2026届高考物理一轮复习学案 实验:利用传感器制作简单的自动控制装置

2026-02-25
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标题 2026一轮复习学案 实验:利用传感器制作简单的自动控制装置 主要内容 实验技能储备 一、实验目的 1.了解传感器的工作过程,探究热敏电阻和光敏电阻等敏感元件的特性。 2.学会传感器的简单使用并会制作简单的自动控制装置。 二、实验原理 1.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)。 2.其工作过程如下图所示。 三、实验器材  热敏电阻、光敏电阻、多用电表、铁架台、烧杯、冷水、热水、小灯泡、学生电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线等。 四、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R­T图中,得图像如图乙所示。 2.研究光敏电阻的光敏特性 (1)将光敏电阻、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)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。 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。 五、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R­t图像时的不规范易造成误差。 六、注意事项 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调零。 实验分层突破 要点一 教材原型实验 例1 某实验小组探究一种热敏电阻的温度特性。现有器材:直流恒流电源(在正常工作状态下输出的电流恒定)、电压表、待测热敏电阻、保温容器、温度计、开关和导线等。 (1)若用上述器材测量热敏电阻的阻值随温度变化的特性,请你在实物图上连线。 (2)实验的主要步骤: ①正确连接电路,在保温容器中注入适量冷水,接通电源,调节并记录电源输出的电流值; ②在保温容器中添加少量热水,待温度稳定后,闭合开关,    ,    ,断开开关; ③重复第②步操作若干次,测得多组数据。 (3)实验小组算得该热敏电阻在不同温度下的阻值,并据此绘得如图所示的R­t关系图像,请根据图像写出该热敏电阻的R­t关系式:R=    +    t(Ω)。 解析:(1)直流恒流电源在正常工作状态下输出的电流恒定,故只需要将电压表与电阻并联测量出电压即可,实物图连线如图所示。 (2)本实验要测量电阻值与温度的关系,电阻用欧姆定律计算,由于电流恒定且已知,故需测量电压与温度。 (3)由R­t图像可知,当t1=10 ℃时,R1=104 Ω;当t2=60 ℃时,R2=124 Ω。R­t图像的斜率为=0.4;将图像延长,图像过原点,说明t=0 ℃时的电阻为100 Ω,故R­t关系式为R=100+0.4t(Ω)。 答案:(1)见解析图 (2)②读取温度计示数 读取电压表示数 (3)100 0.4 例2 如图甲为一利用光敏电阻测量储液罐中液面高度的装置的示意图。当罐中装满液体时,液面与出液口高度差为h,罐外有一竖直放置的管,管内一侧有沿竖直线排列的多个光敏电阻,另一侧有一列光强稳定的光源。液面上一浮块与一块遮光板通过定滑轮相连,遮光板可随浮块的升降在管内上下运动,光敏电阻的总长度和遮光板的总长度都为h。当储液罐内装满液体时,遮光板的上沿与最下面的光敏电阻的下边缘等高。管内的光均匀地照射在光敏电阻上,光敏电阻和仪表相连。现要求设计一电路以利用上述装置测量液面的高度。 为将问题简化,假设管内只有3个光敏电阻R1、R2、R3,分别位于管的上端、下端和中央;它们的暗电阻均为R=10 kΩ,被管内光源照亮时电阻均为R′=1.0 kΩ。给定的仪器还有直流电源E(电动势为9 V,电阻不计),3个定值电阻,阻值分别为R4=2.5 kΩ,R5=1.8 kΩ,R6=1.5 kΩ;电压表V(量程为0~3 V,内阻可视为无穷大),开关一个,导线若干。 要求:当罐内装满液体时,电压表恰好为满量程。 (1)如图乙为某次电压表的示数,其大小为    V。 (2)选择合适的定值电阻,在如图丙所示虚线框内画出电路图,并用题中给定的符号标明图中各元件。 (3)液面与出液口等高时,电压表的示数为    V(结果保留2位有效数字)。 (4)若管内的光强变暗,使得光敏电阻被照亮时的阻值变为1.2 kΩ,则定值电阻的阻值应变为    kΩ,便可达到题目要求(结果保留2位有效数字)。 解析:(1)电压表量程为0~3 V,每小格表示0.1 V,指针示数为1.40 V。 (2)当罐内装满液体时,3个光敏电阻均受到光照射,电阻均为1.0 kΩ,可把三个光敏电阻串联后再与定值电阻Rx串联,接在直流电源两端,把电压表接在定值电阻两端,则有=,得Rx=1.5 kΩ,故Rx为电阻R6,电压表应与电阻R6并联构成电路。当罐内装满液体时,电压表恰好为满量程,电路图如图所示。 (3)当液面与出液口等高时,光源完全被遮光板遮住,此时三个光敏电阻的阻值均为10 kΩ,则电压表的示数为U=·R6≈0.43 V。 (4)若光敏电阻被照亮时的阻值变为1.2 kΩ,为使电压表满量程,则定值电阻的阻值变为R′x,R′x满足3 V=, 解得R′x=1.8 kΩ。 答案:(1)1.40 (2)见解析图 (3)0.43 (4)1.8 要点二 实验的改进与创新 例3 半导体薄膜压力传感器是一种常用的传感器,其阻值会随压力变化而改变。现有一压力传感器: (1)利用图甲所示的电路测量该传感器在不同压力下的阻值RN,其阻值约几十千欧,实验室提供以下器材: 电源电动势为3 V; 电流表A(量程250 μA,内阻约为50 Ω); 电压表V(量程3 V,内阻约为20 kΩ); 滑动变阻器R(阻值0~100 Ω)。 为了提高测量的准确性,开关S1应该接    (选填“1”或“2”),开关S2应该接    (选填“3”或“4”)。 (2)通过多次实验测得其阻值RN随压力F变化的关系图像如图乙所示: (3)由图乙可知,压力越大,阻值    (选填“越大”或“越小”),且压力小于2.0 N时的灵敏度比压力大于2.0 N时的灵敏度(灵敏度指电阻值随压力的变化率)    (选填“高”或“低”)。 (4)利用该压力传感器设计了如图丙所示的自动分拣装置,可以将质量不同的物体进行分拣,图中RN为压力传感器,R′为滑动变阻器,电源电压为6 V(内阻不计)。分拣时将质量大小不同的物体用传送带运送到托盘上,OB为一个可绕O转动的杠杆,下端有弹簧,控制电路两端电压小于3 V时,杠杆OB水平,物体水平通过杠杆进入通道1,当控制电路两端电压大于3 V时,杠杆的B端就会被吸下,物体下滑通过杠杆进入通道2,从而实现分拣功能。若R′调为30 kΩ,取重力加速度g=10 m/s2,该分拣装置可以实现将质量超过    kg的物体进行分拣(结果保留2位有效数字),若要将质量超过0.20 kg的货物实现分拣,应该将R′调成    kΩ(结果保留3位有效数字)。 解析:(1)RN的阻值约几十千欧,因此有RN>= Ω=1 000 Ω,为了提高测量的准确性,采用电流表内接法,开关S1应该接2;实验需要测量多组数据,且电压从零开始变化,实验时滑动变阻器要用分压式接入电路,因此开关S2应该接3。 (3)由题图乙可知,压力越大,阻值越小;由电阻值随压力的变化率可知,压力小于2.0 N时的灵敏度比压力大于2.0 N时的灵敏度高。 (4)由题意可知,当控制电压等于3 V时,控制电路的电流为I== A=1×10-4 A,压力传感器上的电压为3 V,压力传感器的电阻值为RN== Ω=3×104 Ω,由题图乙可知此时传感器上的压力为1.40 N,则物体质量为0.14 kg,因此由压力传感器的特点可知,该分拣装置可以实现将质量超过0.14 kg的物体分拣;若要将质量超过0.20 kg的货物实现分拣,由以上计算分析可知,当物体质量为0.20 kg 即传感器上的压力为2.0 N时,由题图乙可知,压力传感器的电阻值为26.0 kΩ,因此应该将R′调成26.0 kΩ,当质量超过0.20 kg的货物分拣时,压力传感器的电阻值小于26.0 kΩ,控制电路两端电压大于3 V,货物实现分拣。 答案:(1)2 3 (3)越小 高 (4)0.14 26.0 例4 (2024·广西三模)气敏电阻在安全环保领域有着广泛的应用。有一个对甲醛气体非常敏感的气敏电阻Rq,正常情况下阻值为几百欧,当甲醛浓度升高时,其阻值可以增大到几千欧。该气敏电阻说明书给出的气敏电阻Rq随甲醛浓度η变化的曲线如图a所示(横轴为10-8 kg·m-3)。 (1)为检验该气敏电阻的参数是否与图a一致,测量部分甲醛浓度下的阻值,设计图b所示电路。利用如下实验器材测甲醛浓度为8×10-8 kg·m-3时气敏电阻的阻值,供选用的器材如下: A.蓄电池(电动势6 V,内阻不计); B.电压表(量程6 V,内阻约10 kΩ); C.毫安表(量程5 mA,内阻约2 Ω); D.滑动变阻器R1(最大阻值20 Ω); E.滑动变阻器R2(最大阻值1 000 Ω); F.开关、导线若干。 ①参照图a中的参数,滑动变阻器RP应选用    (选填“R1”或“R2”); ②单刀双掷开关应接在    (选填“1”或“2”)。 (2)实验时,将气敏电阻置于密封小盒内,通过注入甲醛改变盒内甲醛浓度,记录不同甲醛浓度下电表示数,计算出气敏电阻对应阻值,若某次测量中电压表和毫安表的示数分别为5.5 V 和3.7 mA,则此时气敏电阻的阻值为    kΩ(保留2位有效数字)。 (3)已知国家室内甲醛浓度标准是η≤0.1 mg/m3。探究小组利用该气敏电阻设计了如图c所示的简单测试电路,用来测定室内甲醛是否超标。 电源电动势为E=5.0 V(内阻不计),电路中D1、D2分别为红、绿发光二极管,红色发光二极管D1的启动(导通)电压为2.0 V,即发光二极管两端电压UD1≥2.0 V时点亮,绿色发光二极管D2的启动电压为3.0 V,发光二极管启动时对电路电阻的影响不计。实验要求当室内甲醛浓度正常时绿灯亮,超标时红灯亮,则在电阻R3和R4中,    是定值电阻,其阻值为    kΩ。 解析:(1)①根据图b可知,滑动变阻器采用了分压接法,为了调节方便,则滑动变阻器应该选择最大阻值较小的R1。②由图a可知,甲醛浓度为8×10-8kg·m的气敏电阻的阻值Rq≈2.5 kΩ,由于Rq>,因此电流表应采用内接法,即开关接到1。 (2)根据欧姆定律可得气敏电阻阻值为Rq== Ω≈1.5×103 Ω=1.5 kΩ。 (3)R3、R4串联,当甲醛浓度升高,气敏电阻的阻值Rq增大时,红色发光二极管D1两端电压升高,所以R3为气敏电阻,R4为定值电阻;根据电阻与电压成正比,有=,红色发光二极管D1处于点亮的临界状态,由图a可知η=0.1 mg/m3=1×10-7 kg/m3时,气敏电阻的阻值Rq=2.6 kΩ,故可得R4=3.9 kΩ。 答案:(1) R1 1 (2)1.5 (3)R4 3.9 实验考核达标 1.(2025·四川成都模拟预测)小双想利用实验室的一个热敏电阻设计一个温度报警装置。查阅资料,得到该热敏电阻的阻值RT随温度t变化的曲线如图1所示。设计了图2中的实验电路。电源电动势E=9 V,内阻不计。电压表量程为10 V,内阻未知。电流表G量程为10 mA,内阻RG=50 Ω。滑动变阻器R1的最大阻值为50 Ω。 (1)若正确测量,某次电压表读数U=6.4 V,电流表读数I=8.0 mA,则热敏电阻在50 ℃时的阻值RT=    Ω。 (2)把电源E、热敏电阻RT、电阻箱R、蜂鸣器D连接成如图3电路。蜂鸣器D内阻不计,当通过它的电流超过ID=4 mA时,它就发出声音报警。若要求环境温度达到50 ℃时开始报警,电阻箱的阻值应调为    Ω。 (3)实验过程中,发现环境温度达到52 ℃时才开始报警,为了实现50 ℃时报警,应将电阻箱的阻值适当调    。 A.大 B.小 解析 (1)根据题意,由欧姆定律可得,热敏电阻在50 ℃时的阻值RT=-RG=(-50) Ω=750 Ω。 (2)根据题意,由闭合回路欧姆定律可得,电阻箱的阻值应调为R=-RT=(-750) Ω=1 500 Ω。 (3)发现环境温度达到52 ℃时才开始报警,由于热敏电阻阻值随温度的升高而降低,为了实现50 ℃时报警,应将电阻箱的阻值适当调小,故选B。 答案 (1)750 (2)1 500 (3)B 2.(2025·广东潮州检测)如图甲所示为一个简单恒温箱的电路图,其温控电路由一热敏电阻R和继电器组成,图乙为该热敏电阻的R-t图像。初始时继电器的衔铁吸附在M端,当线圈中的电流大于或等于30 mA 时,衔铁被吸合到N端,则加热电路停止工作。已知继电器线圈的电阻为20 Ω,为继电器线圈供电的电池电动势E=9.0 V,内阻不计,图甲中的“电源”是恒温箱加热器的电源。 (1)应该把恒温箱内的加热器接在    端(选填“A、B”或“C、D”)。 (2)如果要使恒温箱内的温度保持50 ℃,热敏电阻R的阻值为    Ω,可变电阻R′的阻值应调节为    Ω。 解析 (1)当温度较低的时候,热敏电阻R的电阻较大,电路中的电流较小,此时继电器的衔铁与AB部分连接,此时是需要加热的,恒温箱内的加热器要工作,所以该把恒温箱内的加热器接在A、B端。 (2)由图可知如果要使恒温箱内的温度保持50 ℃,热敏电阻R的阻值为R=90 Ω;当温度达到100 ℃时,加热电路就要断开,此时的继电器的衔铁要被吸合,即控制电路的电流要到达I=30 mA=0.03 A,根据闭合电路欧姆定律可得I=,解得可变电阻R′的阻值应调节为R′=-R-R0= Ω-90 Ω-20 Ω=190 Ω。 答案 (1)A、B (2) 90 190 3.(2025·福建厦门阶段练习)某光敏电阻阻值随光强变化的关系如表所示[“光强(E)”表示光强弱程度的物理量,单位为坎德拉(cd)]: 光强E/cd 1 2 3 4 5 6 光敏电阻R/Ω 36 18 12 9 7.2 6 小明为此设计了一个路灯自动控制电路如图所示,光敏电阻R、电阻箱R1和继电器组成了一个简单光控电路,继电器线圈的电阻为r=200 Ω。当线圈中的电流大于或等于20 mA时,继电器的衔铁被吸合,为继电器线圈供电的电池的电动势E=8 V,内阻可以不计,图中的“电源”接入照明电压。 (1)为了达到日出灯熄,日落灯亮的效果,应该把路灯接    端(选填“AB”或“CD”)。 (2)如果要使外界光强达到3 cd时路灯自动熄灭,电阻箱R1接入电路的电阻值应为    Ω。 (3)小明发现电路能正常工作了,只是路灯亮得有点早,为此,他应该将电阻箱R1的阻值适当调    (选填“大”或“小”)一点。 解析 (1)当光线变暗,光强变小时,光敏电阻阻值变大,控制电路的电流会减小,电磁继电器对衔铁的吸引力变小,在弹簧的拉力作用下,衔铁将向上运动,与上面触点接触,要让路灯工作,应该将路灯接在AB端。 (2)当线圈中的电流大于或等于20 mA时,继电器的衔铁被吸合。由闭合电路欧姆定律得R1=-r-R,由表格可知,当光强达到3 cd时光敏电阻R的阻值为12 Ω,将E=8 V,I=20 mA,r=200 Ω代入得R1=188 Ω。 (3)为了使路灯稍晚点才亮,即光敏电阻阻值变得大点,而继电器的工作电流还是20 mA不变,所以应将电阻箱接入电路的阻值调小点。 答案 (1)AB (2)188 (3)小 4.(2025·重庆九龙坡阶段练习)如图甲所示为某物理小组成员用热敏电阻和电磁继电器制作的简易温控开关的原理电路图,正常工作时,单刀双掷开关位于d处。图乙为热敏电阻的R1-t图像,继电器线圈的电阻为90 Ω。当继电器线圈电流超过10 mA时,衔铁吸合,加热器停止加热;电流低于10 mA时,衔铁松开,继续加热,实现温度自动控制,为继电器供电的电池电动势E=4 V,内阻不计。图甲中的“电源”是恒温箱加热器的电源。 (1)正常工作时,温度升高,继电器的磁性将    (选填“减小”“不变”或“增大”)。 (2)为使该装置实现10 ℃~60 ℃之间任意温度的控制(即使恒温箱内温度能保持在该温度范围内的任一值),下面两种规格的滑动变阻器R′应选    (选填“R1”或“R2”)。 滑动变阻器R1(0~200 Ω);滑动变阻器R2(0~300 Ω)。 (3)为了实现恒温箱保持温度为40 ℃,实验时进行了以下操作: ①断开开关,滑动变阻器阻值调节至最大,将电阻箱阻值调到     Ω(保留2位有效数字); ②将单刀双掷开关向c端闭合; ③缓慢调节滑动变阻器的阻值直到观察到继电器的衔铁恰好被吸合,此时滑动变阻器R′接入电路的阻值大小为    Ω(保留3位有效数字); ④保持滑动变阻器的位置不变,将单刀双掷开关向d端闭合,恒温箱系统正常工作。 (4)若想让恒温箱保持的温度升高,应将滑动变阻器R′的接入电阻调     (选填“大”或“小”)。 解析 (1)由图乙可知,热敏电阻的阻值随温度的升高而变小,电路中的电流变大,流经继电器的电流变大,磁性增大。 (2)为使该装置实现对10 ℃~60 ℃之间任意温度的控制,滑动变阻器的最大阻值必定大于最高温控所需连入电阻,故R总>=Ω=400 Ω,又R总=R+R滑+R继,当温度为60 ℃时热敏电阻阻值最小,为R=30 Ω,所以R滑>400 Ω-27 Ω-90 Ω=283 Ω,所以滑动变阻器选用R2。 (3)①由题图乙可知40 ℃时热敏电阻对应阻值为53 Ω,因此需将电阻箱阻值调到53 Ω;②当恒温箱内的温度保持40 ℃,应调节滑动变阻器R′的阻值,使电流达到10 mA,由闭合电路的欧姆定律得I=,即R′=-R箱-R继=400 Ω-53 Ω-90 Ω=257 Ω。 (4)若想让恒温箱保持的温度升高,则报警时热敏电阻的阻值变小,总阻值不变,则应将滑动变阻器R′的接入电阻调大。 答案 (1)增大 (2)R2 (3) 53 257 (4)大 5.如图所示,图2为一个自动筛选鸡蛋重量的装置,可以筛选出两类重量不同的鸡蛋。当不同重量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2所示。R2是可调节电阻,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=12 V,内阻不计,R2调节为10 Ω。 (1)由图1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”)。 (2)从B通道通过的是    鸡蛋(选填“重”或“轻”)。 (3)若R2两端的电压超过6 V时,电磁铁可以吸动衔铁向下,则选择的重鸡蛋对压力秤的压力要大于    N(保留两位有效数字)。 (4)要想选择出更重的鸡蛋,需要把电阻R2的阻值调    (选填“大”或“小”)。 解析 (1)由图1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,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通道通过的是重鸡蛋。 (3)根据电路欧姆定律E=I(R1+R2)和U=IR2,解得R1=10 Ω,由图1,当R1=10 Ω时,F=0.43 N,所以选择的重鸡蛋对压力秤的压力要大于0.43 N。 (4)要选出更重的鸡蛋,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。 答案 (1) 减小 (2)重 (3)0.43 (4)小 6.(1)一光敏电阻(图乙中RL)的阻值随照度变化的图像如图甲所示,由图像可知,该光敏电阻的阻值随照度的增加做    (选填“线性”或“非线性”)变化。 (2)王吕同学利用该光敏电阻设计了图乙所示光控电路控制三盏路灯,图中交流电源电压为220 V,三盏路灯规格相同,均为“110 V、110 W”。他进行了如下操作: ①闭合干路开关,将双掷开关置于b处,将R2调至1 200 Ω。 ②滑动R1的滑片,使三盏路灯正常发光。 ③将双掷开关置于a处。 则当照度低到1.0 Lx(Lx为照度的单位,读作“勒克斯”)时,路灯会正常发光。若有“50 Ω,5 A”及“5 kΩ,1 A”两个滑动变阻器可供选择,则图中R1应选择    规格。安装该电路时,光敏电阻RL应    (选填“远离”或“靠近”)路灯。 (3)图乙光控电路的缺点较多,从节能和实际操作的角度分析均有不足,通过你的观察,请指出一种不足: ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________(写出一条即可)。 解析 (1)由图像可知,该光敏电阻的阻值随光照强度的增加而非均匀减小,即做非线性变化。 (2)电灯泡正常发光时,流经灯泡的电流为I== A=1 A,则电路正常工作时干路电流大于3 A,又因为电路正常工作时R1两端电压为110 V,则R1的接入电阻R1<≈37 Ω,故选“50 Ω,5 A”的滑动变阻器方便调节;光敏电阻靠近路灯,容易受到路灯灯光的影响,导致照度增大而使路灯停止工作,停止工作后照度减小,路灯又开始工作,使得路灯时亮时暗,不能达到使用要求,所以安装该电路时,光敏电阻RL应远离路灯。 (3)如果干路开关常闭,则白天黑夜均消耗电能,如果利用人工在白天断开干路开关,又无法真正实现自动控制。 答案 (1)非线性 (2)“50 Ω,5 A” 远离 (4)见解析 学科网(北京)股份有限公司 学科网(北京)股份有限公司 $

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