高二物理第六章：传感器3~4节人教实验版知识精讲

用心 爱心 专心 高二高二物理第六章 传感器物理第六章 传感器 3 4 节节人教实验版人教实验版 本讲教育信息本讲教育信息 一 教学内容 第六章 传感器 3 4 节 二 知识要点 知识与技能 1 知道温度传感器的应用 电饭锅的结构和工作原理 2 知道温度传感器的应用 测温仪的工作原理 3 知道光传感器的应用 鼠标器 火灾报警器的结构和工作原理 4 了解两个开关的控制原理 三 重点 难点解析 1 温度传感器的应用 电饭锅 1 感温铁氧体 组成 氧化锰 氧化锌和氧化铁粉末混合烧结而成 特点 常温下具有铁磁性 能够被磁体吸引 温度达到约 103 失去铁磁性 居里点 又称居里温度 即指 103 2 电饭锅的结构 如图所示 3 电饭锅的工作原理 开始煮饭时 用手压下开关按钮 永磁体与感温磁体相吸 手松开后 按钮不再恢复到图 示状态 则触点接通 电热板通电加热 水沸腾后 由于锅内保持 100 不变 故感温磁 体仍与永磁体相吸 继续加热 直到饭熟后 水分被大米吸收 锅底温度升高 当温度升 至 居里点 103 时 感温磁体失去铁磁性 在弹簧作用下 永磁体被弹开 触点分离 切断电源 从而停止加热 如果用电饭锅烧水 在水沸腾后因为水温保持在 100 故不能自动断电 只有水烧 干后 温度升高到 103 才能自动断电 2 温度传感器的应用 测温仪 1 温度传感器测温仪的优点 可以远距离读取温度的数值 因为温度信号变成电信 号后可以远距离传输 2 常见的测温元件 热敏电阻 金属热电阻 热电偶及红外线敏感元件等 3 光传感器的应用 用心 爱心 专心 1 机械式鼠标器 内部组成 滚球 滚轴与码盘 红外发射管与红外接收管 光传感器 如图所示 工作原理 鼠标器移动时 滚球运动通过轴带动两个码盘转动 红外接收管就收到 断续的红外线脉冲 输出相应的电脉冲信号 计算机分别统计 x y 两个方向的脉冲信号 处理后就使屏幕上的光标产生相应的位移 2 火灾报警器 如图所示为利用烟雾对光的散射工作的一种火灾报警器 其工作原理是 带孔的罩子内装有发光二极管 LED 光电三极管和不透明的挡板 平时 光电三极管 收不到 LED 发出的光 呈现高电阻状态 烟雾进入罩内后对光有散射作用 使部分光线照 射到光电三极管上 其电阻变小 与传感器连接的电路检测出这种变化 就会发出警报 3 常见的光传感器 光敏电阻 光电管 光电二极管 光电三极管等 4 光控开关 1 如图所示光控电路 用发光二极管 LED 模仿路灯 RG为光敏电阻 R1的最大电 阻为 51k R2为 330k 工作原理 白天 光强度较大 光敏电阻 RG电阻值较小 加在斯密特触发器 A 端的电压较低 则输出端 Y 输出高电平 发光二极管 LED 不导通 当天色暗到一定程度时 RG的阻值增 大到一定值 斯密特触发器的输入端 A 的电压上升到某个值 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 相当于路灯亮了 这样就达到了使路灯 天明熄灭 天暗自动开启的目的 2 下图电路分析 用心 爱心 专心 电磁继电器工作原理 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 中电流为零时 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 控制电路原理 天较亮时 光敏电阻 RG阻值较小 斯密特触发器输入端 A 电势较低 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 A 电磁继电器工作 接通工作电路 使路灯自动开启 天明后 RG阻值减小 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 A 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 温度报警器 1 温度报警器电路如图所示 2 工作原理 常温下 调整 R1的阻值使斯密特触发器的输入端 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 电势升高 当达到某一值 高电平 其输出端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 典型例题典型例题 例 1 如下图是电饭煲的电路图 S1是一个控温开关 手动闭合后 当此开关温度达到 居里点 103 时 会自动断开 S2是一个自动控温开关 当温度低于 70 时 会自动 闭合 温度高于 80 时 会自动断开 红灯是加热时的指示灯 黄灯是保温时的指示 灯 分流电阻 R1 R2 500 欧姆 加热电阻丝 R3 50 欧姆 两灯电阻不计 1 分析电饭煲 的工作原理 2 计算加热和保温两种状态下 电饭煲消耗的电功率之比 3 简要回答 用心 爱心 专心 如果不闭合开关 S1 能将饭煮熟吗 解析解析 1 电饭煲盛上食物后 接上电源 S2自动闭合 同时手动闭合 S1 这时黄 灯短路 红灯亮 电饭煲处于加热状态 加热到 80 时 S2自动断开 S1仍闭合 水烧开 后 温度升高到 103 时 开关 S1自动断开 这时饭已煮熟 黄灯亮 电饭煲处于保温状 态 由于散热 待温度降至 70 时 S2自动闭合 电饭煲重新加热 温度达到 80 时 S2又自动断开 再次处于保温状态 2 加热时电饭煲消耗的电功率 2 1 U P R 并 保温时电饭煲消耗的电功率 2 1 1 U P RR 并 两式中R R R RR 并 23 23 50050 50050 500 11 从而有 P P RR R 1 2 1500500 11 500 11 12 1 并 并 3 如果不闭合开关 S1 开始 S2总是闭合的 R1被短路 功率为 P1 当温度上升到 80 时 S2自动断开 功率降为 P2 温度降低到 70 S2自动闭合 温度只能在 70 80 之间变化 不能把水烧开 不能煮熟饭 答案 答案 1 见解析 2 12 1 3 见解析 例 2 如图所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的装置示意图 A 为光 源 B 为光电接收器 A B 均固定在车身上 C 为小车的车轮 D 为与 C 同轴相连的齿 轮 车轮转动时 A 发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号 被 B 接收并 转换成电信号 由电子电路记录和显示 若实验显示单位时间内的脉冲数为 n 累计脉冲 数为 N 则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理数据是 小车速度的表达式 为 v 行程的表达式为 s 解析解析 小车的速度等于车轮的周长与单位时间内车轮转动圈数的乘积 设车轮的半 径为 R 单位时间内车轮转动圈数为 则有2vR 若齿轮的齿数为 P 则齿轮转一圈电子电路显示的脉冲数即为 P 已知单位时间内的 脉冲数为 n 所以单位时间内齿轮转动圈数为n P 由于齿轮与车轮同轴相连 它们在单 位时间内转动圈数相等 即 n P 用心 爱心 专心 由以上两式可得 2 Rn v P 同理 设车轮转动的累计圈数为 则有2sR 且 N P 所以 2 RN s P 可见 要测小车的速度 v 和行程 s 必须测出单位时间内的脉冲数 n 和累计脉冲数 N 车轮半径 R 和齿轮的齿数 P 答案 答案 车轮半径 R 和齿轮的齿数 P 2 Rn P 2 RN P 例 3 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 所示 试设计一个温控电路 要求温度低于某一温度时 电炉丝自动通电供热 超过某一 温度时 又可以自动断电 画出电路图说明工作过程 解析解析 热敏电阻 R1与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路 答案答案 1 电路图如图所示 2 工作过程 闭合 S 当温度低于设计值时 热敏电阻阻值大 通过电磁继电器的 电流不能使它工作 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工作电流 K 断开 电炉丝断电 停止供热 当温度低于设计值 又重复前述过程 模拟试题模拟试题 l 关于电饭锅的说法正确的是 A 电饭锅中的温度传感器其主要元件是氧化铁 B 铁氧体在常温下具有磁性 温度达到 居里温度 后会失去铁磁性 C 用电饭锅烧水 水开时能自动断电 D 用电饭锅煮饭时 若温控开关自动断电后 它不能自动复位 2 如图所示是电饭锅的结构图 如果感温磁体的 居里温度 为 103 时 下列说法中正 确的是 用心 爱心 专心 A 常温下感温磁体具有较强的磁性 B 当温度超过 103 时 感温磁体的磁性较强 C 饭熟后 水分被大米吸收 锅底的温度会超过 103 这时开关按钮会跳起 D 常压下只要锅内有水 锅内的温度就不可能达到 103 开关按钮就不会自动跳起 3 如图所示是一火警报警器的一部分电路示意图 其中 R2为用半导体热敏材料制成的 传感器 电流表为值班室的显示器 a b 之间接报警器 当传感器 R2所在处出现火情时 显示器的电流表示数 I 报警器两端的电压 U 的变化情况是 A I 变大 U 变大 B I 变小 U 变小 C I 变小 U 变大 D I 变大 U 变小 4 如图是温度报警器电路示意图 下列关于对此电路的分析正确的是 A 当 RT的温度升高时 RT减小 A 端电势降低 Y 端电势升高 蜂鸣器会发出报 警声 B 当 RT的温度升高时 RT减小 A 端电势升高 Y 端电势降低 蜂鸣器会发出报 警声 C 当增大 RT时 A 端电势升高 Y 端电势降低 蜂鸣器会发出报警声 D 当增大 RT时 A 端电势降低 Y 端电势升高 蜂鸣器会发出报警声 5 如图所示的光控电路用发光二极管 LED 模拟路灯 RG为光敏电阻 A 是具有特殊功 能的非门 当加在它的输入端 A 的电压逐渐上升到某个值时 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 Y 会从低电平跳到高电平 在天暗时 路灯 发光二极管 会点亮 下列说法中正确的是 用心 爱心 专心 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 6 电饭煲的工作原理如图所示 可分为两部分 即控制部分 由 S2 R1和黄灯组成 工作 加热 部分 由发热电阻 R3 R2和红灯组成 S1是一个磁钢限温开关 手动闭合 当此开关的温度达到居里点 103 时 自动断开 且不能自动复位 闭合 S2是一个 双金属片自动开关 当温度达到 70 80 时 自动断开 低于 70 时 自动闭合 红灯 黄灯是指示灯 通过其电流必须较小 所以 R1 R2起 作用 R3是发热电阻 由于煮饭前温度低于 70 所以 S2是 填 断开的 或 闭合的 接 通电源并按下 S1后 黄灯熄而红灯亮 R3发热 当温度达到 70 80 时 S2断开 当 温度达到 103 时饭熟 S1断开 当温度降到 70 以下时 S2闭合 电饭煲处于保温状态 由以上描述可知 R2 填 R3 若用电饭煲烧水时 直 到水被烧干 S1才会断开