3. 传感器的应用举例 4. 自制简单的控制电路-【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教师用书（教科版）

本讲义聚焦传感器的应用及自制简单控制电路核心知识点，从生活情境（如火灾报警器检测烟雾）导入，系统梳理温度传感器（电熨斗双金属片、电饭锅感温铁氧体）、光传感器（火灾报警器、自动计数）的工作原理，搭建从理论分析到动手制作（光控LED灯、温度报警器）的学习支架。 资料以情境化问题驱动学习，通过师生互动分析电熨斗温控原理等任务培养科学思维，结合自制光控灯、温度报警器实验提升科学探究能力，例题与针对练融入身高体重测量仪等生活实例。课中辅助教师引导学生应用物理观念解决实际问题，课后帮助学生巩固知识、查漏补缺，强化科学态度与责任。

3．传感器的应用举例 4．自制简单的控制电路 【素养目标】　1.能分析生活和生产情境中的功能需求。　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。 知识点一　传感器的应用举例 【情境导入】　随着人们对消防安全的重视，很多建筑密闭空间的天花板上都安装了火灾报警器(如图)，你知道火灾报警器是通过检测什么来发现火灾险情的吗？ 提示：通过检测烟雾来发现险情。 【教材梳理】 (阅读教材P121－P126完成下列填空) 1．温度传感器的应用——电熨斗 (1)电熨斗设定和控制温度是依靠热双金属片温度传感器来实现的。 (2)电熨斗温度升高到设定温度时，与底板固定在一起的双金属片受热向下弯曲，两触点分离，电路断开。当温度降至某一值时，两触点重新接触，电路再次接通。 2．温度传感器的应用——电饭锅 (1)电饭锅的加热控制部分一般由感温铁氧体、永磁铁和弹簧组成。 (2)感温铁氧体的特点：常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，温度升高到103_℃时，就失去了铁磁性，不能吸引磁体了。 3．光传感器的应用——火灾报警器 (1)利用光散射的原理探测火灾初期产生的烟雾浓度，从而发出报警信号。 (2)烟雾报警器装有发光元件和受光元件。 4．各种传感器的应用——汽车 汽车装有几十个到近百个传感器，如车速传感器、加速度传感器、温度传感器等。 【师生互动】　如图为电熨斗的结构图。 分析以下问题： 任务1.电熨斗是通过哪个器件来进行自动控制温度的？它有什么特点？ 任务2.电熨斗是如何实现自动控制温度的？ 任务3.电熨斗通过哪个器件来实现温度设定的？ 提示：任务1.热双金属片温度传感器。上层金属的热膨胀系数大于下层金属的热膨胀系数。 任务2.当底板温度达到设定温度时，与底板固定在一起的双金属片受热向下弯曲，两触点分离，电路断开；当底板温度降下来，双金属片的形变恢复，电路接通继续加热，如此往复，使底板温度保持在一定的范围内。 任务3.旋转调温旋钮的升降螺丝。 (多选)如图甲是电饭锅的电路图，S1是一个限温开关，其内部结构如图乙所示，按下此开关按钮，两触点闭合，当温度达到居里点(103 ℃)时此开关会自动断开。S2是一个自动温控开关，当温度低于70 ℃时会自动闭合，温度高于80 ℃时会自动断开，R1是限流电阻，R2是加热电阻。下列说法正确的是(　　) 学生用书第134页 A．当感温磁体的温度达到居里点(103 ℃)时，由于感温磁体失去了磁性，不能被永磁体吸引，在弹簧的作用下，两触点断开 B．开始煮饭时不按下限温开关S1，一样可以把饭煮熟 C．电饭锅的饭煮熟后可以长时间保持米饭的温度在70 ℃到80 ℃之间 D．用电饭锅烧水，当水沸腾后限温开关S1也会自动断开 答案：AC 解析：当感温磁体的温度达到居里点(103 ℃)时，由于感温磁体失去了磁性，不能被永磁体吸引，从而在弹簧的作用下，使得两触点断开，A正确；如果开始煮饭时不按下限温开关S1，由于S2的作用，当锅内温度低于70 ℃时，S2会自动闭合，从而对锅加热，但当温度高于80 ℃时，S2会自动断开，使电饭锅处于保温状态，因此锅内的温度会控制在70 ℃到80 ℃之间，而无法将饭煮熟，B错误，C正确；用电饭锅烧水，水沸腾后水的温度会保持100 ℃不变，锅底温度不能达到居里点(103 ℃)，因此限温开关S1不会自动断开，D错误。 针对练1.(多选)如图是利用硫化镉制成的光敏电阻自动计数的示意图，其中A是发光仪器，B是光敏电阻(光照增强时，电阻变小)，下列说法中正确的是(　　) A．当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变小，电压表读数变小 B．当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大，电压表读数变大 C．当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变小，电压表读数变小 D．当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大，电压表读数变大 答案：AD 解析：光敏电阻的阻值与光照强度有关，光照增强时，光敏电阻的阻值变小。当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变小，电路中电流变大，电源内阻上的电压变大，路端电压变小，所以电压表读数变小，A正确，B错误；当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大，电路中电流变小，电源内阻上的电压变小，路端电压变大，所以电压表读数变大，C错误，D正确。 针对练2.(2024·广东实验中学质检)如图为一种常见的身高体重测量仪。测量仪顶部向下发射波速为v的超声波，超声波经反射后返回，被测量仪接收，测量仪记录发射和接收的时间间隔。质量为M0的测重台置于压力传感器上，传感器输出的电压与作用在其上的压力成正比。当测重台没有站人时，测量仪记录的时间间隔为t0，输出电压为U0，某同学站上测重台，测量仪记录的时间间隔为t，输出电压为U，则该同学身高和质量分别为(　　) A．v(t0－t)　U B．v(t0－t)　U C．v(t0－t)　(U－U0) D．v(t0－t)　(U－U0) 答案：D 解析：设测量仪高度和人的身高分别为H和h，根据题意知，没有站人时有H＝v，站人时有H－h＝v，联立可得h＝v(t0－t)；传感器输出的电压与作用在其上的压力成正比，则没有站人时U0＝kM0g，站人时U＝k(M0＋m)g，联立可得m＝(U－U0)，故D正确。 知识点二　自制简单的光控LED灯 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)电路图如图甲所示。 学生用书第135页 (2)工作原理 当光照较强时，RL较小，加在基极与发射极间的电压较小，三极管不导通，LED不亮；当光线较弱时，RL阻值增大，加在基极与发射极间的电压增大，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)电路图如图乙所示。 (2)有光照的情况下，光敏电阻的阻值只有几欧到几十欧，Q1的基极与发射极间电压小，不能导通；Q2的发射极与基极间的电压也较小，也不能导通，所以LED不会发光。无光照时，光敏电阻的阻值会达到MΩ量级。Q1的基极与发射极的电压大，导通，Q2的发射极与基极间的电压较大，导通，于是LED发光。 三、实验器材 发光二极管LED、电容＋C1、NPN型三极管Q1、PNP型三极管Q2、光敏电阻RL、可调电阻R1、限流和保护电阻R2与R3、电源、开关、导线等。 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RL受到白天较强的自然光照射，调节电阻R1使LED刚好不发光。 3．遮挡RL，当光照减弱到某种程度时，就会看到发光二极管LED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熄灭。 五、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。 2．二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．实验中要想天更暗时“路灯”才会亮，应该把R1的阻值调大些。 为了节能和环保，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，光敏电阻是阻值随着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，照度的单位为lx)。某光敏电阻RP在不同照度下的阻值如下表所示： 照度/lx 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 电阻/kΩ 75 40 28 23 20 18 (1)根据表中数据，请在给定的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)如图所示，当1、2两端所加电压上升至2 V 时，控制开关自动启动照明系统，请利用下列器材设计一个简单电路。给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至1.0(lx)时启动照明系统，在虚线框内完成电路原理图。(不考虑控制开关对所设计电路的影响) 学生用书第136页 提供的器材如下： 光敏电源E(电动势3 V，内阻不计)； 定值电阻：R1＝10 kΩ，R2＝20 kΩ，R3＝40 kΩ(限选其中之一并在图中标出) 开关S及导线若干。 答案：见解析 解析：(1)光敏电阻的阻值随光照变化的曲线如图所示。特点：光敏电阻的阻值随光照强度的增大非线性减小。 (2)电路原理图如图所示。 控制开关自动启动照明系统，给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至1.0(lx)时启动照明系统，即此时光敏电阻阻值为20 kΩ，两端电压为2 V，电源电动势为3 V，所以应加上一个分压电阻，分压电阻阻值应为10 kΩ，即选用R1。 针对练1.(多选)计算机光驱的主要部分是激光头，它可以发射脉冲激光信号，激光扫描光盘信息时，激光头利用光敏电阻自动计数器将反射回来的脉冲信号传输给信号处理系统，再通过计算机显示出相应信息。光敏电阻自动计数器的示意图如图所示，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是(　　) A．当有光照射R1时，处理系统获得高电压 B．当有光照射R1时，处理系统获得低电压 C．信号处理系统每获得一次低电压就计数一次 D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次 答案：AD 解析：R1、R2和电源形成一个闭合电路，当激光照到光敏电阻时，R1阻值变小，总电流变大，R2两端电压变高，只有R2两端获得高电压时，处理系统才能进行信号处理，故A、D正确。 针对练2.目前有些居民区内楼道灯的控制使用的是一种延时开关。该延时开关的简化原理如图所示。图中D是红色发光二极管(只要有很小的电流通过就能使其发出红色亮光)，R为限流电阻，K为按钮式开关，虚线框内S表示延时开关电路，当按下K接通电路瞬间，延时开关触发，相当于S闭合，这时释放K后，延时开关S约在1 min后断开，电灯熄灭。根据上述信息和原理图，我们可推断： 按钮开关K按下前，发光二极管是________(选填“发光的”或“熄灭的”)，按钮开关K按下再释放后，电灯L发光持续时间约______min。这一过程中发光二极管是________。限流电阻R的阻值和灯丝电阻RL相比，应满足R________RL的条件。 答案：发光的　1　熄灭的　≫(远大于) 解析：按钮开关K按下前，发光二极管、限流电阻与灯泡串联，有小电流通过发光二极管，因此发光二极管处于发光状态。当按钮开关K按下后，由于通电瞬间延时开关触发，相当于S闭合，二极管被短路，所以处于熄灭状态；由于延时开关S约在1分钟后断开，电灯才熄灭，可知电灯L发光持续时间约1 min。只有当限流电阻R的阻值比灯丝电阻RL大得多时，通过发光二极管的电流才很小，确保二极管不烧坏。 知识点三　自制简单的温度报警器 一、实验目的 1．设计并制作温度报警装置。 2．了解制作的报警装置的工作原理。 二、实验原理与设计 如图所示，利用热敏电阻作控制元件，从而通过温度来实现自动控制，当温度发生变化时，电阻RT发生变化，电路中的电流变化，当RT的阻值变化到一定值时，蜂鸣器发生报警。 三、实验器材 热敏电阻RT、温度计、干电池、手电筒、有源蜂鸣器LS、可调电阻R1、NPN型三极管Q1、定值电阻R2、开关、导线等。 四、实验步骤 1．先检测蜂鸣器的工作情况，有无损坏。 2．按照电路图连接电路，接通电源后，先调节R1使蜂鸣器在常温下不发声。 3．把电阻箱调到预设好的电阻，然后闭合开关。 4．再用热水使热敏电阻的温度升高，当蜂鸣器开始报警时，记录下温度计的示数。 5．改变电阻箱的电阻，重复上述步骤，并将实验数据记录在下表中。 学生用书第137页 组次 项目　　 1 2 3 4 5 6 7 8 温度/℃ 电阻/Ω 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．要使蜂鸣器在更低的温度时报警，应该把滑动变阻器的阻值调小些。 传感器担负着信息的采集任务，在自动控制中发挥着重要作用，传感器能够将感受到的物理量(如温度、光、声等)转换成便于测量的量(通常是电学量)。例如，热敏传感器主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻。某热敏电阻RT阻值随温度变化的图像如图甲所示，图乙是由该热敏电阻RT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，c应接在________(选填“a”或“b”)处； (2)若要使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器的滑片P向____(选填“左”或“右”)移动； (3)如果在调试报警器达到最低报警温度时，无论如何调节滑动变阻器的滑片P都不能使报警器工作，且电路连接完好，各电路元件都能处于工作状态，则造成工作电路不能正常工作的原因可能是：_____________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案：(1)a　(2)左　(3)可能是图乙中的电源电压太低或电流太小或继电器线圈匝数太少或弹簧劲度系数太大 解析：(1)由题图甲可知，当温度升高时，RT的阻值减小，通过线圈的电流变大，对衔铁的引力变大，与a点接触，故欲使报警器报警，c应接在a点。 (2)若使启动报警的温度提高些，可使电路的相对电流减小一些，以使得热敏电阻RT的阻值减小得更大一些，所以应将滑动变阻器滑片P向左移动，增大滑动变阻器接入电路的阻值。 (3)在调试报警器达到最低报警温度时，无论如何调节滑动变阻器的滑片P都不能使报警器工作，可能是通过线圈的电流太小或线圈匝数太少，对衔铁的引力较小，也可能是弹簧的弹力较大，线圈的磁力不能将衔铁吸引到和a接触的状态，还可能是题图乙中的电源电压太低。 针对练1.温度自动报警器的工作原理图如图所示，图中1是电磁铁、2是衔铁、3是触点、4是水银温度计(水银导电)。下列说法正确的是(　　) A．温度高于警戒温度时，电铃不报警、指示灯亮 B．温度低于警戒温度时，电铃报警、指示灯熄灭 C．温度高于警戒温度时，指示灯亮、电铃报警 D．温度低于警戒温度时，指示灯亮、电铃不报警 答案：D 解析：温度低于警戒温度时，水银柱下降，控制电路处于开路状态，电磁铁没有电流通过，电磁铁没有磁性，此时指示灯通过常闭触点与工作电路接通，通路状态指示灯亮，电铃不报警，故B错误，D正确；温度高于警戒温度时，水银柱上升，控制电路处于接通状态，电磁铁中有电流通过，电磁铁有磁性，此时电铃与工作电路接通，电路报警，此时开路状态指示灯的电路中没有电流，指示灯不亮，故A、C错误。 针对练2.(2024·石家庄高二期末)某同学在做“利用传感器制作简单的自动控制装置”的实验中，所用热敏电阻RT的阻值随温度升高而减小，由该热敏电阻RT作为传感器制作的自动报警器原理图如图所示，其中左侧为控制电路，右侧为工作电路。 (1)为了使温度过高时报警器响铃，c应接在________(选填“a”或“b”)处。 (2)若要使启动报警的温度降低些，应将滑动变阻器的滑片P向________(选填“上”或“下”)移动。 (3)如果报警器达到报警温度时，无论如何调节滑动变阻器的滑片P都不能使报警器响铃，检查后发现电路连接完好，各电路元件完好，则造成电路不能正常工作的原因可能是________。 A．控制电路中电源E1的电动势过小 B．继电器中线圈匝数过多 C．继电器中弹簧劲度系数过大 答案：(1)b　(2)上　(3)AC 解析：(1)温度升高时热敏电阻阻值减小，控制电路中的电流增大，则电磁铁的磁性增强，将衔铁吸引下来与下方b处接通，故c应接在b处。 (2)若要使启动报警的温度降低些，相当于增大临界状态的热敏电阻阻值，为了仍等于电磁铁将衔铁吸引下来的电流临界值，则需要减小滑动变阻器的阻值，即滑片P向上移动。 (3)报警器响铃的条件是控制电路中的电流大于等于临界值，若控制电路中电源E1的电动势过小，无论如何调节滑动变阻器的滑片P都无法使电路中的电流升高到临界值，故A正确；继电器中线圈匝数过多，会使电磁铁磁性更强，更容易使报警器报警，故B错误；继电器中弹簧劲度系数过大时，电磁铁在到达临界条件的电流时，引力不足，无法将衔铁吸引下来，故C正确。 学科网（北京）股份有限公司 $