（新課標）2018-2019學年高考物理 主題四 傳感器 4.3 實驗：傳感器的應用學案 新人教版選修3-2.doc

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4.3　實驗：傳感器的應用 一、實驗目的 1.了解光控開關和溫度報警器的工作原理 2.練習用傳感器制作自動控制設備 二、實驗原理 1.斯密特觸發(fā)器：當輸入端A的電壓逐漸上升到某一值(1.6 V)時，輸出端Y會突然從高電平跳到低電平(0.25 V)，甲圖中LED發(fā)光，乙圖中蜂鳴器發(fā)聲，當輸入端A電壓下降到某一值(0.8 V)時，輸出端Y會從低電平跳到高電平(3.4 V)，甲圖中LED熄滅，乙圖中蜂鳴器停止發(fā)聲。 2.甲圖中當光線較強，RG變小，給A點提供低電平，光線暗時，RG變大，A點為高電平。 3.乙圖中溫度正常，RT較大，A點為低電平，溫度升高到一定值，RT減小到一定值，A點為高電平。 4.可以調(diào)節(jié)R1，使不同光線或溫度條件下A點獲得高電平或低電平。 三、實驗器材 1.光控開關實驗：斯密特觸發(fā)器、發(fā)光二極管、二極管、繼電器、燈泡(6 V，0.3 A)、可變電阻R1(最大阻值51 kΩ)、電阻R2(330 Ω)、光敏電阻、集成電路實驗板、直流電源(5 V)、導線若干、黑紙。 2.溫度報警器實驗：斯密特觸發(fā)器、蜂鳴器、熱敏電阻、可變電阻R1(最大阻值1 kΩ)、集成電路實驗板、直流電源(5 V)、導線若干、燒杯(盛有熱水)。 四、實驗過程 1.光控開關(如圖1) 圖1 (1)按照電路圖將各元件組裝到集成電路實驗板上。 (2)檢查各元件的連接，確保無誤。 (3)接通電源，調(diào)節(jié)電阻R1，使發(fā)光二極管或燈泡在普通光照條件下不亮。 (4)用黑紙漸漸遮住光敏電阻，觀察發(fā)光二極管或燈泡的狀態(tài)。 (5)漸漸撤掉黑紙，觀察發(fā)光二極管或燈泡的狀態(tài)。 (6)改變滑動變阻器的滑片位置，重復以上步驟。要想在天更黑一些路燈才會點亮，需要將滑動變阻器的阻值調(diào)大一些還是調(diào)小一些？通過做實驗驗證你的結論。 2.溫度報警器(如圖2) 圖2 (1)按照電路圖將各元件組裝到集成電路實驗板上。 (2)檢查各元件的連接，確保無誤。 (3)接通電源，調(diào)節(jié)電阻R1，使蜂鳴器常溫下不發(fā)聲。 (4)將熱敏電阻放入熱水中，注意蜂鳴器是否發(fā)聲。 (5)將熱敏電阻從熱水中取出，注意峰鳴器是否發(fā)聲。 (6)改變滑動變阻器的滑片位置，分析變阻器的阻值大小和報警的關系。 五、結果與分析 1.→→→→→ 2.→→→→→ 六、注意事項 1.安裝前，對器材進行測試，確保各元件性能良好后，再進行安裝。 2.光控開關實驗中，二極管連入電路的極性不能反接，否則電磁繼電器不能正常工作。 [精典示例] [例1] 如圖3所示的光控電路，用發(fā)光二極管LED模仿路燈，RG為光敏電阻，R1的最大電阻為51 kΩ，R2為330 Ω。白天，光的強度較大，光敏電阻RG的電阻值較____，加在斯密特觸發(fā)器A端的電壓較________，則輸出端Y輸出高電平，發(fā)光二極管LED________(填“導通”或“不導通”)；當天色暗到一定程度時，RG的阻值增大到一定值，斯密特觸發(fā)器輸入端A的電壓上升到某個值(1.6 V)，輸出端Y突然從高電平跳到低電平，則發(fā)光二極管LED______(填“導通”或“不導通”)，這樣就達到了使路燈白天熄滅，天暗自動開啟的目的。 圖3 解析　白天，光照強度較大，光敏電阻RG的電阻值較小，加在斯密特觸發(fā)器A端的電壓較低，則輸出端Y輸出高電平，發(fā)光二極管LED不導通；當天色暗到一定程度時，RG阻值增大到一定值，斯密特觸發(fā)器的輸入端A的電壓上升到某個值(1.6 V)時，輸出端Y會突然從高電平跳到低電平，則發(fā)光二極管LED導通發(fā)光(相當于路燈亮了)，這樣就達到了使路燈白天熄滅，天暗自動開啟的目的。 答案　小　低　不導通　導通 [例2] 如圖4所示，是一個火警報警裝置的邏輯電路圖。RT是一個熱敏電阻，低溫時電阻值很大，高溫時電阻值很小，R是一個阻值較小的分壓電阻。 圖4 (1)要做到低溫時電鈴不響，火警時產(chǎn)生高溫，電鈴響起，在圖中虛線處應接入怎樣的元件？ (2)為什么溫度高時電鈴會被接通？ (3)為了提高該電路的靈敏度，即報警溫度調(diào)得稍低些，R的值應大一些還是小一些？ 解析　(1)溫度較低時RT的阻值很大，R比RT小得多，因此P、X之間電壓較大。要求此時電鈴不響，表明輸出給電鈴的電壓應該較小，輸入與輸出相反，可見虛線處元件應是“非”門。 (2)高溫時RT的阻值減小，P、X之間電壓降低，輸入低電壓時，從“非”門輸出的是高電壓，電鈴響起。 (3)由前面分析可知，若R較大，由于它的分壓作用，RT兩端的電壓降低，則外界溫度不太高時，就能使P、X之間電壓降到低電壓輸入，電鈴就能發(fā)聲，因此R較大時，反應較靈敏。 答案　見解析 [針對訓練] 一路燈控制裝置如圖5所示，E＝6.0 V，RG為光敏電阻，光照射RG時，RG變小。白天時，繼電器J兩端電壓是較大還是較?。恳孤窡舯绕綍r早一些時間亮起來，應如何調(diào)節(jié)R1? 圖5 解析　由題可知，按照邏輯分析法，引起電路狀態(tài)變化的原因是照射光敏電阻RG的光的強弱。白天光照強，RG的阻值較小，R1兩端的電壓U1＝較大，即A點電勢較高，則Y端為低電平，繼電器兩端電壓較小，不工作，路燈不亮。而夜間的情形恰好相反。所以白天時，繼電器J兩端電壓較小。若使路燈早一些亮時，首先要明確繼電器的動作電壓UJ一定，Y端電平一定，A端電平一定，則R1兩端的電壓U1一定，因U1＝＝，則可知要使路燈早些亮時，環(huán)境光線仍較強，RG偏小，要保證U1一定，必須調(diào)節(jié)R1使其變小。 答案　較小　調(diào)節(jié)R1使其變小 1.(溫度報警器電路分析)(多選)如圖6是溫度報警器的電路示意圖，下面對此電路的分析正確的是(　　) 圖6 A.當RT的溫度升高時，其阻值減小，A端電勢降低，Y端電勢升高，蜂鳴器會發(fā)出報警聲 B.當RT的溫度升高時，其阻值減小，A端電勢升高，Y端電勢降低，蜂鳴器會發(fā)出報警聲 C.當增大R1時，A端電勢升高，Y端電勢降低，蜂鳴器會發(fā)出報警聲 D.當增大R1時，A端電勢降低，Y端電勢升高，蜂鳴器會發(fā)出報警聲 答案　BC 2.(自動控制電路的分析與設計)如圖7所示，某小型電磁繼電器，其中L為含鐵芯的線圈。P為可繞O點轉(zhuǎn)動的鐵片，K為彈簧，S為一對觸頭，A、B、C、D為四個接線柱。電磁繼電器與傳感器配合，可完成自動控制的要求，其工作方式是(　　) 圖7 A.A與B接信號電壓，C與D跟被控電路串聯(lián) B.A與B接信號電壓，C與D跟被控電路并聯(lián) C.C與D接信號電壓，A與B跟被控電路串聯(lián) D.C與D接信號電壓，A與B跟被控電路并聯(lián) 解析　A、B接電磁繼電器的線圈，所以A、B應接信號電壓，線圈電流隨信號電壓變化使電磁繼電器相吸或釋放，從而使C、D接通或斷開，進而起到控制作用，故選項A正確。 答案　A 3.(自動控制電路的分析與設計)如圖8所示是自動水位報警的示意圖，其中繼電器的線圈通過電流時，磁鐵吸引銜鐵1，使它與觸頭3斷開，與觸頭2接觸。若要求水位正常時綠燈亮，高出一定水位時紅燈亮，現(xiàn)有紅、綠燈泡各一個，紅燈泡應安在________位置，綠燈泡應安在______位置(填“A”或“B”)。 圖8 解析　水位正常時，線圈中沒有電流，銜鐵1與觸頭3接觸，這時應綠燈亮，所以綠燈泡應安在A位置，當高出一定水位時，線圈中有電流，磁鐵吸引銜鐵1，使它與觸頭3斷開，與觸頭2接觸，這時應紅燈亮，所以紅燈泡應安在B位置。 答案　B　A 4.(光控開關電路分析與設計)光敏電阻在各種自動化裝置中有很多應用，其中就可用于街道路燈的自動控制開關，如圖9所示為模擬電路，其中A為光敏電阻，B為電磁繼電器，C為照明電路，D為路燈，請連成正確的電路，達到日出燈熄、日落燈亮的效果。 圖9 解析　電路連接如圖所示。當天亮時，光線照射光敏電阻A，其阻值迅速減小，控制回路電流增大，電磁繼電器B工作，吸下銜鐵使觸點斷開，路燈熄滅。當夜晚降臨，光線變暗，光敏電阻A的阻值增大，控制回路電流減小，彈簧將銜鐵拉起，觸點接通，路燈點亮。 答案　見解析圖 基礎過關 1.(多選)如圖1所示為一個邏輯電平檢測電路，A與被測點相接，則(　　) 圖1 A.A為低電平，LED發(fā)光 B.A為高電平，LED發(fā)光 C.A為低電平，LED不發(fā)光 D.A為高電平，LED不發(fā)光 解析　A為低電平時，Y為高電平，LED的電壓小，不發(fā)光；A為高電平時，Y為低電平，LED的電壓大，發(fā)光，故選項B、C正確。 答案　BC 2.(多選)如圖2所示的光控電路用發(fā)光二極管LED模仿路燈，RG為光敏電阻。“”是具有特殊功能的非門，當加在它的輸入端A的電壓逐漸上升到某個值時，輸出端Y會突然從高電平跳到低電平，而當輸入端A的電壓下降到另一個值時，輸出端Y會從低電平跳到高電平。要求在天暗時路燈(發(fā)光二極管)會被點亮，下列說法正確的是(　　) 圖2 A.天暗時，Y處于高電平 B.天暗時，Y處于低電平 C.當R1調(diào)大時，A端的電壓降低，燈(發(fā)光二極管)點亮 D.當R1調(diào)大時，A端的電壓降低，燈(發(fā)光二極管)熄滅 解析　天暗時，RG電阻值大，A端為高電平，所以輸出端Y為低電平，發(fā)光二極管導通，選項B正確，A錯誤；將R1調(diào)大時，A端電勢降低，當降到某一值時，輸出端變?yōu)楦唠娖剑瑹?發(fā)光二極管)熄滅，選項D正確，C錯誤。 答案　BD 3.(多選)如圖3所示，全自動洗衣機中的排水閥是由程序控制器控制其動作的，當進行排水和脫水工序時，控制鐵芯1的線圈通電，使鐵芯2運動，從而牽引排水閥的閥門排除污水。以下說法正確的是(　　) 圖3 A.若輸入的控制電流由a流入，由b流出，則鐵芯2中A端為N極，B端為S極 B.若輸入的控制電流由a流入，由b流出，則鐵芯2中A端為S極，B端為N極 C.若a、b處輸入交變電流，鐵芯2不能被吸入線圈中 D.若a、b處輸入交變電流，鐵芯2仍能被吸入線圈中 解析　鐵芯被通電螺線管磁化。所以選項A、D正確。 答案　AD 4.(多選)某同學設計的家庭電路保護裝置如圖4所示，鐵芯左側線圈L1由火線和零線并行繞成。當右側線圈L2中產(chǎn)生電流時，電流經(jīng)放大器放大后，使電磁鐵吸起鐵質(zhì)開關K，從而切斷家庭電路。僅考慮L1在鐵芯中產(chǎn)生的磁場，下列說法正確的有(　　) 圖4 A.家庭電路正常工作時，L2中的磁通量為零 B.家庭電路中使用的電器增多時，L2中的磁通量不變 C.家庭電路發(fā)生短路時，開關K將被電磁鐵吸起 D.地面上的人接觸火線發(fā)生觸電時，開關K將被電磁鐵吸起 解析　由于零線、火線中電流方向相反，產(chǎn)生的磁場方向相反，所以家庭電路正常工作時，L2中的磁通量為零，選項A正確；家庭電路短路和用電器增多時均不會引起L2的磁通量的變化，選項B正確，C錯誤；地面上的人接觸火線發(fā)生觸電時，線圈L1中磁場變化引起L2中磁通量的變化，產(chǎn)生感應電流，吸起K，切斷家庭電路，選項D正確。 答案　ABD 5.如圖5所示是熱水器的恒溫集成電路，R0是熱敏電阻，溫度較低時其阻值很大，溫度較高時阻值很小。如果熱水器中沒有水或水溫較高時，繼電器會放開簧片，發(fā)熱器斷路，反之會吸住簧片接通發(fā)熱器。如果熱水器中沒有水時，電路中BC部分就處于________(選填“斷路”或“短路”)狀態(tài)，則在電路圖的虛線框內(nèi)的門電路應是________門，當溫度較低時，門電路的輸入端A是________(選填“高”或“低”)電勢。 圖5 解析　熱水器中沒有水，BC部分相當于斷路。熱水器中沒有水或水溫較高時，繼電器都能使發(fā)熱器斷路，故可判斷虛線框內(nèi)應是“與”門，當溫度較低時，R0阻值較大，故門電路輸入端A是高電勢。 答案　斷路　與　高 能力提升 6.如圖6甲所示為某賓館的房卡，只有把房卡插入槽中，房間內(nèi)的燈和插座才會有電。房卡的作用相當于一個________(填電路元件名稱)接在干路上。 如圖乙所示，當房客進門時，只要將帶有磁鐵的卡P插入盒子Q中，這時由于磁鐵吸引簧片，開關B就接通，通過繼電器J使整個房間的電器的總開關接通，房客便能使用室內(nèi)各種用電器。當繼電器工作時，cd相吸，ab便接通。請你將各接線端1、2、3、4、5、6、7、8、9、10適當?shù)剡B接起來，構成正常的電門卡電路。 圖6 解析　(1)房卡可以控制房間內(nèi)的燈和插座，不插入槽中，所有房間內(nèi)的燈和插座都不工作，所以房卡相當干路上的電鍵。 (2)將開關B與電源E、線圈連成一個回路；將三個燈泡所在電路與交流電流接成回路，即按8—7，4—5，6—9，1—3，2—10連接起來，構成正常的電門卡電路。如圖。 答案　(1)電鍵　(2)見解析圖