高中物理人教版选修3-2 6.3 实验：传感器的应用导学案含答案
文档属性
| 名称 | 高中物理人教版选修3-2 6.3 实验：传感器的应用导学案含答案 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 3.6MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-05-17 17:01:59 | ||
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文档简介
实验：传感器的应用
课程目标引航
内容 要求
光控开关 了解光控开关电路及工作原理，会组装光控开关
温度报警器 了解温度报警器的工作原理，会组装温度报警器
情景思考导入
人的指纹各不相同且终生基本不变，由于指纹具有的唯一性和稳定性，使其成为识别身份的一种有效手段，目前指纹识别器已应用于密码门、银行储户的身份识别等方面，你知道其中的道理吗？
提示：该指纹识别器是通过电容传感器来识别指纹的。该传感器表面集合了300×300个电容器极板，其外面是绝缘表面。当用户的手指放在绝缘表面上时，皮肤就组成了电容阵列极板的另一面，如图所示，由于指纹的脊和谷相对于另一极之间的距离不同，使电容阵列中不同位置的电容器的电容值也不相同。通过读取这些电容的差异，就能够获取指纹信息。这样就把指纹的信息转化成了电信号，再经过电路对电信号的比较就可以实现对指纹的识别。
基础知识梳理
1．知识准备
(1)普通二极管和发光二极管
①都具有__________性。
②发光二极管除了具有普通二极管的__________外，导电时还能______，它小巧玲珑颜色鲜艳，又很省电，许多家用电器上都用发光二极管做______。
(2)门电路
①对于与门电路，只要一个输入端输入为“0”，则输出端一定是“0”，只有当所有输入都同时为“1”时，输出才是“____”。
②对于或门电路，只要有一个输入端输入为“1”，则输出一定是“____”，只有当所有输入都为“0”时，输出才是“____”。
③非门电路中，当输入为“0”时，输出总是“____”，当输入为“1”时，输出反而是“____”。非门电路也称反相器。
(3)斯密特触发器
斯密特触发器性能特别，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________跳到________(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________跳到______。斯密特触发器可以将连续变化的________转换为突变的________，而这正是进行光控所需要的。
(4)逻辑电路的高低电平
在逻辑电路中，常把电势的高低叫做______的高低，“输出低电平”的意义是，输出端处于________的状态。斯密特触发器是具有特殊功能的______，常用符号________表示。
2．实验1 光控开关
(1)实验目的：了解光控开关的工作原理，练习用传感器制作自动控制设备。
(2)实验器材：____________、发光二极管、二极管、继电器、灯泡(6 V,0.3 A)、可变电阻R1(最大阻值51 kΩ)、电阻R2(330 Ω)、________、集成电路实验板、直流电源(5 V)、导线若干、黑纸。
(3)实验电路(如图所示)
(4)工作原理
甲图：白天，光强度较大，光敏电阻RG阻值______，加在斯密特触发器输入端A的电压______，则输出端Y输出________，发光二极管LED________；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1.6 V，输出端Y突然从________跳到______，则发光二极管LED导通发光(相当于路灯亮了)，天明后，RG阻值______，斯密特触发器输入端A电势逐渐______，降到0.8 V时，输出端Y突然由______跳到______，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。
乙图：控制电路原理：天较亮时，光敏电阻RG阻值______，斯密特触发器输入端A电压______，则输出端Y输出________，线圈中无电流，工作电路不通；天较暗时，光敏电阻RG电阻______，斯密特触发器输入端A电势______，当升高到一定值，输出端Y由________突然跳到______，有电流通过线圈，电磁继电器工作，接通工作电路，使路灯自动开启；天明后，RG阻值______，斯密特触发器输入端A电势逐渐______，降到一定值，输出端Y突然由______跳到______，则线圈中不再有电流，则电磁继电器自动切断工作电路的电源，路灯熄灭。
思考1：要想在天更暗时路灯才会亮，应该如何调节R1的阻值大小？
(5)实验步骤
①按照实验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。
3．实验2 温度报警器
(1)实验目的：了解温度报警器的工作原理。
(2)实验器材：__________________、蜂鸣器、________、可变电阻R1(最大阻值1 kΩ)、集成电路实验板、直流电源(5 V)、导线若干、烧杯(盛有热水)。
(3)实验电路(如图所示)
(4)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________，则输出端Y处于________，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______，斯密特触发器输入端A电势______，当达到某一值(高电平)时，其输出端由________跳到______，蜂鸣器通电，从而发出报警声，R1的阻值不同，则报警温度________。
思考2：怎样使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警？
(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。
答案：1．(1)单向导电 单向导电性 发光 指示灯 (2)1 1 0 1 0 (3)高电平 低电平 低电平 高电平 模拟信号 数字信号 (4)电平 低电势 非门
2．(2)斯密特触发器 光敏电阻 (4)较小 较低 高电平 不导通 高电平 低电平 减小 降低 低电平 高电平 较小 较低 高电平 增大 升高 高电平 低电平 减小 降低 低电平 高电平
思考1
提示：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的电压达到某个值(如1.6 V)，就需要RG的阻值达到更大，即天色更暗。
3．(2)斯密特触发器 热敏电阻 (4)低电平 高电平
减小 升高 高电平 低电平 不同
思考2
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，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高。
重点难点突破
实验注意事项
(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，二极管进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。
随堂练习巩固
1．永州市为了节约能源，合理适时地使用路灯，要求夜晚亮、白天熄，利用半导体的某种特性制成自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制。这是利用半导体的( )。
A．压敏性 B．光敏性 C．热敏性 D．三种特性都利用了
2．对于常见的可燃气体浓度的检测，现在一般用催化燃烧检测器。它的原理如下：传感器的核心为一惠斯通电桥，其中一桥臂上有催化剂，当与可燃气体接触时，可燃气体在有催化剂的电桥上燃烧，该桥臂的电阻发生明显变化，其余桥臂的电阻不变化，从而引起整个电路的输出发生变化，而该变化与可燃气体的浓度成比例，从而实现对可燃气体的检测。由此可推断有催化剂的桥臂上的电阻材料为( )。
A．铜 B．合金 C．半导体 D．绝缘体
3．建设节约型社会是现在的主流，节约从小事做起，从自身做起。现在的公共场所如学校、宾馆、商场等的水管的出水端使用了一种感应式的水龙头，当手靠近时水管打开，当手离开时，水管关闭，起到了节水的目的，避免了常流水问题。这里的传感器你认为应该是( )。
A．湿度传感器 B．温度传感器 C．光传感器 D．电容传感器
4．如图是一个警报器装置的逻辑电路图，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，A为斯密特触发器输入端。
(1)为什么在高温时电铃会响起？
(2)为了提高电路的灵敏度，即将报警温度调得低些，那么R的值应该大一些还是小一些？
答案：1．B 题目中半导体应能感知光照强度变化，并输出电信号，控制电路通断，所以利用了半导体的光敏性，故B正确。
2．C 可燃气体燃烧后电阻发生变化的原因，是由于温度升高造成的，所以此电阻应属于热敏电阻，而能够随温度变化其电阻有较明显变化的材料只可能是选项中的半导体材料，故选C。
3．CD 温度和湿度传感器都不合适，因为水龙头长期处在潮湿的环境，或者是一年四季的变化，给传感器的设计带来困难，不现实。可以是光传感器，平时不用时水龙头处于待机状态，当手靠近时遮住了光线，使光控电路工作，打开水龙头；可以是电容式传感器，处于待机状态的水龙头，当手靠近时，相当于接入了一个人体电容器，从而使机内的传感器工作。
4．解析：(1)热敏电阻的温度上升，RT变小，A的电压低到某一值时，Y会由低电平跳到高电平，加在电铃两端的电压变大，电铃响起。
(2)若R的值大，由于它的分压作用，使RT两端的电压不太高，则外界温度不太高时，就能使PX之间电压降到低电压输入，而当A的电压降低到某一值时，Y会由低
电平跳到高电平，加在电铃两端的电压变大，电铃响起。
答案：(1)见解析 (2)R的值应大一些
课程目标引航
内容 要求
光控开关 了解光控开关电路及工作原理，会组装光控开关
温度报警器 了解温度报警器的工作原理，会组装温度报警器
情景思考导入
人的指纹各不相同且终生基本不变，由于指纹具有的唯一性和稳定性，使其成为识别身份的一种有效手段，目前指纹识别器已应用于密码门、银行储户的身份识别等方面，你知道其中的道理吗？
提示：该指纹识别器是通过电容传感器来识别指纹的。该传感器表面集合了300×300个电容器极板，其外面是绝缘表面。当用户的手指放在绝缘表面上时，皮肤就组成了电容阵列极板的另一面，如图所示，由于指纹的脊和谷相对于另一极之间的距离不同，使电容阵列中不同位置的电容器的电容值也不相同。通过读取这些电容的差异，就能够获取指纹信息。这样就把指纹的信息转化成了电信号，再经过电路对电信号的比较就可以实现对指纹的识别。
基础知识梳理
1．知识准备
(1)普通二极管和发光二极管
①都具有__________性。
②发光二极管除了具有普通二极管的__________外，导电时还能______，它小巧玲珑颜色鲜艳，又很省电，许多家用电器上都用发光二极管做______。
(2)门电路
①对于与门电路，只要一个输入端输入为“0”，则输出端一定是“0”，只有当所有输入都同时为“1”时，输出才是“____”。
②对于或门电路，只要有一个输入端输入为“1”，则输出一定是“____”，只有当所有输入都为“0”时，输出才是“____”。
③非门电路中，当输入为“0”时，输出总是“____”，当输入为“1”时，输出反而是“____”。非门电路也称反相器。
(3)斯密特触发器
斯密特触发器性能特别，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________跳到________(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________跳到______。斯密特触发器可以将连续变化的________转换为突变的________，而这正是进行光控所需要的。
(4)逻辑电路的高低电平
在逻辑电路中，常把电势的高低叫做______的高低，“输出低电平”的意义是，输出端处于________的状态。斯密特触发器是具有特殊功能的______，常用符号________表示。
2．实验1 光控开关
(1)实验目的：了解光控开关的工作原理，练习用传感器制作自动控制设备。
(2)实验器材：____________、发光二极管、二极管、继电器、灯泡(6 V,0.3 A)、可变电阻R1(最大阻值51 kΩ)、电阻R2(330 Ω)、________、集成电路实验板、直流电源(5 V)、导线若干、黑纸。
(3)实验电路(如图所示)
(4)工作原理
甲图：白天，光强度较大，光敏电阻RG阻值______，加在斯密特触发器输入端A的电压______，则输出端Y输出________，发光二极管LED________；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1.6 V，输出端Y突然从________跳到______，则发光二极管LED导通发光(相当于路灯亮了)，天明后，RG阻值______，斯密特触发器输入端A电势逐渐______，降到0.8 V时，输出端Y突然由______跳到______，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。
乙图：控制电路原理：天较亮时，光敏电阻RG阻值______，斯密特触发器输入端A电压______，则输出端Y输出________，线圈中无电流，工作电路不通；天较暗时，光敏电阻RG电阻______，斯密特触发器输入端A电势______，当升高到一定值，输出端Y由________突然跳到______，有电流通过线圈，电磁继电器工作，接通工作电路，使路灯自动开启；天明后，RG阻值______，斯密特触发器输入端A电势逐渐______，降到一定值，输出端Y突然由______跳到______，则线圈中不再有电流，则电磁继电器自动切断工作电路的电源，路灯熄灭。
思考1：要想在天更暗时路灯才会亮，应该如何调节R1的阻值大小？
(5)实验步骤
①按照实验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。
3．实验2 温度报警器
(1)实验目的：了解温度报警器的工作原理。
(2)实验器材：__________________、蜂鸣器、________、可变电阻R1(最大阻值1 kΩ)、集成电路实验板、直流电源(5 V)、导线若干、烧杯(盛有热水)。
(3)实验电路(如图所示)
(4)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________，则输出端Y处于________，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______，斯密特触发器输入端A电势______，当达到某一值(高电平)时，其输出端由________跳到______，蜂鸣器通电，从而发出报警声，R1的阻值不同，则报警温度________。
思考2：怎样使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警？
(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。
答案：1．(1)单向导电 单向导电性 发光 指示灯 (2)1 1 0 1 0 (3)高电平 低电平 低电平 高电平 模拟信号 数字信号 (4)电平 低电势 非门
2．(2)斯密特触发器 光敏电阻 (4)较小 较低 高电平 不导通 高电平 低电平 减小 降低 低电平 高电平 较小 较低 高电平 增大 升高 高电平 低电平 减小 降低 低电平 高电平
思考1
提示：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的电压达到某个值(如1.6 V)，就需要RG的阻值达到更大，即天色更暗。
3．(2)斯密特触发器 热敏电阻 (4)低电平 高电平
减小 升高 高电平 低电平 不同
思考2
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，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高。
重点难点突破
实验注意事项
(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，二极管进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。
随堂练习巩固
1．永州市为了节约能源，合理适时地使用路灯，要求夜晚亮、白天熄，利用半导体的某种特性制成自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制。这是利用半导体的( )。
A．压敏性 B．光敏性 C．热敏性 D．三种特性都利用了
2．对于常见的可燃气体浓度的检测，现在一般用催化燃烧检测器。它的原理如下：传感器的核心为一惠斯通电桥，其中一桥臂上有催化剂，当与可燃气体接触时，可燃气体在有催化剂的电桥上燃烧，该桥臂的电阻发生明显变化，其余桥臂的电阻不变化，从而引起整个电路的输出发生变化，而该变化与可燃气体的浓度成比例，从而实现对可燃气体的检测。由此可推断有催化剂的桥臂上的电阻材料为( )。
A．铜 B．合金 C．半导体 D．绝缘体
3．建设节约型社会是现在的主流，节约从小事做起，从自身做起。现在的公共场所如学校、宾馆、商场等的水管的出水端使用了一种感应式的水龙头，当手靠近时水管打开，当手离开时，水管关闭，起到了节水的目的，避免了常流水问题。这里的传感器你认为应该是( )。
A．湿度传感器 B．温度传感器 C．光传感器 D．电容传感器
4．如图是一个警报器装置的逻辑电路图，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，A为斯密特触发器输入端。
(1)为什么在高温时电铃会响起？
(2)为了提高电路的灵敏度，即将报警温度调得低些，那么R的值应该大一些还是小一些？
答案：1．B 题目中半导体应能感知光照强度变化，并输出电信号，控制电路通断，所以利用了半导体的光敏性，故B正确。
2．C 可燃气体燃烧后电阻发生变化的原因，是由于温度升高造成的，所以此电阻应属于热敏电阻，而能够随温度变化其电阻有较明显变化的材料只可能是选项中的半导体材料，故选C。
3．CD 温度和湿度传感器都不合适，因为水龙头长期处在潮湿的环境，或者是一年四季的变化，给传感器的设计带来困难，不现实。可以是光传感器，平时不用时水龙头处于待机状态，当手靠近时遮住了光线，使光控电路工作，打开水龙头；可以是电容式传感器，处于待机状态的水龙头，当手靠近时，相当于接入了一个人体电容器，从而使机内的传感器工作。
4．解析：(1)热敏电阻的温度上升，RT变小，A的电压低到某一值时，Y会由低电平跳到高电平，加在电铃两端的电压变大，电铃响起。
(2)若R的值大，由于它的分压作用，使RT两端的电压不太高，则外界温度不太高时，就能使PX之间电压降到低电压输入，而当A的电压降低到某一值时，Y会由低
电平跳到高电平，加在电铃两端的电压变大，电铃响起。
答案：(1)见解析 (2)R的值应大一些