2021-2022學年高二下學期物理人教版（2019）選擇性必修第二冊5.3利用傳感器制作簡單的自動控制裝置課件

1、5.3 利用傳感器制作簡單的利用傳感器制作簡單的自動控制裝置自動控制裝置常見傳感器的特性及應用1.光傳感器光傳感器光敏電阻：光照強，電阻小。光敏電阻：光照強，電阻小。應用：光控開關。應用：光控開關。2.溫度傳感器溫度傳感器(1)金屬熱電阻：溫度高，電阻大。金屬熱電阻：溫度高，電阻大。應用：電阻溫度計。應用：電阻溫度計。(2)熱敏電阻：溫度高，電阻小。熱敏電阻：溫度高，電阻小。應用：液位報警器。應用：液位報警器。(3)感溫鐵氧體：在感溫鐵氧體：在103時失去磁性。時失去磁性。應用：電飯鍋。應用：電飯鍋。(4)雙金屬片：同溫時向膨脹系數小的一側彎曲。雙金屬片：同溫時向膨脹系數小的一側彎曲。應用：電

2、熨斗。應用：電熨斗。3.壓力傳感器壓力傳感器電阻應變片：拉伸時電阻大，壓縮時電阻小。電阻應變片：拉伸時電阻大，壓縮時電阻小。應用：電子秤。應用：電子秤。4.磁傳感器磁傳感器霍爾元件：通恒流霍爾元件：通恒流I、加加I的磁場的磁場B，在第三個垂向有電壓在第三個垂向有電壓UH。應用：測電流大小、測轉速等。應用：測電流大小、測轉速等。5.其他傳感器其他傳感器(1)電容式位移傳感器；電容式位移傳感器；(2)電感式位移傳感器。電感式位移傳感器。有源蜂鳴器3V-12V6V堿錳干電池小型2檔2腳KCD-2P開關JQX-14FC-1Z 小型繼電器實驗實驗1 門窗防盜報警裝置門窗防盜報警裝置表表1 基本元件及參數

3、基本元件及參數1.裝置示意圖及電路圖裝置示意圖及電路圖門的上沿嵌入一小塊永磁體門的上沿嵌入一小塊永磁體 M，門框內與，門框內與 M 相對的位置嵌入干相對的位置嵌入干簧管簧管 SA，并將干簧管接入報警電路。，并將干簧管接入報警電路。 干簧管可將門與門框的相對干簧管可將門與門框的相對位置這一非電學量轉換為電路的通斷。位置這一非電學量轉換為電路的通斷。門窗防盜報警裝置門窗防盜報警裝置門窗防盜報警裝置電路圖門窗防盜報警裝置電路圖 干簧管作為傳感器，感知磁干簧管作為傳感器，感知磁體磁場是否存在。體磁場是否存在。繼電器繼電器(虛線框內虛線框內)為執(zhí)行裝置。為執(zhí)行裝置。發(fā)光二極管發(fā)光二極管LED為電路正常為

4、電路正常工作提示。工作提示。R為發(fā)光二極管的限流電阻，為發(fā)光二極管的限流電阻，起保護作用。起保護作用。蜂鳴器蜂鳴器H作為報警提醒。作為報警提醒。實驗實驗1 門窗防盜報警裝置門窗防盜報警裝置2.電路工作原理電路工作原理閉合電路開關閉合電路開關S，系統(tǒng)處于防盜狀態(tài)。，系統(tǒng)處于防盜狀態(tài)。當門窗緊閉時，磁體當門窗緊閉時，磁體M靠近干簧管靠近干簧管SA，干簧管兩個簧片被磁化相，干簧管兩個簧片被磁化相吸而接通繼電器線圈吸而接通繼電器線圈K，使繼電器工作。，使繼電器工作。繼電器的動觸點繼電器的動觸點c 與常開觸點與常開觸點a接通，發(fā)光二極管接通，發(fā)光二極管LED發(fā)光，顯示發(fā)光，顯示電路處于正常工作狀態(tài)。電路

5、處于正常工作狀態(tài)。當門窗開啟時，磁體離開干簧管，干簧管失磁斷開，繼電器被斷當門窗開啟時，磁體離開干簧管，干簧管失磁斷開，繼電器被斷電。繼電器的動觸點電。繼電器的動觸點c與常閉觸點與常閉觸點 b接通，蜂鳴器接通，蜂鳴器H發(fā)聲報警。發(fā)聲報警。干簧管在電路中起傳感器和控制開關的作用，繼電器則相當于一干簧管在電路中起傳感器和控制開關的作用，繼電器則相當于一個自動的雙向開關。個自動的雙向開關。abcK實驗實驗1 門窗防盜報警裝置門窗防盜報警裝置3.實驗操作實驗操作(1)連接電路前，用磁體靠近干連接電路前，用磁體靠近干簧管，觀察簧片能否正常動作。簧管，觀察簧片能否正常動作。(2)確定各元件可以正常工作后，

6、確定各元件可以正常工作后，按圖連接電路。按圖連接電路。(3)接通電源后，將磁體靠近和接通電源后，將磁體靠近和離開干簧管，分別觀察實驗現象。離開干簧管，分別觀察實驗現象。實驗實驗1 門窗防盜報警裝置門窗防盜報警裝置晶體三極管是半導體基本元件之一，具有晶體三極管是半導體基本元件之一，具有電流放大作用電流放大作用，在控制，在控制電路中常用作電子開關。電路中常用作電子開關。三極管由三個電極組成：發(fā)射極三極管由三個電極組成：發(fā)射極e、基極、基極b和集電極和集電極c，有，有 NPN型型和和PNP型兩種。型兩種。三極管的一個重要特性是，從基極輸入一個較小的電流，就會在三極管的一個重要特性是，從基極輸入一個較

7、小的電流，就會在集電極獲得較大的電流。此外，三極管還具有完成集電極獲得較大的電流。此外，三極管還具有完成斷路和接通的開斷路和接通的開關作用關作用。實驗實驗2 光控開關光控開關1.晶體三極管的晶體三極管的功能功能：電流放大作用、開關作用：電流放大作用、開關作用發(fā)光二極管發(fā)光二極管LED 模仿路燈，模仿路燈，RG為光敏電阻，為光敏電阻，R2為發(fā)光二極管的為發(fā)光二極管的限流電阻。限流電阻。 可調電阻可調電阻R1與光敏電阻與光敏電阻RG組成串聯分壓電路，把光敏電阻因光照組成串聯分壓電路，把光敏電阻因光照而發(fā)生的電阻變化，轉換為電壓變化，加載到三而發(fā)生的電阻變化，轉換為電壓變化，加載到三 極管極管VT的

8、基極的基極b上。上。當基極電壓達到一定程度后，三極管被導通，從而使得由電源正當基極電壓達到一定程度后，三極管被導通，從而使得由電源正極經電阻極經電阻R2、發(fā)光二極管、三極管集電極和發(fā)射極到達電源負極的、發(fā)光二極管、三極管集電極和發(fā)射極到達電源負極的回路被導通?；芈繁粚?。可調電阻可調電阻R1的作用是調整設定電路對周邊光亮度的的作用是調整設定電路對周邊光亮度的 反應，在電路反應，在電路中能夠控制三極管的基極電流。如果把中能夠控制三極管的基極電流。如果把R1阻值調得更大些，就會在阻值調得更大些，就會在天更暗時才點亮路燈。天更暗時才點亮路燈。2.實驗器材和裝置實驗器材和裝置實驗實驗2 光控開關光控開

9、關3.用繼電器啟閉供電電路用繼電器啟閉供電電路為了能夠驅動更大功率的負載，如采用小燈泡模仿路為了能夠驅動更大功率的負載，如采用小燈泡模仿路 燈，就要使燈，就要使用繼電器來啟、閉另外的供電電路，如圖中用繼電器來啟、閉另外的供電電路，如圖中K為繼電器的線圈，為繼電器的線圈，S 為它的常開觸點。為它的常開觸點。為了防止繼電器釋放銜鐵時線圈中的自感電動勢損壞三極管，必為了防止繼電器釋放銜鐵時線圈中的自感電動勢損壞三極管，必須給線圈并聯一只二極管須給線圈并聯一只二極管D，以提供自感電流釋放的通路。，以提供自感電流釋放的通路。實驗實驗2 光控開關光控開關表表2 基本元件及參數基本元件及參數實驗實驗2 光控

10、開關光控開關4.電路工作原理電路工作原理當環(huán)境光比較強時，光敏電阻當環(huán)境光比較強時，光敏電阻RG的阻值很小，三極管不導通，發(fā)的阻值很小，三極管不導通，發(fā)光二極管或繼電器所在的回路相當于斷路，即發(fā)光二極管不工作；光二極管或繼電器所在的回路相當于斷路，即發(fā)光二極管不工作；繼電器處于常開狀態(tài)，小燈泡繼電器處于常開狀態(tài)，小燈泡L不亮。不亮。當環(huán)境光比較弱時，光敏電阻當環(huán)境光比較弱時，光敏電阻RG的阻值變大，三極管導通，且獲的阻值變大，三極管導通，且獲得足夠的基極電流，產生較大的集電極電流，點亮發(fā)光二極管或驅得足夠的基極電流，產生較大的集電極電流，點亮發(fā)光二極管或驅動繼電器吸合而點亮小燈泡動繼電器吸合而

11、點亮小燈泡L。實驗實驗2 光控開關光控開關(1)按圖連接電路，檢查無誤后，接通電源。按圖連接電路，檢查無誤后，接通電源。(2)讓光敏電阻讓光敏電阻RG受到白天較強的自然光照射，調節(jié)電阻受到白天較強的自然光照射，調節(jié)電阻R1使發(fā)光使發(fā)光二極管二極管LED或小燈泡或小燈泡L剛好不發(fā)光。剛好不發(fā)光。 (3)遮擋遮擋RG，當光照減弱到某種程度時，就會看到發(fā)光二極管，當光照減弱到某種程度時，就會看到發(fā)光二極管LED或小燈泡或小燈泡L發(fā)光。發(fā)光。 (4)讓光照加強，當光照強到某種程度時，則發(fā)光二極管讓光照加強，當光照強到某種程度時，則發(fā)光二極管LED或小或小燈泡燈泡L熄滅。熄滅。 如果實驗現象不明顯，可用

12、手電筒加強光照，或遮蓋光敏電阻，如果實驗現象不明顯，可用手電筒加強光照，或遮蓋光敏電阻，再進行觀察。再進行觀察。5.實驗操作實驗操作 實驗實驗2 光控開關光控開關解：解：加速度加速度a向右時，電壓表指針左偏。向右時，電壓表指針左偏。當物體具有向右的加速度當物體具有向右的加速度a時，滑塊所受時，滑塊所受的彈簧的拉力的合力向右，滑塊向左移動。的彈簧的拉力的合力向右，滑塊向左移動。根據順著電流方向電勢降低，可知根據順著電流方向電勢降低，可知P端端的電勢低于的電勢低于Q點的電勢，則電壓表的指針將點的電勢，則電壓表的指針將向零點左側偏轉。向零點左側偏轉。討論：表盤的刻度是否均勻分布？討論：表盤的刻度是否

13、均勻分布？(P105NO.1)例例1.某同學設計了一個加速度計，如圖所示。較重的滑塊某同學設計了一個加速度計，如圖所示。較重的滑塊2可以在光可以在光滑的框架滑的框架1中平移，滑塊兩側用彈簧中平移，滑塊兩側用彈簧3拉著；拉著；R為滑動變阻器，為滑動變阻器，4是滑動片，它與是滑動片，它與電阻器任一端之間的電阻值都與它到這端的距離成正比。這個裝置就是一個加速電阻器任一端之間的電阻值都與它到這端的距離成正比。這個裝置就是一個加速度傳感器。兩個電池度傳感器。兩個電池E的電壓相同。按圖連接電路后，電壓表指針的零點位于表的電壓相同。按圖連接電路后，電壓表指針的零點位于表盤中央，當盤中央，當P端的電勢高于端的

14、電勢高于Q端時，指針向零點右側偏轉。端時，指針向零點右側偏轉。將框架固定在運動的物體上，當物體具有圖示方向的加速度將框架固定在運動的物體上，當物體具有圖示方向的加速度a時，電壓表的指時，電壓表的指針將向哪個方向偏轉針將向哪個方向偏轉? 簡述你分析的過程。簡述你分析的過程。(P105NO.1)例例1.某同學設計了一個加速度計，如圖所示。較重的滑塊某同學設計了一個加速度計，如圖所示。較重的滑塊2可以在光可以在光滑的框架滑的框架1中平移，滑塊兩側用彈簧中平移，滑塊兩側用彈簧3拉著；拉著；R為滑動變阻器，為滑動變阻器，4是滑動片，它與是滑動片，它與電阻器任一端之間的電阻值都與它到這端的距離成正比。這個

15、裝置就是一個加速電阻器任一端之間的電阻值都與它到這端的距離成正比。這個裝置就是一個加速度傳感器。兩個電池度傳感器。兩個電池E的電壓相同。按圖連接電路后，電壓表指針的零點位于表的電壓相同。按圖連接電路后，電壓表指針的零點位于表盤中央，當盤中央，當P端的電勢高于端的電勢高于Q端時，指針向零點右側偏轉。端時，指針向零點右側偏轉。將框架固定在運動的物體上，當物體具有圖示方向的加速度將框架固定在運動的物體上，當物體具有圖示方向的加速度a時，電壓表的指時，電壓表的指針將向哪個方向偏轉針將向哪個方向偏轉? 簡述你分析的過程。簡述你分析的過程。解：設加速度為解：設加速度為a時，電壓表讀數為時，電壓表讀數為U，

16、則，則2kx = maU與與a成正比，表盤刻度均勻。成正比，表盤刻度均勻。 (P108NO.4)例例2. 某同學在研究性學習活動中自制電子秤，某同學在研究性學習活動中自制電子秤， 原理示意圖如圖所示。原理示意圖如圖所示。用理想電壓表的示數指示物體的質量，托盤與電阻可忽略的金屬用理想電壓表的示數指示物體的質量，托盤與電阻可忽略的金屬 彈簧相連，托彈簧相連，托盤與彈簧的質量均不計，滑動變盤與彈簧的質量均不計，滑動變 阻器阻器R的滑動端與彈簧上端連接。當托盤中沒有的滑動端與彈簧上端連接。當托盤中沒有放物體時，滑片恰好指在變阻器的最上端，放物體時，滑片恰好指在變阻器的最上端， 此時電壓表示數為此時電壓表示數為0。設變阻器總電。設變阻器總電阻為阻為R，總長度為，總長度為l，電源電動勢為，電源電動勢為E，內阻為，內阻為r，限流電阻阻值為，限流電阻阻值為R0，彈簧勁度系，彈簧勁度系數為數為k，不計一切摩擦和其他阻力。試推導出電壓表示數，不計一切摩擦和其他阻力。試推導出電壓表示數U與所稱物與所稱物 體質量體質量m的的關系式。關系式。解：空盤時，解：空盤時，U=0盤中有盤中有m時，彈簧下降時，彈簧下降x，則，則 mg = kx電路接入電阻電路接入電阻 Rx= R回路中回路中 I = 電壓電壓 U = IRx總結1.重要電子元件的特性重要電子元件的特性 (1)二極管：發(fā)光的、不發(fā)光的。符號。單向導