- 2021-06-01 发布 |
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文档介绍
2020高中物理 第六章 第四节 传感器的应用实验学案 新人教版选修3-2
§6.4 传感器的应用实验 【学习目标】 1.知道二极管的单向导电性和发光二极管的发光特性.知道晶体三极管的放大特性 2.了解逻辑电路的基本知识和应用. 3.知道斯密特触发器的工作原理 LED R2 R1 RG A Y +5V 4.理解光控开关、温度报警器两个传感器实验的基本原理。 【重点难点】 1.重点:理解并掌握两个传感器实验的基本原理 2.难点:分析并设计传感器的应用电路。 【课前预习】 一、晶体管元件的特性 1.普通二极管和发光二极管 (1)普通二极管:具有单向导电性。一般用硅和锗半导体材料制成。 (2)发光二极管:除了具有单向导电性外,导电时还能发光。发光二极管一般是用磷化镓和磷砷化镓等半导体材料制成,能够直接将电能转化为光能。它小巧玲珑、颜色鲜艳,又很省电。 许多家用电器上都使用发光二极管做指示灯。该类发光二极管的正向导通电压大于1.8v. 2. 晶体三极管 (1)晶体三极管能够把微弱的电信号放大。晶体三极管的三极分别为发射极e、基极b和集电极c. (2)传感器输出的电流或电压很微弱,用一个三极管可以放大几十倍以至上百倍。三极管的放大作用表现为基极b的电流对集电极c的电流起了控制作用。 二、逻辑电路 1.与门电路:只要一个输入端输入为“0”,则输出端一定是“0” ;反之,只有当所有输入都同时为“1”,输出才是“1”。 “与”门的电路符号:,A 和B是它的有两个输入端,Y 是它的输出端。 2. 或门电路:只要有一个输入“1”,则输出一定是“1”;反之,只有当所有输入都同时为“0”时,输出才是“0”。 “或”门的电路符号:,A 和B 是它的两个输入端,Y 是它的输出端。 3.非门电路:当输入为“0”时,输出总是“1”;当输入为“1”时,输出反而是“0”。非门电路也称为反相器。“非”门的电路符号:,A是它的输入端,Y 是它的输出端。 4.斯密特触发器: 斯密特触发器是具有特殊功能的非门,可以把连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号。电路符号为:。当加在它的输入端 A 的电压逐渐上升到某个值(1.6 V)时,输出端Y 会突然从高电平跳到低电平(0.25 V),而当输入端 A 的电压下降到另一个值的时候(0.8 V),Y 会从低电平跳到高电平(3.4 V)。电平可理解为电势。 三、传感器的应用实验 实验1 光控开关 1.用发光二极管LED模仿路灯的光控实验 (1)实验电路:如图甲所示。符号⊥表示接机壳,即零电势。没有金属机壳时可把这些点连在同一条导线(母线)上。 (2)实验器材: 型号为74LS14 的集成块(它里面有6 个非门,实验时只使用其中的一个)一块、发光二极管一个、光敏电阻一只、电位器一个(最大阻值为51kΩ),定值电阻(330Ω)、学生电源一台,集成电路实验板一块。 (3)工作原理: 如图甲所示,当光敏电阻RG受到光照时,阻值__减小__,非门(斯密特触发器)输入端A出现低电平,输出端Y出现高电平,发光二极管LED反向截止,不能发光。当把光遮住光敏电阻时(夜晚),RG阻值增大,输入端A出现高电平,输出Y出现低电平,发光二极管正向导通,发出亮光(相当于路灯亮了),这样就达到了使路灯天明自动熄灭,天暗自动开启的目的。 可变电阻(电位器)R1的阻值不同,则路灯点亮的早晚时间不同。如果想要在天更暗时才点亮路灯,可将电位器的阻值调大一些。同学们思考一下什么道理? (提示:要使在天更暗时路灯才会亮,应该把R1的阻值调大些,这样要使斯密特触发器的输入端A电压达到某个值(如1.6v),就需要RG的阻值达到更大,即天色更暗。) 2. 用小灯泡模拟路灯的光控实验 (1)实验电路:如图乙所示。 (2)实验器材: 型号为74LS14 的集成块一块、光敏电阻一只、二极管一个、小型继电器一只、电位器一个(最大阻值为51kΩ),定值电阻(330Ω)、小灯泡一只,学生电源一台,集成电路实验板一块。 (3)工作原理: 因为集成电路允许通过的电流比较小,就要使用继电器来启动另外的供电电路。如图乙所示,J为继电器,工作电压为5V,Ja为它的常开触点,并联一个二极管起保护作用。原理同上,光照时,RG阻值__减小__,A为___低_电平,Y为___高__电平,继电器不工作,灯泡不亮,无光或弱光时,RG阻值__增大__,A为__高___电平,Y为___低___电平,继电器触点接触,电路接通,灯泡发亮。 实验2 温度报警器 (1)实验电路:如图所示 是一个温度报警器的电路图。 (2)实验器材: 型号为74LS14 的集成块一块、热敏电阻一只(常温下阻值为2 kΩ左右)、可变电阻器(最大阻值为1kΩ左右)一个、YMD或HMB型蜂鸣器(工作直流电压为4 ~ 6 V)一个,学生电源一台,集成电路实验板一块。 (3)工作原理: 常温下,接通电源后,先调节可变电阻器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;当用热水使热敏电阻RT的温度升高时, RT阻值减小,斯密特触发器输入端A电势升高,A端输入高电平,Y端输出由高电平跳到低电平,蜂呜器两端达到了工作电压,从而发出报警声。 可变电阻器R1的阻值不同,则报警器温度不同。R1的阻值减小一些,可使热敏电阻在感测到更高温度时才报警。同学们思考一下其中的道理。 (提示: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,R1阻值越小,要使斯密特触发器输入端达到高电平,则热敏电阻RT阻值要求越小,即温度越高。) ▲ 堂中互动▲ 【典题探究】 题型一、传感器的应用试验 例1 如图所示是一个火警报警装置的逻辑电路图。Rt 是热敏电阻,低温时电阻值很大,高温时电阻值很小,R 是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) 为什么温度高时电铃会被接通? (3) 为了提高该电路的灵敏度,即要把报警温度调得较低,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。要求此时电铃不发声,也就是要求输出给电铃的电压较小。这里输出端的需求与输入端的状态相反,可见虚线处元件应是“非”门。 (2) 当高温时Rt 阻值减小,X、P 之间电压降低。这时由于输入了低电压,所以从“非”门输出的是高电压,电铃响起。 (3) 为了提高电路的灵敏度,应该使电路在温度还没有升得很高时就能输出高电压,也 就是说,应该在温度还没有升得很高时 X 点的电压就已经降得足够低。根据分压电路的性 质,对于同一个热敏电阻Rt,增大可变电阻R 的电阻值就能达到目的。 【变式训练1】 如图所示是一个简单的磁控防盗报警装置。门的上沿嵌入一小块永磁体M,门框内与M相对的位置嵌入干簧管H,并且将干簧管接入图示的电路。睡觉前连接好电路,当盗贼开门时,蜂鸣器就会叫起来。请说明它的工作原理。 解析:门关闭时,干簧管内两个簧片被磁化而吸合,使触发器(非门)的输入端为低电平,则其输出端为高电平,与电源的电压很接近。于是蜂呜器两端的电压很小,不会发声。若盗贼将门打开,永磁体就远离干簧管,因而两个簧片分离,使斯密特触发器(非门)的输入端跳变为高电平,则其输出端变为低电平。于是蜂呜器两端达到了工作电压,就发出叫声报警。 【变式训练2】可以用型号为74LS14的非门集成电路,发光二极管和限流电阻来组成一个逻辑电平检测器,电路如图所示。使用时,将检测器的输入端A接到被测点。 请分析:当被测点为高电平时,LED是否发光?低电平时呢?说出道理。 解析:当斯密特触发器(非门)的输入端A为高电平时,其输出端Y则为低电平,于是发光二极管得到足够的电压达到导通电压而发光。而当非门的输入端A为低电平时,其输出端Y则为高电平,发光二极管两端的电压小于其导通电压,就不发光了。 题型二、传感器的设计型试验 例2 现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干.如图所示,试设计一个温控电路。 要求温度低于某一温度时,电炉丝自动通电供热,超过某一温度时,又可以自动断电,画出电路图说明工作过程. 【解析】 电路图如下图所示 工作过程:闭合S当温度低于设计值时热敏电阻阻值大,通过电磁继电器的电流不能使它工作,K接通电炉丝加热。 当温度达到设计值时,热敏电阻减小到某值,通过电磁继电器的电流达到工作电流,K断开,电炉丝断电,停止供热.当温度低于设计值,又重复前述过程。 例3(09年 山东)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。光控开头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下表: 照度(lx) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 电阻(k) 75 40 28 23 20 18 (1)根据表中数据,请在给定的坐标系(见下图)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(1x)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:,阻值见上表) 电源E(电动势3V,内阻不计); 定值电阻:R1=10k,R2=20k,R3=40k(限选其中之一并在图中标出) 开关S及导线若干。 【解析】 (1)光敏电阻的阻值随光照变化的曲线如下图所示。特点:光敏电阻的阻值随光照强度的增大非线性减小。 (2)电路原理图如图所示。要求当天色渐暗照度降低至1.0(1x)时启动照明系统,从表中数据可知,此时光敏电阻Rp阻值为20k ,由于当控制开关自动启动照明系统时,给1、2两端提供的电压为2V,所以此时光敏电阻Rp两端电压为2V,而电源电动势为3V,因此应加上一个分压电阻R,根据串联电阻的正比分压关系可知,由 =2得R=RP=10 kΩ,即分压电阻阻值为10k,故应选用定值电阻R1. 【点评】 本题是一道开放性的创新设计性试题,综合性较强。试题将电学中曲线的描绘、电路设计、传感器原理等知识集于一身,要求学生除了要有一定的阅读习惯和审题能力,获取新知识、新信息的能力,还要有较强的知识迁移能力以及分析综合能力,寻找各物理量间的对应的因果关系显得尤其重要。描绘图象还应注意:各点均匀分布在图线两侧,且图线应用平滑曲线,而不能成为各点的连线。查看更多