新教材人教版高中物理选择性必修第二册 5.3利用传感器制作简单的自动控制装置 教学讲义

1、精品文档 精心整理精品文档 可编辑的精品文档第五章传感器第3节利用传感器制作简单的自动控制装置【素养目标】1.了解门窗防盗报警装置，会组装门窗防盗报警装置。2.了解光控开关电路及控制原理，会组装光控开关。【必备知识】知识准备(1)普通二极管和发光二极管都具有单向导电性。发光二极管除了具有普通二极管的单向导电性外,导电时还能发光,它小巧玲珑颜色鲜艳,又很省电,许多家用电器上都用发光二极管作指示灯。(2)门电路对于与门电路,只要一个输入端输入为“0”,则输出端一定是“0”,只有当所有输入都为“1”时,输出才是“1”。对于或门电路,只要有一个输入端输入为“1”,则输出一定是“1”,只有当所有输入都为

2、“0”时,输出才是“0”。非门电路中,当输入为“0”时,输出总是“1”,当输入为“1”时,输出反而是“0”。非门电路也称反相器。(3)斯密特触发器斯密特触发器性能特别,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。斯密特触发器可以将连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号,而这正是进行光控所需要的。(4)逻辑电路的高低电平在逻辑电路中,常把电势的高低叫作电平的高低,“输出低电平”的意义是输出端处于低电势的状态。斯密特触发器是具有特殊功能的非门,常用符号表示。

3、知识点一、门窗防盗报警装置1电路如图所示。2工作原理：闭合电路开关S，系统处于防盗状态。当门窗紧闭时，磁体M靠近干簧管SA，干簧管两个簧片被磁化相吸而接通继电器线圈K，使继电器工作。继电器的动触点c与常开触点a接通，发光二极管LED发光，显示电路处于正常工作状态。当门窗开启时，磁体离开干簧管，干簧管失磁断开，继电器被断电。继电器的动触点c与常闭触点b接通，蜂鸣器H发声报警。干簧管在电路中起传感器和控制开关的作用，继电器则相当于一个自动的双向开关。3实验器材干簧管、继电器、发光二极管LED、蜂鸣器H、电源、导线若干、开关、电阻。4. 实验步骤(1)连接电路前，要先判断一下干簧管是否可以正常工作。

4、用磁体直接靠近干簧管，观察簧片能否正常动作。 (2)确定各元件可以正常工作后，按照图所示连接电路。 (3)接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，分别观察实验现象。知识点二、光控开关(1)实验目的:了解光控开关的工作原理,练习用传感器制作自动控制设备。(2)实验器材: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。(3)实验电路(如图所示):(4)工作原理:甲图(二极管光控电路):白天,光照强度较大时,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

5、,则输出端Y输出高电平,发光二极管LED不导通;傍晚,当光照强度小到一定程度时,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(相当于路灯亮了),这样就达到了使路灯天亮自动熄灭、天暗自动开启的目的。乙图(路灯光控电路):天较亮时,光敏电阻RG阻值较小,斯密特触发器输入端A电压较低,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,电磁继电器工作,接通工作电路,使路灯自动开启;天亮后,RG阻值

6、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,则线圈中不再有电流,则电磁继电器自动切断工作电路的电源,路灯熄灭。(5)实验步骤:按照实验电路图将各元件组装到集成电路实验板上。检查各元件的连接,确保无误。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。用黑纸逐渐遮住光敏电阻,观察发光二极管或灯泡的状态。逐渐撤掉黑纸,观察发光二极管或灯泡的状态。【点睛】一、电磁继电器的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,就要使用电磁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

7、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0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。在控制电路中并联一只二极管,是为了防止电磁继电器释放衔铁时线圈中的自感电动势损坏集成电路。二极管的存在可以提供自感电流的通路。二、自动控制电路的分析与设计设计自动控制电路时,一般按照以下的思路进行。(1)根据题目给出的仪器和要求画出控制电路和工作电路控制电路由电源、开关、光敏电阻(或热敏电阻等其他敏感元件)、电磁继电器和导线等组成;工作电路由电源、用电器(灯泡、电热丝或其他用电器)、导线等组成。这两个电路相互独

8、立,又通过电磁继电器相关联,电磁继电器实际上是工作电路的开关。(2)分析自控电路的合理性电路设计完成后,要对它的合理性进行分析,用光照射光敏电阻或对热敏电阻加热,检查工作电路的接通和断开是否符合实际要求。例如,自控路灯电路的设计要求是白天切断工作电路,使路灯熄灭,晚上接通工作电路,使路灯点亮发光。【课堂检测】1.霍尔元件是磁传感器，是实际生活中的重要元件之一。如图所示为长度一定的霍尔元件，在该元件中通有方向从E到F的恒定电流I，现在空间加一竖直向下的匀强磁场，磁感应强度大小为B，其中元件中的载流子为带负电的电荷。则下列说法正确的是（ ） A.该元件能把电学量转化为磁学量B.左表面的电势高于右表

9、面C.如果用该元件测赤道处的磁场，应保持平面呈水平状态D.如果在霍尔元件中的电流大小不变，则左右表面的电势差与磁场的磁感应强度成正比【答案】 D 【解析】A霍尔元件能够把磁学量转换为电学量，A不符合题意； B由于元件中的载流子为带负电的电荷，则负电荷的运动方向由F到E，由左手定则可知负B电荷向左表面偏转，则右表面的电势高，B不符合题意；C如果用该元件测赤道处的磁场，由于地磁场与水平面平行，因此如果霍尔元件的平面保持水平，则无电压产生，C不符合题意；D根据 qvB=qUd得 U=Bdv由电流的微观定义式 I=nqSv（n是单位体积内的导电粒子数，q是单个导电粒子所带的电荷量，S是导体的横截面积，

10、v是导电粒子运动的速度）整理得 v=InqS联立解得 U=IBdnqS可知保持电流不变，则左右表面的电势差与磁感应强度成正比，D符合题意。故答案为：D。【分析】霍尔元件时利用洛伦兹力使粒子偏转，使极板带电产生电势差，实现把磁学量转化为电学量；利用左手定则可以判别电子的偏转进而判别电势的高低；利用洛伦兹力和电场力相等可以求出电势差的大小；结合电流的微观表达式可以判别电势差和磁感应强度的关系；利用地磁场的方向可以判别其霍尔元件的平面摆放方向。2.利用霍尔效应制作的霍尔元件，广泛应用于测量和自动控制等领域。自行车速度计就是利用霍尔元件工作的，在自行车的前轮上安装一块磁铁，轮子每转一周，磁铁就靠近霍尔

11、传感器一次产生一个脉冲电压，测出某段时间内脉冲数，就可以得出自行车的速度。若自行车前轮的半径为R，磁铁到轴的距离为r，下列说法正确的是（ ） A.若霍尔元件材料使用的是锌（载流子带正电），通入如图甲所示的虚线方向电流后，C端电势高于D端电势B.当磁铁从如图所示的位置逐渐靠近霍尔传感器的过程中，C.D间的电势差越来越大 C若自行车骑行过程中单位时间测得的脉冲数为N，则此时骑行速度为2nNrD.由于前轮漏气，导致前轮实际半径比录入到速度计中的参数小，则速度计测得的骑行速度偏小【答案】 B 【解析】A若霍尔元件材料使用的是锌，霍尔元件的电流I是由正电荷定向运动形成的，根据左手定则，则正电荷偏向D端，

12、因此C端电势低于D端电势。A不符合题意； B根据公式 Bq=UHdqUH=Bd由电流的微观表达式 I=nqs=Inqs联立可得 UH=BIdnqdh=BInqh可知磁铁从如图乙所示的位置逐渐靠近霍尔传感器的过程中，磁场越来越强，C、D间的电势差也越来越大。B符合题意；C根据单位时间内的脉冲数N，可求得车轮转动周期 T=1N从而求得车轮的角速度 =2N最后由线速度公式，结合车轮半径R，即可求解车轮的速度大小 =2NRC不符合题意；D若前轮漏气，导致前轮半径比录入到速度计中的参数偏小，那么单位时间测得的脉冲数会增多，则速度计测得的骑行速度偏大，D不符合题意。故答案为：B。【分析】利用左手定则可以判

13、别电势的高低；利用洛伦兹力和电场力相等及电流的表达式可以求出电势差的表达式；利用周期公式可以求出角速度的大小，结合半径可以求出车轮的速度大小；利用测量半径偏大所以其速度及测得的骑行速度偏大。【素养作业】1.电子秤使用的是（ ） A.超声波传感器B.温度传感器C.压力传感器D.光传感器【答案】 C 【解析】根据电子秤的工作原理，可知当电子秤受到压力的作用时，会显示相应的大小，故使用的是压力传感器，C符合题意；故答案为：C.【分析】电子秤受到压力的作用时，会显示相应的压力大小，故使用的是压力传感器。2.类人型机器人装有作为眼睛的“传感器”，犹如大脑的“控制器”，以及可以行走的“执行器”，在它碰到障

14、碍物前会自动避让并及时转弯下列有关该机器人“眼睛”的说法中正确的是（ ）A.是力传感器B.是光传感器C.是温度传感器D.是声音传感器【答案】 B 【解析】解：由图可知，该传感器可以作为机器人的眼睛，则说明它采用的应是通过感光原理而确定障碍物的；故应为光传感器；故选：B【分析】根据题意明确该传感器的作用，从而明确该传感器属于哪一种类型3.通常当人走向银行门口时，门就会自动打开，是因为门上安装了下列那种传感器（ ）A.温度传感器B.压力传感器C.红外线传感器D.声音传感器【答案】 C 【解析】解：人走向门口时，门会自动打开，是因为安装了红外线传感器从而能感知红外线，导致门被打开故选：C【分析】一般

15、人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的4.下列关于传感器的说法中正确的是（ ）A.金属热电阻是一种可以将电学量转换为热学量的传感器B.电饭锅是通过压力传感器实现温度的自动控制C.干簧管是一种能够感知电场的传感器D.传感器能将非电学量按一定规律转换成电学量或者是电路的通断【答案】 D 【解析】解：A、金属热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻随温度变化来测量温度的一种温度敏感元件，可以将热学量转换为电学量的传感器故A错误；B、电饭锅是通过温度传感器实现温度的自动控制，故B错误；C、干簧管是一种能够

16、感知磁场的传感器，故C错误；D、传感器作为一种将其它形式的信号与电信号之间的转换装置，能将非电学量按一定规律转换成电学量或者是电路的通断，故D正确；故选：D【分析】本题考查的知识点是传感器，但是不同的传感器有不同的具体应用，要具体问题具体分析15.下列说法不正确的是（ ）A.温度传感器通常是利用物体的某一物理性质随温度的变化而改变制成的B.红外线传感器接收携带着信息的红外线，转换成电信号，从而得知辐射源的相关信息。C.目前常用的传感器有温度传感器、生物传感器、及压力传感器等D.热敏电阻是由绝缘材料制成的电阻器，其电阻值会随温度值的变化而改变。【答案】 D 【解析】热敏电阻是由一些合金组成的，不

17、是绝缘材料，D错误6.传感器已广泛应用于生产和生活中，下列关于传感器的说法正确的是（） A.给货车称重的地磅使用了光传感器B.夜间自动打开的路灯使用了红外线传感器C.话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声信号D.电熨斗能自动控制温度的原因是它装有双金属片。这种双金属片的作用是控制电路的通断【答案】 D 【解析】A给货车称重的地磅是利用了压力传感器，A不符合题意； B灯要求夜晚亮、白天熄，则白天有光，黑夜没有光，则是由光导致电路的电流变化，所以电路中光传感器导致电阻变化，实现动控制，因此是利用半导体的光敏性，即为光电传感器，B不符合题意；C话筒是一种常用的声波传感器，其作用是声信号转

18、换为电信号，C不符合题意；D电熨斗通过温度传感器，由于双金属片上下层膨胀系数不同，在同一温度下的伸缩不一，从而实现温度的自动控制，从而实现控制电路的通断，D符合题意。故答案为：D。【分析】给货车称重的地磅是利用压力传感器；夜间自动打开的路灯使用了光电传感器；话筒的作用是把声信号转换为电信号。7.交流电压表有一定的量度范围，它的绝缘能力也有限，不能直接连到电压过高的电路。用变压器把高电压变成低电压再接到交流电压表上，这个问题就解决了，这样的变压器叫做电压互感器.还有另一种叫做电流互感器，可以用小量程的电流表测量大电流。下列图像中接线正确的是（ ） A.B.C.D.【答案】 D 【解析】AB电压互感器并联在电网上，且需要把一个高电压变成低电压，属于降压变压器，原线圈的匝数要大于副线圈的匝数。AB不符合题意； CD电流互感器串联在电网上，且需要把一个大电流变成小电流，所以原线圈的匝数要小于副线圈的匝数。C不符合题意；D符合题意。故答案为：D。【分析】电压互感器需要并联在其电网上，为了实现降压功能所以其原线圈的匝数要大于副线圈的匝数；电流互感器要串联在电网上，为了实现降流的功能其原线圈的匝数要小于副线圈的匝数。8.下图中关于传感器的应用，说