2017-2018學(xué)年高中創(chuàng)新設(shè)計(jì)物理教科版選修3-2學(xué)案：第三章 3-4 生活中的傳感器 簡單的光控和溫控電路（選學(xué)）

學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精［目標(biāo)定位]1。了解各種傳感器在日常生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用。2。會分析簡單的光控和溫控電路.一、生活中的傳感器1.洗衣機(jī)中的傳感器全自動洗衣機(jī)已實(shí)現(xiàn)了利用傳感器和電腦技術(shù)對洗滌全過程進(jìn)行檢測和控制.近年流行的模糊洗衣機(jī)中的傳感器大致有:水位傳感器、負(fù)載量傳感器、水溫傳感器、布質(zhì)傳感器、洗滌粉傳感器、臟污程度傳感器、脫水（壓電）傳感器。2.電冰箱中的傳感器電冰箱主要由制冷系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分組成?？刂葡到y(tǒng)主要包括:溫度自動控制、除霜溫度控制、過熱及過電流保護(hù)等.3.家用報(bào)警器（1）居家生活中，煤氣泄漏，會危及人身安全,需要加以防范。我們可以利用氣敏元件制作有害氣體報(bào)警器和可燃?xì)怏w報(bào)警器.(2)有一種敲擊防盜報(bào)警器，它利用壓電式傳感器對門窗玻璃損毀產(chǎn)生反應(yīng)，形成對報(bào)警裝置的啟動.還有一種沖擊防盜報(bào)警器，由沖擊傳感器和執(zhí)行電路兩部分組成。4.傳感器與人的感官(1）光傳感器和由它制成的錄像頭、監(jiān)控探頭，可以類比人的眼睛.(2)對有毒有害氣體進(jìn)行監(jiān)控的化學(xué)和生物傳感器，相當(dāng)于人的鼻和舌等嗅覺、味覺器官。（3）力學(xué)和振動傳感器,以及溫度傳感器可以認(rèn)為相當(dāng)于人類的觸覺器官，如手、足、皮膚等.（4)聲傳感器不妨認(rèn)為是機(jī)器的耳朵。例1如圖1所示為某種電冰箱內(nèi)溫度控制器的結(jié)構(gòu).銅制的測溫泡1、細(xì)管2和彈性金屬膜盒3連通成密封的系統(tǒng)，里面充有氯甲烷和它的蒸氣，構(gòu)成了一個溫度傳感器.膜盒3為扁圓形（圖中顯示它的切面），右表面固定，左表面通過小柱體與彈簧片4連接。盒中氣體的壓強(qiáng)增大時(shí)，盒體就會膨脹。測溫泡1安裝在冰箱的冷藏室中。5、6分別是電路的動觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)，控制制冷壓縮機(jī)的工作.彈簧7的兩端分別連接到彈簧片4和連桿9上.連桿9的下端是裝在機(jī)箱上的軸。凸輪8是由設(shè)定溫度的旋鈕(圖中未畫出）控制的，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)凸輪連桿上端右移，從而加大對彈簧7的拉力.圖1（1）為什么當(dāng)冰箱內(nèi)溫度較高時(shí)壓縮機(jī)能夠自動開始工作，而在達(dá)到設(shè)定的低溫后又自動停止工作？(2)為什么用凸輪可以改變設(shè)定的溫度？解析（1)冰箱內(nèi)溫度較高時(shí),密封系統(tǒng)中的壓強(qiáng)增大，盒體膨脹，膜盒3通過小柱體帶動彈簧片4，使動觸點(diǎn)5與靜觸點(diǎn)6接觸,控制壓縮機(jī)自動開始工作，而在達(dá)到設(shè)定的溫度時(shí)彈簧帶動彈簧片4將觸點(diǎn)5、6斷開，使壓縮機(jī)停止工作。（2)凸輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動會加大連桿9對彈簧7的拉力，該拉力與彈性金屬膜盒3共同控制彈簧片4的運(yùn)動,而彈簧7上彈力的變化會改變設(shè)定的溫度.答案見解析例2如圖2所示為沖擊防盜報(bào)警器的沖擊傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。在外殼的絕緣基板上固定一個螺栓,螺栓上有一個彈簧，彈簧的頂端焊有一個鋼球，它們都是電的良導(dǎo)體，外殼也使用電的良導(dǎo)體制成。請簡述這種裝置防盜的原理。圖2答案在靜止?fàn)顟B(tài)下，不論傳感器置于何種狀態(tài)，鋼球和外殼呈斷開狀態(tài)不會導(dǎo)通，一旦傳感器受到外力沖擊，如砸、碰、撞、敲擊、撬動時(shí)，則鋼球受到擾動產(chǎn)生運(yùn)動與外殼接通,便可觸發(fā)執(zhí)行電路,使報(bào)警裝置開始工作。二、簡單的光控和溫控電路1.光控自動照明電路利用光敏電阻作控制元件，從而通過光線來實(shí)現(xiàn)自動控制,使電路在天亮?xí)r自動切斷，天黑時(shí)自動導(dǎo)通。2.溫控電熨斗利用熱敏電阻作控制元件，從而使電熨斗的溫度在低于指定值時(shí)，電熱器供電加熱，否則將電源關(guān)閉。例3如圖3所示是一種煙霧報(bào)警器的控制電路圖,其原理簡化如下:調(diào)節(jié)可變電阻R1使U23＝0.當(dāng)有煙霧時(shí)，eq\x(M741)開始觸發(fā)工作,其中Rg是光敏電阻.由此可知,要使eq\x（M741)開始工作，則應(yīng)滿足()圖3A。φ2〉φ3 B。φ2<φ3C。φ2＝φ3 D。無法判斷解析規(guī)定電源負(fù)極的電勢為零，則φ3＝eq\f(ER4，R3＋R4)保持不變。而φ2＝eq\f（ERg，R1＋R2＋Rg）＝eq\f(E,\f（R1＋R2，Rg)＋1),當(dāng)有煙霧時(shí)，光敏電阻Rg增大，φ2增大。所以當(dāng)φ2>φ3時(shí)，控制電路開始工作。答案A三、自動控制電路的分析與設(shè)計(jì)例4如圖4所示為某小型電磁繼電器的構(gòu)造示意圖，其中L為含鐵芯的線圈.P為可繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動的鐵片，K為彈簧，S為一對觸頭，A、B、C、D為四個接線柱。電磁繼電器與傳感器配合，可完成自動控制的要求，其工作方式是（）圖4A.A與B接信號電壓,C與D跟被控電路串聯(lián)B。A與B接信號電壓，C與D跟被控電路并聯(lián)C。C與D接信號電壓，A與B跟被控電路串聯(lián)D。C與D接信號電壓,A與B跟被控電路并聯(lián)解析A、B接電磁繼電器的線圈，所以A、B應(yīng)接信號電壓,線圈電流隨信號電壓變化使電磁繼電器吸引或釋放P，從而使C、D接通或斷開，進(jìn)而起到控制作用。故正確答案為A。答案A設(shè)計(jì)自動控制電路時(shí)，一般按照以下的思路進(jìn)行：1根據(jù)題目給出的儀器和要求畫出控制電路和工作電路控制電路由電源、開關(guān)、光敏電阻或熱敏電阻等其他敏感元件、電磁繼電器和導(dǎo)線等組成；工作電路由電源、用電器燈泡、電熱絲或其他用電器、導(dǎo)線等組成.這兩個電路相互獨(dú)立，又通過電磁繼電器相關(guān)聯(lián)，電磁繼電器實(shí)際上是工作電路的開關(guān).2分析自控電路的合理性電路設(shè)計(jì)完成后,要對它的合理性進(jìn)行分析，用光照射光敏電阻或?qū)崦綦娮杓訜?，檢查工作電路的接通和斷開是否符合實(shí)際要求。例如，自控路燈電路的設(shè)計(jì)要求是白天切斷工作電路,使路燈熄滅，晚上接通工作電路，使路燈發(fā)光。1。(生活中的傳感器的應(yīng)用）(多選）如圖5所示是自動調(diào)溫式電熨斗，下列說法正確的是（）圖5A。常溫時(shí)上下觸點(diǎn)是接觸的B.雙金屬片溫度升高時(shí),上層金屬片形變較大，雙金屬片將向下彎曲C。原來溫度控制在80℃斷開電源，現(xiàn)要求60℃斷開電源，應(yīng)使調(diào)溫旋鈕下移一些D。由熨燙絲綢衣物狀態(tài)轉(zhuǎn)化為熨燙棉麻衣物狀態(tài)，應(yīng)使調(diào)溫旋鈕下移一些答案ABD解析常溫工作時(shí)，上下觸點(diǎn)是接通的，當(dāng)溫度升高時(shí),上層金屬片形變大,向下彎曲，切斷電源。斷電溫度要升高則應(yīng)使調(diào)溫旋鈕下移一些，A、B、D對，C錯。2。（自動控制電路的分析與設(shè)計(jì)）如圖6所示是自動水位報(bào)警的示意圖，其中繼電器的線圈通過電流時(shí)，磁鐵吸引銜鐵1,使它與觸頭3斷開，與觸頭2接觸。若要求水位正常時(shí)綠燈亮，高出一定水位時(shí)紅燈亮，現(xiàn)有紅、綠燈泡各一個,紅燈泡應(yīng)安在________位置，綠燈泡應(yīng)安在______位置（填“A"或“B”).圖6答案BA解析水位正常時(shí)，線圈中沒有電流，銜鐵1與觸頭3接觸，這時(shí)應(yīng)綠燈亮，所以綠燈泡應(yīng)安在A位置,當(dāng)高出一定水位時(shí),線圈中有電流，磁鐵吸引銜鐵1，使它與觸頭3斷開,與觸頭2接觸,這時(shí)應(yīng)紅燈亮,所以紅燈泡應(yīng)安在B位置.3。(生活中的傳感器的應(yīng)用)如圖7所示是電飯煲的電路圖，S1是一個溫控開關(guān),手動閉合后，當(dāng)此開關(guān)溫度達(dá)到居里點(diǎn)（103℃)時(shí)，會自動斷開.S2是一個自動溫控開關(guān)，當(dāng)溫度低于70℃時(shí)，會自動閉合；溫度高于80℃時(shí)，會自動斷開。紅燈是加熱時(shí)的指示燈，黃燈是保溫時(shí)的指示燈。分流電阻R1＝R2＝500Ω,加熱電阻絲R3＝50Ω，兩燈的電阻不計(jì).圖7（1）分析電飯煲的工作原理；(2）計(jì)算加熱和保溫兩種狀態(tài)下，電飯煲消耗的電功率之比；（3）簡要回答，如果不閉合開關(guān)S1能將飯煮熟嗎？答案見解析解析（1）接上電源,S2自動閉合，同時(shí)手動閉合S1,這時(shí)黃燈短路，紅燈亮，電飯煲處于加熱狀態(tài)。加熱到80℃時(shí)，S2自動斷開，S1仍閉合；飯煮熟后，溫度升高到103℃時(shí)，S1自動斷開,黃燈亮,電飯煲處于保溫狀態(tài),由于散熱，待溫度降至70℃時(shí)，S2自動閉合,電飯煲重新加熱，溫度達(dá)到80℃時(shí)，S2又自動斷開，再次處于保溫狀態(tài)，如此循環(huán).（2)加熱時(shí)電飯煲消耗的電功率P1＝eq\f（U2，R并)，保溫時(shí)電飯煲消耗的電功率P2＝eq\f（U2,R1＋R并)，兩式中R并＝eq\f（R2R3，R2＋R3)＝eq\f(500×50，500＋50）Ω＝eq\f（500,11)Ω，故eq\f（P1，P2)＝eq\f（R1＋R并，P并）＝eq\f（500＋\f(500，11），\f(500,11)）＝eq\f（12，1）.(3)如果不閉合S1,開始時(shí)S2是閉合的，R1被短路，功率為P1；當(dāng)溫度上升到80℃時(shí),S2自動斷開,功率降為P2；溫度降低到70℃,S2自動閉合……溫度只能在70～80℃之間變化,不能將飯煮熟。4.(自動控制電路的分析與設(shè)計(jì)）按如圖8所示連接好電路，合上S，發(fā)現(xiàn)小燈泡不亮，原因是_______________________；用電吹風(fēng)對熱敏電阻吹一會兒，會發(fā)現(xiàn)小燈泡________,原因是___________________；停止吹風(fēng)，會發(fā)現(xiàn)____________________________________________________________；把熱敏電阻放入冷水中會發(fā)現(xiàn)__________________________________________________.圖8答案由于熱敏電阻阻值較大，左側(cè)電路電流較小，電磁鐵磁性較弱吸不住銜鐵亮電吹風(fēng)對熱敏電阻加熱使其阻值變小,電路中電流增大，電磁鐵吸住銜鐵小燈泡不會立即熄滅，因?yàn)闊崦綦娮铚囟热匀惠^高小燈泡熄滅題組一生活中的傳感器1。壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，在升降機(jī)中將重物放在壓敏電阻上，壓敏電阻接在如圖1甲所示的電路中，電流表示數(shù)變化如圖乙所示，某同學(xué)根據(jù)電流表的示數(shù)變化情況推斷升降機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)，下列說法中正確的是（)圖1A.0～t1時(shí)間內(nèi)，升降機(jī)一定勻速運(yùn)動B。0～t1時(shí)間內(nèi),升降機(jī)可能減速上升C.t1～t2時(shí)間內(nèi)，升降機(jī)可能勻速上升D.t1～t2時(shí)間內(nèi)，升降機(jī)可能勻加速上升答案B解析在0～t1時(shí)間內(nèi),電流恒定，表明壓敏電阻的阻值恒定，則重物對壓敏電阻壓力恒定，則升降機(jī)可能處于靜止、勻速運(yùn)動或勻變速直線運(yùn)動，故A項(xiàng)錯誤,B項(xiàng)正確;t1~t2時(shí)間內(nèi)，電流在增加，表明壓敏電阻的阻值在減小，則重物對壓敏電阻的壓力在增大，故不可能做勻速運(yùn)動或勻加速運(yùn)動，C、D兩項(xiàng)都錯。2．(多選)為鍛煉身體，小明利用所學(xué)物理知識設(shè)計(jì)了一個電子拉力計(jì)，如圖2所示是原理圖．輕質(zhì)彈簧右端和金屬滑片P固定在一起(彈簧的電阻不計(jì),P與R1間的摩擦不計(jì)),彈簧勁度系數(shù)為100N/cm。定值電阻R0＝5Ω，ab是一根長為5cm的均勻電阻絲，阻值R1＝25Ω，電源輸出電壓恒為U＝3V,理想電流表的量程為0～0。6A．當(dāng)拉環(huán)不受力時(shí),滑片P處于a端．下列關(guān)于這個電路的說法正確的是(不計(jì)電源內(nèi)阻)（）圖2A．小明在電路中連入R0的目的是保護(hù)電路B．當(dāng)拉環(huán)不受力時(shí)，閉合開關(guān)后電流表的讀數(shù)為0.1AC．當(dāng)拉力為400N時(shí)，電流表指針指在0。3A處D．當(dāng)拉力為400N時(shí)，電流表指針指在0。5A處答案ABC解析若電路無電阻R0，且金屬滑片P在b端時(shí)，回路短路損壞電源，R0的存在使電路不出現(xiàn)短路,因此A正確；當(dāng)拉環(huán)不受力時(shí)，滑片P在a端，由歐姆定律得，I＝eq\f（U,R0＋R1)＝0.1A，故B正確；拉力為400N時(shí)，由F＝kΔx,則Δx＝4cm,對應(yīng)的電阻為RaP＝20Ω，R1接入電路的電阻RPb＝5Ω，由閉合電路歐姆定律得,I＝eq\f（U,R0＋RPb）＝0。3A，故D錯,C正確．3。氧化錫傳感器主要用于汽車尾氣中一氧化碳濃度的檢測，它的電阻隨一氧化碳濃度的變化而變化.在圖3所示電路中，不同的一氧化碳濃度對應(yīng)傳感器不同的電阻值，電壓表的示數(shù)與一氧化碳的濃度一一對應(yīng),觀察電壓表示數(shù)就能判斷一氧化碳濃度是否超標(biāo).已知氧化錫傳感器的電阻的倒數(shù)與一氧化碳濃度成正比,那么，電壓表示數(shù)U與一氧化碳濃度ρ之間的對應(yīng)關(guān)系正確的是（)圖3A。U越大，表示ρ越大,ρ與U成正比B.U越大，表示ρ越小,ρ與U成反比C.U越大，表示ρ越大,但ρ與U無關(guān)D.U越大，表示ρ越小，但ρ與U無關(guān)答案C解析設(shè)傳感器的電阻為R1,電源的電動勢為E，內(nèi)阻為r，由題意得eq\f（1,R1）＝kρ,k是比例系數(shù).又根據(jù)閉合電路歐姆定律得,電壓表示數(shù)U＝eq\f（R0,R0＋R＋r＋R1)E＝eq\f(R0,R0＋R＋r＋\f（1，kρ））E.由數(shù)學(xué)知識分析可知，U越大，ρ越大，但ρ與U無關(guān)。故選C.題組二自動控制電路的分析與設(shè)計(jì)4。(多選)如圖4所示,全自動洗衣機(jī)中的排水閥是由程序控制器控制其動作的，當(dāng)進(jìn)行排水和脫水工序時(shí),控制鐵芯1的線圈通電,使鐵芯2運(yùn)動，從而牽引排水閥的閥門排除污水.以下說法中正確的是()圖4A。若輸入的控制電流由a流入，由b流出，則鐵芯2中A端為N極，B端為S極B。若輸入的控制電流由a流入，由b流出，則鐵芯2中A端為S極，B端為N極C。若a、b處輸入交變電流，鐵芯2不能被吸入線圈中D。若a、b處輸入交變電流，鐵芯2仍能被吸入線圈中答案AD解析鐵芯被通電螺線管磁化。5．如圖5所示是一位同學(xué)設(shè)計(jì)的防盜門報(bào)警器的簡化電路示意圖．門打開時(shí)，紅外光敏電阻R3受到紅外線照射，電阻減小；門關(guān)閉會遮蔽紅外線源（紅外線源沒有畫出）．經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)，燈的亮滅能反映門的開、關(guān)狀態(tài)．門打開時(shí)兩燈的發(fā)光情況以及R2兩端電壓UR2與門關(guān)閉時(shí)相比()圖5A．紅燈亮，UR2變大 B．綠燈亮，UR2變大C．綠燈亮，UR2變小 D．紅燈亮,UR2變小答案D解析門打開R3減小，導(dǎo)致R總減小和I總增加,Ur和UR1變大，UR2＝E－(UR1＋Ur）減小，IR3＝I總－eq\f(UR2,R2）增加,電磁繼電器磁性增強(qiáng)把銜鐵拉下，紅燈亮，綠燈滅,A、B、C均錯誤，D正確．6。（多選）某同學(xué)設(shè)計(jì)的家庭電路保護(hù)裝置如圖6所示，鐵芯左側(cè)線圈L1由火線和零線并行繞成.當(dāng)右側(cè)線圈L2中產(chǎn)生電流時(shí)，電流經(jīng)放大器放大后，使電磁鐵吸起鐵質(zhì)開關(guān)K，從而切斷家庭電路.僅考慮L1在鐵芯中產(chǎn)生的磁場,下列說法正確的有（）圖6A。家庭電路正常工