高三高考总复习讲义物理第十二章交变电流电磁波传感器实验十七利用传感器制作简单的自动控制装置

实验十七利用传感器制作简单的自动控制装置学习目标1.知道什么是传感器，知道光敏电阻和热敏电阻等敏感元件的特性和应用。2.学会传感器的简单使用并会制作简单的自动控制装置。一、五种敏感元件的作用和特点敏感元件作用特点热敏电阻将温度这个热学量转换为电阻这个电学量一般情况下，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，随温度的降低而增大金属热电阻将温度这个热学量转换为电阻这个电学量一般情况下，金属热电阻的阻值随温度的升高而增大，随温度的降低而减小光敏电阻将光照强度这个光学量转换为电阻这个电学量一般情况下，光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，随光照强度的减弱而增大霍尔元件将磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量对于某个确定的霍尔元件，它的厚度d、霍尔系数k为定值，如果保持电流I恒定，则霍尔电压UH就与磁感应强度B成正比U压敏电阻将压力这个力学量转换为电阻这个电学量压敏电阻的阻值随压力的变化而变化二、实验过程1.研究热敏电阻的热敏特性(1)将热敏电阻放入烧杯中的水中，测量水温和热敏电阻的阻值(如图甲所示)。(2)准备好记录电阻与温度关系的表格(如下表)。次数待测量123456温度/℃电阻/Ω(3)改变水的温度，多次测量水的温度和热敏电阻的阻值，记录在表格中，把记录的数据画在R－t图中，得到图像如图乙所示。2.研究光敏电阻的光敏特性(1)将光电传感器、多用电表、灯泡、滑动变阻器按如图所示电路连接好，其中多用电表置于“×100”挡。(2)先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值，并记录数据。(3)接通电源，让小灯泡发光，调节小灯泡的亮度使之逐渐变亮，观察表盘指针显示电阻阻值的变化情况，并记录。(4)用手掌(或黑纸)遮住电阻，观察表盘指针显示的电阻阻值，并记录。把记录的结果填入下表中，根据记录数据分析光敏电阻的特性。光照强度弱中强无光照射阻值/Ω结论:光敏电阻的阻值被光照射时发生变化，光照增强时电阻变小，光照减弱时电阻变大。三、误差分析1.温度计读数带来误差。2.多用电表读数带来误差。3.作R－t图像时的不规范易造成误差。四、注意事项1.在做热敏电阻的热敏特性实验时，加开水后要等一会儿再测其阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温。2.光敏实验中，如果效果不明显，可将光敏电阻部分电路放入带盖的纸盒中，并通过盖上小孔改变射到光敏电阻上的光的多少。3.欧姆表每次换挡后都要重新进行欧姆调零。考点一用温度传感器设计控制电路例1(2024·浙江1月选考，16Ⅲ)在探究热敏电阻的特性及其应用的实验中，测得热敏电阻Rt在不同温度时的阻值如下表所示。温度/℃4.19.014.320.028.038.245.560.4电阻/(102Ω)2201601006045302515某同学利用上述热敏电阻Rt、电动势E＝3V(内阻不计)的电源、定值电阻R(阻值有3kΩ、5kΩ、12kΩ三种可供选择)、控制开关和加热系统，设计了A、B、C三种电路。因环境温度低于20℃，现要求将室内温度控制在20℃~28℃范围，且1、2两端电压大于2V，控制开关开启加热系统加热，则应选择的电路是，定值电阻R的阻值应选kΩ，1、2两端的电压小于V时，自动关闭加热系统(不考虑控制开关对电路的影响)。

答案C31.8解析电路A中，定值电阻和热敏电阻并联，电压不变，故不能实现电路的控制，故A错误;电路B中，定值电阻和热敏电阻串联，温度越低，热敏电阻的阻值越大，定值电阻分得的电压越小，无法实现1、2两端电压大于2V，控制开关开启加热系统加热，故B错误;电路C中，定值电阻和热敏电阻串联，温度越低，热敏电阻的阻值越大，热敏电阻分得的电压越大，可以实现1、2两端电压大于2V，控制开关开启加热系统加热，故C正确;由热敏电阻Rt在不同温度时的阻值表可知，20.0℃时热敏电阻的阻值为60×100Ω＝6kΩ，由题意可知U12＝RtRt＋RE＝66＋R×3V＝2V，解得R＝3kΩ;当温度达到28℃时，加热系统关闭，此时热敏电阻的阻值为4.5kΩ，则此时1、2两端的电压为U12'＝Rt'Rt'＋RE＝4.54.5＋3×3跟踪训练1.某同学利用热敏电阻自制了一个简易温度计，其内部电路装置如图甲所示，使用的器材有:直流电源(E＝4.5V，内阻不计)、毫安表(量程未知)、电阻箱R(最大阻值为999.9Ω)、热敏电阻一个、开关S1和S2、导线若干。(1)为了确定毫安表的量程和内阻，先把电阻箱的阻值调到最大，然后将开关S2接至a端，闭合开关S1，逐渐调节电阻箱的阻值，发现当毫安表指针刚好偏转至满偏刻度的12处，电阻箱的示数如图乙所示，此时电阻箱的阻值R＝Ω。将电阻箱的阻值调为540.0Ω时，毫安表指针刚好偏转至满偏刻度的34处，由此知毫安表的满偏电流Ig＝mA，内阻Rg＝Ω(后两问计算结果均保留2位有效数字)(2)将开关S2接至b端，闭合开关S1，该温度计可开始工作，为了得到摄氏温度与电流之间的关系，该同学通过查阅资料，发现自己使用的热敏电阻为负温度系数热敏电阻，其阻值在测量范围(包括0℃)内随摄氏温度的降低而线性增加，比例系数为k(k<0)，已知该电阻在0℃时的阻值为R0，则该简易温度计所测摄氏温度t与电流I之间满足t＝(用E、k、R0、Rg、I表示)。

答案(1)840.01060(2)E解析(1)电阻箱的阻值R＝8×100Ω＋4×10Ω＋0×1Ω＋0×0.1Ω＝840.0Ω;由闭合电路欧姆定律可得E＝12Ig(Rg＋840.0Ω)，E＝34Ig(Rg＋540.0Ω)，解得Ig＝10mA，Rg＝60(2)热敏电阻的阻值Rt＝R0＋kt，由闭合电路欧姆定律可得I＝ERg＋R0＋考点二用光传感器设计控制电路例2(2024·河北卷，12)某种花卉喜光，但阳光太强时易受损伤。某兴趣小组决定制作简易光强报警器，以便在光照过强时提醒花农。该实验用到的主要器材如下:学生电源、多用电表、数字电压表(0~20V)、数字电流表(0~20mA)、滑动变阻器R(最大阻值50Ω，1.5A)、白炽灯、可调电阻R1(0~50kΩ)、发光二极管LED、光敏电阻RG、NPN型三极管VT、开关和若干导线等。(1)判断发光二极管的极性使用多用电表的“×10k”电阻挡测量二极管的电阻。如图甲所示，当黑表笔与接线端M接触、红表笔与接线端N接触时，多用电表指针位于表盘中a位置(见图乙);对调红、黑表笔后指针位于表盘中b位置(见图乙)。由此判断M端为二极管的(选填“正极”或“负极”)。

(2)研究光敏电阻在不同光照条件下的伏安特性①采用图丙中的器材进行实验，部分实物连接已完成。要求闭合开关后电压表和电流表的读数从0开始。导线L1、L2和L3的另一端应分别连接滑动变阻器的、、接线柱(以上三空选填接线柱标号“A”“B”“C”或“D”)。

②图丁为不同光照强度下得到的光敏电阻伏安特性曲线，图中曲线Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ对应光敏电阻受到的光照由弱到强。由图像可知，光敏电阻的阻值随其表面受到光照的增强而(选填“增大”或“减小”)。

(3)组装光强报警器电路并测试其功能图戊为利用光敏电阻、发光二极管、三极管(当b、e间电压达到一定程度后，三极管被导通)等元件设计的电路。组装好光强报警器后，在测试过程中发现，当照射到光敏电阻表面的光强达到报警值时，发光二极管并不发光，为使报警器正常工作，应(选填“增大”或“减小”)可调电阻R1的阻值，直至发光二极管发光。

答案(1)负极(2)①AAD(或C)②减小(3)增大解析(1)(2)①题目要求电压表、电流表读数从零开始，所以应该采用滑动变阻器的分压式接法连接电路，故L1、L2接滑动变阻器A接线柱，L3接在金属杆两端任意一个接线柱，即C或D。②由题图丁可知，从Ⅰ到Ⅲ，随光照强度增加，I－U图像斜率增大，则电阻减小。(3)跟踪训练2.(2025·安徽合肥模拟)城市街道的路灯常用光敏电阻作为传感器控制路灯电路的开关实现自动控制，光敏电阻的阻值随照度变化的曲线如图甲所示(照度反应光的强弱，光越强，照度越大，照度单位为lx)。(1)该同学首先利用多用电表欧姆“×100”挡粗测该光敏电阻在某状态下的阻值，示数如图乙所示，则此时光敏电阻的阻值R1＝Ω。

(2)利用光敏电阻作为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭，在夜晚打开。为模拟自动照明控制系统，某同学选用图丙所示的路灯自动控制的模拟电路图，用直流电路给电磁铁供电作为控制电路，用220V交流电源给路灯供电。为了实现根据光照情况控制路灯通断，请用笔画线代替导线，正确连接电路图。(3)图中直流电源的电动势为15V，内阻忽略不计，电磁铁线圈电阻为400Ω，滑动变阻器有三种规格可供选择:R1(0~100Ω)、R2(0~1500Ω)、R3(0~3000Ω)，当线圈中的电流大于或等于2mA时，继电器的衔铁将被吸合。要求天色渐暗照度降低至20lx时点亮路灯，滑动变阻器应选择(选填“R1”“R2”或“R3”)。

(4)小明同学想利用丙图为自己家的车库设计自动开门装置，当车灯照到光敏电阻上时，开门电动机启动打开车库的门。开门电动机应连接在接线柱上(选填“A、B”“B、C”或“A、C”)。

答案(1)1900(2)见解析图(3)R3(4)B、C解析(1)多用电表欧姆挡读数为19×100Ω＝1900Ω。(2)为满足实验要求，控制电路的连接情况如图所示。(3)要求天色渐暗照度降低至20lx时点亮路灯，此时光敏电阻的电阻值约为4.5kΩ，由闭合电路欧姆定律知R滑＝EI－R－R线圈＝2600Ω，此时的滑动变阻器的阻值约为2.6kΩ，故滑动变阻器应选择R3(4)车灯照到光敏电阻上时，光敏电阻的阻值减小，控制电路部分的电流增大，衔铁被吸引，此时电动机启动，故将开门电动机连接在B、C接线柱上。考点三用其他传感器设计的控制电路例3(2024·全国甲卷，23)电阻型氧气传感器的阻值会随所处环境中的氧气含量发生变化。在保持流过传感器的电流(即工作电流)恒定的条件下，通过测量不同氧气含量下传感器两端的电压，建立电压与氧气含量之间的对应关系，这一过程称为定标。一同学用图(a)所示电路对他制作的一个氧气传感器定标。实验器材有:装在气室内的氧气传感器(工作电流1mA)、毫安表(内阻可忽略)、电压表、电源、滑动变阻器、开关、导线若干、5个气瓶(氧气含量分别为1%、5%、10%、15%、20%)。完成下列实验步骤并填空:(1)将图(a)中的实验器材间的连线补充完整，使其能对传感器定标。(2)连接好实验器材，把氧气含量为1%的气瓶接到气体入口。(3)把滑动变阻器的滑片滑到端(选填“a”或“b”)，闭合开关。

(4)缓慢调整滑动变阻器的滑片位置，使毫安表的示数为1mA，记录电压表的示数U。(5)断开开关，更换气瓶，重复步骤(3)和(4)。(6)获得的氧气含量分别为1%、5%、10%和15%的数据已标在图(b)中;氧气含量为20%时电压表的示数如图(c)，该示数为V(结果保留2位小数)。

现测量一瓶待测氧气含量的气体，将气瓶接到气体入口，调整滑动变阻器滑片位置使毫安表的示数为1mA，此时电压表的示数为1.50V，则此瓶气体的氧气含量为%(结果保留整数)。

答案(1)见解析图甲(3)a(6)1.4017解析(1)连接实物图如图甲所示，注意连线不要有交叉，且电流从电表的正接线柱流入，从电表的负接线柱流出。(3)为了保护电路，闭合开关时，电流表和电压表的示数应为0，所以闭合开关前应将滑动变阻器的滑片滑至a端。(6)根据电压表的读数规则可知，电压表的示数为1.40V;根据题图(b)中的数据点和(20，1.40)点，拟合电压表示数U与氧气含量的曲线如图乙所示，则可知当电压表的示数为1.50V时，氧气含量为17%。1.(2025·广东广州天河区模拟)某同学利用热敏电阻自制了一个简易温度计，其内部电路装置如图甲所示，使用的器材有:直流电源(E＝6.0V，内阻不计)、毫安表(量程10mA，内阻不计)、电阻箱R、热敏电阻Rt、开关S1和S2、导线若干。该热敏电阻阻值Rt随温度t变化的曲线如图乙所示。(1)根据图甲电路图用笔画线代替导线，把图丙中实物电路图补充完整。(2)先断开开关S1，将电阻箱的阻值调到(选填“最大值”或“最小值”)，然后将开关S2接至a端，闭合开关S1，逐渐调节电阻箱的阻值，根据图乙把毫安表改装为温度计。

(3)将开关S2接至b端，闭合开关S1，该温度计便可正常使用。毫安表示数如图丁所示，则通过毫安表的电流为mA，温度为℃。

(4)当温度计使用一段时间后，其电源有一定程度的老化，现依旧使用图甲电路对老化后的电源电动势和内阻进行测量，将开关S2接至a端，测得两组毫安表和电阻箱R的示数分别为I1＝6.0mA，R1＝850Ω;I2＝4.0mA，R2＝1300Ω，此时电源内阻为Ω。

答案(1)见解析图(2)最大值(3)7.550(4)50解析(1)实物电路图如图所示。(2)为了保证电路安全，先断开开关S1，将电阻箱的阻值调到最大值，然后将开关S2接至a端，闭合开关S1，逐渐调节电阻箱的阻值，根据题图乙把毫安表改装为温度计。(3)通过毫安表的电流为I＝7.5mA，可得此时热敏电阻的阻值为Rt＝EI＝67.5×10-3Ω＝800Ω＝0.8kΩ，结合题图乙可知(4)根据闭合电路的欧姆定律得E'＝I1(R1＋r)，E'＝I2(R2＋r)，解得电源内阻为r＝50Ω。2.某同学利用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路”，如图甲所示。将热敏电阻R安装在需要探测温度的地方，当环境温度正常时，继电器的上触点接触，下触点分离，指示灯亮;当环境温度超过某一值时，继电器的下触点接触，上触点分离，警铃响。图甲中给继电器供电的电源电压U1＝4V，内阻不计，继电器线圈用漆包线绕成，其电阻R0为30Ω。当线圈中的电流大于等于40mA时，继电器的衔铁将被吸合，警铃响。图乙是热敏电阻的阻值随温度变化的图像。甲乙(1)图甲中警铃的接线柱C应与接线柱相连，指示灯的接线柱D应与接线柱相连(均选填“A”或“B”)。

(2)当环境温度升高时，继电器的磁性将(选填“增大”“减小”或“不变”)，当环境温度达到℃时，警铃报警。

(3)如果要使报警电路在更高的温度报警，下列方案可行的是。

A.适当减小U1 B.适当增大U1C.适当减小U2 D.适当增大U2答案(1)BA(2)增大40(3)A解析(1)由于B接通时警铃响，A接通时指示灯亮，因此C接B，D接A。(2)由于该热敏电阻随温度升高，阻值减小，回路的电流增大，因此继电器的磁性增大。当电流等于40mA时，回路的总电阻R总＝UI＝4V40mA而继电器电阻R0为30Ω，因此热敏电阻R为70Ω，由题图乙可知对应温度为40℃时，警铃报警。(3)温度更高时，热敏电阻阻值更小，而报警电流为40mA不变，因此应适当降低U1，故A正确。3.为了节能环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统。光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值R随光的照度I变化而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱，光越强，照度越大，照度单位为lx)。(1)某光敏电阻在不同照度下的阻值R如下表所示，根据表中的数据，请在图甲的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线，并判断光敏电阻的阻值R与照度I是否成反比关系。答:(选填“是”或“否”)。

照度I/lx0.20.40.60.81.01.2阻值R/kΩ5.83.72.72.32.01.8甲乙(2)图乙为街道路灯自动控制电路，利用直流电源E为电磁铁供电，利用照明电源为路灯供电。为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果，路灯应接在(选填“A、B”或“C、D”)之间。

(3)已知线圈的电阻为140Ω，直流电源的电动势E＝36V，内阻忽略不计。当线圈中的电流大于10mA时，继电器的衔铁将被吸合，滑动变阻器R'的阻值应调为Ω时，才能使天色渐暗照度低于1.0lx时点亮路灯。

(4)使用一段时间后发现，路灯在天色较亮时就已点亮了，为了使路灯能按设计要求点亮和熄灭，变阻器R'的阻值应适当调些(选填“大”或“小”)。

答案(1)见解析图否(2)A、B(3)1460(4)小解析(1)如图所示，若光敏电阻的阻值R与照度I成反比关系，则有RI为定值，由图像中的点的数据可得5.8×0.2<3.7×0.4<2.7×0.6<2.3×0.8<2.0×1.0<1.8×1.2可知光敏电阻的阻值R与照度I不是反比关系。(2)由于天亮时照度较大，光敏电阻的阻值较小，电路中的电流较大，衔铁被吸下，A、B间断开，C、D间接通，故路灯应接在A、B间。(3)由题意可知，当照度降到1.0lx时，电路电流降低到10mA，此时电路中的总电阻为R总＝EI＝3610×10-3Ω此时光敏电阻的阻值为R＝2000Ω，则滑动变阻器R'的阻值应调为R'＝R总－R－R线＝3600Ω－2000Ω－140Ω＝1460Ω。(4)使用一段时间后发现，路灯在天色较亮时就已点亮了，说明在天色较亮时电路电流就降到了10mA，为了使路灯能按设计要求点亮和熄灭，应使天色较亮时电路电流大于10mA，应使电路的总电阻适当减小，故应将变阻器R'的阻值应适当调小些。4.(2025·陕西高三校联考)某同学根据所学知识制作了一台简易电子秤，原理图如图甲所示，图中电压表可视为理想电压表(量程为0~3V)，滑动变阻器的最大阻值为R＝12Ω，该同学用刻度尺测得滑动变阻器有电阻丝缠绕的ab部分的长度为L＝20cm(电阻丝缠绕均匀)。(1)该同学先利用如图乙所示电路测定电子秤里两节纽扣电池(如图丙所示)的电动势和内阻，根据多次测量得到的数据作出的U'－I图像如图丁所示，可知这两节纽扣电池串联后的电动势为E＝V，内阻为r＝Ω。

(2)该同学想得到电压表的示数U与被测物体质量m之间的关系，设计了如下实验:①调节图甲中滑动变阻器滑片的位置，使电压表的示数恰好为零;②在托盘里缓慢加入细砂，直到滑动变阻器的滑片恰好滑到b端，然后调节电阻箱R0，直到电压表达到满偏，实验过程中弹簧一直处于弹性限度内，则此时电阻箱的读数为R0＝Ω;

③已知所用弹簧的劲度系数为k＝2.0×102N/m，重力加速度g取10m/s2，则该电子秤所能称量的最大质量为m＝kg(结果保留2位有效数字)。

(3)实验过程所称量物体的质量m和电压表的示数U的关系为(选填“线性”或“非线性”)。

答案(1)4.00.5(2)②3.5③4.0(3)线性解析(1)对题图乙所示电路，根据闭合电路欧姆定律可得E＝U'＋Ir，即U'＝E－Ir，U'－I图像与纵轴交点的纵坐标等于两节纽扣电池串联后的电动势，图像斜率的绝对值等于电池的内阻，由题图丁可知电动势为E＝4.0V，内阻为r＝2.0-4.04.0Ω＝0.5Ω(2)②电压表达到满偏时滑动变阻器接入电路的阻值为R＝12Ω，根据欧姆定律可得UR＝ER0＋R＋③滑动变阻器的滑片滑到b端，弹簧的形变量增加了20cm，由平衡条件有kΔx＝mg，则该电子秤所能称量的最大质量为m＝4.0kg。(3)所称量物体的质量m＝kxg，电压表的示数为U＝ER＋R0＋r·RLx，联立可得U＝5.(2023·湖南卷，12)某探究小组利用半导体薄膜压力传感器等元件设计了一个测量微小压力的装置，其电路如图(a)所示，R1、