高二物理第六章：传感器3~4节人教实验版知识精讲 11页

高二物理第六章：传感器3~4节人教实验版 ‎【本讲教育信息】‎ 一. 教学内容：‎ 第六章：传感器3~4节 二. 知识要点：‎ 知识与技能 ‎（1）知道温度传感器的应用——电饭锅的结构和工作原理．‎ ‎（2）知道温度传感器的应用——测温仪的工作原理．‎ ‎（3）知道光传感器的应用——鼠标器、火灾报警器的结构和工作原理．‎ ‎（4）了解两个开关的控制原理。‎ 三. 重点、难点解析：‎ ‎1. 温度传感器的应用——电饭锅 ‎（1）感温铁氧体 ‎①组成：氧化锰、氧化锌和氧化铁粉末混合烧结而成．‎ ‎②特点：常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，温度达到约‎103℃‎，失去铁磁性．‎ ‎③居里点：又称居里温度，即指‎103℃‎．‎ ‎（2）电饭锅的结构 如图所示．‎ ‎（3）电饭锅的工作原理 开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态，则触点接通，电热板通电加热，水沸腾后，由于锅内保持‎100℃‎不变，故感温磁体仍与永磁体相吸，继续加热，直到饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，当温度升至“居里点103℃‎ ‎”时，感温磁体失去铁磁性，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源，从而停止加热．‎ 如果用电饭锅烧水，在水沸腾后因为水温保持在‎100℃‎，故不能自动断电，只有水烧干后，温度升高到‎103℃‎，才能自动断电．‎ ‎2. 温度传感器的应用——测温仪 ‎（1）温度传感器测温仪的优点：可以远距离读取温度的数值．因为温度信号变成电信号后可以远距离传输．‎ ‎（2）常见的测温元件：热敏电阻、金属热电阻、热电偶及红外线敏感元件等．‎ ‎3. 光传感器的应用 ‎（1）机械式鼠标器 ‎①内部组成：滚球、滚轴与码盘、红外发射管与红外接收管．（光传感器，如图所示）‎ ‎②工作原理：鼠标器移动时，滚球运动通过轴带动两个码盘转动，红外接收管就收到断续的红外线脉冲，输出相应的电脉冲信号，计算机分别统计x、y两个方向的脉冲信号，处理后就使屏幕上的光标产生相应的位移 ‎（2）火灾报警器 如图所示为利用烟雾对光的散射工作的一种火灾报警器，其工作原理是：‎ 带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板．平时，光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态．烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上．其电阻变小．与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报．‎ ‎（3）常见的光传感器：光敏电阻、光电管、光电二极管、光电三极管等 ‎4. 光控开关 ‎（1）如图所示光控电路，用发光二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻，R1的最大电阻为51，R2为330．‎ 工作原理 白天，光强度较大．光敏电阻 RG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，发光二极管 LED不导通；当天色暗到一定程度时，RG的阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端A的电压上升到某个值（1.6V），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），这样就达到了使路灯天明熄灭，天暗自动开启的目的．‎ ‎（2）下图电路分析 ‎①电磁继电器工作原理 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工作电路．如图所示．其中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在弹簧作用下拉起，带动触点D与E分离，自动切断工作电路．‎ ‎②控制电路原理 天较亮时。光敏电阻RG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RG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，RG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．‎ ‎5. 温度报警器 ‎（1）温度报警器电路如图所示 ‎（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Rt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．‎ ‎【典型例题】‎ 例1. 如下图是电饭煲的电路图，S1是一个控温开关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点（‎103℃‎）时，会自动断开．S2是一个自动控温开关，当温度低于‎70℃‎时，会自动闭合；温度高于‎80℃‎时，会自动断开．红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示灯．分流电阻R1=R2=500欧姆，加热电阻丝R3=50欧姆，两灯电阻不计．（1）分析电饭煲的工作原理．（2）计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比．（3）简要回答，如果不闭合开关S1，能将饭煮熟吗?‎ ‎【解析】（1）电饭煲盛上食物后，接上电源，S2自动闭合，同时手动闭合S1．这时黄灯短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态．加热到‎80℃‎时，S2自动断开，S1仍闭合；水烧开后，温度升高到‎103℃‎时，开关S1自动断开，这时饭已煮熟，黄灯亮．电饭煲处于保温状态．由于散热，待温度降至‎70℃‎时，S2自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到‎80℃‎时，S2又自动断开．再次处于保温状态．‎ ‎（2）加热时电饭煲消耗的电功率，保温时电饭煲消耗的电功率，‎ 两式中 从而有 ‎（3）如果不闭合开关S1，开始S2总是闭合的，R1被短路，功率为P1，当温度上升到‎80℃‎时。S2自动断开，功率降为P2，温度降低到‎70℃‎．S2自动闭合……温度只能在70℃～‎80℃‎之间变化，不能把水烧开，不能煮熟饭．‎ 答案：（1）见解析 （2）12：1 （3）见解析 例2. 如图所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的装置示意图，A为光源．B为光电接收器，A、B均固定在车身上，C为小车的车轮，D为与C同轴相连的齿轮．车轮转动时，A发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号，被B接收并转换成电信号，由电子电路记录和显示．若实验显示单位时间内的脉冲数为n，累计脉冲数为N，则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理数据是 ；小车速度的表达式为v= ；行程的表达式为s= ．‎ ‎【解析】小车的速度等于车轮的周长与单位时间内车轮转动圈数的乘积．设车轮的半径为R，单位时间内车轮转动圈数为，则有．‎ 若齿轮的齿数为P，则齿轮转一圈电子电路显示的脉冲数即为P，已知单位时间内的脉冲数为n．所以单位时间内齿轮转动圈数为．由于齿轮与车轮同轴相连，它们在单位时间内转动圈数相等，即．‎ 由以上两式可得：．‎ 同理，设车轮转动的累计圈数为，则有，且，所以 可见，要测小车的速度v和行程s，必须测出单位时间内的脉冲数n和累计脉冲数N．车轮半径R和齿轮的齿数P．‎ 答案：车轮半径R和齿轮的齿数P． ‎ 例3. 现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干．如图所示，试设计一个温控电路．要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度时，又可以自动断电，画出电路图说明工作过程．‎ ‎【解析】热敏电阻R1与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路．‎ 答案:（1）电路图如图所示 ‎（2）工作过程：闭合S，当温度低于设计值时，热敏电阻阻值大，通过电磁继电器的电流不能使它工作，K接通电炉丝加热．当温度达到设计值时，热敏电阻减小到某值，通过电磁继电器的电流达到工作电流，K断开，电炉丝断电，停止供热．当温度低于设计值，又重复前述过程．‎ ‎【模拟试题】‎ l. 关于电饭锅的说法正确的是（ ）‎ A. 电饭锅中的温度传感器其主要元件是氧化铁 B. 铁氧体在常温下具有磁性，温度达到“居里温度”后会失去铁磁性 C. 用电饭锅烧水，水开时能自动断电 D. 用电饭锅煮饭时，若温控开关自动断电后，它不能自动复位 ‎2. 如图所示是电饭锅的结构图，如果感温磁体的“居里温度”为‎103℃‎时，下列说法中正确的是（ ）‎ 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，锅底的温度会超过‎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 ‎3. 如图所示是一火警报警器的一部分电路示意图，其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器，电流表为值班室的显示器．a、b之间接报警器．当传感器R2所在处出现火情时，显示器的电流表示数I、报警器两端的电压U的变化情况是（ ）‎ A. I变大，U变大 B. I变小，U变小 C. I变小，U变大 D. I变大，U变小 ‎4. 如图是温度报警器电路示意图，下列关于对此电路的分析正确的是（ ）‎ A. 当RT的温度升高时， RT减小，A端电势降低，Y端电势升高，蜂鸣器会发出报警声 B. 当RT的温度升高时， RT减小，A端电势升高，Y端电势降低，蜂鸣器会发出报警声 C. 当增大RT时，A端电势升高，Y端电势降低，蜂鸣器会发出报警声 D. 当增大RT时，A端电势降低，Y端电势升高，蜂鸣器会发出报警声 ‎5. 如图所示的光控电路用发光二极管LED模拟路灯，RG为光敏电阻．A是具有特殊功能的非门，当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值时，输出端Y会突然从高电平跳到低电平，而当输入端A的电压下降到另一个值时，Y会从低电平跳到高电平，在天暗时路灯（发光二极管）会点亮，下列说法中正确的是（ ）‎ A. 天暗时，Y处于高电平 B. 天暗时，Y处于低电平 C. 当R1调大时，A端的电压降低，灯（发光二极管）点亮 D. 当R1调大时，A端的电压降低，灯（发光二极管）熄灭 ‎6. 电饭煲的工作原理如图所示，可分为两部分，即控制部分：由S2、R1和黄灯组成；工作（加热）部分：由发热电阻R3、R2和红灯组成，S1是一个磁钢限温开关，手动闭合，当此开关的温度达到居里点（‎103℃‎）时，自动断开，且不能自动复位（闭合），S2是一个双金属片自动开关，当温度达到‎70℃‎～‎80℃‎时，自动断开，低于‎70℃‎时，自动闭合．红灯、黄灯是指示灯．通过其电流必须较小，所以R1、R2起 作用，R3是发热电阻，由于煮饭前温度低于‎70℃‎，所以S2是 （填“断开的”或“闭合的”）．接通电源并按下S1后，黄灯熄而红灯亮，R3发热，当温度达到‎70℃‎～‎80℃‎时，S2断开，当温度达到‎103℃‎时饭熟，S1断开．当温度降到‎70℃‎以下时，S2闭合，电饭煲处于保温状态，由以上描述可知R2 （填 ‎“<”“＝”或“>”）R3．若用电饭煲烧水时，直到水被烧干S1才会断开，试解释此现象．‎ ‎7. 如图所示甲为在温度为l‎0℃‎左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图。箱内的电阻R1=20k，R2=10k，R3=40k，R为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示．当a、b端电压时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当时，电压鉴别器使S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在多少摄氏度?‎ 试题答案 ‎1. B 2. ACD 3. B 4. BC 5. B 6. 限流 闭合的 ＞ 7. ‎‎35℃‎