高中物理 第六章 传感器 第3节 实验：传感器的应用教学案 新人教版选修3-2

1、第3节 实验：传感器的应用一、实验目的1利用斯密特触发器设计光控开关电路和温度报警器。2提高电子技术方面的设计和制作能力。二、实验原理1光控开关(1)电路如图631所示。图631(2)斯密特触发器的工作原理：斯密特触发器是一个性能特殊的非门电路，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)。(3)光控开关的工作原理：白天，光照强度较大，光敏电阻RG阻值较小，加在斯密特触发器输入端A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

2、暗到一定程度时，RG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1.6 V，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)，这样就达到了使路灯天明自动熄灭，天暗自动开启的目的。2温度报警器(1)电路如图632所示。图632(2)工作原理：常温下，调节R1的阻值使斯密特触发器输入端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的电压升高，当达到某一值(高电平)时，其输出端Y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，可以通过调节R1来调节蜂鸣器的灵敏

3、度。三实验器材1光控开关实验斯密特触发器、发光二极管、二极管、继电器、灯泡(6 V，0.3 A)、可变电阻R1(最大阻值51 k)、电阻R2(330 )、光敏电阻、集成电路实验板、直流电源(5 V)、导线若干、黑纸。2温度报警器实验斯密特触发器、蜂鸣器、热敏电阻、可变电阻R1(最大阻值1 k)、集成电路实验板、直流电源(5 V)、导线若干、烧杯(盛有热水)。四实验步骤1光控开关(1)按照电路图将各元件组装到集成电路实验板上。(2)检查各元件的连接，确保无误。(3)接通电源，调节电阻R1，使发光二极管或灯泡在普通光照条件下不亮。(4)用黑纸逐渐遮住光敏电阻，观察发光二极管或灯泡的状态。(5)逐渐

4、撤掉黑纸，观察发光二极管或灯泡的状态。2温度报警器(1)按照电路图将各元件组装到集成电路实验板上。(2)检查各元件的连接，确保无误。(3)接通电源，调节电阻R1，使蜂鸣器常温下不发声。(4)用热水使热敏电阻的温度升高，注意蜂鸣器是否发声。(5)将热敏电阻从热水中取出，注意蜂鸣器是否发声。五、注意事项1安装前，对器材进行测试，确保各元件性能良好后，再进行安装。2光控开关实验中，二极管连入电路的极性不能反接，否则继电器不能正常工作。3光控开关实验中要想天更暗时“路灯”才会亮，应该把R1的阻值调大些。4温度报警器实验中，要使蜂鸣器在更低的温度时报警，应该把R1的阻值调大些。例1(多选)图633甲表示

5、斯密特触发器，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(0.8 V)的时候，Y会从低电平跳到高电平(3.4 V)。图乙为一光控电路，用发光二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻。下列关于斯密特触发器和光控电路的说法中正确的是()图633A斯密特触发器的作用是将数字信号转换为模拟信号B斯密特触发器是具有特殊功能的非门C要想在天更暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大些D当输出端Y突然从高电平跳到低电平时，发光二极管发光思路点拨解答本题的关键：(1)知道斯密特触发器的工作原理，了解非门电路的特点及其表示

6、符号。(2)明白光敏电阻RG的阻值的大小随光照强度的增强而减小。(3)知道二极管的单向导电性。解析斯密特触发器是一种特殊的非门，它能把连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号，选项A错误，B正确；如果把R1的阻值调大些，则只有RG的阻值达到更大值时，才能使斯密特触发器的A端电压达到某个值(1.6 V)，即达到天更暗时路灯才会亮的目的，选项C正确；当输出端Y突然从高电平跳到低电平时，发光二极管导通发光，选项D正确。答案BCD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634所示，试设计一个温控电路。要求温度低于某一值时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度时，又可以自动

7、断电，画出电路图说明工作过程。图634思路点拨热敏电阻与滑动变阻器及电磁继电器组成控制电路。解析电路图如图所示。工作过程：闭合S，当温度低于设计值时热敏电阻阻值大，通过电磁继电器电流不能吸合衔铁，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某值，K断开，电炉丝断电，停止加热。当温度低于设计值，又重复前述过程。答案见解析例3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。光控开关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)

8、0.20.40.60.81.01.2电阻(k)754028232018(1)根据表中数据，请在图635中给定的坐标系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。图635图636(2)如图636所示，当1、2两端所加电压上升至2 V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 lx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)；直流电源E(电动势3 V，内阻不计)；定值电阻：R110 k，R220 k，R340 k(限选其中之一并在图

9、中标出)；开关S及导线若干。解析(1)如图甲所示，光敏电阻的阻值随光的照度的增大非线性减小。(2)电路原理图如图乙所示，根据串联电阻的正比分压关系，E3 V，当照度降低至1.0 lx时，由图线知，此时光敏电阻RP20 k，URP2 V，串联电阻分压UR1 V，由2得R10 k，故选定值电阻R1。答案见解析1.如图637所示，将一光敏电阻连入多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射光敏电阻时表针的偏角为，现用手掌挡住部分光线，表针的偏角变为，则可判断()图637ABC D不能确定和的关系解析：选B光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，开始时有光照射，光敏电阻的阻值较小，当手掌挡

10、住部分光线时，光敏电阻的阻值增大，因为欧姆表的零刻度在表盘的右侧，所以欧姆表测电阻时，阻值越大，指针偏角越小，所以选项B正确。2.如图638所示为小型电磁继电器的构造示意图，其中L为含铁芯的线圈，P为可绕O点转动的铁片，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线柱。电磁继电器与传感器配合，可完成自动控制的要求，其工作方式是()图638AA与B接信号电压，C与D跟被控电路串联BA与B接信号电压，C与D跟被控电路并联CC与D接信号电压，A与B跟被控电路串联DC与D接信号电压，A与B跟被控电路并联解析：选A由图可知A、B是电磁继电器线圈，所以A、B应接信号电压，线圈随信号电压变化使电磁继电器相

11、吸或排斥，从而使C、D接通或断开，进而起到控制作用，故正确答案为A。3某仪器内部的电路如图639所示，其中M是一个质量较大的金属块，左右两端分别与金属丝制成的弹簧相连，并套在光滑水平细杆上，a、b、c三块金属片间隙很小(b固定在金属块上)。当金属块处于平衡时两根弹簧均处于原长状态，若将该仪器固定在一辆汽车上，下列说法正确的是()图639A当汽车加速前进时，甲灯亮B当汽车加速前进时，乙灯亮C当汽车刹车时，乙灯亮D当汽车刹车时，甲、乙灯均不亮解析：选B汽车匀速前进时a、b、c金属片不接触，所以甲、乙灯都不亮，当加速前进时，b与a接触，乙灯亮；当刹车时，b与c接触，甲灯亮，故选B。4.某电容式话筒的

12、原理示意图如图6310所示，E为电源，R为电阻，薄片P和Q为两金属极板。对着话筒说话时，P振动而Q可视为不动。在P、Q间距增大过程中()图6310AP、Q构成的电容器的电容增大BP上电荷量保持不变CM点的电势比N点的低DM点的电势比N点的高解析：选D由C可知PQ间距离d增大时电容C减小，A项错误。电容减小将放电，电荷量减小，故B项错误。放电时电流从M点经R到N点，说明M点电势高于N点电势，所以C项错误D项正确。5.在制作光控电路实验中，某同学按图6311所示电路将元件安装完毕后，发现将装置置入黑暗环境中接通电源时，灯泡不发光，原因不可能是()图6311A二极管两极接反BR1与RG位置颠倒CR1

13、阻值太小 D灯泡被断路 解析：选C由题可知若二极管接反，光线暗时，二极管上为负向电压，无法导通，灯泡不亮，A项可能；若R1与RG位置颠倒，则光线较暗时，Y端为高电平，二极管不导通，灯泡不发光，B项可能；若R1阻值太小，Y端一直为低电平，灯泡一直发光，C项不可能；灯泡断路时无法发光，D可能。6(2016北京卷)热敏电阻常用于温度控制或过热保护装置中。图6312为某种热敏电阻和金属热电阻的阻值R随温度t变化的示意图。由图可知，这种热敏电阻在温度上升时导电能力_(选填“增强”或“减弱”)；相对金属热电阻而言，热敏电阻对温度变化的响应更_(选填“敏感”或“不敏感”)。图6312解析：由Rt图像可知，热

14、敏电阻在温度上升时电阻减小，则导电能力增强。相对金属热电阻，热敏电阻在相同的温度变化情况下电阻变化大，则热敏电阻对温度变化的响应更敏感。答案：增强敏感7.目前有些居民区内楼道灯的控制，使用的是一种延时开关。该延时开关的简化原理如图6313所示。图中D是红色发光二极管(只要有很小的电流通过就能使其发出红色亮光)，R为限流电阻，K为按钮式开关，虚线框内S表示延时开关电路，当按下K接通电路瞬间，延时开关触发，相当于S闭合，这时释放K后，延时开关S约在1 min后断开，电灯熄灭。根据上述信息和原理图，我们可推断：图6313按钮开关K按下前，发光二极管是_(填“发光的”或“熄灭的”)，按钮开关K按下再释

15、放后，电灯L发光持续时间约_min。这一过程中发光二极管是_。限流电阻R的阻值和灯丝电阻RL相比，应满足R_RL的条件。解析：开关K按下前，S为断开，有电流经过发光二极管，故发光二极管是发光的。当按下开关K后，延时开关S闭合，二极管和R被短路，二极管不发光，由于延时开关S约1 min后断开，故电灯L能持续发光1 min，由于R为限流电阻，且二极管只要有很小的电流通过就能发光，故应满足RRL。答案：发光的1熄灭的8(2016全国乙卷)现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60 时，系统报警。提供的器材有：热敏电阻，报警器(内阻很小，流过的电流超过Ic时就会报警)，电

16、阻箱(最大阻值为999.9 )，直流电源(输出电压为U，内阻不计)，滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 )，滑动变阻器R2(最大阻值为2 000 )，单刀双掷开关一个，导线若干。在室温下对系统进行调节。已知U约为18 V，Ic约为10 mA；流过报警器的电流超过20 mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60 时阻值为650.0 。(1)完成待调节的报警系统原理电路图的连线。图6314(2)电路中应选用滑动变阻器_(填“R1”或“R2”)。(3)按照下列步骤调节此报警系统：电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为_；滑动变阻器的滑片应置于_(填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是_。将开关向_(填“c”或“d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至_。(4)保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用。解析：(1)电路图连接如图。(2)报警器开始报警时，对整个回路有UIc(R滑R热)代入数据可