2020高中物理 第六章 第四节 传感器的应用实验学案 新人教版选修3-2 8页

‎§6.4 传感器的应用实验 ‎ ‎【学习目标】‎ ‎1.知道二极管的单向导电性和发光二极管的发光特性.知道晶体三极管的放大特性 ‎2.了解逻辑电路的基本知识和应用.‎ ‎3．知道斯密特触发器的工作原理 LED R2‎ R1‎ RG A Y ‎+5V ‎4．理解光控开关、温度报警器两个传感器实验的基本原理。‎ ‎【重点难点】‎ ‎1.重点：理解并掌握两个传感器实验的基本原理 ‎2.难点：分析并设计传感器的应用电路。‎ ‎【课前预习】‎ 一、晶体管元件的特性 ‎1.普通二极管和发光二极管 ‎（1）普通二极管：具有单向导电性。一般用硅和锗半导体材料制成。‎ ‎（2）发光二极管：除了具有单向导电性外，导电时还能发光。发光二极管一般是用磷化镓和磷砷化镓等半导体材料制成，能够直接将电能转化为光能。它小巧玲珑、颜色鲜艳，又很省电。 许多家用电器上都使用发光二极管做指示灯。该类发光二极管的正向导通电压大于1.8v.‎ ‎2. 晶体三极管 ‎（1）晶体三极管能够把微弱的电信号放大。晶体三极管的三极分别为发射极e、基极b和集电极c.‎ ‎（2）传感器输出的电流或电压很微弱，用一个三极管可以放大几十倍以至上百倍。三极管的放大作用表现为基极b的电流对集电极c的电流起了控制作用。‎ 二、逻辑电路 ‎1．与门电路：只要一个输入端输入为“‎0”‎，则输出端一定是“‎‎0”‎ ‎；反之，只有当所有输入都同时为“‎1”‎，输出才是“‎1”‎。 “与”门的电路符号：，A 和B是它的有两个输入端，Y 是它的输出端。‎ ‎2. 或门电路：只要有一个输入“‎1”‎，则输出一定是“‎1”‎；反之，只有当所有输入都同时为“‎0”‎时，输出才是“‎0”‎。 “或”门的电路符号：，A 和B 是它的两个输入端，Y 是它的输出端。‎ ‎3.非门电路：当输入为“‎0”‎时，输出总是“‎1”‎；当输入为“‎1”‎时，输出反而是“‎0”‎。非门电路也称为反相器。“非”门的电路符号：，A是它的输入端，Y 是它的输出端。‎ ‎4.斯密特触发器: 斯密特触发器是具有特殊功能的非门，可以把连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号。电路符号为：。当加在它的输入端 A 的电压逐渐上升到某个值（1.6 V）时，输出端Y 会突然从高电平跳到低电平（0.25 V），而当输入端 A 的电压下降到另一个值的时候（0.8 V），Y 会从低电平跳到高电平（3.4 V）。电平可理解为电势。‎ 三、传感器的应用实验 实验1 光控开关 ‎　1．用发光二极管LED模仿路灯的光控实验 ‎（1）实验电路：如图甲所示。符号⊥表示接机壳，即零电势。没有金属机壳时可把这些点连在同一条导线（母线）上。‎ ‎（2）实验器材：‎ 型号为74LS14 的集成块（它里面有6 个非门，实验时只使用其中的一个）一块、发光二极管一个、光敏电阻一只、电位器一个（最大阻值为51kΩ），定值电阻（330Ω）、学生电源一台，集成电路实验板一块。‎ ‎（3）工作原理：‎ 如图甲所示，当光敏电阻RG受到光照时，阻值__减小__，非门（斯密特触发器）输入端A出现低电平，输出端Y出现高电平，发光二极管LED反向截止，不能发光。当把光遮住光敏电阻时（夜晚），RG阻值增大，输入端A出现高电平，输出Y出现低电平，发光二极管正向导通，发出亮光(相当于路灯亮了)，这样就达到了使路灯天明自动熄灭，天暗自动开启的目的。‎ 可变电阻（电位器）R1的阻值不同，则路灯点亮的早晚时间不同。如果想要在天更暗时才点亮路灯，可将电位器的阻值调大一些。同学们思考一下什么道理？‎ ‎（提示：要使在天更暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大些，这样要使斯密特触发器的输入端Ａ电压达到某个值（如1.6v），就需要RG的阻值达到更大，即天色更暗。）‎ ‎2. 用小灯泡模拟路灯的光控实验 ‎（1）实验电路：如图乙所示。‎ ‎（2）实验器材：‎ 型号为74LS14 的集成块一块、光敏电阻一只、二极管一个、小型继电器一只、电位器一个（最大阻值为51kΩ），定值电阻（330Ω）、小灯泡一只，学生电源一台，集成电路实验板一块。‎ ‎（3）工作原理：‎ 因为集成电路允许通过的电流比较小，就要使用继电器来启动另外的供电电路。如图乙所示，J为继电器，工作电压为5V，Ja为它的常开触点，并联一个二极管起保护作用。原理同上，光照时，RG阻值__减小__，A为___低_电平，Y为___高__电平，继电器不工作，灯泡不亮，无光或弱光时，RG阻值__增大__，A为__高___电平，Y为___低___电平，继电器触点接触，电路接通，灯泡发亮。‎ 实验2 温度报警器 ‎（1）实验电路：如图所示 是一个温度报警器的电路图。‎ ‎（2）实验器材：‎ 型号为74LS14 的集成块一块、热敏电阻一只（常温下阻值为2 kΩ左右）、可变电阻器（最大阻值为1kΩ左右）一个、YMD或HMB型蜂鸣器（工作直流电压为4 ~ 6 V）一个，学生电源一台，集成电路实验板一块。‎ ‎（3）工作原理：‎ 常温下，接通电源后，先调节可变电阻器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；当用热水使热敏电阻RT的温度升高时， RT阻值减小，斯密特触发器输入端A电势升高，A端输入高电平，Y端输出由高电平跳到低电平，蜂呜器两端达到了工作电压，从而发出报警声。‎ 可变电阻器R1的阻值不同，则报警器温度不同。R1的阻值减小一些，可使热敏电阻在感测到更高温度时才报警。同学们思考一下其中的道理。‎ ‎（提示：要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应减小R1的阻值，R1阻值越小，要使斯密特触发器输入端达到高电平，则热敏电阻RT阻值要求越小，即温度越高。）‎ ▲ 堂中互动▲‎ ‎【典题探究】‎ 题型一、传感器的应用试验 例1 如图所示是一个火警报警装置的逻辑电路图。Rt 是热敏电阻，低温时电阻值很大，高温时电阻值很小，R 是阻值较小的分压电阻。‎ ‎(1) 要做到低温时电铃不响，火警时产生高温，电铃响起。在图中虚线处应接入怎样的元件?‎ ‎(2) 为什么温度高时电铃会被接通？‎ ‎(3) 为了提高该电路的灵敏度，即要把报警温度调得较低，R 的值应大一些还是小一些?‎ ‎【解析】‎ ‎ (1) 温度较低时Rt 的阻值很大，R 比Rt 小得多，因此P、X 之间电压较大。要求此时电铃不发声，也就是要求输出给电铃的电压较小。这里输出端的需求与输入端的状态相反，可见虚线处元件应是“非”门。‎ ‎(2) 当高温时Rt 阻值减小，X、P 之间电压降低。这时由于输入了低电压，所以从“非”门输出的是高电压，电铃响起。‎ ‎(3) 为了提高电路的灵敏度，应该使电路在温度还没有升得很高时就能输出高电压，也 就是说，应该在温度还没有升得很高时 X 点的电压就已经降得足够低。根据分压电路的性 质，对于同一个热敏电阻Rt，增大可变电阻R 的电阻值就能达到目的。‎ ‎【变式训练1】 如图所示是一个简单的磁控防盗报警装置。门的上沿嵌入一小块永磁体M，门框内与M相对的位置嵌入干簧管H，并且将干簧管接入图示的电路。睡觉前连接好电路，当盗贼开门时，蜂鸣器就会叫起来。请说明它的工作原理。‎ 解析：门关闭时，干簧管内两个簧片被磁化而吸合，使触发器(非门)的输入端为低电平，则其输出端为高电平，与电源的电压很接近。于是蜂呜器两端的电压很小，不会发声。若盗贼将门打开，永磁体就远离干簧管，因而两个簧片分离，使斯密特触发器(非门)的输入端跳变为高电平，则其输出端变为低电平。于是蜂呜器两端达到了工作电压，就发出叫声报警。‎ ‎【变式训练2】可以用型号为74LS14的非门集成电路，发光二极管和限流电阻来组成一个逻辑电平检测器，电路如图所示。使用时，将检测器的输入端Ａ接到被测点。‎ 请分析：当被测点为高电平时，LED是否发光？低电平时呢？说出道理。‎ 解析：当斯密特触发器(非门)的输入端A为高电平时，其输出端Y则为低电平，于是发光二极管得到足够的电压达到导通电压而发光。而当非门的输入端A为低电平时，其输出端Y则为高电平，发光二极管两端的电压小于其导通电压，就不发光了。‎ 题型二、传感器的设计型试验 例2 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】‎ ‎ 电路图如下图所示 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。‎ 例3（09年 山东）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。光控开头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 ‎1.0‎ ‎1.2‎ 电阻(k)‎ ‎75‎ ‎40‎ ‎28‎ ‎23‎ ‎20‎ ‎18‎ ‎（1）根据表中数据，请在给定的坐标系（见下图）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。‎ ‎（2）如图所示，当1、2两端所加电压上升至2V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(1x)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）‎ 电源E(电动势3V，内阻不计)；‎ 定值电阻：R1=10k，R2=20k，R3=40k（限选其中之一并在图中标出）‎ 开关S及导线若干。‎ ‎【解析】‎ ‎（1）光敏电阻的阻值随光照变化的曲线如下图所示。特点：光敏电阻的阻值随光照强度的增大非线性减小。‎ ‎（2）电路原理图如图所示。要求当天色渐暗照度降低至1.0(1x)时启动照明系统，从表中数据可知，此时光敏电阻Rp阻值为20k ‎，由于当控制开关自动启动照明系统时，给1、2两端提供的电压为2V，所以此时光敏电阻Rp两端电压为2V，而电源电动势为3V，因此应加上一个分压电阻R，根据串联电阻的正比分压关系可知，由 ＝2得R＝RP＝10 kΩ，即分压电阻阻值为10k，故应选用定值电阻R1．‎ ‎【点评】 本题是一道开放性的创新设计性试题，综合性较强。试题将电学中曲线的描绘、电路设计、传感器原理等知识集于一身，要求学生除了要有一定的阅读习惯和审题能力，获取新知识、新信息的能力，还要有较强的知识迁移能力以及分析综合能力，寻找各物理量间的对应的因果关系显得尤其重要。描绘图象还应注意：各点均匀分布在图线两侧，且图线应用平滑曲线，而不能成为各点的连线。‎