2020版高中物理 第三章 生活中的传感器 简单的光控和温控电路(选学)学案 教科版选修3-2

2020版高中物理 第三章 生活中的传感器 简单的光控和温控电路(选学)学案 教科版选修3-2

‎3　生活中的传感器 4　简单的光控和温控电路(选学)‎ ‎[学习目标]　1.了解洗衣机、电冰箱中的传感器.2.了解家用报警器的原理.3.了解传感器与人的感官的类比，以及它们各自的优势.4.了解一些简单的自动控制电路.‎ 一、生活中的传感器 ‎1.洗衣机中的传感器：全自动洗衣机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.‎ ‎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.在控制系统中，传感器起着非常重要的作用.‎ ‎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、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.‎ 6‎ 二、简单的光控和温控电路 ‎1.集成电路又称IC，是在硅板上集合各种电子器件，实现某种特定功能的电路模块，它是电子设备中最重要的部分.‎ ‎2.光控自动照明电路 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，天黑自动导通.‎ ‎3.温控电熨斗 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加热器供电加热，温度高于指定值时将电源关闭.‎ ‎[即学即用]　判断下列说法的正误.‎ ‎(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.(　√　)‎ 一、传感器的简单应用 分析传感器应注意的四个分析 ‎(1)检测量分析：要清楚传感器所检测的非电学量，如温度、光、声、力等.‎ ‎(2)敏感元件分析：分析敏感元件的输入与输出信号，及输入与输出信号间的联系.‎ ‎(3)电路分析：分析传感器所在的电路结构,分析输入信号变化对电路电流、电压等产生的影响.‎ ‎(4)执行机构分析：分析非电学量与电学量之间的转换过程，分析根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程.‎ 例1　如图1所示为某种电冰箱内温度控制器的结构.铜制的测温泡1、细管2和弹性金属膜盒3连通成密封系统，里面充有氯甲烷和它的蒸气，构成了一个温度传感器.膜盒3为扁圆形(图中显示它的切面)，右表面固定，左表面通过小柱体与弹簧片4连接.盒中气体的压强增大时，盒体就会膨胀.测温泡1安装在冰箱的冷藏室中.5、6分别是电路的动触点和静触点，控制制冷压缩机的工作.拉簧7的两端分别连接到弹簧片4和连杆9上.连杆9的下端是装在机箱上的轴.凸轮8是由设定温度的旋钮(图中未画出)控制的，逆时针旋转时凸轮连杆上端右移，从而加大对弹簧7的拉力.‎ 6‎ 图1‎ ‎(1)为什么当冰箱内温度较高时压缩机能够自动开始工作，而在达到设定的低温后又自动停止工作？‎ ‎(2)为什么用凸轮可以改变设定的温度？‎ 答案　见解析 解析　(1)冰箱内温度较高时，密封系统中的压强增大，盒体膨胀，膜盒 3通过小柱体带动弹簧片4，使动触点5与静触点6接触，控制压缩机自动开始工作，而在达到设定的温度时弹簧带动弹簧片4将触点5、6断开，使压缩机停止工作.‎ ‎(2)凸轮逆时针转动会加大连杆9对弹簧7的拉力，该拉力与弹性金属膜盒3共同控制弹簧片4的运动，而弹簧7上弹力的变化会改变设定的温度.‎ 例2　如图2所示为冲击防盗报警器的冲击传感器的结构示意图.在外壳的绝缘基板上固定一个螺栓，螺栓上有一个弹簧，弹簧的顶端焊有一个钢球，它们都是电的良导体，外壳也使用电的良导体制成.请简述这种装置防盗的原理.‎ 图2‎ 答案　在静止状态下，不论传感器置于何种状态，钢球和外壳均呈断开状态不会导通，一旦传感器受到外力冲击，如砸、碰、撞、敲击、撬动时，则钢球受到扰动产生运动与外壳接通，便可触发执行电路，使报警装置开始工作.‎ 二、简单的光控和温控电路 例3　如图3所示是一种烟雾报警器的控制电路图，其原理简化如下：调节可变电阻R1使U23＝0.当有烟雾时，开始触发工作，其中Rg是光敏电阻.由此可知，要使开始工作，则应满足(　　)‎ 6‎ 图3‎ A.φ2>φ3 B.φ2<φ3‎ C.φ2＝φ3 D.无法判断 答案　A 解析　规定电源负极的电势为零，则φ3＝保持不变.而φ2＝＝，当有烟雾时，光敏电阻Rg增大，φ2增大.所以当φ2>φ3时，控制电路开始工作.‎ 三、自动控制电路的分析与设计 例4　如图4所示为某小型电磁继电器的构造示意图，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4‎ 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 答案　A 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吸引或释放P，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.‎ 6‎ ‎1.(力传感器的应用)压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，在升降机中将重物放在压敏电阻上，压敏电阻接在如图5甲所示的电路中，电流表示数变化如图乙所示，某同学根据电流表的示数变化情况推断升降机的运动状态，下列说法中正确的是(　　)‎ 图5‎ A.0～t1时间内，升降机一定匀速运动 B.0～t1时间内，升降机可能减速上升 C.t1～t2时间内，升降机可能匀速上升 D.t1～t2时间内，升降机可能匀加速上升 答案　B 解析　在0～t1时间内，电流恒定，表明压敏电阻的阻值恒定，则重物对压敏电阻的压力恒定，则升降机可能处于静止、匀速运动或匀变速直线运动状态，故A选项错误，B选项正确；t1～t2时间内，电流在增加，表明压敏电阻的阻值在减小，则重物对压敏电阻的压力在增大，重物的加速度是变化的，故不可能做匀速运动或匀变速运动，C、D选项错误.‎ ‎2.(温度传感器的应用)(多选)电饭锅的结构图如图6所示，如果感温磁体的“居里温度”为‎103 ℃‎，下列说法中正确的是(　　)‎ 图6‎ A.常温下感温磁体具有较强的磁性 B.当温度超过‎103 ℃‎时，感温磁体的磁性较强 C.饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会达到‎103 ℃‎，这时开关按钮会跳起 D.常压下只要锅内有水，锅内的温度就不可能达到‎103 ℃‎，开关按钮就不会自动跳起 答案　ACD ‎3.(温度传感器的应用)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7，下列对故障判断正确的是(　　)‎ 6‎ 图7‎ 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 答案　C 解析　由恒温箱原理图可知，若热敏电阻出现故障或温度设定装置出现故障都会向控制器传递错误信息，导致控制器发出错误指令，故C正确，A、B错误.若加热器出现故障，只有一种可能，即不能加热，而题中加热器一直加热才会使温度持续升高，故D错误.‎ 6‎