2022-2023年高考物理一轮复习 实验：传感器的应用

\n一、实验目的(1)利用斯密特触发器设计光控开关电路和温度报警器.(2)提高电子技术方面的设计和制作能力.二、实验原理1．光控开关(1)电路如图6－3－1所示.图6－3－1\n(2)斯密特触发器的工件原理：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的时候(0.8V),Y会从低电平跳到高电平(3.4V).(3)光控开关的原理(如图6－3－1所示)：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\n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明自动熄灭,天暗自动开启的目的.2．温度报警器(1)电路如图6－3－2所示.图6－3－2\n(2)工作原理：常温下,调节R1的阻值使斯密特触发器输入端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的电压升高,当达到某一值(高电平)时,其输出端Y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,可以通过调节R1来调节蜂鸣器的灵敏度.\n三．实验器材1．光控开关实验斯密特触发器、发光二极管、二极管、继电器、灯泡(6V,0.3A)、可变电阻R1(最大阻值51kΩ)、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.2．温度报警器实验斯密特触发器、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).\n四．实验步骤1．光控开关(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.\n2．温度报警器(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.\n五、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,二极管连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.\n[例1]如图6－3－3所示是用斯密特触发器控制某宿舍楼道内灯的示意图,试说明其工作原理.图6－3－3\n[解析](1)电磁继电器的工作原理因集成电路允许通过的电流较小,白炽灯泡工作电流较大,所以使用继电器来启闭工作电路.如题图所示虚线框内是电磁继电器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,从而带动触点D向下与E接触,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在弹簧作用下拉起,带动触点D与E分离,自动切断工作电路.\n(2)控制电路工作原理天较亮时,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A中无电流,工作电路不通.天较暗时,光敏电阻RG电阻增大,斯密特触发器输入端A电势升高,当升高到一定值时,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,使灯自动开启.\n天明后,RG阻值减小,斯密特触发器输入端A电势逐渐降低,降到一定值时,输出端Y突然由低电平跳到高电平,则线圈A不再有电流,电磁继电器自动切断工作电路的电源,灯熄灭.[答案]见解析\n[例2]在制作光控电路实验中,某同学按图6－3－4所示电路将元件安装完毕后,发现将装置置入黑暗环境中接通电源时,灯泡不发光,原因可能是()A．二极管两极接反B．R1与RG位置颠倒C．R1阻值太小D．灯泡被断路图6－3－4\n[解析]由题可知若二极管接反,光线暗时,二极管上为负向电压,无法导通,灯泡不亮,A项正确；若R1与RG位置颠倒,则光线较暗时,Y端为高电平,晶体管不导通,灯泡不发光,B项正确；若R1阻值太小,Y端一直为低电平,灯泡一直发光,C项错误；灯泡断路时无法发光,D正确.[答案]ABD\n[例3]某学生为测量一个物体的质量,找到一个力电转换器,该转换器的输出电压正比于受压面的压力(比例系数为k),如图6－3－5所示,测量时先调节输入端的电压,使转换器空载时的输出电压为零；而后在其受压面上放一物体,即可测得与物体的质量成正比的输出电压U.现有下列器材：力电转换器、质量为m0的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个,开关及导线若干,待测物体(可置于力电转换器的受压面上).图6－3－5\n请完成对该物体质量的测量.(1)设计一个电路图,要求力电转换器的输入电压可调,并且使电压的调节范围尽可能大.(2)简要说明测量步骤,求出比例系数k,并测出待测物体的质量m.(3)请设想实验中可能会出现的一个问题.\n[解析](1)设计的电路图如图所示.\n\n(3)实验中可能会出现的问题有：①待测物体的质量超过此力电转换器的量程.②因电源电压不够而输出电压调不到零.[答案]见解析