2026届高考物理一轮复习讲义：第十二章 实验十五 利用传感器制作简单的自动控制装置

该高中物理讲义聚焦传感器特性及自动控制电路设计这一高考核心考点，按“原理-实验-应用”逻辑梳理光敏/热敏电阻等敏感元件特性、实验误差分析及注意事项，通过考点回扣、实验探究、典例精讲（分热敏/光敏/压敏等题型）、跟踪训练四环节，帮助学生系统构建知识网络，突破电路分析难点。 资料以科学探究为载体，结合科学思维培养，如设计热敏电阻R-t图像绘制、光敏电阻光照强度与阻值关系实验，通过典例中串联电路分压分析（如题型一选电阻R=3kΩ）等策略，配合分层训练（基础实验到综合应用），高效提升学生建模与推理能力，为教师把控复习节奏提供精准指导。

第十二章 交变电流 传感器 实验十五 利用传感器制作简单的自动控制装置 回归教材 [选择性必修第二册] 关键知识 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。 素养提升 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。 考点突破 知识回扣 一、常见敏感元件 1．光敏电阻。 （1）光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，光敏电阻可以把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。 （2）光敏电阻的阻值随光照的增强而减小。 （3）光敏电阻一般由半导体材料做成，当半导体材料受到光照时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也形成更多的空穴，于是导电性能明显增强。 2．热敏电阻和金属热电阻。 （1）热敏电阻：用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显。 热敏电阻的用途：利用温度特性来测量温度、控制温度和元件、器件、电路的温度补偿；利用非线性特性完成稳压、限幅、开关、过流保护作用；利用不同媒质中热耗散特性的差异测量流量、流速、液面等。 （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，称为金属热电阻。 相比而言，金属热电阻化学稳定性好，测温范围大，而热敏电阻的灵敏度较好。 3．霍尔元件。 霍尔元件就是利用霍尔效应来设计的一个矩形半导体薄片，在其前、后、左、右分别引出一个电极，如图所示，其霍尔电压U＝，U与B成正比，霍尔元件能把磁学量转换成电学量。 4．电容器。 （1）原理：电容器的电容C决定于极板正对面积S、极板间距离d及极板间电介质这几个因素，如果某一物理量（如角度θ、位移x、深度h等）的变化能引起上述某一因素的变化，从而引起电容的变化，那么测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化。 （2）用途。 例如：图甲是用来测定角度θ的电容式传感器，图乙是测定液面高度h的电容式传感器，图丙是测定压力F的电容式传感器，图丁是测定位移x的电容式传感器。 5．电阻应变片。 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。应变片测力的原理是横梁上下表面各贴一个应变片，横梁受力发生弯曲，拉伸一侧的电阻变大，压缩一侧的电阻变小，形变量越大，应变片的电阻变化越大，上下表面应变片的电压差值越大。 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，得到图像如图乙所示。 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）接通电源，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）遮住电阻，观察表盘指针显示的电阻阻值，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．在做热敏电阻的热敏特性实验时，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进行欧姆调零。 典例精讲 题型一 利用热敏电阻制作简单的自动控制电路 （2024·浙江·联考题）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下表所示。 典例1 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________，定值电阻R的阻值应选________ kΩ，1、2两端的电压小于________ V时，自动关闭加热系统（不考虑控制开关对电路的影响）。 答案　C　3　1.8 解析　电路A中，定值电阻和热敏电阻并联，电压不变，故不能实现电路的控制，故A错误；电路B中，定值电阻和热敏电阻串联，温度越低，热敏电阻的阻值越大，定值电阻分得的电压越小，无法实现1、2两端电压大于2 V，控制开关开启加热系统加热，故B错误；电路C中，定值电阻和热敏电阻串联，温度越低，热敏电阻的阻值越大，热敏电阻分得的电压越大，可以实现1、2两端电压大于2 V，控制开关开启加热系统加热，故C正确；由热敏电阻Rt在不同温度时的阻值表可知，20.0℃时热敏电阻的阻值为60×100 Ω＝6 kΩ，由题意可知U12＝×3 V＝2 V，解得R＝3 kΩ；当温度达到28℃时，加热系统关闭，此时热敏电阻的阻值为4.5 kΩ，则此时1、2两端的电压为U12′＝×3 V＝1.8 V，即1、2两端的电压小于1.8 V时，自动关闭加热系统。 题型二 利用光敏电阻制作简单的自动控制电路 （2024·河北·历年真题）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。 典例2 （1）判断发光二极管的极性 使用多用电表的“×10 k”电阻挡测量二极管的电阻。如图甲所示，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（见图乙）；对调红、黑表笔后指针位于表盘中b位置（见图乙）。由此判断M端为二极管的________（选填“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采用图丙中的器材进行实验，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图丁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________（选填“增大”或“减小”）。 （3）组装光强报警器电路并测试其功能 图戊为利用光敏电阻、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________（选填“增大”或“减小”）可调电阻R1的阻值，直至发光二极管发光。 答案　（1）负极　（2）①A　A　D（或C）　②减小 （3）增大 解析　（1） （2）①题目要求电压表、电流表读数从零开始，所以应该采用滑动变阻器的分压式接法连接电路，故L1、L2接滑动变阻器A接线柱，L3接在金属杆两端任意一个接线柱，即C或D。 ②由题图丁可知，从Ⅰ到Ⅲ，随光照强度增加，I－U图像斜率增大，则电阻减小。 （3） 题型三 利用压敏电阻制作简单的自动控制电路 （2025·河北·联考题）某科技兴趣小组对具有自动加水功能的家用电热壶的原理十分感兴趣，于是自行设计了一个简化的装置示意图和电路图，如图甲所示。该装置可以实现在壶中的水量不足时自动加水，而在达到“预设水量”时，又能够自动停止加水的目的。底座可以承受水壶和水的全部重量，底座压在一个以O点为固定转轴的L形杠杆上。杠杆ABO段水平，另一端与压力传感器R1接触，R1的阻值与压力F之间的关系图像如图乙所示。当“控制电路”的输入端电压大于等于1 V时，能控制水泵的电机开始工作，将水抽到水壶中。已知电源的电动势为6 V，内阻为1 Ω，R2为电阻箱（0～99.9 Ω），水壶中没有水时，水壶和底座的总质量为0.5 kg，重力加速度g取10 m/s2，“控制电路”输入端中的电流十分微弱，可以忽略，杠杆绝缘且质量不计，不考虑加水时水流的冲击力。回答下列问题： 典例3 （1）水龙头往水壶加水的过程中，R1的阻值逐渐________，R2两端的电压逐渐________（均选填“增大”或“减小”）；为了实现上述功能，“控制电路”的输入端应该并联在电路的________端点（选填“a、b”或“c、d”）。 （2）该小组的同学调节底座与杠杆的接触位置B，使图甲中OA的长度为OB长度的2倍，并要求“预设水量”为1 L（对应的水的质量为1 kg）。已知电阻R1受到的压力F＝，其中FB为杠杆上B点受到的压力，则应将R2调节为________ Ω，此时R2两端的电压为________ V。 答案　（1）减小　增大　a、b　（2）24.0　4.8 解析　（1）加水的过程中，压力F变大，由题图乙知，R1的阻值逐渐减小，则电路总电阻逐渐减小，根据闭合电路欧姆定律可知，电路电流逐渐增大，则R2两端的电压逐渐增大；为了在水量达到“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”输入端应该连接电路的a、b端点。 （2）达到“预设水量”1 L时，水壶和水的总重力为G＝(m水＋m0)g＝(1＋0.5)×10 N＝15 N，压力传感器R1上的压力为F＝＝×15 N＝7.5 N，由题图乙读得R1的阻值为5 Ω，由题意知达到“预设水量”时R1的电压应为1 V，通过R1的电流应为I1＝ A＝0.2 A，则R2的阻值应为R2＝－R1－r＝ Ω－5 Ω－1 Ω＝24 Ω，此时R2两端的电压为U2＝I1R2＝0.2×24 V＝4.8 V。 题型四 利用其他传感器制作简单的自动控制电路 （2024·全国甲·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%）。 典例4 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________端（选填“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__________ 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）。 答案　（1）见解析图甲　（3）a　（6）1.40　17 解析　（1）连接实物图如图甲所示，注意连线不要有交叉，且电流从电表的正接线柱流入，从电表的负接线柱流出。 （3）为了保护电路，闭合开关时，电流表和电压表的示数应为0，所以闭合开关前应将滑动变阻器的滑片滑至a端。 （6）根据电压表的读数规则可知，电压表的示数为1.40 V； 根据题图（b）中的数据点和（20，1.40）点，拟合电压表示数U与氧气含量的曲线如图乙所示，则可知当电压表的示数为1.50 V时，氧气含量为17%。 升华总结 一、五种常见敏感元件的基本工作原理 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。 二、利用传感器制作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。 跟踪训练 1．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”或“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）。 答案　（1）可变电阻R1　远大于　（2）－1.2 解析　（1）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，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，故须调节可变电阻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，须将原电压表更换为内阻远大于RT阻值的电压表。 （2）实验设定恒定电流为50.0 μA，由题图可得温度为35.0℃时电压表的电压为1.6 V，则根据欧姆定律可知此时热敏电阻阻值RT1＝32 kΩ；温度为40.0℃时电压表的电压为1.3 V，则根据欧姆定律可知此时热敏电阻阻值RT2＝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＝＝－1.2 kΩ·℃－1，负号表示随着温度升高RT的阻值减小。 2．（2025·安徽合肥·模拟题）城市街道的路灯常用光敏电阻作为传感器控制路灯电路的开关实现自动控制，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）。 （1）该同学首先利用多用电表欧姆“×100”挡粗测该光敏电阻在某状态下的阻值，示数如图乙所示，则此时光敏电阻的阻值R1＝________ Ω。 （2）利用光敏电阻作为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭，在夜晚打开。为模拟自动照明控制系统，某同学选用图丙所示的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。为了实现根据光照情况控制路灯通断，请用笔画线代替导线，正确连接电路图。 （3）图中直流电源的电动势为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（0～1 500 Ω）、R3（0～3 000 Ω），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。要求天色渐暗照度降低至20 lx时点亮路灯，滑动变阻器应选择________（选填“R1”“R2”或“R3”）。 （4）小明同学想利用丙图为自己家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（选填“A、B”“B、C”或“A、C”）。 答案　（1）1 900　（2）见解析图　（3）R3　（4）B、C 解析　（1）多用电表欧姆挡读数为19×100 Ω＝1 900 Ω。 （2）为满足实验要求，控制电路的连接情况如图所示。 （3）要求天色渐暗照度降低至20 lx时点亮路灯，此时光敏电阻的电阻值约为4.5 kΩ，由闭合电路欧姆定律知R滑＝－R－R线圈＝2 600 Ω，此时的滑动变阻器的阻值约为2.6 kΩ，故滑动变阻器应选择R3。 （4）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，衔铁被吸引，此时电动机启动，故将开门电动机连接在B、C接线柱上。 3．（2023·湖南·历年真题）某探究小组利用半导体薄膜压力传感器等元件设计了一个测量微小压力的装置，其电路如图（a）所示，R1、R2、R3为电阻箱，RF为半导体薄膜压力传感器，C、D间连接电压传感器（内阻无穷大）。 （1）先用欧姆表“×100”挡粗测RF的阻值，示数如图（b）所示，对应的读数是________ Ω。 （2）适当调节R1、R2、R3，使电压传感器示数为0，此时，RF的阻值为________（用R1、R2、R3表示）。 （3）依次将0.5 g的标准砝码加载到压力传感器上（压力传感器上所受压力大小等于砝码重力大小），读出电压传感器示数U，所测数据如下表所示： 次数 1 2 3 4 5 6 砝码质量m/g 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 电压U/mV 0 57 115 168 220 280 根据表中数据在图（c）上描点，绘制U－m关系图线。 （4）完成前面三步的实验工作后，该测量微小压力的装置即可投入使用。在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力F0，电压传感器示数为200 mV，则F0大小是________ N（重力加速度取9.8 m/s2，保留2位有效数字）。 （5）若在步骤（4）中换用非理想毫伏表测量C、D间电压，在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力F1，此时非理想毫伏表读数为200 mV，则F1________F0（填“＞”“＝”或“＜”）。 答案　（1）1 000　（2）　（3）见解析图 （4）1.8×10－2　（5）＞ 解析　（1）由题图（b）可知，对应的读数为10×100 Ω＝1 000 Ω。 （2）根据电压传感器示数为0可得I1R1＝I2R2，I1RF＝I2R3，解得RF＝。 （3）把表格中的数据在题图（c）上进行描点，然后用一条直线拟合，使尽可能多的点落在直线上，不在直线上的点均匀分布在直线的两侧，离直线较远的点舍弃，如图所示。 （4）根据U－m图像可知，当U＝200 mV时，m＝1.8 g，故F0＝mg＝1.8×10－3×9.8 N≈1.8×10－2 N。 （5）可将C、D以外的电路等效为新的电源，C、D两点间的电压看作路端电压，因为换用非理想毫伏表后，当读数为200 mV时，实际上C、D间断路（接理想毫伏表时）时的电压大于200 mV，则在压力传感器上施加微小压力F1时C、D间的电压大于在压力传感器上施加微小压力F0时C、D间的电压，结合U－m关系图线可知，F1＞F0。 本讲总结 第9页 共14页 学科网（北京）股份有限公司 $