2019-2020学年高中物理 第六章 第3节 实验：传感器的应用课件 新人教版选修3-2

第六章传感器第3节实验：传感器的应用一、实验目的1．识别逻辑集成电路块、集成电路实验板，通过练习电子电路的组装，获得对自动控制电路设计的感性认识．2．了解光控开关电路及控制原理，会组装光控开关．3．了解温度报警器及控制原理，会组装温度报警器．二、实验原理1．斯密特触发器：当输入端电压逐渐上升到某一个值(1.6V)时，输出端会突然从高电平跳到低电平(0.25V)，当输入端电压下降到另一个值(0.8V)时，输出端会从低电平跳到高电平(3.4V)．2．光控开关(1)电路如图甲所示．(2)工作原理白天，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．当天色暗到一定程度时，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1.6V，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)．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0.8V时，输出端Y突然由低电平跳到高电平，二极管LED熄灭．这样就达到了使路灯天明自动熄灭，天暗自动开启的目的．图乙与图甲电路工作原理基本相同，只是图乙中用继电器控制白炽灯泡的通断．3．温度报警器(1)电路如图所示．(2)工作原理：常温下，调节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；当温度升高时，热敏电阻RT阻值减小，斯密特触发器输入端A的电压升高，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，可以通过调节R1来调节蜂鸣器的灵敏度．三、实验器材1．光控开关实验：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(最大阻值为51kΩ)、电阻R2(330Ω)、光敏电阻、集成电路实验板、直流电源(5V)、导线若干、黑纸．2．温度报警器实验：斯密特触发器、蜂鸣器、热敏电阻、可变电阻R1(最大阻值为1kΩ)、集成电路实验板、直流电源(5V)、导线若干、烧杯(盛有热水)．四、实验步骤1．光控开关实验步骤(1)按照电路图将各元件组装到集成电路实验板上．(2)检查各元件的连接，确保无误．(3)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．(4)用黑纸逐渐遮住光敏电阻，观察发光二极管或灯泡的状态．(5)逐渐撤掉黑纸，观察发光二极管或灯泡的状态．2．温度报警器实验步骤(1)按照电路图将各元件组装到集成电路实验板上．(2)检查各元件的连接，确保无误．(3)接通电源，调节电阻R1，使蜂鸣器常温下不发声．(4)用热水使热敏电阻的温度升高，注意蜂鸣器是否发声．(5)将热敏电阻从热水中取出，注意蜂鸣器是否发声．五、注意事项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．光控开关实验中，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．3．光控开关实验中要想天更暗时“路灯”才会亮，应该把R1的阻值调大些．4．温度报警器实验中，要使蜂鸣器在更低的温度时报警，应该把R1的阻值调大些．光控开关的分析如图所示是用斯密特触发器控制某宿舍楼道内照明灯的示意图，试说明其工作原理．[解析]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，当升高到一定值时，输出端Y由高电平突然跳到低电平，有电流通过线圈F，电磁继电器工作，接通工作电路，使照明灯自动开启．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F不再有电流，电磁继电器自动切断工作电路的电源，照明灯熄灭．[答案]见解析斯密特触发器是具有特殊功能的非门，它可以将连续变化的输入信号变成突变的输出信号．光控开关的敏感元件是光敏电阻，光照越强，其电阻阻值越小．温度报警器的分析如图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)为什么高温时电铃会被接通？(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该较小，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之间电压降低到低电压输入，电铃就能发声，因此R较大时，反应较灵敏．[答案]见解析自动控制电路的分析方法分析自动控制电路经常用的方法是逻辑分析法，其分析的思路如下：从自动控制电路的某种逻辑关系入手，由敏感元件→传感元件→控制电路→工作电路→控制目的等，按此顺序依次进行分析．电路的设计和创新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，测量时先调节输入端的电压，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，并且使电压的调节范围尽可能大．(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.(3)请设想实验中可能会出现的一个问题．[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，调节变阻器的滑片，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，记下此时的输出电压U0.③取下砝码，将待测物体放在力电转换器的受压面上，记下此时的输出电压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＝km0g，所以有k＝U0m0g又由于U＝kmg，所以待测物体的质量为m＝UU0m0.(3)实验中可能会出现的问题有：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．[答案]见解析电路设计完成后，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，使路灯发光．