《学霸笔记 同步精讲》第5章 传感器 3.传感器的应用举例　4.自制简单的控制电路（课件）高中物理教科版选择性必修2

(共39张PPT)
3.传感器的应用举例　4.自制简单的控制电路
第五章
2026
课 标 定 位
1.了解各种传感器在日常生活和生产中的应用。
2.了解简单的光控和温控电路的工作原理及敏感元件所起的作用。
3.了解简单的控制电路的设计思路。
素 养 阐 释
1.通过传感器的应用分析,形成科学思维。
2.通过利用传感器制作自动控制装置的过程,培养动手能力和探究能力。
3.通过控制电路设计,体验探索过程的艰辛和成功的喜悦,形成科学态度与价值观。
内容索引
01
02
03
自主预习·新知导学
合作探究·释疑解惑
课 堂 小 结
04
随 堂 练 习
自主预习·新知导学
一、电熨斗
1.构造(如图所示)
2.敏感元件:双金属片。
3.工作原理:温度变化时,由于双金属片上层金属与下层金属的热膨胀系数不同,双金属片发生弯曲从而控制电路的通断。
二、电饭锅
1.构造(如图所示)
2.敏感元件:感温铁氧体。
3.工作原理
(1)居里温度:感温铁氧体常温下具有铁磁性,温度升高到103 ℃时,就失去铁磁性,这一温度称为该材料的“居里温度”。
(2)自动断电原理:用手按上开关通电加热,开始煮饭,当锅内加热温度达到103 ℃时,铁氧体失去磁性,与永磁铁之间失去吸引力,被弹簧片弹开,从而推动杠杆使触点开关断开。
三、火灾报警器
根据结构特点,火灾报警器可分为遮光型和散射型。
四、自制简单的控制电路
1.光控LED灯
利用光敏电阻作控制元件,从而通过光线来实现自动控制,使电路在天亮时自动切断,天黑自动接通。
2.温度报警器
利用热敏电阻作控制元件,当热敏电阻到达一定温度时,蜂鸣器就会发出报警声。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)利用红外线敏感元件可以实现无接触测温。 (　　)
(2)常温下,电熨斗上、下触点应当是分离的,温度过高时,触点接触。 ( 　 )
(3)电饭锅内温度达到100 ℃时,触点分离,切断电源,停止加热。 ( 　　)
(4)散射型烟雾报警器中的发光元件和受光元件不是正对的。 ( 　　)
√
×
√
×
2.生活中与温度控制相关的家用电器有很多,试举例说明。
提示:电饭锅、冰箱、电烤箱、空调、电熨斗等。
3.在机场、车站、码头等人员集散地都设有体温检测点,为什么测体温时一般不用水银温度计,而用红外线测温仪
提示:用水银温度计,测温时间长,同时又容易引起交叉感染,用红外线测温仪测温速度快,也不需要与人体直接接触,避免了交叉感染,因此用红外线测温仪较好。
合作探究·释疑解惑
知识点一
电熨斗
【问题引领】
下图为一冷库中的自动控温设备,容器中是导电液体,其液面与两个电极刚刚接触,试探究分析其自动控温原理。
提示:冷库中温度较低时,导电液体的体积较小,此时两电极未与导电液体接触,制冷机不工作。当冷库中温度升高,致使导电液体受热膨胀,体积增大,液面升高。当液面与两电极接触时,电路接通,制冷机开始工作,冷库温度降低,导电液体温度降低,液面下降。当液面与电极分离时,电路断开,制冷机停止工作。
【归纳提升】
电熨斗的自动控温原理:其内部装有双金属片温度传感器,如图所示。
常温下,上下触点应当是接触的,但温度过高时,由于双金属片受热膨胀系数不同,上层金属膨胀大,下层金属膨胀小,则双金属片向下弯曲,使触点分离,从而切断电源停止加热;温度降低后,双金属片恢复原状,重新接通电路加热,这样循环进行,起到自动控制温度的作用。
【典型例题】
【例题1】 一般的电熨斗用合金丝作发热元件,合金丝电阻随温度T变化的关系如图中实线①所示。由于环境温度以及熨烫的衣物厚度、干湿等情况不同,熨斗的散热功率不同,因而熨斗的温度可能会在较大的范围内波动,易损坏衣物。
有一种用主要成分为BaTiO3被称为“PTC”的特殊材料作发热元件的电熨斗,具有升温快、能自动控制温度的特点。PTC材料的电阻随温度变化的关系如图中实线②所示。
根据图线解答:
(1)为什么原处于冷态的PTC熨斗刚通电时比普遍电熨斗升温快
(2)通电一段时间后电熨斗温度T自动地稳定在 答案:(1)冷态时PTC电阻很小,电功率很大,所以升温很快　(2)T6　T7
解析:由题图知,PTC元件在T0~T5温度内,电阻随温度升高而减小,在电源电压一定时电功率增大,故升温快;当温度超过T6时,电阻随温度的升高迅速增大,电功率减小,当发热功率小于散热功率时,温度不升反降,直到发热功率等于散热功率时,温度可保持在一定的范围内不变,即可控制在T6~T7范围之内。
科学思维
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1】 (多选)下图是自动调温式电熨斗,下列说法正确的是(　　)
A.常温时上下触点是接触的
B.双金属片温度升高时,上层金属片形变较大,双金属片将向下弯曲
C.原来温度控制在80 ℃断开电源,现要求60 ℃断开电源,应使调温旋钮下移一些
D.由熨烫丝绸衣物状态转化为熨烫棉麻衣物状态,应使调温旋钮下移一些
ABD
解析:常温工作时,上下触点是接通的,选项A正确。当温度升高时,上层金属片形变大,向下弯曲,切断电源,选项B正确。断电温度要降低,则应使两触点更容易断开,即应使调温旋钮上移一些,选项C错误。由熨烫丝绸衣物状态转化为熨烫棉麻衣物状态,温度要高一些,由C选项的分析可知,应使调温旋钮下移一些,选项D正确。
【问题引领】
知识点二
电饭锅
如果用电饭锅烧水,水沸腾后能否自动断电
提示:电饭锅中的温度传感器主要元件是感温铁氧体。如果用电饭锅烧水,水沸腾后水温保持100 ℃,不会再升高,而使感温铁氧体失去磁性的温度为103 ℃,故不能自动断电。
【归纳提升】
电饭锅工作原理:如图所示,电饭锅工作时,按下手动开关,感温铁氧体与永磁铁接触,两个接线螺丝通过触点相连,电路接通,开始工作,电饭锅内温度升高。当达到103 ℃时,感温铁氧体与永磁铁分离,带动触点分离,电路断开,不再加热,电饭锅停止工作。
电饭锅的结构
【典型例题】
【例题2】 下图是电饭锅的电路图。S1是一个温控开关,手动闭合后,当此开关温度达到居里点(103 ℃)时会自动断开。S2是一个自动温控开关,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=500 Ω,加热电阻丝R3=50 Ω,
两灯电阻不计。
(1)分析电饭锅的工作原理。
(2)简要回答,如果不闭合开关S1,能将饭煮熟吗
(3)计算加热和保温两种状态下,电饭锅消耗的电功率之比。
答案:(1)见解析:　(2)不能　(3)12∶1
【变式训练2】 电饭锅工作时有两种状态:一种是锅内水烧开前的加热状态,另一种是锅内水烧开后的保温状态,下图是电饭锅电路原理示意图,S是感温材料制造的开关。已知电饭锅的额定电压为220 V,加热功率为550 W,保温功率为22 W。当开关S闭合时,电饭锅所处的工作状态和R2的阻值分别是(不考虑R1、R2的电阻受温度变化的影响)(　　)
A.加热,2 200 Ω B.加热,88 Ω
C.保温,88 Ω D.保温,2 200 Ω
B
【问题引领】
知识点三
简单的光控和温控电路设计
下图为一自动控制温度的电路,请说明其工作原理。
提示:当温度较低时,开关S在弹簧拉力作用下拉到上面与a接触,电热丝工作;随着温度升高,热敏电阻阻值减小,电磁铁与电热丝两端电压增大,通过电磁铁的电流增大;磁性增强到一定程度时把S吸到b,电热丝停止工作,指示灯亮。
【归纳提升】
求解传感器控制电路类问题的一般思路:
1.首先明确控制电路的工作原理;
2.然后分清所应用的传感器及其特性;
3.最后结合电路知识完成设计。
【典型例题】
【例题3】 传感器担负着信息的采集任务,在自动控制中发挥着重要作用,传感器能够将感受到的物理量(如温度、光、声等)转换成便于测量的量(通常是电学量)。例如,热敏传感器主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻,其阻值随温度变化的图线如图(a)所示,图(b)是由热敏电阻RT作为传感器制作的简单自动报警器的线路图。
(a)
(b)
(1)为了使温度过高时报警器响,c应接在　　　　(选填“a”或“b”)点。
(2)若使启动报警的温度提高些,应将滑动变阻器滑片P向　　　　(选填“左”或“右”)移动。
(3)如果在调试报警器达最低报警温度时,无论如何调节滑动变阻器滑片P都不能使报警器工作,且电路连接完好,各电路元件都能处于工作状态,则造成工作电路实际不能工作的原因可能是
a
左
图(b)中的电源电压太低或继电器线圈匝数太少或弹簧劲度系数太大(任选一条)
解析:(1)由题图(a)可知,当温度升高时RT的阻值减小,通过线圈的电流变大,电磁铁的磁场变强,对衔铁的吸引力变大,可与a点接触,欲使报警器报警,c应接在a点。
(2)若使启动报警的温度提高些,可使电路的相对电流减小一些,以使得热敏电阻RT的阻值减小得更大一些,所以将滑动变阻器滑片P向左移动,增大滑动变阻器接入电路的阻值。
(3)在调试报警器达最低报警温度时,无论如何调节滑动变阻器滑片P都不能使报警器工作,可能是通过线圈的电流太小,电磁铁的磁场弱,对衔铁的吸引力较小,也可能是弹簧的弹力较大,电磁铁对衔铁的吸引力不能将衔铁吸引到和a接触的状态,还可能是题图(b)电源电压太低或继电器线圈匝数太少。
【变式训练3】 下图是一位同学设计的防盗门报警器的简化电路示意图。门打开时,红外光敏电阻R3受到红外线照射,电阻减小;门关闭会遮蔽红外线源(红外线源没有画出)。经实际试验,灯的亮灭能反映门的开、关状态。门打开时两灯的发光情况以及R2两端电压与门关闭时相比(　　)
A.红灯亮,变大　　
B.绿灯亮,变大
C.绿灯亮,变小
D.红灯亮,变小
D
解析:门打开,R3减小,导致R总减小和I总增大,Ur和UR1变大,UR2=E-(UR1+Ur)减小,IR3=I总-增大,电磁继电器磁性增强把衔铁吸下,红灯亮,绿灯灭,A、B、C均错误,D正确。
课 堂 小 结
随 堂 练 习
1.(电饭锅)下列说法正确的是(　　)
A.电饭锅中的温度传感器的主要元件是氧化铁
B.氧化铁在常温下具有铁磁性,温度很高时失去铁磁性
C.用电饭锅烧水,水开时能自动断电
D.用电饭锅煮饭时,若温控开关自动断电后,它不能自动复位
D
解析:电饭锅的主要元件为感温铁氧体,它在103 ℃时失去铁磁性,A、B错误。用电饭锅烧水时,在标准大气压下,水温最高为100 ℃,电饭锅不会自动弹开,若无人控制,则会直到水被烧干后才会断开,C错误。电饭锅开关自动断电后只能手动复位,D正确。
2.(火灾报警器)下图是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图,罩内装有发光二极管(简称LED)、光电三极管和不透明的挡板。平时光电三极管接收不到LED发出的光,呈现高电阻状态。发生火灾时,下列说法正确的是(　　)
A.进入罩内的烟雾遮挡了光线,使光电三极管电
阻更大,检测电路检测出变化发出警报
B.光电三极管温度升高,电阻变小,检测电路检测
出变化发出警报
C.进入罩内的烟雾对光有散射作用,部分光线照
到光电三极管上,电阻变小,发出警报
D.以上说法均不正确
C
解析:由火灾报警器的原理可知,发生火灾时烟雾进入罩内,使光发生散射,部分光线照到光电三极管上,电阻变小,与传感器相连的电路检测出这种变化,发出警报,C正确。
3.(火车中的传感器)将如图所示的装置安装在沿直轨道运动的火车车厢中,使杆沿轨道方向固定,就可以对火车运动的加速度进行检测。闭合开关S,当系统静止时,穿在光滑绝缘杆上的小球停在O点,固定在小球上的变阻器滑片停在变阻器BC的正中央,此时,电压表指针指在表盘刻度中央。当火车在水平方向有加速度时,小球在光滑绝缘杆上移动,滑片P随之在变阻器上移动,电压表指针发生偏转。已知,当火车向左加速运动时,电压表的指针向右偏。则(　　)
A.电压表指针向左偏,说明火车可能向右做加速运动
B.电压表指针向右偏,说明火车可能向右做加速运动
C.电压表指针向左偏,说明火车可能向右做减速运动
D.电压表指针向左偏,说明火车可能向左做加速运动
A
解析:因为当火车向左加速运动时,有向左的加速度,弹簧处于伸长状态,滑片P靠近变阻器C端,电压表的指针向右偏。所以,当滑片P靠近变阻器B端时,电压表的指针将向左偏,此时,弹簧处于压缩状态,火车具有向右的加速度,火车可能在向右做加速运动,也可能在向左做减速运动,选项A正确,C、D错误。同理可知B错误。
4.(传感器的应用)工人在锻压机、冲床、钻床等机器上劳动时,稍有不慎就会把手轧在里面,造成工伤事故。工厂中大都是利用光电控制设备来避免事故发生的。下图为光控继电器的示意图,它由电源、光电管(当有光照射时,在阴极K端会放出电子)、放大器、电磁继电器等几部分组成。这样,当有光照射光电管时,灯L不亮;当无光照时,灯L亮。则光控继电器的原理是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
当光照射光电管时,阴极K发射电子,电路中产生电流,经放大器放大后的电流使电磁铁M磁化,将衔铁N吸住,灯L不亮;无光照射光电管时,电路中无电流,N自动离开M,右侧电路接通,灯L亮。