2024-2025版高中物理第六章传感器3实验：传感器的应用学案新人教版选修3-2

PAGE8-试验:传感器的应用试验必备·自主学习一、试验目的1.识别逻辑集成电路块、集成电路试验板,通过练习电子电路的组装,获得对自动限制电路设计的感性相识。2.了解光控开关电路及限制原理,会组装光控开关。3.了解温度报警器及限制原理,会组装温度报警器。二、试验器材1.光控开关试验:斯密特触发器、发光二极管、二极管、继电器、灯泡(6V,0.3A)、可变电阻R1(最大阻值51kΩ)、电阻R2(330Ω)、光敏电阻、集成电路试验板、直流电源(5V)、导线若干、黑纸。2.温度报警器试验:斯密特触发器、蜂鸣器、热敏电阻、可变电阻R1(最大阻值1kΩ)、集成电路试验板、直流电源(5V)、导线若干、烧杯(盛有热水)。三、试验原理与设计1.光控开关:(1)电路如图所示。(2)斯密特触发器的工作原理:斯密特触发器是一特性能特别的非门电路,当加在它的输入端A的电压渐渐上升到某个值(1.6V)时,输出端Y会突然从高电平跳到低电平(0.25V),而当输入端A的电压下降到另一个值的时候(0.8V),Y会从低电平跳到高电平(3.4V)。(3)光控开关的原理如(1)图所示: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;当天暗到肯定程度时,RG阻值增大到肯定值,斯密特触发器的输入端A的电压上升到1.6V,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)电路如图所示。(2)工作原理:常温下,调整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;当温度上升时,热敏电阻RT阻值减小,斯密特触发器输入端A的电压上升,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,可以通过调整R1来调整蜂鸣器的灵敏度。试验过程·合作学习试验步骤1.光控开关试验步骤:(1)依据电路图将各元件组装到集成电路试验板上。(2)检查各元件的连接,确保无误。(3)接通电源,调整电阻R1,使发光二极管或灯泡在一般光照条件下不亮。(4)用黑纸渐渐遮住光敏电阻,视察发光二极管或灯泡的状态。(5)渐渐撤掉黑纸,视察发光二极管或灯泡的状态。2.温度报警器试验步骤:(1)依据电路图将各元件组装到集成电路试验板上。(2)检查各元件的连接,确保无误。(3)接通电源,调整电阻R1,使蜂鸣器常温下不发声。(4)用热水使热敏电阻的温度上升,留意蜂鸣器是否发声。(5)将热敏电阻从热水中取出,留意蜂鸣器是否发声。数据收集与分析视察温度报警器的工作电路图,思索下列问题。要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警,应当把R1的阻值调大些还是调小些?提示:要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警,应当减小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,则热敏电阻阻值要求越小,即温度越高。留意事项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.光控开关试验中,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。要想在天色更暗时路灯才会亮,应当把R1的阻值调大些还是调小些?为什么?提示:要想在天色更暗时路灯才会亮,应当把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(1.6V),就须要RG的阻值达到更大,即天色更暗。试验研析·创新学习类型一教材原型试验角度1光控开关的应用【典例1】(多选)图甲表示斯密特触发器,当加在它的输入端A的电压渐渐上升到某个值(1.6V)时,输出端Y会突然从高电平跳到低电平(0.25V),而当输入端A的电压下降到另一个值(0.8V)的时候,Y会从低电平跳到高电平(3.4V)。图乙为一光控电路,用发光二极管LED仿照路灯,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 ()A.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别功能的非门C.要想在天更暗时路灯才会亮,应当把R1的阻值调大些D.当输出端Y突然从高电平跳到低电平常,发光二极管发光【解析】选B、C、D。斯密特触发器是一种特别的非门,它能把连续改变的模拟信号转换为突变的数字信号,选项A错误,B正确;假如把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(1.6V),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常,发光二极管导通发光,选项D正确。角度2温控开关的应用【典例2】如图所示是一个火警报警装置的逻辑电路图。RT是一个热敏电阻,低温时电阻值很大,高温时电阻值很小,R是一个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,即报警温度调得稍低些,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。要求此时电铃不响,表明输出给电铃的电压应当较小,输入与输出相反,可见虚线处元件应是“非”门。(2)高温时RT的阻值减小,P、X之间电压降低,输入低电压时,从“非”门输出的是高电压,电铃响起。(3)由前面分析可知,若R较大,由于它的分压作用,RT两端的电压降低,则外界温度不太高时,就能使P、X之间电压降到低电压输入,电铃就能发声,因此R较大时,反应较灵敏。答案:见解析设计自动限制电路一般思路(1)依据题目给出的仪器和要求画出限制电路和工作电路。限制电路由电源、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。这两个电路相互独立,又通过电磁继电器相互关联,电磁继电器事实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,用光照耀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,使路灯发光。类型二创新型试验【典例3】某学生为测量一个物体的质量,找到一个力电转换器,该转换器的输出电压正比于受压面的压力(比例系数为k),如图所示,测量时先调整输入端的电压,使转换器空载时的输出电压为零;而后在其受压面上放一物体,即可测得与物体的质量成正比的输出电压U。现有下列器材:力电转换器、质量为m0的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个,开关及导线若干,待测物体(可置于力电转换器的受压面上)。请完成对该物体质量的测量。(1)设计一个电路图,要求力电转换器的输入电压可调,并且使电压的调整范围尽可能大;(2)简要说明测量步骤,求出比例系数k,并测出待测物体的质量m。【解析】(1)设计的电路图如图所示。(2)测量步骤与结果如下:①闭合开关S,调整变阻器的滑片P,使力电转换器的输出电压为零。②将质量为m0的砝码放在力电转换器的受压面上,登记此时的输出电压U0。③取下砝码,将待测物体放在力电转换器的受压面上,登记此时的输出电压U。由以上测量可求出比例系数k及待测物体的质量m,因为U0=km0gk=又由于U=kmg,所以待测物体的质量为m=m0。答案:(1)见解析图(2)m0【创新探究】(1)请设想试验中可能会出现的一个问题。提示:①待测物体的质量超过此力电转换器的量程。②因电源电压不够而导致输出电压调不到零。(2)该试验模型可以作为生活中的哪些电器的基本原理?提示:体重计、台秤。课堂检测·素养达标1.(多选)如图所示为一个逻辑电平检测电路,A与被测点相接,则 ()A.A为低电平,LED发光B.A为高电平,LED发光C.A为低电平,LED不发光D.A为高电平,LED不发光【解析】选B、C。A为低电平常,Y为高电平,LED的电压小,不发光;A为高电平常,Y为低电平,LED的电压大,发光,故选项B、C正确。【加固训练】(多选)如图所示的光控电路用发光二极管LED仿照路灯,RG为光敏电阻。“”是具有特别功能的非门,当加在它的输入端A的电压渐渐上升到某个值时,输出端Y会突然从高电平跳到低电平,而当输入端A的电压下降到另一个值时,输出端Y会从低电平跳到高电平。要求在天暗时路灯(发光二极管)会被点亮,下列说法正确的是 ()A.天暗时,Y处于高电平B.天暗时,Y处于低电平C.当R1调大时,A端的电压降低,灯(发光二极管)点亮D.当R1调大时,A端的电压降低,灯(发光二极管)熄灭【解析】选B、D。天暗时,RG电阻值大,A端为高电平,所以输出端Y为低电平,发光二极管导通,选项B正确,A错误;将R1调大时,A端电势降低,当降到某一值时,输出端变为高电平,灯(发光二极管)熄灭,选项D正确,C错误。2.如图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协作,可完成自动限制的要求,其工作方式是 ()A.A与B接信号电压,C与D跟被控电路串联B.A与B接信号电压,C与D跟被控电路并联C.C与D接信号电压,A与B跟被控电路串联D.C与D接信号电压,A与B跟被控电路并联【解析】选A。由题图可知,A、B是电磁继电器线圈,所以A、B应接信号电压,线圈随信号电压改变使电磁继电器相吸或分别,从而使C、D接通或断开,进而起到限制作用,故A正确。3.电流传感器可以清晰地演示一些电学元件对电路中电流的影响。如图所示,在电路中接入电感线圈,闭合开关时,计算机显示的电流随时间改变的图象是 ()【解析】选B。当闭合开关时,通过电感线圈的电流是渐渐增大但并不是匀称增大的,一段时间后电流恒定,故选项B正确。4.(2024·宜春高二检测)如图是热水器的恒温集成电路,R0是热敏电阻,温度较低时其阻值很大,温度较高时阻值很小,假如热水器中没有水或水温较高时,继电器会放开簧片,