第五章 3.利用传感器制作简单的自动控制装置-（配套教参）【学霸笔记·同步精讲】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册（人教版）

本讲义聚焦传感器在自动控制装置中的应用这一核心知识点，从干簧管、三极管等基础元件原理出发，通过门窗防盗报警装置、光控开关等实验构建认知，再拓展至过热报警、酒驾检测等实际应用，形成从原理到实践的学习支架。 资料以实验探究为主线，通过元件测试、电路连接等步骤培养科学探究能力，结合酒精检测仪、鸡蛋筛选装置等实例渗透模型建构与科学推理的科学思维，体现技术应用的社会责任。课中辅助教师开展实验教学，课后助力学生巩固知识、提升解决实际问题的能力。

3.利用传感器制作简单的自动控制装置 实验1｜门窗防盗报警装置 一、实验目的 1.了解门窗防盗报警装置的工作原理。 2.了解干簧管和继电器的特点和在装置中的作用。 二、实验原理 1.实验电路 2.工作原理 闭合开关S，系统处于防盗状态。当门窗紧闭时，磁体M使干簧管处于导通状态，继电器使开关c与触点a接通，二极管LED发光。当门窗开启时，磁体离开干簧管，干簧管失磁断开，继电器被断电，使开关转换为c、b接通，蜂鸣器H发声报警。 三、实验器材 　干簧管SA、继电器K、发光二极管LED、电阻R（330 Ω）、蜂鸣器H、电源、小磁体、开关等。 四、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，观察簧片能否正常动作。 2.确定各元件可以正常工作后，按照实验电路图连接电路。 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。 实验2｜光控开关 一、实验目的 1.了解光控开关的工作原理。 2.练习利用光控开关制作自动控制设备。 二、实验原理 1.晶体三极管及其工作原理 （1）两种类型 （2）三个电极 ①发射极e；②基极b；③集电极c。 （3）重要特性 ①从基极输入一个较小的电流，就会在集电极获得较大的电流，这就是三极管的电流放大作用。 ②在控制电路中具有完成断路和接通开关的作用。 2.光控开关及其工作原理 （1）电路图 （2）工作原理 当光照较强时，RG较小，加在基极上电压较小，三极管不导通，LED不亮；当光线较弱时，RG阻值增大，加在基极上电压增大，当达到一定程度后，三极管被导通，发光二极管LED开始发光。 3.光控开关控制电路 （1）电路图 （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，继电器所在的回路相当于断路；当环境光线比较暗时，光敏电阻RG阻值较大，三极管导通，集电极电流较大，驱动继电器吸合开关S，点亮灯泡L。（注：与继电器并联的二极管D，提供自感电流释放通路，以保护三极管不被烧坏。） 三、实验器材 　可调电阻R1（最大电阻为51 kΩ）、限流电阻R2（330 Ω）、光敏电阻RG、三极管VT、发光二极管LED、继电器K、小灯泡L（6 V、0.3 A）、二极管D、电源等。 四、实验步骤 1.按照实验电路图连接电路，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。 五、注意事项 1.安装前，对器材进行测试，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，否则将烧坏电路集成块。 3.光控开关实验中要想天更暗时“路灯”才会亮，应该把R1的阻值调大些。 类型一｜ 教材原型实验 【例1】　（2025·山东东营期末）小明利用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路”，如图甲所示（虚线框内的连接没有画出）。将热敏电阻R安装在需要探测温度的地方，当环境温度正常时，继电器的上触点接触，下触点分离，指示灯亮；当环境温度超过某一值时，继电器的下触点接触，上触点分离，警铃响。图甲中继电器的供电电源E1＝5 V，内阻不计，继电器线圈用漆包线绕成，其电阻R0＝30 Ω。当线圈中的电流大于等于50 mA时，继电器的衔铁将被吸合，警铃响。图乙是热敏电阻的阻值随温度变化的图像。 （1）由图乙可知，当环境温度为80 ℃时，热敏电阻阻值为　30（29～31）　Ω。 （2）由图乙可知，当环境温度升高时，热敏电阻阻值将　减小　（选填“增大”“减小”或“不变”），继电器的磁性将　增强　（选填“增强”“减弱”或“不变”）。 （3）图甲中指示灯的接线柱D应与接线柱　A　相连（均选填“A”或“B”）。 （4）当环境温度大于等于　40（39～41）　℃时，警铃报警。 解析：（1）由图乙可知，当环境温度为80 ℃时，热敏电阻阻值为30 Ω。 （2）由图乙可知，当环境温度升高时，热敏电阻阻值将减小。热敏电阻阻值减小，则流过继电器的电流增大，磁性增强。 （3）由于继电器的上触点接触，下触点分离，指示灯亮。所以图甲中指示灯的接线柱D应与接线柱A相连。 （4）当线圈中的电流大于等于50 mA时，继电器的衔铁将被吸合，警铃响。根据闭合电路欧姆定律E1＝I（R0＋R） 得R＝70 Ω 此时温度为40 ℃，则环境温度大于等于40 ℃时，警铃报警。 【例2】　（2025·江苏南京期末）智能化育苗蔬菜基地对环境要求严格，其中包括对光照强度的调控，光照强度简称照度I，反映光照的强弱，光越强，照度越大，单位为勒克斯（lx）。为了控制照度，科技人员设计了图甲所示的智能光控电路。 （1）智能光控电路的核心元件是光敏电阻R，某同学用如图乙所示电路，测量光敏电阻在不同照度时的阻值，实验所用器材：电源E1（9 V）、滑动变阻器R4（最大阻值为20 Ω），电压表（量程为0～3 V，内阻为3 kΩ）和毫安表（量程为0～3 mA，内阻不计）。定值电阻R0＝6 kΩ、开关、导线若干。则在闭合电路开关前应该把滑动变阻器的滑片移到　左　（选填“左”或“右”）端。 （2）某次测量时电压表的示数如图丙所示，其读数为　1.80　V，电流表读数为1.5 mA，此时光敏电阻的阻值为　3.6　kΩ。 （3）通过测量得到6组数据如下表，请在图丁中作出阻值R随照度I变化的图像，由图可判断光敏电阻的阻值与照度　不满足　反比例函数关系（选填“满足”或“不满足”）。 照度I（klx） 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 电阻R（kΩ） 7.5 4.0 2.8 2.3 2.0 1.8 答案：图像见解析 （4）该同学用上述光敏电阻接入图甲所示的电路，其中电源电动势E＝6.0 V，内阻忽略不计，电阻R1＝100 Ω，电阻箱R2的阻值调节范围是0～9 999.9 Ω，光敏电阻R的电压U增加到2.0 V时光照系统开始工作，为了使照度降低到4 klx时，自动控制系统开始补光，R2的阻值应该调节为　7.9　kΩ。 （5）要加快蔬菜的生长，适度提高光照时间，可调节的方法是　减小R2　。 解析：（1）为了保证电路的安全应将滑动变阻器滑到左端，从而使光敏电阻两端的电压为零。 （2）电压表的最小刻度值为0.1 V，如图丙所示，电压表的读数为1.80 V， 根据串联电路电压与电阻成正比的关系，光敏电阻两端的电压为 ×＝5.40 V 电流表读数为1.5 mA，故此时光敏电阻的阻值为R＝ Ω＝3.6 kΩ。 （3）阻值R随照度I变化的图像如图所示 根据图像可知纵坐标与横坐标的乘积不是一个常数，所以光敏电阻的阻值R与照度I不满足反比例函数关系。 （4）根据闭合电路欧姆定律I＝ 根据图像可知在照度降低到4 klx时，对应的阻值为R＝4 kΩ 又有U＝IR 其中U＝2 V 联立可得R2＝7.9 kΩ。 （5）减小R2的阻值，根据闭合电路欧姆定律可知，总电流变大，R两端的电压变大，从而导致自动控制系统正常工作时的最小照度高于4 000 lx，加快蔬菜的生长。 类型二｜拓展与创新实验 【例3】 　酒驾严重危害交通安全，某款酒精检测仪如图甲所示，核心部件为乙醇传感器，其电阻R与酒精气体浓度c的关系如图乙所示。某同学想利用该乙醇传感器设计一款酒精测量仪，除乙醇传感器外，在实验室中找到了如下器材： A.干电池组（电动势E＝3.0 V，内阻r＝1.2 Ω） B.表头G（满偏电流6.0 mA，内阻Rg＝42 Ω） C.电阻箱R1（最大阻值9 999.9 Ω） D.电阻箱R2（最大阻值9 999.9 Ω） E.开关及导线若干 （1）该同学设计的测量电路如图丙所示，他首先将表头G量程扩大为90 mA，则应将电阻箱R1的阻值调为　3.0　Ω。 （2）如图丁所示，该同学想将酒精气体浓度为零的位置标注在表头上2 mA处，则应将电阻箱R2的阻值调为　16.0　Ω。 （3）完成步骤（2）后，某次在实验室中试测酒精浓度时，表头指针如图丁所示。已知酒精浓度在0.2～0.8 mg·mL－1之间属于饮酒驾驶；酒精含量达到或超过0.8 mg·mL－1属于醉酒驾驶，则该次测试的酒精浓度属于　酒驾　范围（选填“酒驾”或“醉驾”）。 （4）使用较长时间后，干电池组电动势降低，内阻增大，则此时所测的酒精气体浓度与真实值相比　偏小　（选填“偏大”“偏小”或“不变”）。 解析：（1）要将表头G量程扩大为90 mA，电阻R1＝＝＝3 Ω。 （2）表头G显示电流为2 mA时，电路实际电流为I1＝30 mA，由图乙可知，当酒精气体浓度为零时，该气体传感器电阻R＝80 Ω，改装后表头等效电阻为Rg'＝＝2.8 Ω，则I1＝，得R2＝16 Ω。 （3）由图乙可知，当酒精气体浓度达到醉驾标准时，该气体传感器电阻R'＝20 Ω，此时电路中的实际电流为I2＝＝75 mA，此时表头G中的实际电流为5 mA，则图丁所示的酒精浓度未到达醉驾，属于酒驾范围。 （4）使用较长时间后，干电池电动势降低，内阻增大，根据I＝，同一酒精浓度下，电路中的总电流将偏小，流经表头的电流也同比减小，故所测得的酒精浓度值偏小。 创新分析 （1）实验器材的创新：利用乙醇传感器设计一款酒精测量仪。 （2）实验原理的创新：把酒精气体的浓度大小的信号转化为电阻大小的信号。 （3）数据处理的创新：利用乙醇传感器的电阻R与酒精气体的浓度c的关系图像求解达到醉驾标准时乙醇传感器的电阻值。 【例4】 　（2025·重庆涪陵区期末）如图所示，图甲为一个自动筛选鸡蛋大小的装置，可以筛选出两类大小不同的鸡蛋。当不同大小的鸡蛋传送到压力秤上时，压力秤作用在压力传感器电阻R1上，其电阻值随压力秤所受压力的变化图像如图乙所示。R2是可调电阻，其两端电压经放大电路放大后可以控制电磁铁是否吸动衔铁并保持一段时间。当电压超过某一数值时电磁铁可以吸动衔铁使弹簧下压，鸡蛋就进入B通道。已知电源电动势E＝6 V，内阻不计，R2调节为10 Ω。 （1）由图乙可知，压力传感器的电阻值R1随压力的增大而　减小　（填“增大”或“减小”）。 （2）从B通道通过的是　大　鸡蛋（填“大”或“小”）。 （3）由两个图可知，若R2两端的电压超过3 V时，电磁铁可以吸动衔铁向下，则选择的大鸡蛋对压力秤的压力要大于　0.47（0.45～0.49）　N。（保留到小数点后两位） （4）要想选择出更大的鸡蛋，需要把电阻R2的阻值调　小　（填“大”或“小”）。 解析：（1）由图乙可知F越大R越小，即压力传感器的电阻值R1随压力的增大而减小。 （2）当鸡蛋质量较大时，压力秤作用于R1的压力F较大，则R1较小，令通过R2的电流较大，故R2两端电压较大，经过放大电路放大后电压超过某一数值时电磁铁可以吸动衔铁使弹簧下压，鸡蛋就进入B通道。所以从B通道通过的是大鸡蛋。 （3）根据闭合电路欧姆定律E＝U2＋IR1＝U2＋R1 解得R1＝10 Ω 由图乙可知当R1＝10 Ω时，F＝0.47 N。所以选择的大鸡蛋对压力秤的压力要大于0.47 N。 （4）要选出更大的鸡蛋，即要相同的鸡蛋送到压力秤时，令R2两端的电压较原来的小，所以需要把R2的阻值调小。 创新分析 （1）实验原理的创新：把压力大小的信号转化为电阻大小的信号。 （2）实验器材的创新：利用压力传感器、电磁铁等器材设计自动筛选鸡蛋大小的装置。 （3）数据处理的创新：利用压力传感器的电阻R1的大小随压力秤所受压力的变化图像分析选择鸡蛋大小的条件。 1.（2025·山西运城期末）某一热敏电阻的阻值R随温度变化的图线如图甲所示，现要利用该热敏电阻组装一个报警系统，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，Ic约为10 mA，流过的电流超过20 mA时，报警器可能损坏），电阻箱（最大阻值为999.9 Ω），直流电源（输出电压为18 V，内阻不计），滑动变阻器（最大阻值为2 000 Ω），单刀双掷开关一个，导线若干。 （1）由甲图可知，热敏电阻的阻值随温度的升高而　减小　（选填“增大”或“减小”）。 （2）按乙图所示的电路图组装电路，并按照下列步骤调节此报警系统。 ①电路接通前，滑动变阻器的滑片应置于　b　（选填“a”或“b”）端附近； ②若已知该热敏电阻在60 ℃时阻值为650.0 Ω。则根据实验要求，先将电阻箱调到一固定的阻值，这一阻值为　650.0　Ω； ③将开关向　c　（填“c”或“d”）端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警。 （3）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。 解析：（1）由甲图可知，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。 （2）①为防止接通电源后，流过报警器的电流会超过20 mA，报警器可能损坏，滑动变阻器的滑片应置于b端。 ②本题采用的是等效替换法，先用变阻箱来代替热敏电阻，所以变阻箱的阻值要调节到系统报警时热敏电阻的临界电阻，也就是在60 ℃时的阻值为650.0 Ω。 ③先把变阻箱接入电路，将开关向c端闭合，调节滑动变阻器的电阻，调至报警器开始报警时，保持滑动变阻器接入电路的阻值不变，接到热敏电阻上，即开关接d端，当热敏电阻的阻值是650.0 Ω时，也就是温度达到了60 ℃，报警器开始报警。报警系统即可正常使用。 2.（2025·四川绵阳期末）为了节能环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统，光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值R随光的照度I变化而发生变化的元件（照度可以反映光的强弱，光越强，照度越大，照度单位为lx）。某光敏电阻R在不同照度I下的阻值如下表 照度I（lx） 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 电阻R（kΩ） 7.5 4.0 2.8 2.3 2.0 1.8 （1）如图为街道路灯自动控制电路，利用直流电源E为电磁铁供电，利用照明电源为路灯供电。为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果，路灯应接在　AB　（选填“AB”或“CD”）之间。 （2）已知线圈的电阻为140 Ω，直流电源E的电动势E＝36 V，内阻忽略不计。当线圈中的电流大于10 mA时，继电器的衔铁将被吸合，滑动变阻器R'的阻值应调为　1 460　Ω时，才能使天色渐暗照度低于1.0 lx时点亮路灯。 （3）为了更加节能，让天色更暗时，路灯点亮，变阻器R'的阻值应适当调　小　些（选填“大”或“小”）。 解析：（1）由于天亮时照度较大，光敏电阻的阻值较小，电路中的电流较大，衔铁被吸下，AB间断开，CD间接通，为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果，路灯应接在AB间。 （2）由题意可知，当照度降到1.0 lx时，电路电流降低到10 mA，根据闭合电路欧姆定律可知，电路的总电阻为R总＝＝ Ω＝3 600 Ω 由表格数据可知此时光敏电阻的阻值为 R＝2 000 Ω，则滑动变阻器R'的阻值应调为 R'＝R总－R－R线＝3 600 Ω－2 000 Ω－140 Ω＝1 460 Ω。 （3）为了更加节能，让天色更暗时，路灯点亮，可知亮灯时，光敏电阻的阻值变大，则变阻器R'的阻值应适当调小些。 3.光敏电阻在各种自动化装置中有很多应用。街道路灯自动控制就是其应用之一，如图所示电路为模拟电路，其中A为一光敏电阻，B为电磁继电器，C为电流信号放大器，D为路灯。请在所给图中连线使之连成正确的电路，达到日出路灯熄、日落路灯亮的效果。 答案：见解析图 解析：当有光照射时，光敏电阻阻值较小，电流经过放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸合，使两个触点断开，路灯熄灭；当无光照时，光敏电阻阻值增大，电流减小，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个触点闭合，控制路灯电路接通，路灯开始工作，电路如图所示。 4.（2025·湖南衡阳月考）一兴趣小组要组装一台酒精测试仪，它利用的是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器，此传感器的电阻Rx随酒精气体浓度的变化规律如图甲所示。目前我国交警常用酒精测试仪测量司机的酒精气体浓度，其中利用酒精测试仪测试认定的酒驾标准是“0.2 mg·mL－1≤酒精气体浓度＜0.8 mg·mL－1”，醉驾标准是“酒精气体浓度≥0.8 mg·mL－1”。现能提供的器材有： A.二氧化锡半导体型酒精传感器Rx B.直流电源（电动势为5 V，内阻不计） C.电压表（量程为3 V，内阻非常大，作为浓度表使用） D.电阻箱（最大阻值为999.9 Ω） E.定值电阻R1（阻值为20.0 Ω） F.定值电阻R2（阻值为10.0 Ω） G.单刀双掷开关一个，导线若干 （1）图乙是酒精测试仪电路图，请在图丙中完成实物连线； 答案：见解析图 （2）电路中R应选用定值电阻　R2　（选填“R1”或“R2”）。 （3）为便于识别，按照下列步骤调节此测试仪： ①电路接通前，先将电阻箱调为30.0 Ω，然后开关向　a　（选填“a”或“b”）端闭合，将电压表此时指针对应的刻度线标记为0.2 mg·mL－1； ②逐步减小电阻箱的阻值，电压表的示数不断变大，按照甲图数据将电压表上“电压”刻度线标为“酒精气体浓度”。当电阻箱调为　10.0　 Ω时，将电压表此时指针对应的刻度线标记为0.8 mg·mL－1； ③将开关向另一端闭合，测试仪即可正常使用。 解析：（1）根据题图乙电路图，将实物连线如图所示。 （2）由题图甲可知，当司机达到醉驾标准时，Rx＝10.0 Ω，为保证电压表安全（所测电压不超过3 V），电路中R不能超过15.0 Ω，故电路中R应选用定值电阻R2。 （3）①电压表指针对应的刻度线为0.2 mg·mL－1，由题图甲可知传感器阻值为30.0 Ω，故电路接通前，先将电阻箱调为30.0 Ω，然后开关向a端闭合； ②电压表指针对应的刻度线为0.8 mg·mL－1时，由题图甲可知传感器阻值为10.0 Ω，则电阻箱调为10.0 Ω。 5.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3 000 Ω）和毫安表（可视为理想电表）。 （1）在图甲所给的器材符号之间画出连线，组成测量电路图。 答案：见解析图　 （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　2.2　kΩ（保留2位有效数字）。 （3）实验中得到的该磁敏电阻阻值R随磁感应强度B变化的曲线如图乙所示。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　1.4×10－4　T（保留2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丙所示。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　R2　（选填“R1”或“R2”）应使用磁敏电阻，另一固定电阻的阻值应为　10　kΩ（保留2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　减小R1　（选填“增大R1”或“减小R1”）。 解析：（1）因毫安表可视为理想电表，则采用内接法可以消除电压表内阻而产生的系统误差；滑动变阻器的总阻值为20 Ω，待测磁敏电阻约几千欧，属于小电阻控制大电阻，则滑动变阻器用分压式接法便于操作和测量多组数据，电路图如图所示。 （2）根据部分电路欧姆定律可得磁敏电阻的阻值为R＝＝ Ω≈2.2 kΩ。 （3）根据R-B图像可知，当R＝10.0 kΩ时，磁感应强度B≈1.4×10－4 T。 （4）要求输出电压达到或超过3.0 V时报警，即要求磁感应强度增大时，电阻的阻值增大，从而需要输出电压增大，故需要R2的阻值增大才能实现此功能，故R2为磁敏电阻；已知报警电压为U＝3 V，而B＝10－4 T时，R2＝5 kΩ，可得R1＝－R2＝10 kΩ；在磁感应强度更小时R2的阻值较小，根据串联分压原理可知将R1减小，从而让R2分得更多的电压，达到3 V就可以报警，即如果要提高此装置的灵敏度，应该减小R1。 8 / 11 学科网（北京）股份有限公司 $