【高中教育】2020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版选修3

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：

信息采集⇒⇒利用所获得的信

息执行某种操作

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

解析：(1)如图所示，依题意，左侧弹簧对滑块向

右的推力F1＝14 N，右侧弹簧对滑块向左的推力F2＝

6。0 N。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。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′＝20 N，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＝＝－10 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。

2

0。

4

0。

6

0。

8

1。

1。

2

电阻(kΩ)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：R1＝10 kΩ，R2＝20 kΩ，R3＝40 kΩ(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 ＝3 V，当照度降低至1。0 lx时，由图线知，此时光敏电阻RP＝20 kΩ，URP＝2 V，串联电阻分压UR＝1 V，由＝＝2得R＝＝10 kΩ，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40 W，额定电压36 V，符号

保护电阻R2，符号

电磁开关，符号

蓄电池E，电压36 V，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200 Ω，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＝100 mA，则

Um＝ImR＝100×10－3×200 V＝20 V

又E＝I(R2＋R)

因50 mA＜I≤100 mA

代入数据解得160 Ω≤R2<520 Ω。

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)①20160～520 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100 Ω。当线圈的电流大于或等于20 mA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。0 V，内阻可以不计。图中的“电源”是恒温箱加热器的电源。则

图3­3­12