练案72 第十三章 第72讲 传感器的组成和工作原理 实验十六 利用传感器制作简单的自动控制装置-【衡中学案】2026年高考物理一轮总复习练案

练案[72] 第72讲 传感器的组成和工作原理 实验十六 利用传感器制作简单的自动控制装置 基础巩固练 3.(多选)如图是霍尔元件的工作原理 示意图，如果用d表示薄片的厚度， 1.图甲是一种家用门窗防盗报警装置，图乙是干簧管元 k为霍尔系数，对于一个霍尔元件 件。安装时，在门的上沿嵌入一小块永磁体M,门框 d、k为定值，如果保持I恒定，则可 内与M相对的位置嵌入干簧管SA,并将干簧管接入 以验证U随B的变化情况。以下 报警电路（蜂鸣报警器），睡觉前连接好电路，启动防 说法正确的是（工作面是指较大的平面） 盗报警装置，当门紧闭时，蜂鸣报警器不响，当门被打 A.将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面， 开时，蜂鸣报警器发出声音警报，下列有关说法正确 U1将变大 的是 B.在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面 应保持水平 C.在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作 报警电路 面应保持水平 D.改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，U将发生 变化 4.(2022·重庆卷)某兴趣小组研究 热敏电阻在通以恒定电流时，其 门窗防盗报警装置 干簧管 甲 阻值随温度的变化关系。实验电 乙 路如图所示，实验设定恒定电流 A.当门关闭时，干簧管两簧片接通 为50.0uA,主要实验器材有：恒 B.干簧管可以由铜或银等导电性能更好的材料制成 压直流电源E、加热器、测温仪、热 C.如将门上镶嵌磁体的N、S极对调后，该报警器不能 敏电阻R、可变电阻R、电流表A、电压表V。 正常工作 (1)用加热器调节R,的温度后，为使电流表的示数仍 D.本装置是利用电磁感应原理控制电路 为50.0uA,须调节 (选填一种给定的实 2.传感器是把非电学量（如位移、速度、压力、角度等）转 验器材)。当R,两端未连接电压表时，电流表示 换成电学量（如电压、电流、电阻等）的一种元件或装 数为50.0uA;连接电压表后，电流表示数显著增 置。如图所示的甲、乙、丙、丁是四种常见的电容式传 大，须将原电压表更换为内阻 (选填“远大 感器，下列说法正确的是 于”“接近”或“远小于”)R,阻值的电压表。 金属 (2)测得R,两端的电压随温度的变化如图所示，由图 线 可得温度从35.0℃变化到40.0℃的过程中，R 的阻值随温度的平均变化率是 k2·℃- 定片 (保留2位有效数字)。 ↑UN 3.00 2.50 固定电极 2.00 1.50 电介质 之极板 可动电极 f:o 1.00 x一 待测压力F 0.50 、极板 0.00 田t/℃ 丙 丁 20.030.0 40.050.060.070.0 A.图甲中两极板所带电荷量不变，若电压减少，可判 能力提升练 断出h变小 B.图乙中两极板所带电荷量不变，若电压增加，可判5.(2025·河北省联考)某科技兴趣小组对具有自动加水 断出0变小 功能的家用电热壶的原理十分感兴趣，于是自行设计了 C.图丙中两极板间的电压不变，若有电流流向传感器 一个简化的装置示意图和电路图，如图甲所示。该装置 的负极，则x变大 可以实现在壶中的水量不足时自动加水，而在达到“预 D.图丁中两极板间的电压不变，若有电流流向传感器 设水量”时，又能够自动停止加水的目的。底座可以承 的正极，则F变大 受水壶和水的全部重量，底座压在一个以0点为固定 转轴的L形杠杆上。杠杆AB0段水平，另一端与压力 467 传感器R,接触，R的阻值与压力F之间的关系图像 (1)根据表中数据，请在给定的坐标系中描绘出光敏 如图乙所示。当“控制电路”的输入端电压大于等于 电阻的阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照 1V时，能控制水泵的电机开始工作，将水抽到水壶 度变化的特点： 中。已知电源的电动势为6V,内阻为12，R2为电阻 (2)如图所示，当1、2两端所加电压上升至2V时，控 箱(0~99.92)，水壶中没有水时，水壶和底座的总质 制开关自动启动照明系统，请利用下列器材设计 量为0.5kg,重力加速度g取10m/s2,“控制电路”输 一个简单电路。给1、2两端提供电压，要求当照 入端中的电流十分微弱，可以忽略，杠杆绝缘且质量 度降低至1.0x时启动照明系统，在虚线框内完 不计，不考虑加水时水流的冲击力。回答下列问题： 成电路原理图。（不考虑控制开关对所设计电路 的影响) 水龙头可 提供的器材如下： 底座 光敏电阻R(符号：-，阻值见上表)； 杠杠 B 直流电源E(电动势3V,内阻不计)； 定值电阻：R,=10k2,R,=20k2,R3=40k2(限 选其中之一并在图中标出)； 开关S及导线若干。 7.已知一热敏电阻当温度从10℃升至60℃时阻值从几 接水桶 千欧姆降至几百欧姆，某同学利用伏安法测量其阻值 随温度的变化关系。所用器材：电源E、开关S、滑动 R/2 变阻器R(最大阻值为20Ω)、电压表（可视为理想电 表)和毫安表（内阻约为1002）。 (1)在下列虚线框中所给的器材符号之间画出连线 组成测量电路图。 热敏电阻 10152025 30 乙 (1)水龙头往水壶加水的过程中，R,的阻值逐渐 ,R2两端的电压逐渐 (均选填“增 (2)实验时，将热敏电阻置于温度控制室中，记录不同 大”或“减小”)；为了实现上述功能，“控制电路” 温度下电压表和毫安表的示数，计算出相应的热 的输人端应该并联在电路的 端点（选填 敏电阻阻值。若某次测量中电压表和毫安表的示 “a、b”或“c、d”)。 数分别为5.5V和3.0mA,则此时热敏电阻的阻 (2)该小组的同学调节底座与杠杆的接触位置B,使 值为 k2(保留2位有效数字)。实验中 图甲中OA的长度为OB长度的2倍，并要求“预 得到的该热敏电阻阻值R随温度：变化的曲线如 设水量”为1L(对应的水的质量为1kg)。已知电 图a所示。 阻R受到的压力F=8·5,其中F。为杠杆 R/kO 6.0 上B点受到的压力，则应将R2调节为 5.0 2,此时R2两端的电压为 V。 4.0 6.为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控制照 30 明系统。光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻 2.0 是阻值随着光的照度而发生变化的元件（照度可以反 1.0 R 映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为x)。某光 10203040506070/℃ 敏电阻R。在不同照度下的阻值如下表： 图a 图b 照度1x0.20.40.60.8 1.01.2 (3)将热敏电阻从温控室取出置于室温下，测得达到 热平衡后热敏电阻的阻值为2.2k2。由图a求 电阻/k2 75 40 28 23 20 18 得，此时室温为 ℃（保留3位有效数字）。 电阻/k (4)利用实验中的热敏电阻可以制作温控报警器，其 照明系统 电路的一部分如图b所示。图中，E为直流电源 控制开关 (电动势为10V,内阻可忽略)：当图中的输出电 压达到或超过6.0V时，便触发报警器（图中未画 出)报警。若要求开始报警时环境温度为50℃， 则图中 (填“R,”或“R2”)应使用热敏电 阻，另一固定电阻的阻值应为 k2(保留 00.20,40.60.81.01.21.4蓝度/ 2位有效数字)。 468 8.(2024·全国甲卷)电阻型氧气传感器的阻值会随所 (阻值为602，用于加热煮饭)；限流电阻R,和R2(阻 处环境中的氧气含量发生变化。在保持流过传感器 值均为1k2):指示灯L,和L2(2.5V,0.6W,当电流 的电流（即工作电流）恒定的条件下，通过测量不同氧 低于30mA时可视为熄灭)；保险丝T。 气含量下传感器两端的电压，建立电压与氧气含量之 感温磁体 内胆底 间的对应关系，这一过程称为定标。一同学用图(a) 弹簧 电热板 所示电路对他制作的一个氧气传感器定标。实验器 开关按钮 材有：装在气室内的氧气传感器（工作电流1mA)、毫 转轴 安表（内阻可忽略）、电压表、电源、滑动变阻器、开关、 永磁体 。接线螺钉 导线若干、5个气瓶（氧气含量分别为1%、5%、10%、 15%、20%)。 220V TL图 触点（电热板电源开关） 完成下列实验步骤并填空： 图1 图2 气体入口气体出口 传感器接线柱 (1)按照兴趣小组设计的电路，下列说法正确的是 (多选)。 室 A.按下S,L1和L2均发光 B.当锅内温度高于103℃时，S自动断开，L1和 L,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，L,发 电源 光，L,熄灭 图(a (2)简易电饭煲制作完成后，试用时L1始终不亮，但 (1)将图(a)中的实验器材间的连线补充完整，使其能 加热和保温功能均正常，在不增加元件的前提下， 对传感器定标； 断开电源，使用多用电表判断发生故障的元件。 (2)连接好实验器材，把氧气含量为1%的气瓶接到气 下列操作步骤的正确顺序是 (填写各步 体入口： 骤前的字母)。 (3)把滑动变阻器的滑片滑到 端（填“a”或 A.将选择开关旋转到“×100”位置 “b”),闭合开关； B.将两支表笔直接接触，调节“欧姆调零旋钮”， (4)缓慢调整滑动变阻器的滑片位置，使毫安表的示 使指针指向欧姆零点 数为1mA,记录电压表的示数U; C.调整“指针定位螺丝”，使指针指到零刻度 (5)断开开关，更换气瓶，重复步骤(3)和(4)； D.测量指示灯L,两端的阻值 (6)获得的氧气含量分别为1%、5%、10%和15%的 E.将选择开关置于OF℉位置或交流电压最高挡 数据已标在图(b)中；氧气含量为20%时电压表 5 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 A-V- 数为1mA,此时电压表的示数为1.50V,则此瓶 5000n/y 25002 气体的氧气含量为 %(结果保留整数)。 ↑UV 5. 图3 4.0 3.0 心u2 2.0 1.0 10 50000/ A-V-0 15 20氧气含量% 2500n 图) 图e) 0 9.(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 图4 用的器材有：限温开关S,(手动将其按下，开始持续加 操作时，将多用电表两表笔与L,两端接触，若指 热煮饭。当锅内温度高于103℃时自动断开，之后不 针如图3所示，可判断是 断路损坏；若指 能自动闭合)；保温开关S2(当锅内温度高于80℃时 针如图4所示，可判断是 断路损坏。（用 自动断开，温度低于70℃时自动闭合)；电饭煲的框 电路中的元件符号表示)】 架（结构如图2所示）。自备元件有：加热电阻丝R 469-器上的电荷量Q=CU,在号C时间内，电容器放电量为 所以副线圈的电压小于原线圈的电压，而功率又相等，所以副 线圈的电流大于原线圈的电流，为了减少功率损失，根据电阻 、CU所以平均电，流1=Q=C。=2√C故BD错误； 定律可知副线圈应用较粗的铜导线绕制，故应将较细的线圈作 为原线圈。 T 练案[72] 当电流为零时，自感电动势最大，根据振荡规律可知t= 2 1.A干簧管为磁控开关，当门关闭时有磁体，干簧管两簧片接 πLC时，线圈的自感电动势达到最大，故C正确。 通，故D错误，A正确：铜或银不是磁性材料，则干簧管不可以 13.D当开关断开时，灰尘静止，则有qE=mg,此时电场能最大， 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 极板间电场强度最大，若开关闭合，电场能减小，极板间电场 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 强度减小，则灰尘会向下极板运动，振荡回路磁场和电场周期： 警器能正常工作，故C错误。 性改变，根据对称性可知当电场方向和初始状态相反且电场2.D题图甲中若h变小，则两极板正对面积变小，由电容的决定 能最大时，静电力方向竖直向下，和重力方向相同，此时灰尘 的加速度为2g,所以灰尘的加速度不可能向上，灰尘的加速度 式C=知，C变小，由于两极板所带电荷量不变，则由电容 大于等于0，且一直向下，所以灰尘不会在两极板间做往复运 动，故A、B、C错误；当磁场能最大时，电场能为0，极板间电场 的定义式C=号分析可知电压变大，故A错误；若题图乙中0 强度为0，灰尘只受重力，加速度一定为g,故D正确。 变小，则两极板正对面积增大，由电容的决定式C知电容 练案[71] 增大，两极板所带电荷量不变，则由电容的定义式C=号分析 1.(1)A(2)BCD [解析](1)当一个物理量与多个物理量相关时，应采用控制 可知电压减小，故B错误；题图丙中两极板间的电压不变，若有 电流流向传感器的负极，则电容器在放电，所带电荷量减小，由 变量法，探究该物理量与某一个量的关系，如本实验中，保持原 线圈输入的电压U1一定，探究副线圈输出的电压U,与匝数 电容的定义式C=号分析可知，电容减小，由电容的决定式C= n1、n2的关系。故选A。 ES (2)变压器并非理想变压器，能量损失主要来源于三个方面，分 4知，电介质向外移动，则x变小，放C错误；题图丁中两极 别是B、C、D项中的绕制线圈的铜导线发热损耗（俗称铜损）、 板间的电压不变，若有电流流向传感器的正极，则电容器在充 铁芯中的涡流发热损耗（俗称铁损）、铁芯对磁场的约束不严密 损耗（俗称磁损）。故选BCD。 电，所带电荷量增加，由电容的定义式C=号分析可知，电容塔 2.(1)a(2)B、C(3)6.3V(6.2~6.4V均可)(4)电磁感应 现象，通电后，铁芯B就相当于一个电磁铁，除了受自身的重力 大，由电容的次定式C=号知，两极板间距高减小，则F变大。 外，还受到很大的磁场力作用 故D正确。 [解析](1)由图甲可知，a线圈电阻较大，根据电阻定律可知3.ABD将永磁体的磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，B增大， a线圈匝数多。 1恒定，由公式8-9知：将变大，选项A正确；地球两极 (2)为确保实验安全，实验中要求原线圈匝数大于副线圈匝数， 选项A错误；测量副线圈电压时，先用最大量程挡试测，大致确 的磁场方向在竖直方向上，所以霍尔元件的工作面应保持水 定后再选用适当的挡位，选项B正确：实验时可以保持原线圈 平，使B与工作面垂直，选项B正确：地球赤道上的磁场沿水平 方向，只有霍尔元件的工作面在竖直方向且垂直于南北方向 电压、匝数不变，改变副线圈的匝数，探究副线圈匝数对副线圈 时，B才与工作面垂直，选项C错误；改变磁感线与霍尔元件工 电压的影响，选项C正确；实验中，不需要在副线圈上接上用电 作面的夹角，B垂直工作面分量的大小发生变化，U:将发生变 器以形成闭合回路，副线圈也能产生感应电动势，选项D错误。 化，选项D正确。 (3)由图乙可知，该电压值为6.3V。 4.(1)可变电阻R1远大于(2)-1.2 (4)使很大的劲都不能把变压器铁芯B取出，断电后，就可以轻 [解析]（1)由题知恒压直流电源E的电动势不变，而用加热 松取出，是因为电磁感应现象，通电后，铁芯B就相当于一个电 器调节R,的温度后，导致整个回路的总电阻改变。而要确保 磁铁，除了受自身的重力外，还受到很大的磁场力作用。 电流表的示数仍为50.0儿A,则需控制整个回路的总电阻不变， 3.(1)BD低压交流电源(2)C(3)B(4)原 故须调节可变电阻R1。 [解析](1)变压器的原理是互感现象，是原线圈磁场的变化 连接电压表后，电流表示数显著增大，则说明电压表与R,并联 在副线圈中产生感应电流，所以不需要外界的磁场，故不用条 RT 形磁铁；如果原线圈中通的是直流电源，则副线圈中不会有感 后R%减小，则根据并联电阻的关系有R=R十R、二R'」 应电流产生，故不用直流电源，需要用到低压交流电源，本实验 中还需补充的器材是低压交流电源。 则要保证R:不变，须将原电压表更换为内阻远大于R,阻值的 (2)该变压器为理想变压器，根据理想变压器的规律可知元 电压表。 (2)实验设定恒定电流为50.0μA,由题图可得温度为35.0℃ 是=子所=号4V=8V,故C正确。 时电压表的电压为1.6V,则根据欧姆定律可知此时热敏电阻 4 阻值R=32k2:温度为40.0℃时电压表的电压为1.3V,则 (3)报据理怒安压器的规件兰=，可知4==日×8V 根据欧姆定律可知此时热敏电阻阻值R2=26kΩ，则温度从 Un n 35.0℃变化到40.0℃的过程中，R,的阻值随温度的平均变化 =1V,但是此处铁芯没有闭合，故所测得的电压应小于1V,故 选B。 率是k=迟=-1.2kn·℃，负号表示随着温度升高R,的 △t (4)理想变压器的输入功率等于输出功率，因为是降压变压器，：阻值减小。 655— 5.(1)减小增大a、b(2)24.04.8 (3)为了保护电路，闭合开关时，气室两端电压应为0，故滑动变 [解析](1)加水的过程中，压力F变大，由题图乙知，R的阻 阻器的滑片应滑到a端。 值逐渐减小，则电路总电阻逐渐减小，根据闭合电路欧姆定律 (6)由题图(c)可知电压表示数U=1.40V,将题图(b)中的点 可知，电路电流逐渐增大，则R,两端的电压逐渐增大；为了在水 用平滑曲线连接，由题意可知毫安表的示数始终不变，由图乙 量达到“预设水量”时电机停止工作，要使“控制电路”输入端电 压随水量的增加而减小，则“控制电路”输入端瑞应该连接电路的 可以看出，电压表示数为1.50V时，氧气含量约为17%。 a、b端点g U(V) 5 (2)达到“预设水量”1L时，水壶和水的总重力为G=(m永+ m,)g=(1+0.5)×10N=15N,压力传感器R,上的压力为F= 4 19a=7×15N=7.5N,由题图乙读得R的凰值为50， IOAI 由题意知达到“预设水量”时R的电压应为1V,通过R,的电 流应为4=行A=0.2A,则无的阻值应为R=三-R-7 620-50-10=240,此时K,两瑞的电压为=K, ) 5101520氧气含量% 0.2×24V=4.8V。 6.(1)光敏电阻的阻值随照度的增大而减小(2)见解析图 9.(1)CD (2)CABDE L R [解析](1)光敏电阻的阻值随照度变化的曲线如图1所示； 特点：光敏电阻的阻值随照度的增大而减小。 [解析](1)按下S1,灯泡L2短路，不能发光，故A项错误；当 锅内温度高于103℃时，S,浙开，而要温度降到70℃以下时S, ◆电阻0 米 照明系统 才会闭合，则此时L2可能发光，此时电路中R与R1和L1的串 控制开关 联部分并联，并联的整体再和L2、R2串联，则回路中并联的整体 电阻R=10.422,R#=56.642,则总电阻R意=1067.062， 则回路意电流人。一=021A,则一定发光，此时并联的 00.20.40.60.81.01.21.4照度n 整体电压为U#=I。R#=11.89V,则流过L1的电流为1山 图1 图2 (2)电路原理图如图2所示。 R+R=0.012A<30m4,则L熄灭，B项错误：保温开关S, 控制开关自动启动照明系统，给1、2两端提供电压，要求当照度 (当锅内温度高于80℃时自动断开，温度低于70℃时自动闭 降低至1.0k时启动照明系统，即此时光敏电阻阻值为20kΩ 合)在保温过程中，自动在闭合、断开状态之间交替切换，故C 两端电压为2V,电源电动势为3V,所以应加上一个分压电阻 项正确；当锅内温度低于70℃时，S2自动闭合，电饭煲处于加 分压电阻阻值为10k2,即选用R1。 热状态，此时L2被短路，L,熄灭，电路中R与R和L的串联 7.(1)见解析图(2)1.8(3)25.5(4)R11.2 [解析](1)滑动变阻器采用分压式接 热敏电阻 、部分并联，山的电阻R=名。 -2≈10.422，则流过L1 法，电压表可视为理想电表，所以用电流 白 220 表外接法。连线如图。 E 的电流为1'=K+R=10.42+1000A0218A,流过L的 (2)由部分电路的欧姆定律得R= 电流大于30mA,L,发光，故D项正确。 5.5 3×10-0≈1.8kn。 (2)多用电表的操作步骤为：调整“指针定位螺丝”，使指针指到 零刻度一一机械调零：将选择开关旋转到“×100”位置一一选 (3)由图a可以直接读出该电阻的阻值为2.2kΩ对应的温度 挡：将两只表笔直接接触，调节“欧姆调零旋钮”，使指针指向欧 为25.5℃。 (4)温度升高时，该热敏电阻阻值减小，分得电压减少。而温度 姆零点—欧姆调零；测量指示灯L两端的阻值—测量；将 高时要求输出电压升高，以触发报警，所以R,为热敏电阻。由 选择开关置于OF℉位置或交流电压最高挡一关闭多用电表。 图线可知，温度为50℃时，R1=0.8k2,由欧姆定律可得E= 故正确顺序为CABDE。由于使用时L1始终不亮，但加热和保 I(R1+R),U'=R2,代入数据解得R2=1.2k2。 温功能均正常，则说明R、L2、R2、T均正常，如图3可看出L两 8.(1)见解析(3)a(6)1.4017 端有1100Ω左右的电阻，则说明L始终不亮的原因是L,断 [解析](1)滑动变阻器以分压式接法接入电路，毫安表不计 路损坏。由于使用时L,始终不亮，但加热和保温功能均正常， 内阻，则毫安表选用内接法，实物图连线如图甲所示。 则说明R、L,、R,、T均正常，如图4可看出电阻表的示数几乎为 气体入口气体出口 传感器接线柱 零，此时选用的是“×100”挡则说明灯泡L1正常，则说明L始 终不亮的原因是R,断路损坏。 练案[73] 1.B从题图中可看出单色光a比单色光b的偏折程度大，说明介 质对a的折射率大，根据n=c可知，a在介质中的传播速度 电 小，故A错误，B正确；在真空中光的传播速度相同，故C、D错 误。故选B。 656