3.利用传感器制作简单的自动控制装置-【金版新学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册同步课堂高效讲义配套课件（人教版）

该高中物理课件聚焦传感器在自动控制装置中的应用，通过门窗防盗报警装置（干簧管、继电器）和光控开关（光敏电阻、三极管）实验，衔接电路知识，搭建从理论到实践的学习支架。 其亮点是以科学探究为主线，结合元件测试、电路连接等实验操作及热敏电阻阻值计算等问题分析，培养科学思维与物理观念。如光控开关实验中三极管开关作用的探究，提升学生实践能力，为教师提供完整的教学与评价资源。

3.利用传感器制作简单的自动控制装置 　　　　 第五章 传感器 1.能分析生活和生产情境中传感器的功能需求。 2.能应用所学的电路等知识，结合常用传感器的特性和应用方法分析有关电路的工作原理。 3.会利用光敏电阻、热敏电阻、电磁继电器等制作简单的自动控制装置。 素养目标 探究过程 1 合作交流 2 课时测评 3 内容索引 2 3 4 5 1 探究过程 返回 实验一　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及其在装置中的作用。 (二)实验原理 1.干簧管 (1)特点：感知磁体磁场是否存在的传感器。 (2)作用：将磁场的存在与否转换为电路的通断。 2.继电器 (1)特点：继电器线圈中有电流通过时，继电器的动触点c与常开触点a接通；无电流时，继电器的动触点c与常闭触点b接通。 (2)作用：将继电器中电流的有无转换为指示灯和蜂鸣器电路的控制，相当于一个自动的双向开关。 3.实验电路   4.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，继电器的动触点c与常开触点a接通，发光二极管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，断电器的动触点c与常闭触点b接通，蜂鸣器H发声报警。 (三)实验器材 干簧管SA、继电器、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。 实验二　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 (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的开关作用。 2.光控开关 (1)电路图(如图甲) (2)工作原理 当环境光比较强时，光敏电阻RG的阻值很小，加在基极上的电压很小，三极管不导通，LED不亮；当环境光比较弱时，光敏电阻RG的阻值变大，加在基极上的电压变大，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(如图乙) (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；当环境光比较弱时，光敏电阻RG的阻值变大，三极管导通，集电极电流较大，驱动继电器吸合而点亮灯泡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、小灯泡L(6 V　0.3 A)、二极管D、电源等。 (四)实验步骤 1.按照电路图连接电路，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，当光照增强到某种程度时，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，否则将烧坏门电路集成块。 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。 返回 合作交流 返回 例1 一　教材原型实验 角度1 报警系统的电路问题 (2025·河北邯郸高二月考)某同学利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性，制作了一个简易的汽车低油位报警装置。 (1)该同学首先利用多用电表电阻“×100”挡粗测该热敏电阻在常温下的阻值，示数如图甲所示，则此时热敏电阻的阻值为Rt＝__________kΩ。 1.9 由多用电表电阻挡的读数规则可知，此时热敏电阻的阻值为Rt＝19×100 Ω＝1.9 kΩ。 (2)该同学为了进一步探究该热敏电阻阻值随温度变化的关系，设计了如图乙所示的实验电路，定值电阻R0＝2.0 kΩ，则在闭合开关前，滑动变阻器的滑片P应置于最________(选填“左”或“右”)端；在某次测量中，若毫安表A1的示数为2.25 mA，A2的示数为1.50 mA，两电表可视为理想电表，则热敏电阻的阻值为__________kΩ。 左 3.0 滑动变阻器采用分压式接法，为保护电路安全，在开关闭合前应将滑动变阻器的滑片P置于最左端，由于Rt和R0并联，故有I1R0＝I2Rt 代入数据解得Rt＝3.0 kΩ。 (3)经过多次测量，该同学得到热敏电阻的阻值随温度的变化关系图像如图丙所示，可知该热敏电阻的阻值随温度升高变化得越来越_________(选填“快”或“慢”)。 慢 由题图丙可知，该热敏电阻的阻值随温度的升高而逐渐减小，从曲线的斜率可以看出，图线斜率的绝对值越来越小，故该热敏电阻的阻值随温度升高变化得越来越慢。 (4)该同学利用此热敏电阻设计的汽车低油位报警装置如图丁所示，其中电源电动势E＝6.0 V，定值电阻R＝1.8 kΩ，长为l＝50 cm的热敏电阻下端紧靠在油箱底部，不计报警器和电源的内阻。已知流过报警器的电流I≥2.4 mA时报警器开始报警，若测得报警器报警时油液(热敏电阻)的温度为30 ℃，油液外热敏电阻的温度为70 ℃，由此可知油液的警戒液面到油箱底部的距离约为_______cm。 10 设警戒液面到油箱底部的距离为x，温度为30 ℃时热敏电阻的阻值为Rt1＝1.5 kΩ，则在油液内的热敏电阻的阻值为R1＝Rt1 同理，可得油液外的热敏电阻的阻值为R2＝Rt2，其中Rt2＝0.5 kΩ 由闭合电路的欧姆定律有E＝I 将E＝6 V、I＝2.4 mA、R＝1.8 kΩ代入解得x＝10 cm。 例2 角度2 光控开关的应用 (2025·河南开封高二月考)光敏电阻广泛应用于光控制电路中，物理探究小组设计了图甲所示的电路测量不同照度下的光敏电阻的阻值，照度单位为勒克斯(lx)。小组成员先将照射光敏电阻的光调至某一照度，将电阻箱阻值调到最大，先闭合电键S1，再将电键S2与1连接，调节电阻箱的阻值如图乙所示时，此时通过电流表A的电流为I，然后将电键S2与2连接，当调节电阻箱的阻值如图丙所示时，电流表的示数恰好也为I。 (1)图乙的读数R1＝__________Ω，图丙的读数R2＝__________Ω，此照度下光敏电阻的阻值R0＝__________Ω。 2 320 1 120 1 200 根据电阻箱各旋钮的示数，可知R1＝2 320 Ω，R2＝1 120 Ω 根据题意可知，电键与1连接和与2连接时电流表的示数都为I，根据闭合电路的欧姆定律可知两种情况下电路中电阻大小相等，所以R0＝R1 －R2＝2 320 Ω－1 120 Ω＝1 200 Ω。 (2)图丁是该小组描绘出的光敏电阻的阻值随照度变化的关系图像，由图丁可知(1)中的光照度为_______ lx(保留2位有效数字)。 1.0 根据R0的阻值，结合题图丁可知(1)中的光照度为1.0 lx。 (3)此光敏电阻随光照强度的减小而__________(选填“增大”“不变”或“减小”)。 增大 根据题图丁可知，此光敏电阻随光照强度的减小而增大。 (4)小组设计了如图戊所示的电路控制路灯，图戊中R0为此实验的光敏电阻，R1为滑动变阻器，电磁继电器的衔铁由软铁(容易磁化和消磁)制成，R2为电磁铁的线圈电阻，K为单刀双掷开关。当光照强度小到某一值时，衔铁就会被吸下，交流电路接通，当光照强度达到某一值时，衔铁就会被弹簧拉起，交流电路就会断开，路灯熄灭，请在图戊中原有电路的基础上用笔画线连接电路实现这一功能。 答案：见解析图 如图所示，将线圈与光敏电阻并联，然后与滑动变阻器以及电源串联，这样当光照强度减小时，光敏电阻的阻值增大，并联部分的分压变大，线圈中的电流增大，螺线管的磁性变强，将衔铁吸下，路灯接通；当光照强度增大时，光敏电阻的阻值变小，并联部分分压变小，线圈中的电流减小，螺线管的磁性变弱，衔铁弹起，路灯熄灭。 例3 二　拓展创新实验 (2025·重庆高二期末)如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________(选填“增大”或“减小”)。 减小 由题图乙可知F越大，R1越小，即压力传感器的电阻值R1随压力的增大而减小。 (2)从B通道通过的是_______ (选填“大”或“小”)鸡蛋。 大 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，则通过R2的电流较大，故R2两端的电压较大，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)若R2两端的电压超过3 V时，电磁铁可以向下吸动衔铁，则选择的大鸡蛋对压力秤的压力要大于________N。(保留到小数点后2位) 0.43 根据闭合电路的欧姆定律得 E＝U2＋IR1＝U2＋R1 解得R1＝10 Ω 由题图乙可知当R1＝10 Ω时，F≈0.43 N，所以选择的大鸡蛋对压力秤的压力要大于0.43 N。 (4)要想选择出更大的鸡蛋，需要把电阻R2的阻值调______(选填“大”或“小”)。 小 要选出更大的鸡蛋，即要相同的鸡蛋送到压力秤时，令R2两端的电压比原来的小，所以需要把R2的阻值调小。 例4 (2025·湖南衡阳高二月考)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≤酒精气体浓 度＜0.8 mg/mL”，醉驾标准是“酒精气体浓度≥0.8 mg/mL”。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　 根据题图乙电路图，将实物连线如图所示。 (2)电路中R应选用定值电阻__________(选填“R1”或“R2”)。 R2 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)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____ (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。 a 电压表指针对应的刻度线为0.2 mg/mL，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______ Ω时，将电压表此时指针对应的刻度线标记为0.8 mg/mL。 ③将开关向另一端闭合，测试仪即可正常使用。 10.0 电压表指针对应的刻度线为0.8 mg/mL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。 返回 课时测评 返回 1.(10分)如图是自动水位报警器的示意图，其中继电器的线圈通过电流时，电磁铁吸引衔铁1，使它与触头3断开，与触头2接触。若要求水位正常时绿灯亮，高出一定水位时红灯亮，现有红、绿灯泡各一个，红灯泡应安在____位置，绿灯泡应安在______位置。(均选填“A”或“B”) B A 2 3 4 5 1 水位较低时，线圈中没有电流，衔铁1与触头3接触，这时应绿灯亮，所以绿灯泡应安在A位置；当高出一定水位时，线圈中有电流，电磁铁吸引衔铁1，使它与触头3断开，与触头2接触，这时应为红灯亮，所以红灯泡应安在B位置。 2 3 4 5 1 2.(10分)(2025·黑龙江大庆高二期中)如图甲为某半导体材料制成的热敏电阻R1随温度变化的图像，如图乙是由热敏电阻R1作为传感器制作的简单自动报警器线路图。 (1)为了使温度过高时报警器铃响，开关c应接在_____(选填“a”或“b”)。 a 由题图甲可知，随温度升高热敏电阻阻值减小，由题图乙可知，当热敏电阻阻值减小时，控制电路电流增大，线圈产生的磁场变强，与弹簧相连的导线被吸到a处，此时报警器响，因此开关c应接在a处。 2 3 4 5 1 (2)若使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器滑片P向________(选填“左”或“右”)移动。 左 由题图甲可知，温度升高，热敏电阻阻值变小，要使启动报警器的温度提高，则热敏电阻阻值更小时才启动报警电路，此时滑动变阻器接入电路的阻值要变大，由题图乙可知，应将滑动变阻器滑片P向左移动。 2 3 4 5 1 (3)热敏电阻回路中的直流电源电动势为18 V(内阻不计)，热敏电阻R1达到100 ℃时电阻大小为600 Ω，此时报警器开始报警。流过热敏电阻R1的电流超过Ic时就会报警，Ic为10 mA，则滑动变阻器应选择_______。 A.R2(0～200 Ω) B.R2(0～1 000 Ω) C.R2(0～2 000 Ω) C 开始报警时控制电路总电阻为R＝＝ Ω＝1 800 Ω，此时滑动变阻器接入电路的阻值为R滑＝R－R1＝1 800 Ω－600 Ω＝1 200 Ω。故选C。 2 3 4 5 1 3.(10分)某实验小组利用热敏电阻设计了一 个“过热自动报警电路”，如图甲所示。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压U1＝3 V，继电器线圈用漆包线绕成，其电阻R0为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)图甲中警铃的接线柱C应与接线柱______ (选填“A”或“B”)相连。 B 由题意可知，警铃的接线柱C应与接线柱B相连，指示灯的接线柱D应与接线柱A相连。 2 3 4 5 1 当环境温度升高时，热敏电阻的阻值减小，线圈中电流增大，则继电器的磁性将增大。当线圈中的电流等于50 mA时，继电器的衔铁刚好被吸合，则控制电路中电阻最大值为R总＝＝ Ω＝60 Ω 此时热敏电阻的阻值为R＝R总－R0＝(60－30) Ω＝30 Ω， 由题图乙知，此时环境温度为80 ℃，所以环境温度达到80 ℃时，警铃报警。 (2)当环境温度达到_____ ℃时，警铃报警。 80 2 3 4 5 1 要使报警电路在更高的温度报警，则线圈中的电流等于50 mA时，热敏电阻R变小，由(2)知，热敏电阻R＝－R0，则可通过适当减小U1达到这个目的。故选A。 (3)如果要使报警电路在更高的温度报警，下列方案可行的是_______。 A.适当减小U1 B.适当增大U1 C.适当减小U2 D.适当增大U2 A 2 3 4 5 1 4.(10分)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在不同照度下的阻值如下表所示。 (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 ________ (选填“AB”或“CD”)之间。 照度(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 AB 2 3 4 5 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。 照度(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 2 3 4 5 1 (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 __________ Ω时，才能使天色渐暗照度低于1.0 lx时点亮路灯。 照度(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 1 460 由题意可知，当照度降到1.0 lx时，电路中的电流降低到10 mA，根据闭合电路的欧姆定律可知，电路的总电阻为R总＝＝ Ω＝3 600 Ω 由题表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。 2 3 4 5 1 (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 _____ (选填“大”或“小”)些。 照度(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 小 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。 2 3 4 5 1 5.(10分)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)和电流表(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 3 4 5 1 因电流表可视为理想电表，则采用内接法可以消除因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 3 4 5 1 根据欧姆定律可得磁敏电阻的阻值为R＝＝ Ω≈2.2 kΩ。 (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2位有效数字)。 2.2 2 3 4 5 1 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。 (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____________ T(保留2位有效数字)。 1.4×10－4 2 3 4 5 1 (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________(选填“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__________ (选填“增大R1”或“减小R1”)。 R2 10 减小R1 2 3 4 5 1 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，根据串联分压的原理可知，可将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。 返回 2 3 4 5 1 谢 谢 观 看 第五章 传感器 2 3 4 5 1 $