2024-2025版高中物理第六章傳感器3實(shí)驗(yàn)：傳感器的應(yīng)用學(xué)案新人教版選修3-2

PAGE8-試驗(yàn):傳感器的應(yīng)用試驗(yàn)必備·自主學(xué)習(xí)一、試驗(yàn)?zāi)康?.識別邏輯集成電路塊、集成電路試驗(yàn)板,通過練習(xí)電子電路的組裝,獲得對自動(dòng)限制電路設(shè)計(jì)的感性相識。2.了解光控開關(guān)電路及限制原理,會組裝光控開關(guān)。3.了解溫度報(bào)警器及限制原理,會組裝溫度報(bào)警器。二、試驗(yàn)器材1.光控開關(guān)試驗(yàn):斯密特觸發(fā)器、發(fā)光二極管、二極管、繼電器、燈泡(6V,0.3A)、可變電阻R1(最大阻值51kΩ)、電阻R2(330Ω)、光敏電阻、集成電路試驗(yàn)板、直流電源(5V)、導(dǎo)線若干、黑紙。2.溫度報(bào)警器試驗(yàn):斯密特觸發(fā)器、蜂鳴器、熱敏電阻、可變電阻R1(最大阻值1kΩ)、集成電路試驗(yàn)板、直流電源(5V)、導(dǎo)線若干、燒杯(盛有熱水)。三、試驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)1.光控開關(guān):(1)電路如圖所示。(2)斯密特觸發(fā)器的工作原理:斯密特觸發(fā)器是一特性能特別的非門電路,當(dāng)加在它的輸入端A的電壓漸漸上升到某個(gè)值(1.6V)時(shí),輸出端Y會突然從高電平跳到低電平(0.25V),而當(dāng)輸入端A的電壓下降到另一個(gè)值的時(shí)候(0.8V),Y會從低電平跳到高電平(3.4V)。(3)光控開關(guān)的原理如(1)圖所示:白天,光照強(qiáng)度較大,光敏電阻RG阻值較小,加在斯密特觸發(fā)器輸入端A的電壓較低,則輸出端Y輸出高電平,發(fā)光二極管LED不導(dǎo)通;當(dāng)天暗到肯定程度時(shí),RG阻值增大到肯定值,斯密特觸發(fā)器的輸入端A的電壓上升到1.6V,輸出端Y突然從高電平跳到低電平,則發(fā)光二極管LED導(dǎo)通發(fā)光(相當(dāng)于路燈),這樣就達(dá)到了使路燈天明自動(dòng)熄滅,天暗自動(dòng)開啟的目的。2.溫度報(bào)警器:(1)電路如圖所示。(2)工作原理:常溫下,調(diào)整R1的阻值使斯密特觸發(fā)器輸入端A處于低電平,則輸出端Y處于高電平,無電流通過蜂鳴器,蜂鳴器不發(fā)聲;當(dāng)溫度上升時(shí),熱敏電阻RT阻值減小,斯密特觸發(fā)器輸入端A的電壓上升,當(dāng)達(dá)到某一值(高電平)時(shí),其輸出端Y由高電平跳到低電平,蜂鳴器通電,從而發(fā)出報(bào)警聲。R1的阻值不同,則報(bào)警溫度不同,可以通過調(diào)整R1來調(diào)整蜂鳴器的靈敏度。試驗(yàn)過程·合作學(xué)習(xí)試驗(yàn)步驟1.光控開關(guān)試驗(yàn)步驟:(1)依據(jù)電路圖將各元件組裝到集成電路試驗(yàn)板上。(2)檢查各元件的連接,確保無誤。(3)接通電源,調(diào)整電阻R1,使發(fā)光二極管或燈泡在一般光照條件下不亮。(4)用黑紙漸漸遮住光敏電阻,視察發(fā)光二極管或燈泡的狀態(tài)。(5)漸漸撤掉黑紙,視察發(fā)光二極管或燈泡的狀態(tài)。2.溫度報(bào)警器試驗(yàn)步驟:(1)依據(jù)電路圖將各元件組裝到集成電路試驗(yàn)板上。(2)檢查各元件的連接,確保無誤。(3)接通電源,調(diào)整電阻R1,使蜂鳴器常溫下不發(fā)聲。(4)用熱水使熱敏電阻的溫度上升,留意蜂鳴器是否發(fā)聲。(5)將熱敏電阻從熱水中取出,留意蜂鳴器是否發(fā)聲。數(shù)據(jù)收集與分析視察溫度報(bào)警器的工作電路圖,思索下列問題。要使熱敏電阻在感測到更高的溫度時(shí)才報(bào)警,應(yīng)當(dāng)把R1的阻值調(diào)大些還是調(diào)小些?提示:要使熱敏電阻在感測到更高的溫度時(shí)才報(bào)警,應(yīng)當(dāng)減小R1的阻值。R1阻值越小,要使斯密特觸發(fā)器輸入端達(dá)到高電平,則熱敏電阻阻值要求越小,即溫度越高。留意事項(xiàng)1.安裝前,對器材進(jìn)行測試,確保各元件性能良好后,再進(jìn)行安裝。2.光控開關(guān)試驗(yàn)中,二極管連入電路的極性不能反接,否則繼電器不能正常工作。要想在天色更暗時(shí)路燈才會亮,應(yīng)當(dāng)把R1的阻值調(diào)大些還是調(diào)小些?為什么?提示:要想在天色更暗時(shí)路燈才會亮,應(yīng)當(dāng)把R1的阻值調(diào)大些,這樣要使斯密特觸發(fā)器的輸入端A電壓達(dá)到某個(gè)值(1.6V),就須要RG的阻值達(dá)到更大,即天色更暗。試驗(yàn)研析·創(chuàng)新學(xué)習(xí)類型一教材原型試驗(yàn)角度1光控開關(guān)的應(yīng)用【典例1】(多選)圖甲表示斯密特觸發(fā)器,當(dāng)加在它的輸入端A的電壓漸漸上升到某個(gè)值(1.6V)時(shí),輸出端Y會突然從高電平跳到低電平(0.25V),而當(dāng)輸入端A的電壓下降到另一個(gè)值(0.8V)的時(shí)候,Y會從低電平跳到高電平(3.4V)。圖乙為一光控電路,用發(fā)光二極管LED仿照路燈,RG為光敏電阻。下列關(guān)于斯密特觸發(fā)器和光控電路的說法中正確的是 ()A.斯密特觸發(fā)器的作用是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號B.斯密特觸發(fā)器是具有特別功能的非門C.要想在天更暗時(shí)路燈才會亮,應(yīng)當(dāng)把R1的阻值調(diào)大些D.當(dāng)輸出端Y突然從高電平跳到低電平常,發(fā)光二極管發(fā)光【解析】選B、C、D。斯密特觸發(fā)器是一種特別的非門,它能把連續(xù)改變的模擬信號轉(zhuǎn)換為突變的數(shù)字信號,選項(xiàng)A錯(cuò)誤,B正確;假如把R1的阻值調(diào)大些,則只有RG的阻值達(dá)到更大值時(shí),才能使斯密特觸發(fā)器的A端電壓達(dá)到某個(gè)值(1.6V),即達(dá)到天更暗時(shí)路燈才會亮的目的,選項(xiàng)C正確;當(dāng)輸出端Y突然從高電平跳到低電平常,發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光,選項(xiàng)D正確。角度2溫控開關(guān)的應(yīng)用【典例2】如圖所示是一個(gè)火警報(bào)警裝置的邏輯電路圖。RT是一個(gè)熱敏電阻,低溫時(shí)電阻值很大,高溫時(shí)電阻值很小,R是一個(gè)阻值較小的分壓電阻。(1)要做到低溫時(shí)電鈴不響,火警時(shí)產(chǎn)生高溫,電鈴響起,在圖中虛線處應(yīng)接入怎樣的元件?(2)為什么溫度高時(shí)電鈴會被接通?(3)為了提高該電路的靈敏度,即報(bào)警溫度調(diào)得稍低些,R的值應(yīng)大一些還是小一些?【解析】(1)溫度較低時(shí)RT的阻值很大,R比RT小得多,因此P、X之間電壓較大。要求此時(shí)電鈴不響,表明輸出給電鈴的電壓應(yīng)當(dāng)較小,輸入與輸出相反,可見虛線處元件應(yīng)是“非”門。(2)高溫時(shí)RT的阻值減小,P、X之間電壓降低,輸入低電壓時(shí),從“非”門輸出的是高電壓,電鈴響起。(3)由前面分析可知,若R較大,由于它的分壓作用,RT兩端的電壓降低,則外界溫度不太高時(shí),就能使P、X之間電壓降到低電壓輸入,電鈴就能發(fā)聲,因此R較大時(shí),反應(yīng)較靈敏。答案:見解析設(shè)計(jì)自動(dòng)限制電路一般思路(1)依據(jù)題目給出的儀器和要求畫出限制電路和工作電路。限制電路由電源、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(gè)電路相互獨(dú)立,又通過電磁繼電器相互關(guān)聯(lián),電磁繼電器事實(shí)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,用光照耀光敏電阻或?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。類型二創(chuàng)新型試驗(yàn)【典例3】某學(xué)生為測量一個(gè)物體的質(zhì)量,找到一個(gè)力電轉(zhuǎn)換器,該轉(zhuǎn)換器的輸出電壓正比于受壓面的壓力(比例系數(shù)為k),如圖所示,測量時(shí)先調(diào)整輸入端的電壓,使轉(zhuǎn)換器空載時(shí)的輸出電壓為零;而后在其受壓面上放一物體,即可測得與物體的質(zhì)量成正比的輸出電壓U?，F(xiàn)有下列器材:力電轉(zhuǎn)換器、質(zhì)量為m0的砝碼、電壓表、滑動(dòng)變阻器、干電池各一個(gè),開關(guān)及導(dǎo)線若干,待測物體(可置于力電轉(zhuǎn)換器的受壓面上)。請完成對該物體質(zhì)量的測量。(1)設(shè)計(jì)一個(gè)電路圖,要求力電轉(zhuǎn)換器的輸入電壓可調(diào),并且使電壓的調(diào)整范圍盡可能大;(2)簡要說明測量步驟,求出比例系數(shù)k,并測出待測物體的質(zhì)量m?！窘馕觥?1)設(shè)計(jì)的電路圖如圖所示。(2)測量步驟與結(jié)果如下:①閉合開關(guān)S,調(diào)整變阻器的滑片P,使力電轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為零。②將質(zhì)量為m0的砝碼放在力電轉(zhuǎn)換器的受壓面上,登記此時(shí)的輸出電壓U0。③取下砝碼,將待測物體放在力電轉(zhuǎn)換器的受壓面上,登記此時(shí)的輸出電壓U。由以上測量可求出比例系數(shù)k及待測物體的質(zhì)量m,因?yàn)閁0=km0gk=又由于U=kmg,所以待測物體的質(zhì)量為m=m0。答案:(1)見解析圖(2)m0【創(chuàng)新探究】(1)請?jiān)O(shè)想試驗(yàn)中可能會出現(xiàn)的一個(gè)問題。提示:①待測物體的質(zhì)量超過此力電轉(zhuǎn)換器的量程。②因電源電壓不夠而導(dǎo)致輸出電壓調(diào)不到零。(2)該試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢宰鳛樯钪械哪男╇娖鞯幕驹?提示:體重計(jì)、臺秤。課堂檢測·素養(yǎng)達(dá)標(biāo)1.(多選)如圖所示為一個(gè)邏輯電平檢測電路,A與被測點(diǎn)相接,則 ()A.A為低電平,LED發(fā)光B.A為高電平,LED發(fā)光C.A為低電平,LED不發(fā)光D.A為高電平,LED不發(fā)光【解析】選B、C。A為低電平常,Y為高電平,LED的電壓小,不發(fā)光;A為高電平常,Y為低電平,LED的電壓大,發(fā)光,故選項(xiàng)B、C正確。【加固訓(xùn)練】(多選)如圖所示的光控電路用發(fā)光二極管LED仿照路燈,RG為光敏電阻?！啊笔蔷哂刑貏e功能的非門,當(dāng)加在它的輸入端A的電壓漸漸上升到某個(gè)值時(shí),輸出端Y會突然從高電平跳到低電平,而當(dāng)輸入端A的電壓下降到另一個(gè)值時(shí),輸出端Y會從低電平跳到高電平。要求在天暗時(shí)路燈(發(fā)光二極管)會被點(diǎn)亮,下列說法正確的是 ()A.天暗時(shí),Y處于高電平B.天暗時(shí),Y處于低電平C.當(dāng)R1調(diào)大時(shí),A端的電壓降低,燈(發(fā)光二極管)點(diǎn)亮D.當(dāng)R1調(diào)大時(shí),A端的電壓降低,燈(發(fā)光二極管)熄滅【解析】選B、D。天暗時(shí),RG電阻值大,A端為高電平,所以輸出端Y為低電平,發(fā)光二極管導(dǎo)通,選項(xiàng)B正確,A錯(cuò)誤;將R1調(diào)大時(shí),A端電勢降低,當(dāng)降到某一值時(shí),輸出端變?yōu)楦唠娖?燈(發(fā)光二極管)熄滅,選項(xiàng)D正確,C錯(cuò)誤。2.如圖所示為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(dòng)的鐵片,K為彈簧,S為一對觸頭,A、B、C、D為四個(gè)接線柱。電磁繼電器與傳感器協(xié)作,可完成自動(dòng)限制的要求,其工作方式是 ()A.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】選A。由題圖可知,A、B是電磁繼電器線圈,所以A、B應(yīng)接信號電壓,線圈隨信號電壓改變使電磁繼電器相吸或分別,從而使C、D接通或斷開,進(jìn)而起到限制作用,故A正確。3.電流傳感器可以清晰地演示一些電學(xué)元件對電路中電流的影響。如圖所示,在電路中接入電感線圈,閉合開關(guān)時(shí),計(jì)算機(jī)顯示的電流隨時(shí)間改變的圖象是 ()【解析】選B。當(dāng)閉合開關(guān)時(shí),通過電感線圈的電流是漸漸增大但并不是勻稱增大的,一段時(shí)間后電流恒定,故選項(xiàng)B正確。4.(2024·宜春高二檢測)如圖是熱水器的恒溫集成電路,R0是熱敏電阻,溫度較低時(shí)其阻值很大,溫度較高時(shí)阻值很小,假如熱水器中沒有水或水溫較高時(shí),繼電器會放開簧片,