L2中的磁通量为零，选项A正确；家庭电路短路和用电器增多时均不会引起L2的磁
通量的变化,选项B正确，C错误；地面上的人接触火线发生触电时,线圈L1中磁场变化引起L2中磁通量的变化，产生感应电流，吸起K，切断家庭电路，选项D正确．
7．如图7是一种防汛报警器的原理图，S是触点开关,B是一个漏斗形的竹片圆筒，里面有浮子A，请你说明这种报警器的工作原理．
图7
答案见解析
解析由题图可以看出，水面上升时，浮子A在漏斗形的竹片圆筒内上浮，顶起金属板．当水面上升达到警戒水位时，使触点开关S闭合，电磁铁电路连通，电磁铁通电有磁性，吸下衔铁使报警电路的触点开关闭合,灯亮发出防汛警报．。