高中物理 第六章 第三节 传感器的应用(二)学案(新人教版)选修3-2

1、6.3 传感器的应用（二）【学习目标】1了解温度传感器在电饭锅、测温仪上的应用，加深对温度传感器的应用认识。2了解光传感器在鼠标器、火灾报警器上的应用，知道其工作原理。3了解热敏元件、光敏元件的工作特性【重点难点】1.重点：理解并掌握电饭锅的结构和原理，了解测温仪、鼠标器、火灾报警器原理。 2.难点：各种传感器的应用原理和结构。【课前预习】一、温度传感器的应用电饭锅1磁性限温元件感温铁氧体（1）材料结构：是用氧化锰、氧化锌和氧化铁粉末混合烧结而成的，是一种特殊的软磁性材料，在电饭锅中与一块永久磁铁组合构成磁钢限温器，实现限温控制。（2）特点：常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，但是温度上升到约1

2、03 时，就失去铁磁性，不能被磁体吸引。这个温度在物理学中称为该材料的“居里温度”或“居里点”。感温铁氧体具有限温准确，动作迅速等优点。2电饭锅工作原理电饭锅具有自动断电和保温功能，是因为它内部装有磁钢限温器和双金属片恒温器两个自动装置。 如图所示。 （1）限温原理（自动断电） 煮饭时，用手按下开关按钮，通过传动杠杆推动永磁体向上与感温磁体（铁氧体）相互吸合，其吸力大于限温器中弹簧的弹力和永磁体的自身重力，所以永磁体不会落下，杠杆支架释放弹性金属片，使触点闭合，电路接通，电热板开始发热工作。在饭煮熟前，锅内有水，所以电饭锅的内胆温度不会超过100，感温磁体仍然具有磁性。继续加热，直到饭熟后，水

3、份被大米吸收，锅底温度升高，当温度升至“居里点1030C”时感温磁体失去磁性，永磁体在自身重力及弹簧的弹力作用下被弹开，通过传动杆使触点分离，切断电源，从而停止加热。这样就起到限温作用。 （2）保温原理：当电饭锅的温度升高时，双金属片受热，使它向膨胀系数小的一面弯曲。弯曲时，它把两个触点分离，于是电饭锅断电，温度下降。而当温度下降到一定程度时，双金属片逐渐冷却回复原状，两个触点重新闭合通电，如此反复，使电饭锅达到保温效果，温度能够自动维持在705的范围。二、温度传感器的应用测温仪1.测温仪：应用温度传感器把温度转换成电信号，再由指针式仪表或数字式仪表显示出来，从而构成指针式温度计或数字式温度计

4、。测温元件可以是热敏电阻、金属热电阻、热电偶等，还可以是红外线敏感元件等。2.特点：由于电信号可以由测温地点传输到其他地点，所以应用温度传感器可以远距离读取温度的数值，这是把非电学量转变为电学量的一大优点。3. 非接触式红外测温仪利用红外线敏感元件可以实现无接触测温由于物体的温度不同，发射红外线的情况也不同，非接触式红外测温仪通过接收人体的红外辐射实现体温测试，可在距离人体50 cm300 cm处快速、有效地筛查出公共场所中的高温人员，再由医护人员对其进行确诊一般的非接触式红外测温仪测温速度小于0.5 s，分辨力达到0.l与传统的接触式医用温度计相比有两大优点：非接触式红外测温仪在测温时不必与

5、被测物体表面接触，不像口含式温度计或红外测温仪那样近距离读取测量值；可立即显示温度值，而口含式温度计要30 s后才能显示最终温度值三、光传感器的应用鼠标器1.结构：机械式鼠标器的内部结构如图甲所示。其主要部件为一个滚球、两套滚轴、有许多等间距小齿的码盘、发光二极管、两个红外线接收管。两个红外接收管就是两个光传感器。如下图。2.原理：当鼠标插入计算机插孔后，两个红外线发光二极管就开始发光。鼠标器移动时，滚球运动通过轴带动两个码盘转动，红外线接受管就收到断续的红外线脉冲，输出相应的脉冲信号，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。四、光传感器的应用火灾报警器1

6、.结构：烟雾式火灾报警器的实物见图甲，烟雾作上升运动的，到达天花板底下，烟感报警器通过烟雾发现火灾，所以烟雾式火灾报警器安装在天花板上。如图乙所示，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。2.原理：灾报警器是利用烟雾对光的散射来工作的，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后，就会发出警报。自动冲水机、路灯的控制、鼠标器、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理。【预习检测】1.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

7、B感温铁氧体在常温下具有铁磁性，温度很高时失去铁磁性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. 测温仪使用的是（ ）A光传感器 B红外线传感器C温度传感器 D超声波传感器3. 下列器件是应用光传感器的是（ ）A鼠标器B火灾报警器C测温仪 D自动门4. 下列器件不是应用温度传感器的是（ ）A电熨斗 B话筒 C电饭锅 D测温仪答案：1.BD 2.C 3.ABD 4.B 堂中互动【典题探究】题型三、温度传感器的应用（二）例1 如图所示是某一电饭煲的电路图。S1是一个手动限温开关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点103 C时，开关会自动断开。S2是一个

8、自动保温开关，当温度低于70 C时，会自动闭合；温度高于80 C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R1R2500 ，加热电阻R350 ，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，如果不闭合开关S1，能将饭煮熟吗？【解析】 (1)电饭煲装上食物后，接上电源，双金属片保温开关S2自动闭合，同时手动闭合S1，这时R1与黄灯被短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态，加热到80 C时，S2自动断开，S1仍闭合；水烧开后，温度升高到103 C时，开关S1自动跳起断开，这时饭已经煮熟，黄灯亮，电饭煲处于保温状态

9、。由于散热，待温度降至70 C时，S2又自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到80 C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P1，保温时电饭煲消耗的功率P2，两式中R并 ，从而有(3)如果不闭合开关S1，开始S2总是闭合的，R1与黄灯被短路，功率为P1，当温度上升到80 C时，S2自动断开，功率降为P2，温度降到70 C，S2又自动闭合温度只能在7080 C之间变化，不能把水烧开，故不能将饭煮熟.【拓展】分析电饭煲的工作原理，关键在于理解两个开关的工作原理。一是手动温控开关S1，即感温铁氧体限温元件，超过居里点会自动断开，二是自动温控开关S2，即双金属片保温元件，低于

10、70 C时会自动闭合，高于80 C时会自动断开。掌握了两个开关的特点，也就会分析电饭煲的工作原理了。例2 图甲为某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻R120 k，R210 k，R340 k，Rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示。当a、b端电压Uab0时，电压鉴别器使开关S断开，停止加热，则恒温箱内的温度恒定在多少C？【解析】由题意可知，当Uab0是一个电压的临界点，对应着开关S的动作，而开关的动作对应着温度的上升或下降。此时R1与 R3上的电压相等。设电路路端电压为U，有，解得Rt20 k .由题图乙可知，当Rt20 k时，t35 答案：箱内温度恒定在35 【拓展】 本题利用温度传感

11、器热敏电阻为传感器，将温度变化的信号转化为电信号，结合电子线路来控制加热电路。正确的电路分析、计算及看懂热敏电阻的电阻随温度变化的曲线，是解决这类习题的关键。题型四、光传感器的应用例3 如图所示为一实验小车中利用光脉冲测量车速和行程的装置的示意图，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之间的间隙变成脉冲光信号，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，试完成下列问题的解答：（1）要测出小车的速度和行程还必须测量哪些物理量或数据？（2）推导小车速度的表达

12、式。（3）推导小车行程的表达式。【解析】这是一道以实际问题为背景的实验题，显然无法通过迁移课本实验中的方法来解决。但是题目给出了装置图，该图及题文中的相关说明给我们一定提示，光束原来是连续的，是转动的齿轮使光束变为脉冲，因此脉冲情况必定与齿轮（或车轮）的转动有关，也就与速度和行程有关。由题意可知，由于齿轮与车轮同轴相连，两者在单位时间内转动圈数相等，即两者的角速度相等。设车轮的半径为R，单位时间内车轮转动圈数即转动频率为k，则小车的速度为v=R=2Rk又可知，单位时间内的脉冲数n与转过的齿轮数相等。设齿轮上的总齿数为p，则齿轮转一圈电子电路显示的脉冲数也为p，所以单位时间内齿轮转动圈数k=。因

13、此小车速度的表达式v=R=；同理可知，小车运动的时间因此行程的表达式为s=vt= 。所以：（1）要测出小车的速度和行程，除单位时间内的脉冲数n和累计脉冲数N外，还必须测量轮半径R和齿轮的总齿数p；（2）小车速度的表达式v=R=；（3）小车行程的表达式为s=vt= .【拓展】 本题是光电传感器的一个重要应用，它提供了测定车子运动速度和行程的一个实例，请查阅有关资料或请教汽车司机，汽车上的速度表和行程表是否是按照这一原理设计的？【变式训练1】如图实所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻.此光电计数器的基本工作原理是（ ）A.当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压B.当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压C.信号处理系统每获得一次低电压就记数一次D.信号处理系统每获得一次高电压就记数一次答案 AC【变式训练2】 某同学用时间传感器代替秒表做“用单摆测重力加速度”的实验，他的设计思路如图甲所示。长为L的摆线一端固定在铁夹台上，另一端连接一质量为m，半径为r的小球，在摆线上紧邻小球处套有一小段轻细挡光管，当单