新教材人教版高中物理選擇性必修第二冊(cè) 5.3利用傳感器制作簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制裝置 教學(xué)講義

1、精品文檔 精心整理精品文檔 可編輯的精品文檔第五章傳感器第3節(jié)利用傳感器制作簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制裝置【素養(yǎng)目標(biāo)】1.了解門窗防盜報(bào)警裝置，會(huì)組裝門窗防盜報(bào)警裝置。2.了解光控開(kāi)關(guān)電路及控制原理，會(huì)組裝光控開(kāi)關(guān)。【必備知識(shí)】知識(shí)準(zhǔn)備(1)普通二極管和發(fā)光二極管都具有單向?qū)щ娦?。發(fā)光二極管除了具有普通二極管的單向?qū)щ娦酝?導(dǎo)電時(shí)還能發(fā)光,它小巧玲瓏顏色鮮艷,又很省電,許多家用電器上都用發(fā)光二極管作指示燈。(2)門電路對(duì)于與門電路,只要一個(gè)輸入端輸入為“0”,則輸出端一定是“0”,只有當(dāng)所有輸入都為“1”時(shí),輸出才是“1”。對(duì)于或門電路,只要有一個(gè)輸入端輸入為“1”,則輸出一定是“1”,只有當(dāng)所有輸入都為

2、“0”時(shí),輸出才是“0”。非門電路中,當(dāng)輸入為“0”時(shí),輸出總是“1”,當(dāng)輸入為“1”時(shí),輸出反而是“0”。非門電路也稱反相器。(3)斯密特觸發(fā)器斯密特觸發(fā)器性能特別,當(dāng)加在它的輸入端A的電壓逐漸上升到某個(gè)值(1.6 V)時(shí),輸出端Y會(huì)突然從高電平跳到低電平(0.25 V),而當(dāng)輸入端A的電壓下降到另一個(gè)值的時(shí)候(0.8 V),Y會(huì)從低電平跳到高電平。斯密特觸發(fā)器可以將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為突變的數(shù)字信號(hào),而這正是進(jìn)行光控所需要的。(4)邏輯電路的高低電平在邏輯電路中,常把電勢(shì)的高低叫作電平的高低,“輸出低電平”的意義是輸出端處于低電勢(shì)的狀態(tài)。斯密特觸發(fā)器是具有特殊功能的非門,常用符號(hào)表示。

3、知識(shí)點(diǎn)一、門窗防盜報(bào)警裝置1電路如圖所示。2工作原理：閉合電路開(kāi)關(guān)S，系統(tǒng)處于防盜狀態(tài)。當(dāng)門窗緊閉時(shí)，磁體M靠近干簧管SA，干簧管兩個(gè)簧片被磁化相吸而接通繼電器線圈K，使繼電器工作。繼電器的動(dòng)觸點(diǎn)c與常開(kāi)觸點(diǎn)a接通，發(fā)光二極管LED發(fā)光，顯示電路處于正常工作狀態(tài)。當(dāng)門窗開(kāi)啟時(shí)，磁體離開(kāi)干簧管，干簧管失磁斷開(kāi)，繼電器被斷電。繼電器的動(dòng)觸點(diǎn)c與常閉觸點(diǎn)b接通，蜂鳴器H發(fā)聲報(bào)警。干簧管在電路中起傳感器和控制開(kāi)關(guān)的作用，繼電器則相當(dāng)于一個(gè)自動(dòng)的雙向開(kāi)關(guān)。3實(shí)驗(yàn)器材干簧管、繼電器、發(fā)光二極管LED、蜂鳴器H、電源、導(dǎo)線若干、開(kāi)關(guān)、電阻。4. 實(shí)驗(yàn)步驟(1)連接電路前，要先判斷一下干簧管是否可以正常工作。

4、用磁體直接靠近干簧管，觀察簧片能否正常動(dòng)作。 (2)確定各元件可以正常工作后，按照?qǐng)D所示連接電路。 (3)接通電源后，將磁體靠近和離開(kāi)干簧管，分別觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。知識(shí)點(diǎn)二、光控開(kāi)關(guān)(1)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解光控開(kāi)關(guān)的工作原理,練習(xí)用傳感器制作自動(dòng)控制設(shè)備。(2)實(shí)驗(yàn)器材:斯密特觸發(fā)器、發(fā)光二極管、二極管、繼電器、燈泡(6 V,0.3 A)、可變電阻R1(最大阻值 51 k)、電阻R2(330 )、光敏電阻、集成電路實(shí)驗(yàn)板、直流電源(5 V)、導(dǎo)線若干、黑紙。(3)實(shí)驗(yàn)電路(如圖所示):(4)工作原理:甲圖(二極管光控電路):白天,光照強(qiáng)度較大時(shí),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

5、,則輸出端Y輸出高電平,發(fā)光二極管LED不導(dǎo)通;傍晚,當(dāng)光照強(qiáng)度小到一定程度時(shí),RG阻值增大到一定值,斯密特觸發(fā)器的輸入端A的電壓上升到1.6 V,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)于路燈亮了),這樣就達(dá)到了使路燈天亮自動(dòng)熄滅、天暗自動(dòng)開(kāi)啟的目的。乙圖(路燈光控電路):天較亮?xí)r,光敏電阻RG阻值較小,斯密特觸發(fā)器輸入端A電壓較低,則輸出端Y輸出高電平,線圈中無(wú)電流,工作電路不通;天較暗時(shí),光敏電阻RG電阻增大,斯密特觸發(fā)器輸入端A電勢(shì)升高,當(dāng)升高到一定值,輸出端Y由高電平突然跳到低電平,有電流通過(guò)線圈,電磁繼電器工作,接通工作電路,使路燈自動(dòng)開(kāi)啟;天亮后,RG阻值

6、減小,斯密特觸發(fā)器輸入端A電勢(shì)逐漸降低,降到一定值,輸出端Y突然由低電平跳到高電平,則線圈中不再有電流,則電磁繼電器自動(dòng)切斷工作電路的電源,路燈熄滅。(5)實(shí)驗(yàn)步驟:按照實(shí)驗(yàn)電路圖將各元件組裝到集成電路實(shí)驗(yàn)板上。檢查各元件的連接,確保無(wú)誤。接通電源,調(diào)節(jié)電阻R1,使發(fā)光二極管或燈泡在普通光照條件下不亮。用黑紙逐漸遮住光敏電阻,觀察發(fā)光二極管或燈泡的狀態(tài)。逐漸撤掉黑紙,觀察發(fā)光二極管或燈泡的狀態(tài)。【點(diǎn)睛】一、電磁繼電器的工作原理由于集成電路允許通過(guò)的電流較小,要用白熾燈泡模仿路燈,就要使用電磁繼電器來(lái)啟閉工作電路,如圖所示。其中圖中虛線框內(nèi)即為電磁繼電器J,D為動(dòng)觸點(diǎn),E為靜觸點(diǎn)。當(dāng)線圈A中通電

7、時(shí),鐵芯中產(chǎn)生磁場(chǎng),吸引銜鐵B向下運(yùn)動(dòng),從而帶動(dòng)動(dòng)觸點(diǎn)D向下與E接觸,將工作電路接通;當(dāng)線圈A中電流為0時(shí),電磁鐵失去磁性,銜鐵B在彈簧作用下拉起,帶動(dòng)觸點(diǎn)D與E分離,自動(dòng)切斷工作電路。在控制電路中并聯(lián)一只二極管,是為了防止電磁繼電器釋放銜鐵時(shí)線圈中的自感電動(dòng)勢(shì)損壞集成電路。二極管的存在可以提供自感電流的通路。二、自動(dòng)控制電路的分析與設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)自動(dòng)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(huà)出控制電路和工作電路控制電路由電源、開(kāi)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)

8、立,又通過(guò)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(kāi)關(guān)。(2)分析自控電路的合理性電路設(shè)計(jì)完成后,要對(duì)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(kāi)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,使路燈點(diǎn)亮發(fā)光?！菊n堂檢測(cè)】1.霍爾元件是磁傳感器，是實(shí)際生活中的重要元件之一。如圖所示為長(zhǎng)度一定的霍爾元件，在該元件中通有方向從E到F的恒定電流I，現(xiàn)在空間加一豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，其中元件中的載流子為帶負(fù)電的電荷。則下列說(shuō)法正確的是（ ） A.該元件能把電學(xué)量轉(zhuǎn)化為磁學(xué)量B.左表面的電勢(shì)高于右表

9、面C.如果用該元件測(cè)赤道處的磁場(chǎng)，應(yīng)保持平面呈水平狀態(tài)D.如果在霍爾元件中的電流大小不變，則左右表面的電勢(shì)差與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比【答案】 D 【解析】A霍爾元件能夠把磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，A不符合題意； B由于元件中的載流子為帶負(fù)電的電荷，則負(fù)電荷的運(yùn)動(dòng)方向由F到E，由左手定則可知負(fù)B電荷向左表面偏轉(zhuǎn)，則右表面的電勢(shì)高，B不符合題意；C如果用該元件測(cè)赤道處的磁場(chǎng)，由于地磁場(chǎng)與水平面平行，因此如果霍爾元件的平面保持水平，則無(wú)電壓產(chǎn)生，C不符合題意；D根據(jù) qvB=qUd得 U=Bdv由電流的微觀定義式 I=nqSv（n是單位體積內(nèi)的導(dǎo)電粒子數(shù)，q是單個(gè)導(dǎo)電粒子所帶的電荷量，S是導(dǎo)體的橫截面積，

10、v是導(dǎo)電粒子運(yùn)動(dòng)的速度）整理得 v=InqS聯(lián)立解得 U=IBdnqS可知保持電流不變，則左右表面的電勢(shì)差與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，D符合題意。故答案為：D。【分析】霍爾元件時(shí)利用洛倫茲力使粒子偏轉(zhuǎn)，使極板帶電產(chǎn)生電勢(shì)差，實(shí)現(xiàn)把磁學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量；利用左手定則可以判別電子的偏轉(zhuǎn)進(jìn)而判別電勢(shì)的高低；利用洛倫茲力和電場(chǎng)力相等可以求出電勢(shì)差的大??；結(jié)合電流的微觀表達(dá)式可以判別電勢(shì)差和磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系；利用地磁場(chǎng)的方向可以判別其霍爾元件的平面擺放方向。2.利用霍爾效應(yīng)制作的霍爾元件，廣泛應(yīng)用于測(cè)量和自動(dòng)控制等領(lǐng)域。自行車速度計(jì)就是利用霍爾元件工作的，在自行車的前輪上安裝一塊磁鐵，輪子每轉(zhuǎn)一周，磁鐵就靠近霍爾

11、傳感器一次產(chǎn)生一個(gè)脈沖電壓，測(cè)出某段時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)，就可以得出自行車的速度。若自行車前輪的半徑為R，磁鐵到軸的距離為r，下列說(shuō)法正確的是（ ） A.若霍爾元件材料使用的是鋅（載流子帶正電），通入如圖甲所示的虛線方向電流后，C端電勢(shì)高于D端電勢(shì)B.當(dāng)磁鐵從如圖所示的位置逐漸靠近霍爾傳感器的過(guò)程中，C.D間的電勢(shì)差越來(lái)越大 C若自行車騎行過(guò)程中單位時(shí)間測(cè)得的脈沖數(shù)為N，則此時(shí)騎行速度為2nNrD.由于前輪漏氣，導(dǎo)致前輪實(shí)際半徑比錄入到速度計(jì)中的參數(shù)小，則速度計(jì)測(cè)得的騎行速度偏小【答案】 B 【解析】A若霍爾元件材料使用的是鋅，霍爾元件的電流I是由正電荷定向運(yùn)動(dòng)形成的，根據(jù)左手定則，則正電荷偏向D端，

12、因此C端電勢(shì)低于D端電勢(shì)。A不符合題意； B根據(jù)公式 Bq=UHdqUH=Bd由電流的微觀表達(dá)式 I=nqs=Inqs聯(lián)立可得 UH=BIdnqdh=BInqh可知磁鐵從如圖乙所示的位置逐漸靠近霍爾傳感器的過(guò)程中，磁場(chǎng)越來(lái)越強(qiáng)，C、D間的電勢(shì)差也越來(lái)越大。B符合題意；C根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)N，可求得車輪轉(zhuǎn)動(dòng)周期 T=1N從而求得車輪的角速度 =2N最后由線速度公式，結(jié)合車輪半徑R，即可求解車輪的速度大小 =2NRC不符合題意；D若前輪漏氣，導(dǎo)致前輪半徑比錄入到速度計(jì)中的參數(shù)偏小，那么單位時(shí)間測(cè)得的脈沖數(shù)會(huì)增多，則速度計(jì)測(cè)得的騎行速度偏大，D不符合題意。故答案為：B?！痉治觥坷米笫侄▌t可以判

13、別電勢(shì)的高低；利用洛倫茲力和電場(chǎng)力相等及電流的表達(dá)式可以求出電勢(shì)差的表達(dá)式；利用周期公式可以求出角速度的大小，結(jié)合半徑可以求出車輪的速度大??；利用測(cè)量半徑偏大所以其速度及測(cè)得的騎行速度偏大。【素養(yǎng)作業(yè)】1.電子秤使用的是（ ） A.超聲波傳感器B.溫度傳感器C.壓力傳感器D.光傳感器【答案】 C 【解析】根據(jù)電子秤的工作原理，可知當(dāng)電子秤受到壓力的作用時(shí)，會(huì)顯示相應(yīng)的大小，故使用的是壓力傳感器，C符合題意；故答案為：C.【分析】電子秤受到壓力的作用時(shí)，會(huì)顯示相應(yīng)的壓力大小，故使用的是壓力傳感器。2.類人型機(jī)器人裝有作為眼睛的“傳感器”，猶如大腦的“控制器”，以及可以行走的“執(zhí)行器”，在它碰到障

14、礙物前會(huì)自動(dòng)避讓并及時(shí)轉(zhuǎn)彎下列有關(guān)該機(jī)器人“眼睛”的說(shuō)法中正確的是（ ）A.是力傳感器B.是光傳感器C.是溫度傳感器D.是聲音傳感器【答案】 B 【解析】解：由圖可知，該傳感器可以作為機(jī)器人的眼睛，則說(shuō)明它采用的應(yīng)是通過(guò)感光原理而確定障礙物的；故應(yīng)為光傳感器；故選：B【分析】根據(jù)題意明確該傳感器的作用，從而明確該傳感器屬于哪一種類型3.通常當(dāng)人走向銀行門口時(shí)，門就會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，是因?yàn)殚T上安裝了下列那種傳感器（ ）A.溫度傳感器B.壓力傳感器C.紅外線傳感器D.聲音傳感器【答案】 C 【解析】解：人走向門口時(shí)，門會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，是因?yàn)榘惭b了紅外線傳感器從而能感知紅外線，導(dǎo)致門被打開(kāi)故選：C【分析】一般

15、人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)10UM左右的紅外線，被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的10UM左右的紅外線而進(jìn)行工作的4.下列關(guān)于傳感器的說(shuō)法中正確的是（ ）A.金屬熱電阻是一種可以將電學(xué)量轉(zhuǎn)換為熱學(xué)量的傳感器B.電飯鍋是通過(guò)壓力傳感器實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制C.干簧管是一種能夠感知電場(chǎng)的傳感器D.傳感器能將非電學(xué)量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電學(xué)量或者是電路的通斷【答案】 D 【解析】解：A、金屬熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化來(lái)測(cè)量溫度的一種溫度敏感元件，可以將熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的傳感器故A錯(cuò)誤；B、電飯鍋是通過(guò)溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制，故B錯(cuò)誤；C、干簧管是一種能夠

16、感知磁場(chǎng)的傳感器，故C錯(cuò)誤；D、傳感器作為一種將其它形式的信號(hào)與電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換裝置，能將非電學(xué)量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電學(xué)量或者是電路的通斷，故D正確；故選：D【分析】本題考查的知識(shí)點(diǎn)是傳感器，但是不同的傳感器有不同的具體應(yīng)用，要具體問(wèn)題具體分析15.下列說(shuō)法不正確的是（ ）A.溫度傳感器通常是利用物體的某一物理性質(zhì)隨溫度的變化而改變制成的B.紅外線傳感器接收攜帶著信息的紅外線，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而得知輻射源的相關(guān)信息。C.目前常用的傳感器有溫度傳感器、生物傳感器、及壓力傳感器等D.熱敏電阻是由絕緣材料制成的電阻器，其電阻值會(huì)隨溫度值的變化而改變?！敬鸢浮?D 【解析】熱敏電阻是由一些合金組成的，不

17、是絕緣材料，D錯(cuò)誤6.傳感器已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中，下列關(guān)于傳感器的說(shuō)法正確的是（） A.給貨車稱重的地磅使用了光傳感器B.夜間自動(dòng)打開(kāi)的路燈使用了紅外線傳感器C.話筒是一種常用的聲傳感器，其作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)D.電熨斗能自動(dòng)控制溫度的原因是它裝有雙金屬片。這種雙金屬片的作用是控制電路的通斷【答案】 D 【解析】A給貨車稱重的地磅是利用了壓力傳感器，A不符合題意； B燈要求夜晚亮、白天熄，則白天有光，黑夜沒(méi)有光，則是由光導(dǎo)致電路的電流變化，所以電路中光傳感器導(dǎo)致電阻變化，實(shí)現(xiàn)動(dòng)控制，因此是利用半導(dǎo)體的光敏性，即為光電傳感器，B不符合題意；C話筒是一種常用的聲波傳感器，其作用是聲信號(hào)轉(zhuǎn)

18、換為電信號(hào)，C不符合題意；D電熨斗通過(guò)溫度傳感器，由于雙金屬片上下層膨脹系數(shù)不同，在同一溫度下的伸縮不一，從而實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)控制電路的通斷，D符合題意。故答案為：D。【分析】給貨車稱重的地磅是利用壓力傳感器；夜間自動(dòng)打開(kāi)的路燈使用了光電傳感器；話筒的作用是把聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。7.交流電壓表有一定的量度范圍，它的絕緣能力也有限，不能直接連到電壓過(guò)高的電路。用變壓器把高電壓變成低電壓再接到交流電壓表上，這個(gè)問(wèn)題就解決了，這樣的變壓器叫做電壓互感器.還有另一種叫做電流互感器，可以用小量程的電流表測(cè)量大電流。下列圖像中接線正確的是（ ） A.B.C.D.【答案】 D 【解析】AB電壓互感器并聯(lián)在電網(wǎng)上，且需要把一個(gè)高電壓變成低電壓，屬于降壓變壓器，原線圈的匝數(shù)要大于副線圈的匝數(shù)。AB不符合題意； CD電流互感器串聯(lián)在電網(wǎng)上，且需要把一個(gè)大電流變成小電流，所以原線圈的匝數(shù)要小于副線圈的匝數(shù)。C不符合題意；D符合題意。故答案為：D?！痉治觥侩妷夯ジ衅餍枰⒙?lián)在其電網(wǎng)上，為了實(shí)現(xiàn)降壓功能所以其原線圈的匝數(shù)要大于副線圈的匝數(shù)；電流互感器要串聯(lián)在電網(wǎng)上，為了實(shí)現(xiàn)降流的功能其原線圈的匝數(shù)要小于副線圈的匝數(shù)。8.下圖中關(guān)于傳感器的應(yīng)用，說(shuō)