2019-2020学年高中物理 第6章 传感器 3 实验：传感器的应用课件 新人教版选修3-2

第3节实验：传感器的应用第六章传感器1．知道斯密特触发器的工作原理。2．知道两种模仿的光控开关电路：光控电路用发光二极管LED模仿路灯，光控电路用白炽灯泡模仿路灯；掌握两种类型的实验电路和实验原理。3．掌握温度报警器的实验电路和工作原理。1．斯密特触发器是具有特殊功能的非门，可以将连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号。2．两种模仿的光控开关电路中都用到光敏电阻、滑动变阻器和斯密特触发器。3．温度报警器中用到热敏电阻、滑动变阻器、斯密特触发器和蜂鸣器。01课前自主学习实验一：光控开关1．实验目的：能够在天色暗到一定程度时让路灯自动亮起来，而在天亮时自动熄灭。2．两种模仿的光控开关电路及工作原理(1)斯密特触发器的工作原理：斯密特触发器是一个性能特殊的非门电路，当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值(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)。(2)光控电路用发光二极管LED模仿路灯①实验电路：如图所示。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)，这样就达到了使路灯天亮自动熄灭，天暗自动开启的目的。要想天更暗时“路灯”才会亮，则把R1的阻值调大些。(3)光控电路用白炽灯泡模仿路灯①实验电路：如图所示。②工作原理：1)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另外的供电电路。如图所示，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向下与静触点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在弹簧作用下被拉起，带动动触点D与静触点E分离，自动切断工作电路。为了防止继电器释放衔铁时线圈中的自感电动势损坏集成电路，必须给线圈并联一只二极管，以提供自感电流的通路。2)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阻值增大，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，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中不再有电流，则电磁继电器自动切断工作电路的电源，路灯熄灭。3．实验器材斯密特触发器、发光二极管、二极管、继电器、灯泡(6V0.3A)、可变电阻R1(最大阻值51kΩ)、定值电阻R2(330Ω)、光敏电阻、集成电路实验板、直流电源(5V)、导线若干、黑纸。4．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。实验二：温度报警器1．实验目的当达到某一温度时，就发出警报。2．实验电路：如图所示。3．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。要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应减小R1的阻值。4．实验器材斯密特触发器、蜂鸣器、热敏电阻、可变电阻R1(最大阻值1kΩ)、集成电路实验板、直流电源(5V)、导线若干、烧杯(盛有热水)。5．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。6．实验注意事项安装前，对器材进行测试，确保各元件性能良好后，再进行安装。02课堂合作探究考点斯密特触发器与光控开关例1如图是用斯密特触发器控制某宿舍楼道灯的示意图，试说明其工作原理。[答案]见解析1.斯密特触发器在电路中的作用是什么？2．斯密特触发器的工作原理是什么？提示：斯密特触发器在电路中的作用相当于一个光控开关。提示：斯密特触发器是一个性能特殊的非门电路，当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值(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的电压下降到另一值(0.8V)时，Y会从低电平跳到高电平(3.4V)。[解析]天变暗时，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，使宿舍楼道灯自动开启；天变亮时，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，宿舍楼道灯熄灭。斯密特触发器的作用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转换成突变的输出信号。[变式训练1](多选)如图甲表示斯密特触发器，当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值(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，输出端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模仿路灯，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殊功能的非门C．要想在天更暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大些D．当输出端Y突然从高电平跳到低电平时，发光二极管发光解析斯密特触发器是一种特殊的非门，它能把连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号，选项A错误，B正确；如果把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时，发光二极管导通发光，选项D正确。考点斯密特触发器与温度报警器例2某研究性学习小组为探究热敏电阻的特性而进行了如下实验。他们分若干次向如图甲所示的烧杯中倒入开水，观察不同温度下热敏电阻的阻值，并把各次的温度值和对应的热敏电阻的阻值记录在表格中。测量次数t/℃R/kΩ12010.02258.53356.54455.05554.06653.37752.88852.39952.0(1)用表格中的实验数据在图乙上描绘出热敏电阻的阻值R随温度t变化的图象。可以看出该热敏电阻的阻值随温度的升高而________(选填“增大”或“减小”)。减小(2)他们用该热敏电阻作为温度传感器设计了一个温度控制电路，如图丙所示，请在虚线框中正确画出斯密特触发器。图中二极管的作用是_____________________________________________________________________________。为了防止电磁继电器释放衔铁时线圈中产生的自感电动势损坏集成电路(3)当加在斯密特触发器输入端的电压逐渐上升到某个值(1.6V)时，输出端电压会突然从高电平跳到低电平，而当输入端的电压下降到另一个值(0.8V)时，输出端电压会从低电平跳到高电平，从而实现温度控制。已知可变电阻R1＝12.6kΩ，则温度可控制在________℃到________℃之间(结果保留整数，不考虑斯密特触发器的分流影响)。38821.斯密特触发器的电路符号是什么？2．二极管的特性是什么？提示：斯密特触发器的电路符号为。提示：二极管单向导通，可认为正向电阻很小，反向电阻很大。[解析](3)当温度升高，R下降到一定值，这时斯密特触发器输入端电压刚好下降到触发电平0.8V，输出端输出高电平，电磁继电器中没有电流，电路不工作，这时的温度t1为控温上限。U触＝RR1＋R·E，代入数据可得R＝2.4kΩ，根据R－t图象可得此时温度约为82℃。当温度降低，R增加到一定值，这时斯密特触发器输入端电平刚好上升到触发电压1.6V，输出端输出低电平，电磁继电器中通过电流，电路开始工作，这时的温度t2为控温下限。U触′＝R′R1＋R′·E，代入数据可得R′≈5.9kΩ；根据R－t图象可得此时温度约为38℃。故温度可控制在38℃到82℃之间。热敏电阻的分析温度传感器一般使用的是热敏电阻，负温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而减小，正温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而增大。在解答有关温度传感器的应用问题时应注意区分这一性质。[变式训练2](多选)如图所示是温度报警器的电路原理图，下列关于该电路的分析中正确的是()A．当RT的温度升高时，RT的阻值减小，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的阻值减小，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R1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R1时，A端电势降低，Y端电势升高，蜂鸣器会发出报警声解析温度升高时，热敏电阻的阻值减小；或者增大R1的阻值，都能使输入端A的电势升高，斯密特触发器输出端Y从高电平跳到低电平，从而使蜂鸣器发出报警声。培优部落解题技能⊳传感器与电路设计的综合应用1.随着信息技术和计算机技术的发展，传感器技术迈入了快速发展时期。我国将传感器技术列为重点发展的尖端技术，投入大量的人力物力，研制和开发了各种新型的传感器。传感器技术已经深入到日常生活、生产、科学研究和军事技术等各个领域，因此传感器将是今后高考的热点之一。题型较全，考查内容常与力学及电路问题结合起来，体现了一定的设计、创新能力。2．设计自动控制电路时，首先根据题目给出的仪器和要求画出控制电路和工作电路，控制电路由电源、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；然后分析自动控制电路的合理性，如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]为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统。光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为lx)。某光敏电阻RP在不同照度下的阻值如表：照度(lx)0.20.40.60.81.01.2电阻(kΩ)754028232018(1)根据表中数据，请在图甲给定的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点。(2)如图乙所示，当1、2两端所加电压上升至2V时，控制开关自动启动照明系统。请利用下列器材设计一个简单电路，给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至1.0(lx)时启动照明系统，在虚线框内完成电路原理图。(不考虑控制开关对所设计电路的影响)提供的器材如下：光敏电阻RP(符号，阻值见表)；直流电源E(电动势3V，内阻不计)；定值电阻：R1＝10kΩ，R2＝20kΩ，R3＝40kΩ(限选其中之一并在图中标出)；开关S及导线若干。[答案]见解析[解析](1)描绘图象应注意：各点均匀分布在图线两侧，且图线应用平滑曲线，而不能成为连接各点的折线。如图a所示。由图线知光敏电阻的阻值随照度增大而减小，且变化越来越慢。(2)设计原理如图b所示，根据串联电阻的分压关系，E＝3V，当照度降低至1.0(lx)时，由图线知，此时光敏电阻RP＝20kΩ，U