2026版高三物理一轮复习第十三章 第4讲　传感器　实验十六：利用传感器制作简单的自动控制装置讲义课件+课时练

简洁实用高效第十三章交变电流电磁波传感器第4讲传感器实验十六：利用传感器制作简单的自动控制装置物理内容索引必备知识梳理关键能力提升第一部分第二部分考点一传感器考点二实验十六：利用传感器制作简单的自动控制装置0102课时作业第三部分必备知识梳理第分部一自主学习·基础回扣一、传感器及其工作原理1．传感器的工作原理：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。通常转换成的可用信号是电压、电流等____量，或转换为电路的____。把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、____、处理和____。电学通断传输控制传感器应用的一般模式如图所示：2．传感器的核心元件(1)敏感元件：能直接感受或响应外界被测________的部分。(2)转换元件：能将敏感元件输出的信号直接转换成______的部分。(3)信号调整与转换电路：能把输出的微弱的电信号放大的部分。非电学量电信号二、常见敏感元件1．光敏电阻(1)特点：光照越强，电阻____。(2)原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能__；随着光照的____，载流子增多，导电性能变好。(3)作用：把________这个光学量转换为____这个电学量。越小差增强光照强弱电阻2．热敏电阻和金属热电阻(1)热敏电阻热敏电阻一般由半导体材料制成，其电阻随温度的变化明显。如图甲所示为一种热敏电阻的阻值随温度变化的特性曲线，温度升高时，其电阻____。(2)金属热电阻有些金属的电阻率随温度的升高而____，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图乙所示为某金属导线的阻值随温度变化的特性曲线。减小增大(3)作用：热敏电阻和金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。

在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器。3．电阻应变片(1)电阻应变片的作用：电阻应变片能够把物体____这个力学量转换为____这个电学量。(2)应变式电子秤的组成及敏感元件：由金属梁和电阻______组成，敏感元件是______。(3)应变式电子秤的工作原理形变电阻应变片应变片关键能力提升第分部二互动探究·考点精讲考点一传感器1．传感器的分类项目工作原理举例物理传感器利用物质的物理特性或物理效应制成力传感器、磁传感器、声传感器等化学传感器利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号离子传感器、气体传感器等生物传感器利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等2.五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【典例1】

（2022·重庆卷）某兴趣小组研究热敏电阻在通以恒定电流时，其阻值随温度的变化关系。实验电路如图甲所示，实验设定恒定电流为50.0μA，主要实验器材有恒压直流电源E、加热器、测温仪、热敏电阻RT、可变电阻R1、电流表A、电压表V。(1)用加热器调节RT的温度后，为使电流表的示数仍为50.0μA，需调节__________（选填一种给定的实验器材）。当RT两端未连接电压表时，电流表示数为50.0μA；连接电压表后，电流表示数显著增大，须将原电压表更换为内阻______（选填“远大于”“接近”或“远小于”）RT阻值的电压表。可变电阻R1远大于(2)测得RT两端的电压随温度的变化如图乙所示，由图乙可得温度从35.0℃变化到40.0℃的过程中，RT的阻值随温度的平均变化率是________kΩ·℃-1（保留两位有效数字）。－1.21．（2022·北京卷）某同学利用压力传感器设计水库水位预警系统。如图所示，电路中的R1和R2，其中一个是定值电阻，另一个是压力传感器（可等效为可变电阻）。水位越高，对压力传感器的压力越大，压力传感器的电阻值越小。当a、b两端的电压大于U1时，控制开关自动开启低水位预警；当a、b两端的电压小于U2（U1、U2为定值）时，控制开关自动开启高水位预警。下列说法正确的是(

)A．U1<U2B．R2为压力传感器C．若定值电阻的阻值越大，开启高水位预警时的水位越低D．若定值电阻的阻值越大，开启低水位预警时的水位越高对点演练C2．（2023·湖南卷）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、R2、R3为电阻箱，RF为半导体薄膜压力传感器，C、D间连接电压传感器（内阻无穷大）。(1)先用电阻表“×100”挡粗测RF的阻值，示数如图(b)所示，对应的读数是__________Ω。解析：电阻表读数为10×100Ω＝1000Ω。1000(2)适当调节R1、R2、R3，使电压传感器示数为0，此时，RF的阻值为_____（用R1、R2、R3表示）。(3)依次将0.5g的标准砝码加载到压力传感器上（压力传感器上所受压力大小等于砝码重力大小），读出电压传感器示数U，所测数据如表中所示：根据表中数据在图(c)上描点，绘制U－m关系图线。序号123456砝码质量m/g0.00.51.01.52.02.5电压U/mV057115168220280答案：见解析图解析：绘出U－m图像如图所示。(4)完成前面三步的实验工作后，该测量微小压力的装置即可投入使用。在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力F0，电压传感器示数为200mV，则F0大小是__________N（重力加速度大小取9.8m/s2，保留两位有效数字）。解析：由图像可知，当电压传感器的读数为200mV时，所放物体质量为1.75g，则F0＝mg＝1.75×10-3×9.8N≈1.7×10-2N。1.7×10-2(5)若在步骤(4)中换用非理想毫伏表测量C、D间电压，在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力F1，此时非理想毫伏表读数为200mV，则F1__（选填“>”“＝”或“<”）F0。解析：可将C、D以外的电路等效为新的电源，C、D两点间电压看作路端电压，因为换用非理想毫伏表，当读数为200mV时，实际C、D间（接理想电压传感器时）的电压大于200mV，则此时压力传感器的读数F1>F0。>考点二实验十六：利用传感器制作简单的自动控制装置1．门窗防盗报警装置(1)实验电路（如图所示）(2)工作原理闭合电路开关S，系统处于防盗状态。当门窗紧闭时，磁体M靠近干簧管SA，干簧管两个簧片被磁化相吸而接通继电器线圈K，使继电器工作。继电器的动触点c与常开触点a接通，发光二极管LED发光，显示电路处于正常工作状态。当门窗开启时，磁体离开干簧管，干簧管失去磁性断开，继电器被断电。继电器的动触点c与常闭触点b接通，蜂鸣器H发声报警。干簧管在电路中起传感器和控制开关的作用，继电器则相当于一个自动的双向开关。(3)实验步骤①连接电路前，要先判断一下干簧管是否可以正常工作。用磁体直接靠近干簧管，观察簧片能否正常工作。②确定各元件可以正常工作后，按照电路图连接电路。③接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，分别观察实验现象。2．光控开关(1)实验电路（如图所示）(2)工作原理当环境光比较强时，光敏电阻RG的阻值很小，三极管不导通，发光二极管或继电器所在的回路相当于断路，即发光二极管不工作；继电器处于常开状态，小灯泡L不亮。当环境光比较弱时，光敏电阻RG的阻值变大，三极管导通，且获得足够的基极电流，产生较大的集电极电流，点亮发光二极管或驱动继电器吸合而点亮小灯泡L。(3)实验步骤①按照电路图连接电路，检查无误后，接通电源。②让光敏电阻RG受到白天较强的自然光照射，调节电阻R1使发光二极管LED或小灯泡L刚好不发光。③遮挡RG，当光照减弱到某种程度时，就会看到发光二极管LED或小灯泡L发光。④让光照加强，当光照强到某种程度时，发光二极管LED或小灯泡L熄灭。【典例2】

（2024·河北卷）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1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2）；对调红、黑表笔后指针位于表盘中b位置（见图2），由此判断M端为二极管的____（选填“正极”或“负极”）。负极【解析】

根据多用电表结构，使用欧姆挡时黑表笔接内部电源正极，故当黑表笔接M端，电阻无穷大，说明二极管此时所接电压为反向电压，则M端为二极管的负极。(2)研究光敏电阻在不同光照条件下的伏安特性①采用图3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。（以上三空均选填接线柱标号“A”“B”“C”或“D”）AAC（或D）②图4为不同光照强度下得到的光敏电阻的伏安特性曲线，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”）。减小【解析】

①题干要求电压表、电流表读数从零开始，所以滑动变阻器采用分压式接法接入电路，故L1、L2接滑动变阻器A接线柱，L3必须接在金属杆两端接线柱任意一个，即C或D。②由图像可知，随光照强度增加，I－U图像斜率增大，所以电阻减小。(3)组装光强报警器电路并测试其功能图5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时，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。增大【解析】

三极管未导通时，RG与R1串联。随着光强增强，RG电阻减小，此时三极管仍未导通，说明R1分压小，故需要增大R1。3．（2024·广东卷）某科技小组模仿太阳能发电中的太阳光自动跟踪系统，制作光源跟踪演示装置，实现太阳能电池板方向的调整，使电池板正对光源。图甲是光照方向检测电路。所用器材有：电源E（电动势3V）、电压表V1和V2（量程均有0～3V和0～15V，内阻均可视为无穷大）、滑动变阻器R、两个相同的光敏电阻RG1和RG2；开关S、手电筒、导线若干。图乙是实物图，图中电池板上垂直安装有半透明隔板，隔板两侧装有光敏电阻，电池板固定在电动机转轴上。控制单元与检测电路的连接未画出。控制单元对光照方向检测电路无影响。请完成下列实验操作和判断。对点演练(1)电路连接。图乙中已正确连接了部分电路，请完成虚线框中滑动变阻器R、电源E、开关S和电压表间的实物图连线。答案：见解析图解析：电路连线如图所示。(2)光敏电阻阻值与光照强度关系测试。①将图甲中R的滑片置于__端。用手电筒的光斜着照射到RG1和RG2，使RG1表面的光照强度比RG2表面的小。②闭合S，将R的滑片缓慢滑到某一位置。电压表V1的示数如图丙所示，读数U1为________V，V2的示数U2为1.17V。由此可知，表面光照强度较小的光敏电阻的阻值____（选填“较大”或“较小”）。③断开S。b1.60较大解析：①将图甲中的R的滑片置于b端；②电压表量程为0～3V，最小刻度为0.1V，则读数为1.60V；由此可知表面光照强度较小的RG1两端电压较大，说明表面光照强度较小的阻值较大。(3)光源跟踪测试。①将手电筒的光从电池板上方斜着照射到RG1和RG2。②闭合S。并启动控制单元。控制单元检测并比较两光敏电阻的电压，控制电动机转动。此时两电压表的示数U1<U2，图乙中的电动机带动电池板______（选填“逆时针”或“顺时针”）转动，直至______时停止转动，电池板正对手电筒发出的光。解析：②由于两电压表的示数U1<U2，可知RG1光照强度较大，则说明电动机带动电池板逆时针转动，直至U1＝U2时停止转动，电池板正对手电筒发出的光。逆时针U1＝U24．现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60℃时，系统报警。提供的器材有：热敏电阻，报警器（内阻很小，流过的电流超过Ic时就会报警），电阻箱（最大阻值为999.9Ω），直流电源（输出电压为U，内阻不计），滑动变阻器R1（最大阻值为1000Ω），滑动变阻器R2（最大阻值为2000Ω），单刀双掷开关一个，导线若干。在室温下对系统进行调节。已知U约为18V，Ic约为10mA；流过报警器的电流超过20mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，当温度为60℃时阻值为650.0Ω。(1)完成待调节的报警系统原理电路图的连线。答案：见解析图解析：电路图连线如图所示。(2)电路中应选用滑动变阻器________（选填“R1”或“R2”）。R2(3)按照下列步骤调节此报警系统：①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为__________Ω；滑动变阻器的滑片应置于__（选填“a”或“b”）端附近，不能置于另一端的原因是_______________________________________________________________________。②将开关向__（选填“c”或“d”）端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至______________。650.0b

接通电源后，流过报警器的电流会超过20mA，报警器可能损坏c报警器开始报警解析：①电阻箱的电阻值应调为热敏电阻在60℃时的阻值，即650.0Ω。滑动变阻器的滑片应置于b端，使开关接通后回路中电流最小，以保护报警器，即防止因过载而损坏报警器。②应将开关向c端闭合，调节滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警。(4)保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用。课时作业68第分部三1．（5分）图甲是一种家用门窗防盗报警装置，图乙是干簧管元件。安装时，在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SA，并将干簧管接入报警电路（蜂鸣报警器），睡觉前连接好电路，启动防盗报警装置，当门紧闭时，蜂鸣报警器不响，当门被打开时，蜂鸣报警器发出声音警报，下列有关说法正确的是(

)AA．当门关闭时，干簧管两簧片接通B．干簧管可以由铜或银等导电性能更好的材料制成C．如将门上镶嵌磁体的N、S极对调后，该报警器不能正常工作D．本装置是利用电磁感应原理控制电路解析：干簧管为磁控开关，当门关闭时干簧管靠近磁体，干簧管两簧片接通，故D错误，A正确；铜或银不是磁性材料，则干簧管不可以由铜或银等导电性能更好的材料制成，故B错误；如将门上镶嵌磁体的N、S极对调后，不影响磁体吸引干簧管两簧片，该报警器能正常工作，故C错误。2．（5分）如图是利用太阳能给LED路灯供电的自动控制电路的示意图。R是光敏电阻，R0是保护定值电阻，日光充足时，电磁继电器把衔铁吸下，GH接入电路，太阳能电池板给蓄电池充电，光线不足时，衔铁被弹簧拉起，EF接入电路，蓄电池给LED路灯供电，路灯亮起，下列关于该电路分析正确的是(

)CA．该光敏电阻阻值随光照强度增大而增大B．增加电源电动势可以增加路灯照明时间C．增大保护电阻R0阻值可延长每天路灯照明时间D．并联更多的LED路灯可延长每天路灯照明时间解析：日光充足时，电磁继电器把衔铁吸下，根据闭合电路欧姆定律，可知控制电路中电阻变小，电流变大，衔铁被吸下，则当日光充足时光敏电阻R阻值减小，故A错误；电动势增大，电阻不变情况下，电流增大，电磁继电器把衔铁吸下，减少了路灯照明时间，故B错误；增大保护电阻R0，电流减小，延长了照明时间，故C正确；LED灯的盏数不影响控制电路，考虑到蓄电池容量一定，可能减少照明时间，故D错误。3．（5分）光控路灯可以根据光照的变化自动开启或关闭，如图所示是利用光敏电阻和晶体三极管制作的光控开关的原理电路图。当天色逐渐变暗时，LED灯自动点亮，关于此时光控电路的判断，下列说法正确的是(

)A．光敏电阻RG的阻值逐渐变小B．光敏电阻RG的电压变小C．晶体三极管被断开D．如果想要在更暗的时候LED灯被点亮，应将R1调大一点D解析：由光敏电阻的特性可知，光照逐渐变暗时，RG的电阻逐渐变大，所以光敏电阻RG的分压逐渐变大，当光敏电阻两端的电压即晶体三极管b极的电压增大到一定值时，晶体三极管被导通，A、B、C错误；想要在更暗的时候接通LED灯，即三极管恰好导通时光敏电阻对应阻值变大，即应将R1电阻调大，D正确。4．（12分）在实际应用中有多种自动控温装置，如图(a)是一种控温装置。(1)图(a)为某自动恒温箱原理图，箱内的电阻R1＝2kΩ，R2＝1.5kΩ，R3＝4kΩ，RT为热敏电阻，其电阻随温度变化的图像如图(b)所示。当a、b两点电势φa<φb时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当φa≥φb时，电压鉴别器会使S断开，停止加热，则恒温箱内的稳定温度为____

℃，恒温箱内的电热丝加热时RT的取值范围为____________。25RT>3kΩ(2)有一种由PTC元件做成的加热器，它产生的焦耳热功率PR随温度t变化的图像如图(c)所示。该加热器向周围散热的功率为PQ＝k(t－t0)，其中t为加热器的温度，t0为室温（本题中取20℃），k＝0.1W/℃。当PR＝PQ时加热器的温度即可保持稳定，则该加热器工作的稳定温度为______________________

℃；某次工作中，该加热器从室温升高至稳定温度的过程中，下列温度变化过程用时最短的是__（填字母）。A．20～24℃ B．32～36℃C．48～52℃ D．60～64℃71（70～72均可）B解析：由题知PQ＝0.1(t－t0)(W)，在PR－t图像中作出PQ与温度t之间的关系图线如图所示；由图可知，当温度为71℃时，加热器发热功率和散热功率相等，即此时加热器的温度不再变化；由图可知，四个选项中，32～36℃时PR－PQ最大，即该过程用时最短，故选B。5．（12分）（2024·浙江1月选考）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：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）。C31.8

解析：电路A，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，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，定值电阻和热敏电阻串联，温度越低，热敏电阻的阻值越大，热敏电阻分得电压越大，可以实现6．（14分）（2025·湖北武汉阶段检测）如图甲所示为苹果自动分拣装置的示意图，该装置把大小不同的苹果，按一定质量标准自动分拣为大苹果和小苹果。该装置的托盘秤压在一个以O1为转动轴的杠杆上，杠杆末端压在压力传感器R上，R的阻值随压力变化的曲线如图乙所示。调节托盘秤压在杠杆上的位置，使质量等于分拣标准(0.15kg)的大苹果经过托盘秤时，杠杆对R的压力为1N。调节可调电阻R0，可改变R、R0两端的电压比，使质量等于分拣标准的大苹果通过托盘秤时，R0两端的电压恰好能使放大电路中的电磁铁吸动分拣开关的衔铁，此电压叫作放大电路的激励电压。该放大电路中包含保持电路，能够确保大苹果在衔铁上运动时电磁铁始终保持吸动状态。(1)当大苹果通过托盘秤时，R所受的压力较大，电阻____（选填“较大”或“较小”）。解析：由图乙可知当大苹果通过托盘秤时，R所受的压力较大，电阻较小。较小(2)自动分拣装置正常工作时，大苹果通过______（选填“通道A”或“通道B”