第12章 实验十七 利用传感器制作简单的自动控制装置(教用Word)-【金榜题名】2026年高考物理一轮总复习

实验十七　利用传感器制作简单的自动控制装置 考向 定位 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(UH＝k) 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　　 1 2 3 4 5 6 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)打开电源，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)遮光时电阻值又是多少，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欧姆调零． 考点一　用温度传感器设计控制电路 [例1]　(2025·江苏模拟)寒冷的冬季，某农场会用自动控温系统对蔬菜大棚进行控温，要求当蔬菜大棚内的温度低于15 ℃时，加热系统立即启动．实验小组对上述工作系统进行了如下探究： (1)先用伏安法测量某热敏电阻Rx的阻值(约为几十千欧)，实验室提供以下器材： A.电流表(量程0～0.6 A，内阻约为15 Ω) B.电流表(量程0～0.6 mA，内阻约为100 Ω) C.电压表(量程0～5 V，内阻约为5 kΩ) D.电压表(量程0～15 V，内阻约为20 kΩ) E.滑动变阻器(阻值范围0～200 Ω，允许的最大电流2 A) F.滑动变阻器(阻值范围0～20 Ω，允许的最大电流1 A) G.待测热敏电阻Rx H.蓄电池(电动势E＝12 V，内阻不计) I.开关和导线若干 J.恒温室 ①为了使测量结果更准确，采用下列实验电路进行实验，较合理的是________． A.　　　　B． C. D． ②实验时滑动变阻器应选用________，电压表应选用________，电流表应选用________．(均填器材前面的字母序号) (2)经过测量不同温度下热敏电阻Rx的阻值，得到其阻值与温度的关系如图甲所示．实验小组用该热敏电阻设计了如图乙、丙所示的两种温度控制电路，Rx为热敏电阻，R为电阻箱，控制系统可视为阻值为48 kΩ的定值电阻，电源的电动势E0＝10 V(内阻不计).当通过控制系统的电流大于0.2 mA时，加热系统将开启；当通过控制系统的电流小于0.2 mA时，加热系统将关闭．若要使得温度低于15 ℃时，加热系统立即启动，应该选用________(填“图乙”或“图丙”)电路，应将R调为________Ω；若将R调大，则加热系统的开启温度将________(填“高于”或“低于”)15 ℃. 【解析】　(1)由题意可知，热敏电阻阻值约为几十千欧，远远大于电流表的内阻，因此使用电流表内接，滑动变阻器阻值与热敏电阻的阻值相比均比较小，从操作角度考虑，使用分压接法，故选B； 若使用F，则干路的电流约为 I＝＝ A＝0.6 A<1 A 没有超过滑动变阻器的额定电流，所以，为了便于调节，应选用阻值范围较小的F； 电源电动势为12 V，电压表量程选择15 V合理，故选D； 当热敏电阻与电流表两端电压为12 V时，通过热敏电阻的电流小于1 mA，因此电流表选择B. (2)温度越低，热敏电阻的阻值越大，图丙中控制系统与热敏电阻并联，则通过控制系统的电流越大，故应选图丙； 由图甲可知，当温度为15 ℃时，热敏电阻的阻值为Rx＝32 kΩ 控制系统可视为阻值为 R控＝48 kΩ 根据闭合电路欧姆定律可得 (＋I)R＋IR控＝E0 其中I＝0.2 mA 代入数据，解得 R＝0.8 kΩ＝800 Ω 若将R调大，要想维持控制系统两端的电压不变，则Rx应变大，温度降低，故加热系统的开启温度降低于15 ℃. 【答案】　(1)①B　②F　D　B (2)图丙　800　低于 [对点训练] 1．(2025·重庆期末)某项目式学习小组，在老师带领下设计了一个汽车轮胎温度报警器，其电路如图甲所示，其中温度传感器RT(核心部件在常温下阻值约为几千欧姆的热敏电阻)与一块变阻箱并联，滑动变阻器R1的最大阻值为10 kΩ，电路中没有使用电流表，而是将一块满偏U0＝27 mV 电压表与定值电阻R0＝90 Ω并联，电源不计内阻，且U＝3 V． (1)在连接电路时可供选择的变阻箱有两个不同规格：阻值范围为0－999.99 Ω的变阻箱R2；阻值范围为0－9999.9 Ω的变阻箱R3.应该选用________(填“R2”或“R3”)进行实验． (2)连接好电路后，在老师的带领下同学们测量温度传感器RT“温度－电阻”变化规律．闭合开关前应将变阻器R1的滑片往________(填“a”或“b”)端滑． (3)将图乙所示的传感器测温探头放在温度不断上升的水中，然后做如下操作：将S2闭合到“1”位置，调节滑动变阻器，使电压表的示数为U0(接近满偏)，再迅速将开关S2闭合到“2”位置，调节电阻箱使电压表示数再次为U0(忽略该操作过程液体温度变化)，此时变阻箱的阻值就是温度传感器热敏电阻RT在此温度下的阻值．待温度上升下一个记录温度时，重复上述操作得到了下表数据． 温度/℃ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 阻值 / kΩ 9.99 5.20 3.00 1.60 1.00 0.70 0.83 0.40 0.31 0.24 0.20 请在图丙坐标纸上将剩余的点描完，并绘出热敏电阻，RT的阻值随温度变化规律． (4)有同学利用测出的热敏电阻RT的阻值随温度变化规律，又设计了如图丁所示电路图，采用量程为300 μA内阻为90 Ω的电流表，将其改装成3 mA和15 mA的量程，可以实现变档测温，通过控制开关S1能够实现0～40 ℃和0～100 ℃的两种测温范围，改装后的电流表不同档位对应不同测温范围．由此可推测Rc＝________ Ω.将开关S1接到________(填“c”或“d”)测温量程为0～100 ℃. 解析：(1)由于温度传感器RT在常温下阻值约为几千欧姆，则变阻箱应该选用R3. (2)闭合开关前，为了保证电表安全，将变阻器R1的滑片往b端滑． (3)根据表格数据描出剩余点，并作出RT的阻值随温度变化的图线如图所示 (4)采用量程为300 μA内阻为90 Ω的电流表，将其改装成3 mA和15 mA的量程，则有 Id＝Ig＋＝3 mA Ic＝Ig＋＝15 mA 联立解得 Rc＝2 Ω，Rd＝8 Ω 当开关S1接到c时，改装的电流表量程为15 mA，电流表的内阻为 RA1＝＝1.96 Ω 当开关S1接到d时，改装的电流表量程为3 mA，电流表的内阻为 RA2＝＝9 Ω 当温度为100 ℃时，RT＝0.2 kΩ，若将开关S1接到c，则有 I1＝＝≈15 mA＝Ic 若将开关S1接到d，则有 I2＝＝≈14.4 mA>Id＝3 mA 可知将开关S1接到c测温量程为0～100 ℃. 答案：(1)R3 (2)b (3)见解析 (4)2　c 考点二　用光传感器设计控制电路 [例2]　(2025·昆明模拟)用光敏电阻和电磁继电器等器材设计自动光控照明电路，傍晚天变黑，校园里的路灯自动亮起；早晨天亮时，路灯自动熄灭．选用的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).图乙所示为校园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220 V交流电源给路灯供电． (1)请用笔画线代替导线，正确连接继电器控制电路． (2)当线圈中的电流大于或等于2 mA时，继电器的衔铁将被吸合．为了实现根据光照情况控制路灯通断，路灯应接在________接线柱上． A.A、B　　　　　B．B、C C.A、C (3)图中直流电源的电动势E＝15 V，内阻忽略不计，电磁铁线圈电阻为400 Ω，滑动变阻器有三种规格可供选择：R1(0～100 Ω)、R2(0～1750 Ω)、R3(0～17500 Ω)，要求天色渐暗照度降低至15lx时点亮路灯，滑动变阻器应选择__________(填“R1”“R2”或“R3”). (4)使用过程中发现天色比较暗了，路灯还未开启．为了使路灯亮得更及时，应适当地________(填“增大”或“减小”)滑动变阻器的电阻． (5)小佳同学想利用乙图为自己家院子里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． 【解析】　(1)为满足实验要求，控制电路的连接情况如图所示． (2)天亮时照度增大，光敏电阻的阻值减小，电磁铁中电流增大，磁场增强，吸引衔铁向下与C接通，灯熄灭，故灯泡应接在A、B之间． 故选A. (3)要求天色渐暗照度降低至15 lx时点亮路灯，此时光敏电阻的电阻值约为5.6 kΩ，由闭合电路欧姆定律可知，此时的滑动变阻器的阻值约为1.5 kΩ，故滑动变阻器应选择R2. (4)使用过程中发现天色比较暗了，路灯还未开启，说明此时控制电路的电流较大，总电阻较小，所以为使路灯亮得更及时，应适当地增大滑动变阻器的电阻． (5)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，此时电动机启动，故将开门电动机连接在BC接线柱上满足题意． 【答案】 (1)见解析图 (2)A (3)R2 (4)增大 (5)BC [对点训练] 2．(2025·洛阳模拟)元宵节是中国的传统节日，在以往孩子们在这一天会手提着蜡烛灯笼，在大街小巷游玩．随着科技的进步，造型独特、功能齐全的电子灯笼、音乐灯笼相继问世．某实验小组购置了一个电灯泡灯笼，其电路如图甲所示，当单刀双掷开关S0拨到1的时候，灯常亮，当开关拨到2的时候，在控制芯片的作用下灯就会闪一闪，非常好看． (1)该实验小组为了实现到了晚上自动亮灯而白天不亮灯，于是在电路中将C、D间的导线去除，在这两点间增加了一个亮度感应开关(其结构主要是一个电磁继电器和一个光敏电阻R)，如图乙，其工作原理如下： ①开关S0任意接通1或2，接通开关S1； ②若环境较暗，灯亮起； ③若环境中光亮度较高，光敏电阻的电阻________(填“较大”或“较小”)，电磁继电器中的线圈电流________(填“较大”或“较小”)，两个触点与铁片________(填“接触”或“分离”). (2)该实验小组还想实现亮度自动调节功能，即灯的亮度可以随着环境亮度的变化而变化，环境越亮的时候灯越暗．他们向调节电路虚线框内接入了一个半导体光敏电阻R1，如图丙所示，请设计并补充电路图(使用光敏电阻符号R1：)________． 解析：(1)③若环境中光亮度较高，光敏电阻的电阻较小，电磁继电器中的线圈电流较大，两个触点与铁片分离． (2)环境越亮的时候光敏电阻的阻值越小，要求灯越暗，则光敏电阻与灯泡并联，补充电路图如图 答案：(1)较小　较大　分离 (2)见解析图 学科网（北京）股份有限公司 $$