2019-2020学年高中物理 第三章 传感器 3+4 简单的光控和温控电路（选学）课件 教科版选修

3生活中的传感器4简单的光控和温控电路(选学)(略)[课标解读]1.了解日常生活中常见的一些传感器及其应用.2.知道洗衣机、电冰箱、家用报警器中使用了哪些传感器，并了解它们各自的作用.3.会设计简单的有关传感器应用的控制电路、提出分析解决问题的能力．01课前自主梳理02课堂合作探究03课后巩固提升课时作业一、传感器在家用电器中的应用1．洗衣机中的传感器全自动洗衣机已经实现利用和电脑技术对洗涤全过程进行检测和控制．近年流行的模糊洗衣机中的传感器大致有：传感器、负载量传感器、水温传感器、布质传感器、洗涤粉传感器、脏污程度传感器、(压电)传感器．2．电冰箱中的传感器电冰箱主要由系统和控制系统两大部分组成．控制系统主要包括：控制、除霜温度控制、保护等．传感器水位脱水制冷温度自动过热及过电流3．家用报警器(1)居家生活中，煤气泄漏，会危及人身安全，需要加以防范．我们可以利用气敏元件制作有害气体报警器和可燃气体报警器．(2)有一种敲击防盗报警器，它利用式传感器对门窗玻璃损毁产生反应，形成对报警装置的启动．还有一种冲击防盗报警器，由传感器和执行电路两部分组成．压电冲击[判断](1)洗衣机中利用压电传感器控制脱水动作．()(2)电冰箱的除霜功能是利用温度传感器．()(3)家用报警器都是气敏元件制作．()提示：(1)√(2)√(3)×二、传感器与人的感官1．传感器和由它制成的录像头和监控探头，可以类比人的眼睛．2．对有毒有害气体进行监控的和生物传感器，相当于人的鼻和舌等嗅觉、味觉器官．3．和振动传感器，以及传感器可以认为相当于人类的触觉器官，如手、足、皮肤等．4．传感器不妨认为是机器的耳朵．光化学力学温度声[判断](1)传感器可以被认为是机器的感觉器官．()(2)有些传感器能承担人的感官所做不到的任务．()(3)机器人完全可以取代人的所有任务．()提示：(1)√(2)√(3)×要点一传感器在实际中的应用1．传感器技术不仅广泛地应用在各种高科技和工农业生产领域中，而且广泛应用于现代化家庭生活的方方面面，给人们带来越来越多的便利．一种家电一般有几种甚至十几种传感器，如全自动洗衣机就有七八种传感器，走廊里的灯至少有两种传感器：声传感器和光传感器．2．传感器可以被认为是机器的感觉器官．好多传感器都能与人的感觉器官对号入座，但有些传感器的测量内容，是人的整体感觉所作出的判断，甚至有些传感器能够承担人的感官所做不到的任务，也有些传感器比人的感觉灵敏度高、测量结果更客观，或者能够代替人去承担危及人的健康的任务．但人也有人的优势．由于人的感官与大脑紧密联系在一起，所以感知与分析判断是融为一体的，得到的是综合的信息，认识会更全面．而且人还可以联想到环境状况及历史情况，再作出去伪存真的判断分析．综合与联想是人的优势．另外，人脑的学习及记忆对感官能力也有影响．机器人要真正达到人类的智能水平并不是容易的事．[例1]有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图中的虚线所示．它主要由三部分构成：踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值可随压力大小而变化的电阻器)、显示体重的仪表G(其实质是电流表)．其中AO∶BO＝5∶1.已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示：压力F/N050100150200250300…电阻R/Ω300270240210180150120…设踏板的杠杆组件的质量不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.68V，则：(1)利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式；(2)该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘多少毫安处？(3)如果某人站在踏板上，电流表刻度盘示数为20mA，这个人的体重是多少？[解析](1)由表中数据可归纳得出R＝(300－0.6F)Ω.(2)依题意可知，电子秤空载时压力传感器的电阻R1＝300Ω，电路中的电流为I＝UR1＝4.68300A＝15.6mA，所以该秤零刻度线应标在电流表刻度盘的15.6mA处．(3)当电流表刻度盘的读数为I2＝20mA时，压力传感器的电阻R2＝UI2＝4.680.02Ω＝234Ω由R＝300－0.6F，算得F2＝110N再由F2·AO＝G·BO得G＝550N.[答案](1)R＝(300－0.6F)Ω(2)15.6mA处(3)550N力传感器是一种测量力的大小的工具．力传感器感受到力的信息(如大小、方向是否变化等)后将其转化为电压、电流、电阻等电学量，此类题常与牛顿第二定律、运动学的内容综合．当只知道加速度的大小和方向，不知道物体的运动方向时，物体的运动情况有两种可能即沿某一方向的匀加速或相反方向的匀减速，不要漏掉其中一种．所以这类问题要用到力学知识(牛顿定律、运动学公式等)和电学知识(欧姆定律、电阻定律等)综合解决．1．如图所示，实线是某同学利用力传感器悬挂一钩码在竖直方向运动时，数据采集器记录下的力传感器中拉力的大小变化情况．从图中可知道该钩码的重力约为________N，A、B、C、D四段图线中钩码处于超重状态的为________，处于失重状态的为________．解析：当拉力的大小不变时，力传感器悬挂的钩码在竖直方向是匀速运动，此时力传感器的读数就是钩码的重力，约10N．当力传感器读数大于重力时，钩码处于超重状态，即A、D状态．当力传感器读数小于重力时，钩码处于失重状态，即B、C状态．答案：10A、DB、C2.压敏电阻是力电传感器中很重要的元件之一，其性能是随压力的增大压敏电阻的阻值减小．某研究小组为了分析压敏电阻对电路的影响，设计了如图所示的电路，在一绝缘盒内，将一压敏电阻与一定值电阻并联接在一内阻不可忽略的电源两端，在压敏电阻上放置一重物，当装置静止不动时，理想电流表的示数为I0.则()A．如果整个装置竖直向上做匀速直线运动，则电流表的示数大于I0B．如果整个装置竖直向上做匀加速直线运动，则电流表的示数大于I0C．如果整个装置竖直向上做匀减速直线运动，则电流表的示数大于I0D．无论装置做何种运动，电流表的示数恒为I0解析：当系统静止时，压敏电阻所受的压力等于重物的重力，如果整个装置做匀速直线运动，则压敏电阻所受的压力大小不变，压敏电阻的阻值不变，则电流表的示数恒为I0，A错误；当系统竖直向上做匀加速运动时，加速度向上，压敏电阻所受的压力大于重物的重力，压敏电阻的阻值减小，总电阻减小，总电流增大，内电压增大，则路端电压减小，电流表的示数小于I0，反之大于I0，B、D错误，C正确．答案：C要点二传感器与自动控制传感器在自动控制系统中有着广泛的应用，小到儿童玩具，大到宇宙飞船，传感器的身影随处可见，如果让我们来设计一个自动控制装置，应如何设计呢？(1)要明确设计意图，弄清控制条件和相应的自动控制原理．(2)要明确应选用哪种传感器，该传感器怎样感知控制条件及怎样转化为电学量输出．(3)选用什么样的执行机构，该执行机构怎样执行自动控制．(4)采用什么样的电路来实现自动控制，总之要明确传感器应用的一般流程：传感器――→感受信息转换、放大、传输―→执行机构[例2]如图所示是电饭煲的电路图，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＝500Ω，加热电阻丝R3＝50Ω，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．[思路点拨]关键要判断出加热与保温两种状态下开关的通、断及电路的连接方式．[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；水烧干后，温度升高到居里点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P1＝U2R并，保温时电饭煲消耗的电功率P2＝U2R1＋R并，两式中R并＝R2R3R2＋R3＝500×50500＋50Ω＝50011Ω从而有P1P2＝R1＋R并R并＝500＋5001150011＝121.[答案](1)见解析(2)12∶11．如图所示，图甲为在温度为10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻R1＝20kΩ、R2＝10kΩ、R3＝40kΩ，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Uab≤0时，电压鉴别器会令开关S接触，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度升高；当a、b端电压Uab0时，电压鉴别器会令开关S断开，停止加热，则恒温箱内的温度可保持在()A．10℃B．20℃C．30℃D．35℃解析：由题可知Uab＝0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．由电路图可知，在R1、R2、R3给定的条件下，热敏电阻RT的阻值决定了Uab的正负．设电源负极的电势为零，则φa＝R2R1＋R2U，φb＝RTR3＋RTU，其中U为电源的路端电压，令φa＝φb，即Uab＝0，则可得R2R1＝RTR3，代入数据得RT＝20kΩ，查图乙得对应的温度为30℃，故本题选项C正确．答案：C2．如图所示是一种烟雾报警器的控制电路图，其原理简化如下，调节可变电阻R1使U23＝0.当有烟雾时，M471开始触发工作，其中Rg是光敏电阻．由此可知，要使M471开始工作，则应满足()A．φ2φ3B．φ2φ3C．φ2＝φ3D．无法判断解析：规定电源负极的电势为零，则φ3＝ER4R3＋R4保持不变，而φ2＝ERgR1＋R2＋Rg＝ER1＋R2Rg＋1，当有烟雾时，光敏电阻Rg增大，φ2增大，所以当φ2φ3时，控制电路开始工作，选项A正确．答案：A分析传感器问题要注意的四点(1)感受量分析要明确传感器所感受的物理量，如力、热、光、磁、声等．(2)输出信号分析明确传感器的敏感元件，分析它的输入信号及输出信号，以及输入信号与输出信号间的变化规律．(3)电路结构分析认真分析传感器所在的电路结构，在熟悉常用电子元件工作特点的基础上，分析电路输出信号与输入信号间的规律．(4)执行机构工作分析传感器的应用，不仅包含非电学量如何向电学量转化的过程，还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程．[随堂训练]1．(多选)模糊洗衣机是“模糊家电”的一种．下列关于模糊家电的认识正确的是()A．模糊是一种类似于浆糊的高科技产品B．模糊是一个数学概念，因模糊集合理论而得名C．模糊家电就是不清晰、不标准的准家电D．模糊家电是揉入人们对家电使用的经验知识，并据此建立操作模式，可模仿人的思维作出操作判断的家用电器解析：模糊家电是揉入人们对家电使用的经验知识，并据此建立操作模式，可模仿人的思维作出操作判断的家用电器．其中操作模式的建立，利用了数学家提出的模糊集合理论，故而得名．因此，B、D正确．答案：BD2．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．是声音传感器解析：遇到障碍物会绕开，说明它是光传感器，B正确，A、C、D错误．答案：B3.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配合可完成自动控制的要求．其工作方式是()A．A与B接信号电压，C与D可跟被控电路串联B．A与B接信号电压，C与D可跟被控电路并联C．C与D接信号电压，A与B可跟被控电路串联D．C与D接信号电压，A与B可跟被控电路并联解析：由图可知A、B与电磁继电器线圈相连，所以A、B应接信号电压，控制电磁继电器工作，从而使C、D接通或断开，进而起到控制作用，所以选项A正确．答案：A4．如图所示是一种测