11.2.4 利用传感器制作简单的自动控制装置 学案 -2026届高考物理一轮复习

该高中物理学案聚焦“利用传感器制作简单的自动控制装置”高考核心考点，以传感器原理（热敏、光敏特性）为基础，实验操作（Rt图绘制、遮光调节）为纽带，自动控制装置设计（门窗报警、光控开关）为应用，构建“原理-实验-应用”三层知识网络，通过任务驱动引导学生自主梳理实验要领与电路设计逻辑，体现考点的系统性与层次性。 亮点在于自主学习支持与核心素养融合，含真题演练（2024浙江选考、全国甲卷等）与变式训练，如热敏电阻阻值随温度变化分析、光敏电阻伏安特性实验设计，培养科学探究与科学思维。课后巩固题助力学生自主诊断，教师可依反馈精准指导，有效提升学生实验设计与问题解决能力，支持个性化复习。

第11章 交变电流 第2讲第4课时 利用传感器制作简单的自动控制装置（2026年高考） 第11章 交变电流 第2讲 第4课时 利用传感器制作简单的自动控制装置 课堂讲解 一、原理与操作 装置及原理 传感器能够将感受到的物理量(力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量) 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； ②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R­t图中，得图像如图所示 (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、滑动变阻器连接好，其中多用电表置于欧姆“×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 操作 要领 (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 二、自动控制装置设计与制作示例 1．门窗防盗报警装置的设计 (1)电路如图所示。 (2)实验操作 ①连接电路前，要先判断干簧管是否正常工作。用磁体直接靠近干簧管，观察簧片的动作。 ②连接电路，接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，观察实验现象。 2．光控开关的设计 (1)电路如上图右所示。 (2)实验操作 ①按照如图所示连接电路，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，则发光二极管LED或小灯泡L熄灭。 (3)注意事项 ①安装前，对实验器材进行测试，确保各元件性能良好后，再进行安装。 ②光控开关实验中，二极管连入电路的极性不能反接。 ③如果实验现象不明显，可用手电筒加强光照，或遮盖光敏电阻，再进行观察。 例1、(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表： 温度/℃ 4.1 9.0 14.3 20.0 28.0 38.2 45.5 60.4 电阻/(102 Ω) 220 160 100 60 45 30 25 15 某同学利用上述热敏电阻Rt、电动势E＝3 V(内阻不计)的电源、定值电阻R(阻值有3 kΩ、5 kΩ、12 kΩ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2 V，控制开关开启加热系统加热，则应选择的电路是 C ，定值电阻R的阻值应选 3 kΩ，1、2两端的电压小于 1.8 V时，自动关闭加热系统(不考虑控制开关对电路的影响)。 变式1、(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(0～20 V)、数字电流表(0～20 mA)、滑动变阻器R(最大阻值50 Ω，1.5 A)、白炽灯、可调电阻R1(0～50 kΩ)、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“×10 k”欧姆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 (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(以上三空选填接线柱标号“A”“B”“C”或“D”)。 ②图4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 (填“增大”或“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 (填“增大”或“减小”)可调电阻R1的阻值，直至发光二极管发光。 课后巩固 1．(多选)(2023·浙江1月选考)下列说法正确的是( ) A．利用电容传感器可制成麦克风 B．物体受合外力越大，则动量变化越快 C．利用红外传感器可制成商场的自动门 D．牛顿运动定律不适用，则动量守恒定律也不适用 2．(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<U2 B．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 3．(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50.0 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，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50.0 μA；连接电压表后，电流表示数显著增大，需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乙所示，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大小是 kΩ·℃-1(保留2位有效数字)。 4．(2024·全国甲卷)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%)。 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 (填“a”或“b”)端，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 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)。 本节课反馈（学生意见和建议反馈本节课掌握情况）： 参考答案： 课堂讲解 例1、 答案 C 3 1.8 解析　依题知电路要满足：当温度升高，热敏电阻Rt的阻值减小，热敏电阻分压减小，控制开关断开；当温度降低，热敏电阻Rt的阻值增大，热敏电阻分压增大，只有C选项符合条件，C正确。当温度为20 ℃时，热敏电阻Rt的阻值为6 000 Ω，1、2两端的电压为2 V，此时定值电阻两端电压为1 V，根据串联电路中电压与电阻成正比可知，定值电阻的阻值为 3 kΩ；当温度为28 ℃时，热敏电阻R1的阻值为4.5 kΩ，根据串联分压与电阻成正比可知，1、2两端的电压为×3 V＝1.8 V。 变式1、答案 （1）负极 （2） A 、 A 、 C(或D) 减小 增大 （1）解析　多用电表使用欧姆挡时，黑表笔与内部电源正极相连，当黑表笔与接线端M接触，红表笔与接线端N接触时，由题图2可知，其阻值无穷大；对调两表笔接触位置，电阻变小，根据二极管单向导电性可知，接线端M为二极管的负极。 （2）解析　①实验要求闭合开关后电压表和电流表的读数从0开始，所以滑动变阻器采用分压式接法，即导线L1连接滑动变阻器的A端，L3连接滑动变阻器的C端(或D端)，导线L2连接滑动变阻器的A端；②I­U图线的斜率为电阻的倒数，结合题图4图线可知，光敏电阻的阻值随其表面受到光照的增强而减小。 解析　当照射光敏电阻表面的光强达到报警值时，由于光敏电阻阻值减小，电阻R1两端电压增大，为了使三极管b、e端电压增大，需要增大R1阻值。 课后巩固 1、 答案 ABC 解析　声音使振动膜片振动，改变两极板间距离，使声音信号转换成电信号，则利用电容传感器可制成麦克风，故A正确；由动量定理有F合t＝Δp，可得＝F合，可知物体受合外力越大，则动量变化越快，故B正确；人体可以向外界释放红外线，感应装置接收到红外线后，可以开门，则利用红外传感器可制成商场的自动门，故C正确；牛顿运动定律只适用于宏观低速问题，不适用于微观高速问题，而动量守恒定律既适用于低速宏观问题，也适用于高速微观问题，故D错误。 2、 答案 C 解析　由题意可知水位越高，对压力传感器的压力越大，压力传感器的电阻值越小。控制开关自动开启低水位预警，此时水位较低，压力传感器的电阻值较大，由于a、b两端此时的电压大于U1，根据串联电路电压分布特点可知，R1为压力传感器，故高水位时压力传感器的电阻值变小，压力传感器R1两端电压变小，U1>U2，A、B错误。根据闭合电路欧姆定律可知，a、b两端的电压为U＝R1＝，定值电阻的阻值越大，当开启低水位预警a、b两端的电压大于U1时，压力传感器阻值R1越大，水位越低；当a、b两端的电压小于U2开启高水位预警时，压力传感器阻值R1越大，水位越低，C正确，D错误。 3、答案 （1）调节RT 远大于 （2）1.0(0.8～1.2均可) （1）解析　由题知恒压直流电源E的电动势不变，而用加热器调节RT的温度后，导致整个回路的总电阻改变。而要确保电流表的示数仍为50.0 μA，则需控制整个回路的总电阻不变，故需调节可变电阻R1。连接电压表后，电流表示数显著增大，则说明电压表与RT并联后R总减小，则根据并联电阻的关系有R总＝＝，则要保证R总不变，需将原电压表更换为内阻远大于RT阻值的电压表。 （2）解析　实验设定恒定电流为50.0 μA，由题图乙可得，温度为35.0 ℃时电压表的示数为1.50 V，则根据欧姆定律可知此时热敏电阻RT1＝30 kΩ；温度为40.0 ℃时电压表的示数为1.25 V，则根据欧姆定律可知此时热敏电阻RT2＝25 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大小是k＝＝1.0 kΩ·℃-1。 4、答案 （2）见解析图1 （3）　a （6）1.40 17 （1）解析　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1所示。 （3）解析　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。 （6）解析　由题图(c)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；当气瓶的氧气含量为20%时，电压为1.40 V，在题图(b)中描出该点，用平滑的曲线将各点连接起来，如图2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%。 第 1 页 共 2 页 学科网（北京）股份有限公司 $