2026届高考物理一轮复习讲义：利用传感器制作简单的自动控制装置

该高中物理高考复习资料聚焦传感器原理及自动控制装置设计核心考点，按“工作原理-元件特性-应用设计”逻辑架构知识，涵盖热敏、光敏、压敏电阻等特性及实验电路分析，通过考点梳理、方法指导（如电路设计与数据处理）、真题训练（2022重庆卷等）环节，帮助学生构建知识网络，突破难点。 资料突出实验探究与科学思维融合，如“探究热敏电阻特性”实验中引导学生选择分压电路和电流表接法，培养科学探究能力。设置分层练习（基础题如教材练习、提升题如自动控温装置分析），配合真题精讲，确保高效复习，为教师把控节奏提供清晰路径，提升学生应考能力。

实验十五 利用传感器制作简单的自动控制装置 [选择性必修第二册] 1．阅读教材第五章第一节“神奇的传感器”这一内容，认识传感器的工作原理。 提示：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、电流等电学量，或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。 2．阅读教材第五章第一节“传感器的组成与应用模式”这一内容，知道传感器的应用模式。 提示： 3．阅读教材第五章第2节的内容，请你总结出光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻的特性。 提示：光敏电阻：随光照强度增强阻值变小，反之阻值增大；金属热电阻：随温度升高阻值增大，反之阻值减小；热敏电阻：随温度升高阻值减小，反之阻值增大。 4．阅读教材第五章第3节的内容，理解门窗防盗报警装置、光控开关的设计原理。 提示：详见教材第五章第3节。 5．请完成教材第五章第2节【练习与应用】T3。 提示：（1）开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温铁氧体相吸，手松开后，按钮不会恢复到图示状态，这样触点接通，电热板通电加热。 （2）水沸腾后，水温不再升高，锅内温度保持100 ℃不变，故感温铁氧体仍与永磁体相吸，继续加热一直到饭煮熟，温度大致不变。 （3）饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度会升高，当温度升高到“居里点”103 ℃时，感温铁氧体失去铁磁性，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，从而停止加热。 （4）如果用电饭锅烧水，因为水沸腾后水温保持在100 ℃，故不能自动断电。 6．请完成教材第五章第3节【练习与应用】T3。 提示：当工人不慎将手伸入危险区时，手遮住了光线，二极管截止，电磁继电器放开衔铁，机床停止工作。 考点一　热敏电阻的特性及应用 一、热敏电阻 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，温度升高电阻减小，如图甲所示为某一热敏电阻的阻值随温度变化的特性曲线。 2．金属热电阻 有些金属的电阻率随温度的升高而增大，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电阻的温度特性曲线。 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。 注意：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。 二、研究热敏电阻的热敏特性 1．实验步骤 （1）按如图所示连接好电路，将热敏电阻绝缘处理。 （2）把多用电表置于“欧姆”挡，并选择适当的量程测出烧杯中没有水时热敏电阻的阻值，并记下温度计的示数。 （3）向烧杯中注入少量的冷水，使热敏电阻浸没在冷水中，记下温度计的示数和多用电表测量的热敏电阻的阻值。 2．数据处理 （1）根据记录数据，把测量到的温度、电阻值填入表中，分析热敏电阻的特性。 （2）在坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。 （3）根据实验数据和R－t图线，得出结论。 3．注意事项 在做本实验时，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。 某实验小组进行“探究热敏电阻的温度特性”实验，实验室提供如下器材： 热敏电阻Rt（常温下约8 kΩ）、温度计、电流表A（量程1 mA，内阻约200 Ω）、电压表V（量程3 V，内阻约10 kΩ）、电池组E（电动势为4.5 V，内阻约1 Ω）、滑动变阻器R（最大阻值为20 Ω）、开关S、导线若干、烧杯和水。 （1）根据实验所提供的器材，设计实验电路，画在图甲所示的方框中。 （2）图乙是实验器材的实物图，图中已连接了部分导线，请根据你所设计的实验电路，补充完成实物间的连线。 （3）闭合开关前，滑动变阻器的滑动触头P应置于________（填“a”或“b”）端。 （4）实验小组利用正确连接的实验装置测量出不同温度下的电阻值，画出该热敏电阻的Rt－t图像如图丙中的实测曲线，与图中理论曲线相比二者有一定的差异。除了偶然误差外，关于产生系统误差的原因或减小系统误差的方法，下列说法中正确的是________。 A．电流表的分压造成电阻的测量值总比真实值大 B．电压表的分流造成电阻的测量值总比真实值小 C．温度升高到一定值后，电流表宜采用外接法 D．温度升高到一定值后，电流表宜采用内接法 （1）见解析图1；（2）见解析图2；（3）a；（4）AC （1）本实验中要探究热敏电阻的温度特性曲线，故滑动变阻器采用分压接法，同时热敏电阻阻值较大，故应采用电流表内接法；实验电路图如图1所示。 （2）根据电路图连接实物图，如图2所示。 （3）因当滑动触头置于a端时待测电路电压或电流为零，从而保护电流表。 （4）由于电流表内接，电流表的分压使电压表读数大于热敏电阻两端的电压，故A正确；当温度升高到一定值后，电阻变小，则电流表应选用外接法，故C正确。 （2024·安徽省·联考题）小华用交流电源、干电池、电磁继电器、热敏电阻、定值电阻、可变电阻器、开关、导线等元器件设计了一个自动开关暖风机，其电路原理图如图甲所示。设计要求是：一旦温度低于某一预定温度时，暖风机就开始工作。 （1）热敏电阻的特性如图乙所示，为满足设计要求，电路图甲中的定值电阻是电阻__________（填“”或“”）； （2）若干电池电动势为1.5 V，内阻为0.1 Ω，继电器吸合衔铁的驱动电压为1 V，若设定＝12 ℃，定值电阻阻值为800 Ω，则应将调至__________ Ω，电路才能正常工作； （3）已知旧干电池与新干电池相比，电动势基本相同，而内阻比新电池大得多。如果长时间没有更换电池，表面上暖风机仍然能正常工作，但暖风机开始工作的温度将__________（填“高于”或“低于”）。 （1）；（2）＝399.9 Ω；（3）低于 （1）图甲中与串联，由题意可知，只有当线圈电压，即的电压达到继电器吸合衔铁的驱动电压时，暖风机才能开始工作；而随着温度降低，热敏电阻的阻值将会增大，其在串联电路中所分电压也将随之增大，故为热敏电阻，为定值电阻。 （2）由图乙可知，当＝12 ℃时，热敏电阻＝2400 Ω，此时暖风机开始工作，其电压为＝1 V，根据串联电路的分压规律得：，代入数据，算出＝399.9 Ω。 （3）由可知，当内阻r增大时，热敏电阻将增大，而根据热敏电阻得特征，温度越低，热敏电阻得阻值才能增大，所以暖风机开始工作的温度将低于。 处理热敏电阻类的问题时，首先要根据题中信息确定电阻随温度的变化趋势，其次需要结合电路的相关知识去综合分析并得出结论，最后要注意电阻随温度的变化是否为线性关系。 1．（2022·重庆高考）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。实验电路如图所示，实验设定恒定电流为50.0 μA，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50.0 μA，须调节____________（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50.0 μA；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”“远小于”）RT阻值的电压表。 （2）测得RT两端的电压随温度的变化如图所示，由图可得温度从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2位有效数字）。 （1）可变电阻R1；远大于；（2）－1.2 （1）由题知恒压直流电源E提供的电压不变，用加热器调节RT的温度后，RT的阻值发生改变，要确保电流表的示数仍为50.0 μA，则必须控制整个回路的总电阻不变，故须调节的器材是可变电阻R1。连接电压表后，电流表示数显著增大，则说明电压表与RT并联的总阻值R总明显小于RT，根据并联电阻R总＝＝，可知要保证R总近似等于RT，须将原电压表更换为内阻RV远大于RT阻值的电压表。 （2）由题中U－t图像可得，温度为35.0 ℃时RT两端的电压为1.60 V，根据欧姆定律可知此时热敏电阻的阻值RT1＝ Ω＝32 kΩ；温度为40.0 ℃时RT两端的电压为1.30 V，根据欧姆定律可知此时热敏电阻的阻值RT2＝ Ω＝26 kΩ。则温度从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k＝＝ kΩ·℃－1＝－1.2 kΩ·℃－1，负号表示随着温度升高RT的阻值减小。 2．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999.9 Ω），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1 000 Ω），滑动变阻器R2（最大阻值为2 000 Ω），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18 V，Ic约为10 mA；流过报警器的电流超过20 mA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650.0 Ω。 （1）完成待调节的报警系统原理电路图的连线。 （2）电路中应选用滑动变阻器________（选填“R1”或“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_____________。 （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。 （1）如图所示 （2）R2；（3）①650.0；b；接通电源后，流过报警器的电流会超过20 mA，报警器可能损坏；②c；报警器开始报警 （1）见答案图。 （2）由R＝＝ Ω＝1 800 Ω可知，滑动变阻器应选R2。 （3）①电阻箱的电阻值应调为热敏电阻在60 ℃时的阻值，即650.0 Ω。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。 考点二　光敏电阻的特性及应用 一、光敏电阻 1．特点：光照越强，电阻越小。 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，导电性能差；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。 3．作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。 二、研究光敏电阻的光敏特性 1．实验步骤 （1）将光敏电阻、多用电表、小灯泡、滑动变阻器、学生电源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，观察表盘指针显示光敏电阻阻值的情况，并记录。 （4）用手掌（或黑纸）遮光时，观察表盘指针显示光敏电阻阻值的情况，并记录。 2．数据处理 根据记录数据分析光敏电阻的特性。 3．注意事项 本实验中，如果效果不明显，可将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。 某同学为定性探究光敏电阻阻值随光照强度变化的关系，设计了如图a所示的电路。所用器材有：置于暗箱（图中虚线区域）中的光敏电阻RG、小灯泡和刻度尺；阻值为R的定值电阻；理想电压表V；电动势为E、内阻为r的电源；开关S；导线若干。 实验时，先按图a连接好电路，然后改变暗箱中光源到光敏电阻的距离d，记录电压表的示数U，获得多组数据如下表。 d/cm 8.50 10.00 12.00 13.50 15.00 U/mV 271.0 220.0 180.0 156.7 114.9 d/cm 18.50 20.00 22.00 23.50 U/mV 94.8 89.5 78.6 72.5 回答下列问题： （1）光敏电阻阻值RG与电压表示数U的关系式为RG＝________________（用E、r、R、U表示）。 （2）在图b的坐标纸上补齐数据表中所给的第二组数据点，并作出U－d曲线。 　　 （3）依据实验结果可推断：光敏电阻的阻值随着光照强度的减小而______（填“增大”或“减小”）。 （4）该同学注意到智能手机有自动调节屏幕亮度的功能，光照强度大时屏幕变亮，反之变暗。他设想利用光敏电阻的特性，实现“有光照射光敏电阻时，小灯泡变亮；反之变暗”的功能， 设计了如图c所示的电路，则电路中________（填“R1”或“R2”）为光敏电阻，另一个为定值电阻。 （1）R－r－R；（2）图见解析；（3）增大；（4）R2 （1）根据闭合电路欧姆定律，可得U＝，解得RG＝R－r－R。 （2）描点、连线如图所示。 （3）当光源距离光敏电阻越远时，光照强度越小，电压表示数越小，根据RG＝R－r－R可知，光敏电阻的阻值RG越大。 （4）如果R1为光敏电阻，有光照射光敏电阻时，外电路总电阻变小，路端电压降低，灯泡两端电压降低，灯泡变暗；若R2为光敏电阻，有光照射光敏电阻时，外电路总电阻变小，干路电流增大，内电压升高，路端电压降低，流过R1的电流减小，因此流过灯泡的电流增大，灯泡变亮。因此R2为光敏电阻。 为了节能和环保，一些公共场所用光控开关控制照明系统，光控开关可用光敏电阻控制，如图甲所示是某光敏电阻阻值随光的照度变化曲线，照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为：勒克斯（lx）。 （1）如图乙所示，电源电动势为3 V，内阻不计，当控制开关两端电压上升至2 V时控制开关自动启动照明系统。要求当天色渐暗照度降至1.0（lx）时控制开关接通照明系统，则R1＝________kΩ。 （2）某同学为了测量光敏电阻在不同照度下的阻值，设计了如图丙所示的电路进行测量，电源（E＝3 V，内阻未知），电阻箱（0～99 999 Ω）。实验时将电阻箱阻值置于最大，闭合S1，将S2与1相连，减小电阻箱阻值，使灵敏电流计的示数为I，图丁为实验时电阻箱的阻值，其读数为________ kΩ；然后将S2与2相连，调节电阻箱的阻值如图戊所示，此时电流表的示数恰好为I，则光敏电阻的阻值为________ kΩ（结果保留3位有效数字）。 （1）10；（2）62.5；40.0 （1）电阻R1和R0串联，有＝，U0＝2 V，当照度1.0（lx）时，电阻R0＝20 kΩ，则R1＝10 kΩ。 （2）题图丁的电阻为R2＝62.5 kΩ，题图戊的电阻R2′＝22.5 kΩ，本题采用等效法测电阻，前后两次电路中的电流相等，则电路中的电阻相等，则有R2＝R0′＋R2′，所以R0′＝40 kΩ。 （1）光敏电阻可能的工作原理：半导体受光照，电阻变化。 （2）热敏电阻可能的工作原理：半导体受热，电阻变化。 （3）金属热电阻可能的工作原理：金属受热，电阻变化。 （4）电阻应变片可能的工作原理：金属导体在外力作用下发生机械形变，电阻变化。 （5）电容式位移传感器可能的工作原理：被测物体发生位移时，电介质板随之在电容器两极板之间移动，导致电容变化。 1．（2023·浙江温州市二模）图中光敏电阻没有受到光照射（或光较暗）时，阻值较大；有光照射（或光较强）时，阻值较小。如图所示，现利用该光敏电阻、低压直流电源和电磁继电器设计了自动控制电路，用于公路照明。下列说法正确的是（ ） A．白天光照越强，电磁铁的磁性越强 B．白天流过的电流大于晚上流过的电流 C．该电路能实现灯泡白天亮，晚上不亮的功能 D．低压直流电源的总功率晚上比白天的大 B 光照增强，则热敏电阻阻值减小，总阻值减小，回路中总电流增大，两端电压增大，根据闭合电路欧姆定律可知，路端电压减小，因此电磁铁和两端电压减小，电流减小，磁性减弱，故A错误；光照增强，总电流增大，流过的电流减小，因此流过的电流增大，故白天流过的电流大于晚上流过的电流，故B正确；光照增强，磁性减弱，因此灯泡电路断开，白天不亮，故C错误；光照增强，回路中总电流增大，根据可知功率增大，因此白天功率较大，故D错误。 2．某同学用光敏电阻和电磁继电器等器材设计自动光控照明电路。 （1）光强（E）是表示光强弱程度的物理量，单位为坎德拉（cd）。如图a所示是光敏电阻阻值随光强变化的图线，由此可得到的结论是：_______________________________________________________________ ________________________________________________________________。 （2）如图b为电磁继电器的构造示意图，其中L为含有铁芯的线圈，P为可绕O点转动的衔铁，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线柱。工作时，应将________（填“A、B”或“C、D”）接照明电路。 （3）请在图c中用笔画线代替导线，完成实物电路的连接。 （4）已知电源电动势为3 V，内阻很小，电磁铁线圈电阻R0＝20.0 Ω，电流超过50 mA时可吸合衔铁。如果要求光强达到2 cd时，照明电路恰好接通，则图c中定值电阻R＝________ Ω。 （1）随光照强度的增加，光敏电阻的阻值减小得越来越慢；（2）C、D；（3）图见解析；（4）21.5 （1）从图a可知，光敏电阻的阻值随光照强度变化的规律是：随光照强度的增加，光敏电阻的阻值迅速减小，进一步增大光照强度，光敏电阻的阻值减小得越来越慢。 （2）由电路原理可知，电磁铁线圈连接的是控制电路，S连接的是工作电路，故工作时，应将C、D接照明电路。 （3）将光敏电阻和定值电阻接入控制电路，用电器接入工作电路，连接电路如图所示： （4）当外界光照强度达到2 cd时，由图a可知，光敏电阻的阻值R1＝18.5 Ω，照明电路恰好接通开始工作，电磁铁能吸合衔铁的电流I＝0.05 A，由I＝ 得，控制电路总电阻R总＝＝＝60 Ω，根据串联电路电阻规律可知，定值电阻的阻值为：R＝R总－R0－R1＝60 Ω－20.0 Ω－18.5 Ω＝21.5 Ω。 考点三　其他传感器的应用 其他常见敏感元件 1．电阻应变片 （1）电阻应变片的作用：电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。 （2）电子秤的组成及敏感元件：由金属梁和电阻应变片组成，敏感元件是应变片。 （3）电子秤的工作原理 ⇒⇒⇒ 2．霍尔元件的应用 霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的一种磁敏元件。一般用于电机中测定转子的转速，如录像机的磁鼓、电脑中的散热风扇等。 （1）霍尔元件的工作原理：E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B时，薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M、N间出现电压（如图所示）。 （2）霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受静电力和洛伦兹力二力平衡。 （3）霍尔电压：UH＝（d为薄片的厚度，k为霍尔系数）。其中UH与B成正比，所以霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。 （2023·四川遂宁市模拟）高速路入口都安装有称量汽车重量的地磅。如图甲所示是某工厂生产的小型地磅结构图和电路图，其中R是压敏电阻，质量m0＝500 kg的秤台平放在压敏电阻上，被称汽车停放在秤台上。已知电路中电源电动势为26 V、内电阻r＝10 Ω，电流表量程为0.3 A、内阻RA＝10 Ω，滑动变阻器R′的最大阻值为500 Ω。如图乙是压敏电阻的阻值R随压力F变化曲线。某设计人员对电流表上刻度重新赋值，使之能够从表盘上直接读出秤台上汽车的质量，他先后进行了以下操作。重力加速度g＝10 m/s2。 （1）断开开关S，撤去秤台上的汽车，把多用电表的旋钮旋到欧姆挡“×10挡”，通过正确调零后，用红、黑表笔接在压敏电阻两端，多用电表的表针指到如图丙所示位置，则压敏电阻R此时的电阻值为________ Ω。 （2）闭合开关S，设计人员通过调节滑动变阻器，使电流表读数为0.10 A，并在此处标注为0 kg，则此时滑动变阻器R′接入电路的电阻值为________ Ω；2 500 kg处应标注在________ A处。 （3）设计人员按上述操作逐个刻度赋值后，经长时间使用，发现电池的电动势略有减小、内电阻有所增大。他重新调节滑动变阻器，使秤台空载时电流表读数仍为0.10 A，然后再去测量汽车的重量。您认为现在的测量值相比汽车真实重量________（选填“偏大”“偏小”或“不变”）。 （1）160；（2）80；0.13；（3）偏小 （1）欧姆挡选择“×10挡”，则阻值为16.0×10 Ω＝160 Ω。 （2）当仅有秤台时，压敏电阻的阻值为160 Ω，根据闭合电路欧姆定律得E＝I(R＋R′＋RA＋r)，解得R′＝80 Ω，2 500 kg的物体在秤台上时，此时压力为(2 500＋500)×10 N＝3×104 N，压敏电阻的阻值约为100 Ω，根据闭合电路欧姆定律得E＝I1(R1＋R′＋RA＋r)，解得I1＝0.13 A。 （3）根据E＝I(R＋R′＋RA＋r)，可得R＝－R′－RA－r，电池的电动势偏小，则相同的电流下，R的阻值偏小，结合题图乙可知汽车的质量的测量值偏小。 磁敏电阻是一种对磁敏感、具有磁阻效应的电阻元件。磁敏电阻在磁场中电阻值发生变化的现象称为磁阻效应。某同学利用伏安法测量一磁敏电阻的阻值（约几千欧）随磁感应强度的变化关系。所用器材：电源E，开关S，滑动变阻器R（最大阻值为20 Ω），电压表（内阻约为3000 Ω）和毫安表（可视为理想电表）。 （1）在图1所给的器材符号之间画出连线，组成测量电路图； （2）实验时，将磁敏电阻置于待测磁场中，记录不同磁感应强度下电压表和毫安表的示数，计算出相应的磁敏电阻阻值。若某次测量中电压表和毫安表的示数分别为6.2 V和2.8 mA，则此时磁敏电阻的阻值为________ kΩ（保留两位有效数字）。实验中得到的该磁敏电阻阻值R磁随磁感应强度B变化的曲线如图2所示； （3）某次测量中，测得磁敏电阻的阻值为10.0 kΩ，此时磁感应强度为________ T（保留两位有效数字）； （4）太阳风是指从太阳上层大气射出的超声速带电粒子流，当太阳风激烈爆发时，可能会给地球带来无法预计的磁暴灾难。某同学利用实验中的磁敏电阻制作了一种搭载在人造卫星上的探测磁感应强度的报警器，其电路的一部分如图3所示。图中E为直流电源（电动势为9.0 V，内阻可忽略），当图中的输出电压达到或超过3.0 V时，便触发报警器（图中未画出）报警。若要求开始报警时磁感应强度为10－4 T，则图中________（填“R1”或“R2”）应使用磁敏电阻，另一固定电阻的阻值应为________ kΩ（保留两位有效数字）；如果要提高此装置的灵敏度（即在磁感应强度更小时就能触发报警），应该________（填“增大”或“减小”）固定电阻的阻值。 （1）图见解析；（2）2.2；（3）1.4×10－4；（4）R2；10；减小 （1）因毫安表可视为理想电表，则采用电流表的内接法可以消除电流表内阻而产生的系统误差；滑动变阻器的最大阻值为20 Ω，待测磁敏电阻约几千欧，则滑动变阻器采用分压式接法以便于操作和多测数据，电路图如图所示。 （2）根据部分电路的欧姆定律可得磁敏电阻的阻值为R磁＝＝ Ω≈2.2 kΩ。 （3）根据R磁－B图像可知，当R磁＝10.0 kΩ时，磁感应强度B＝1.4×10－4 T。 （4）根据题图2可知，发生磁暴磁感应强度增大时，磁敏电阻的阻值增大，结合题意知，磁敏电阻两端电压增大，故R2为磁敏电阻。要求输出电压为3.0 V时恰好报警，且此时B＝10－4 T，由题图2知此时R2＝5 kΩ，由＝，代入数据解得R1＝－R2＝10 kΩ。 若要提高此装置的灵敏度，则触发报警时磁感应强度更小， 即输出电压为3 V时对应R2的阻值更小， 根据串联分压原理可知应该减小固定电阻R1的阻值。 常用传感器敏感元件的特点及作用 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＝） 压敏电阻 将压力这个力学量转换为电阻这个电学量 压敏电阻的阻值随力的变化而变化 1．（2023·上海市模拟）力传感器是高中物理实验中常见的一种传感器，它通过敏感元件把待测力这一物理量转化为相应的电信号来进行测量。 （1）如图（a）所示，R1、R2、R3、R4为四个完全相同的应变片，弹性梁在外力的作用下产生形变时，应变片随之被拉伸或压缩，拉伸时电阻值变大，压缩时电阻值变小。现将R2、R3两个应变片粘贴在弹性梁的上表面，R1、R4两个应变片粘贴在弹性梁的下表面。当弹性梁右端受力向下弯曲时，R2、R3的电阻值________，R1、R4的电阻值________（均选填“变大”“变小”或“不变”）。 采用如图（b）所示的电路图测量电路，已知电源电动势为E，内阻不计。每片应变片的初始电阻为R0。当弹性梁右端受到外力作用，四个应变片电阻变化量的绝对值均为Δx，则A、B两端的电压UAB＝______。 （2）如图（c）所示为半导体薄膜压力传感器的电阻值R随压力F变化的图线。读图可知，压力为1 N时该图像的斜率为__________ kΩ/N，压力为5 N时该图像的斜率为________ kΩ/N。要使传感器对力的变化测量较为灵敏，应选择在区间__________（选填“1 N”或“5 N”）附近。 （1）变大；变小；；（2）24；1.75；1 N （1）当弹性梁右端受力向下弯曲时，R2、R3拉伸，电阻变大，R1、R4压缩，电阻变小。R1两端电压U1＝，R3两端电压U3＝，所以UAB＝|U1－U3|＝。 （2）压力为1 N时该图像的斜率为k＝ kΩ/N＝24 kΩ/N，压力为5 N时该图像的斜率为k′＝ kΩ/N＝1.75 kΩ/N，要使传感器对力的变化测量较为灵敏，则压力改变量相同的情况下，电阻变化大，即斜率大的更灵敏，故在1 N附近。 2．在实际应用中有多种自动控温装置。 （1）图（a）为某自动恒温箱原理图，箱内的电阻R1＝2 kΩ，R2＝1.5 kΩ，R3＝4 kΩ，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；当时，电压鉴别器会使S断开，停止加热。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________。 （2）有一种由PTC元件做成的加热器，它的热功率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＝0.1 W/℃。 ①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________℃； ②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________。（填选项前的字母序号） A．20～24 ℃　　　　　B．32～36 ℃　　　　　C．48～52 ℃　　　　　D．60～64 ℃ （1）25；Rt＞3 kΩ；（1）①72（70～72均可）；②B （1）由题图（a）可知，当满足＝时，即Rt＝3 kΩ时φa＝φb，此时由题图（b）可知温度为25 ℃，即恒温箱内的稳定温度为25 ℃；恒温箱内的电热丝加热时Rt的取值范围为Rt＞3 kΩ。 （2）①PQ＝0.1(t－t0)，PQ与温度t之间关系的图像如图所示。由图可知，当温度为72 ℃左右时，发热功率和散热功率相等，即此时物体的温度不再变化。②发热和散热功率差值越大，升温越快，故选B。 3．（2024·全国·历年真题）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1 mA）、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%）。 （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（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1 mA，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__________%（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1 mA，此时电压表的示数为1.50 V，则此瓶气体的氧气含量为__________%（结果保留整数）。 （1）见解析图；（3）a；（6）1.40 17； （1）为了保持流过传感器的电流恒定，电阻型氧气传感器两端的电压调节范围较大，所以滑动变阻器采用分压式接法，由于毫安表内阻可忽略，所以电流表采用内接法，实物连接图如图所示 （3）为了保护电路，闭合开关前，需要电阻型氧气传感器两端的电压为零，故滑动变阻器的滑片滑到a端口； （6）由图可知，电压表的分度值为0.1 V，需要估读到分度值下一位，其读数为1.40 V； 当瓶气体的氧气含量为20%时，电压为1.40 V，在图（b）中描出该点，用平滑的曲线将各点连接起来，如图所示 可知电压表的示数为1.50 V时，此瓶气体的氧气含量为17%。 考点四　利用传感器制作简单的自动控制装置 1．以传感器（热敏电阻、光敏电阻和压力传感器等）和基本电路的综合应用创新：以闭合电路的欧姆定律为主线，以热敏电阻、光敏电阻和压力传感器等为主要元件，探究电路中的电学量随温度、光照和压力等外部因素变化规律，或外部因素（温度、光照和压力等）确定时计算某些电学量。 2．以基本传感器为器材的自动控制装置制作创新：外部因素（温度、光照和压力等）发生变化后，会引起传感器阻值发生变化，从而会引起电路中的电流发生变化，继电器动作，起到自动控制的作用。 实验装置/原理图 创新解读 利用伏安法测量热敏电阻阻值随温度的变化关系 利用给定的电路探究某热敏电阻的温度特性 热敏电阻在电路中也是电阻，用伏安法测量出热敏电阻两端的电压和通过热敏电阻的电流，可求出瞬时阻值，再测出此时的环境温度，重复以上过程五次，测量出五组数据，将五组数据描在坐标系中，连接各点后可得阻值随温度的变化图线。 根据阻值随温度的变化图线可粗略读出不同温度下热敏电阻的阻值。 通过实验制作一个简易的温控装置 外部因素变化→传感器阻值变化→回路电流变化→继电器或其他元件工作→自动控制完成。 （2024·广东省·历年真题）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3 V）电压表V1和V2（量程均有3 V和15 V，内阻均可视为无穷大）；滑动变阻器R：两个相同的光敏电阻和；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。 （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V间的实物图连线__________。 （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。用手电筒的光斜照射到和，使表面的光照强度比表面的小。 ②闭合S，将R的滑片缓慢滑到某一位置。V1的示数如图丙所示，读数为__________ V，V2的示数为1.17 V。由此可知，表面光照强度较小的光敏电阻的阻值__________（填“较大”或“较小”）。 ③断开S。 （3）光源跟踪测试。 ①将手电筒的光从电池板上方斜照射到和。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，图乙中的电动机带动电池板__________（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。 （1）见解析；（2）①b ②1.60 V 较大；（3）逆时针， （1）滑动变阻器采用分压式接法，电源电动势为3 V，电压表量程0～3 V，如图： （2）①滑动变阻器采用分压式接法，为保护电路，初始时滑片处于b端； ②电压表V1最小分度值为0.1 V，读数为1.60 V；读数大于，根据串联电路分压可知，由题意表面的光照强度比表面的小，故表面光照强度较小的光敏电阻的阻值较大； （3）此时两电压表的示数，由（2）分析可知，，表面的光照强度比表面的大，要使电池板正对光源，电动机应逆时针转动，此时。 （2022·河北卷）某物理兴趣小组利用废弃电饭煲的部分器材自制简易电饭煲，设计电路如图1所示。选用的器材有：限温开关S1（手动将其按下，开始持续加热煮饭，当锅内温度高于103 ℃时自动断开，之后不能自动闭合）；保温开关S2（当锅内温度高于80 ℃时自动断开，温度低于70 ℃时自动闭合）；电饭煲的框架（结构如图2所示）。自备元件有：加热电阻丝R（阻值为60 Ω，用于加热煮饭）；限流电阻R1和R2（阻值均为1 kΩ）；指示灯L1和L2（2.5 V，0.6 W，当电流低于30 mA时可视为熄灭）；保险丝T。 （1）按照兴趣小组设计的电路，下列说法正确的是 ________（多选）。 A．按下S1，L1和L2均发光 B．当锅内温度高于103 ℃时，S1自动断开，L1和L2均发光 C．保温过程中，S2自动在闭合、断开状态之间交替切换 D．当锅内温度低于70 ℃时，S2自动闭合，L1发光，L2熄灭 （2）简易电饭煲制作完成后，试用时L1始终不亮，但加热和保温功能均正常。在不增加元件的前提下，断开电源，使用多用电表判断发生故障的元件。下列操作步骤的正确顺序是___________（填写各步骤前的字母）。 A．将选择开关旋转到“×100”位置 B．将两支表笔直接接触，调节“欧姆调零旋钮”，使指针指向欧姆零点 C．调整“指针定位螺丝”，使指针指到零刻度 D．测量指示灯L1两端的阻值 E．将选择开关置于OFF位置或交流电压最高挡操作时，将多用电表两表笔与L1两端接触，若指针如图3所示，可判断是________断路损坏；若指针如图4所示，可判断是________断路损坏。（用电路中的元件符号表示） （1）CD；（2）CABDE；L1；R1 （1）按下S1后L2支路被短路，则L2不会发光，A错误；当锅内温度高于103 ℃时，S1断开，而温度降到70 ℃以下时S2才会闭合，则此时L2可能发光，此时电路中R与R1和L1的串联部分并联，并联的整体再和L2、R2串联，RL1≈10.42 Ω，则回路中并联的整体电阻R并≈56.64 Ω，则回路总电阻R总＝1 067.06 Ω，则回路总电流I总＝ V＝0.21 A，则L2一定发光，此时并联的整体的电压为U并＝I总R并≈11.89 V，则流过L1的电流为IL1＝＝ A≈0.012 A，则流过L1的电流小于30 mA，则L1熄灭，B错误；由题知，S2在锅内温度高于80 ℃时自动断开，锅内温度降到70 ℃以下时S2自动闭合，C正确；当锅内温度低于70 ℃时，S2自动闭合，L2支路被短路，则L2不会发光，此时电路中R与R1和L1的串联部分并联，则此时流过L1的电流为I′L1＝＝ A≈0.218 A，则此时流过L1的电流大于30 mA，则L1发光，D正确。 （2）多用电表的操作步骤为调整“指针定位螺丝”，使指针指到零刻度——机械调零；将选择开关旋转到“×100”位置——选挡；将两支表笔直接接触，调节“欧姆调零旋钮”，使指计指向欧姆零点——欧姆调零；测量指示灯L1两端的阻值——测量；将选择开关置于OFF位置或交流电压最高挡——关闭多用电表，故正确顺序为CABDE。由于使用时L1始终不亮，但加热和保温功能均正常，则说明R、L2、R2、T均正常，如图3可看出L1两端有1 100 Ω左右的电阻，则说明L1始终不亮的原因是L1断路损坏。由于使用时L1始终不亮，但加热和保温功能均正常，则说明R、L2、R2、T均正常，如图4可看出欧姆表的示数很小，由于RL≈10.42 Ω，则说明灯泡L1正常，则说明L1始终不亮的原因是R1断路损坏。 利用传感器制做简单的自动控制装置，关键是了解其应用场景，进行功能性分析，电路的控制分析，理解其工作过程。 1．为了节能和环保，一些公共场所用光敏电阻制作光控开关来控制照明系统，如图为电路原理图。图中，直流电源电动势为3 V，内阻可不计，R为滑动变阻器，RG为光敏电阻，其在不同照度下的阻值如下表（照度是描述光的强弱的物理量，光越强照度越大，lx是它的单位）。若控制开关两端电压升至2 V时将自动开启照明系统，则以下说法正确的是（　　） 照度/lx 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 电阻RG/kΩ 75 40 28 23 20 18 A．若将R接入电路的阻值调整为20 kΩ，则当照度降低到1.0 lx时启动照明系统 B．若要使照明系统在照度降低到0.8 lx时启动，则要将R接入电路的阻值调整为46 kΩ C．R接入电路的阻值不变时，照度越大，控制开关两端的电压越大 D．若要在光照更暗时启动照明系统，应将R接入电路的阻值调大 D 将R接入电路的阻值调整为20 kΩ，则当照度降低到1.0 lx时，RG为20 kΩ，此时控制开关两端电压为总电压一半，为1.5 V，还未启动照明系统，故A错误；使照明系统在照度降低到0.8 lx时启动，根据串联电路特点，R接入电路的阻值应满足＝，解得R＝11.5 kΩ，故B错误；R接入电路的阻值不变时，照度越大，光敏电阻阻值越小，分压越小，故C错误；若要在光照更暗，光敏电阻阻值更大时启动照明系统，根据串联电路特点可知，应将R接入电路的阻值调大，故D正确。 2．（2024·重庆市市辖区·模拟题）为了提高水果筛选的效率，小明同学设计了一款自动分拣装置，电路图如图甲所示。该装置的托盘秤压在以为转动轴的杠杆上，杠杆左端压在压力传感器R上，R的阻值随压力变化的曲线如图乙所示。当质量等于分拣标准（0.12 kg）的苹果经过托盘秤时，杠杆对R的压力为1 N，调节可调电阻，使它两端电压恰好能使放大电路中的电磁铁吸动分拣开关的衔铁，此电压叫做放大电路的激励电压。放大电路中有保持电路，能够确保苹果在衔铁上运动时，电磁铁始能吸住衔铁的状态。电源电动势为9 V，内阻不计，激励电压为3 V。 （1）当0.12 kg的苹果通过托盘秤时，电流表的示数为_______ A，此时的阻值等于_______ kΩ。 （2）自动分拣装置正常工作时，通过通道B的苹果质量__________（选填“大于”“小于”或者“等于”）。 （3）已知压力传感器受到的压力与苹果的质量成正比。若要将分拣标准提高到0.432 kg，仅将的阻值调为__________ kΩ即可实现。 （1） 15；（2）大于；（3）10 （1）当0.12 kg的苹果通过托盘秤时，杠杆对R的压力为1 N，由乙图可知此时R＝30 kΩ，根据闭合电路欧姆定律可得 求得I＝ A 此时电阻的激励电压为3 V，根据欧姆定律可得 Ω＝20 kΩ （2）大于0.12 kg的苹果通过托盘秤时，两端的电压达到放大电路的激励电压，使放大电路中的电磁铁吸动分拣开关的衔铁，苹果进入下面的通道B。 （3）压力传感器受到的压力与苹果的质量成正比 求得F＝3.6 N 此时对应的电阻为R＝20 kΩ 根据闭合电路欧姆定律可得 代入数据求得＝10 kΩ。 学科网（北京）股份有限公司 $$