第13章　实验16　利用传感器制作简单的自动控制装置 课件 -2027届高考物理一轮复习

该高中物理高考复习课件聚焦传感器与自动控制装置核心考点，依据高考评价体系梳理热敏/光敏电阻、霍尔元件等敏感元件原理及应用，通过教材原型实验与创新实验分析考点权重，归纳电路分析、元件特性判断、故障排查等常考题型，体现备考针对性与实用性。 课件亮点在于“原型实验+创新拓展+真题训练”的三阶备考模式，如以光敏电阻光控开关、霍尔元件速度计为案例，运用科学思维（模型建构）和科学探究（实验设计）素养，指导学生掌握电路动态分析、参数计算等技巧，助力学生高效突破考点，教师可据此精准实施复习教学。

实验十六　利用传感器制作简单的自动控制装置 一、实验目的 1．认识热敏电阻、光敏电阻等传感器中的敏感元件。 2．学会利用传感器制作简单的自动控制装置。 二、实验原理 1．常见传感器元件 (1)金属热电阻：有些金属随温度升高电阻增大。 (2)NTC热敏电阻：有些半导体随温度升高电阻________。 (3)光敏电阻：光照越强，电阻越______。 减小 小 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 2．传感器及其工作原理 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________量，或转换为电路的________把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、________处理和________。 传感器应用的一般模式如图所示： 电学 通断 传输 控制 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 三、门窗防盗报警装置 1．实验目的 (1)了解门窗防盗报警装置的工作原理。 (2)练习使用传感器自动控制设备。 2．示意图及电路图 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 3．实验器材和装置 (1)干簧管SA：作为__________，感知磁体M磁场是否存在。 (2)继电器(虚线框部分)：作为执行装置。 (3)发光二极管LED：作为电路正常工作提示。 (4)电阻R：作为发光二极管的限流电阻，起________作用。 (5)蜂鸣器H：作为____________。 传感器 保护 报警提醒 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 4．电路工作原理 闭合电路开关S，系统处于防盗状态。当门窗紧闭时，磁体M靠近干簧管SA，干簧管两个簧片被____________而接通继电器线圈K，使继电器工作。继电器的动触点c与常开触点a接通，发光二极管LED发光，显示电路处于正常工作状态。当门窗开启时，磁体离开干簧管，干簧管失磁________，继电器被断电。继电器的动触点c与常闭触点b接通，蜂鸣器H发声报警。干簧管在电路中起__________和控制开关的作用，继电器则相当于一个自动的双向开关。 磁化相吸 断开 传感器 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 5．实验操作 (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。 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 四、光控开关 1．实验目的 (1)了解光控开关电路及控制原理。 (2)会组装光控开关。 2．电路如图所示 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 3．工作原理 当环境光比较______时，光敏电阻RG的阻值很小，三极管不导通，发光二极管或继电器所在的回路相当于断路，即发光二极管不工作；继电器处于常开状态，小灯泡L不亮。当环境光比较______时，光敏电阻RG的阻值变大，三极管导通，且获得足够的基极电流，产生较大的集电极电流，点亮发光二极管或驱动继电器吸合而点亮小灯泡L。 4．实验器材 发光二极管LED、晶体三极管VT、可调电阻R1、限流电阻R2、光敏电阻RG、集成电路实验板、直流电源、导线若干、黑纸、小灯泡L。 强 弱 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 5．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________电阻RG受到白天较强的自然光照射，调节电阻_______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，则发光二极管LED或小灯泡L熄灭。 光敏 R1 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 6．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)光控开关实验中，二极管连入电路的极性不能反接。 (3)如果实验现象不明显，可用手电筒加强光照，或遮盖光敏电阻，再进行观察。 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 1 教材原型实验 (基础考点·自主探究) 【跟踪训练】 (利用光敏电阻制作简单的自动控 制电路)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，照度单位为lx)。 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 (1)某光敏电阻R在不同照度下的阻值如下表，根据表中已知数据，在如图甲的坐标系中描绘出了阻值随照度变化的曲线，由图像可求出照度为0.6 lx时的电阻约为______kΩ。 照度/lx 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 电阻/kΩ 5.8 3.7   2.3 2.0 1.8 2.8 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 (2)如图乙，是街道路灯自动控制设计电路，利用直流电源为电磁铁供电，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________(填“AB”或“BC”)之间。 AB 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 (3)用多用电表“×10 Ω”挡，按正确步骤测量图乙中电磁铁线圈电阻时，指针示数如图丙，则线圈的电阻为_______Ω；已知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。图乙中直流电源的电动势E＝6 V，内阻忽略不计，滑动变阻器有两种规格可供选择： 140 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 R1(0～200 Ω，1 A)、R2(0～2 000 Ω，0.1 A)。要求天色渐暗照度降低至1.0 lx时点亮路灯，滑动变阻器应选择______(填“R1”或“R2”)。为使天色更暗时才点亮路灯，应适当将滑动变阻器的滑片向______(填“左”或“右”)端移动。 [解析]　(1)从图像上可以看出当照度为0.6 lx时的电阻约为2.8 kΩ。 (2)当天亮时，光敏电阻的阻值变小，所以回路中电流增大，磁性增强，则衔铁被吸下来，此次触片和下方接触，此时灯泡应该熄灭，说明灯泡接在了AB上。 R2 左 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 (利用热敏电阻制作简单的自动控制电路)某物理兴趣小组利用废弃电饭煲的部分器材自制简易电饭煲。设计电路如图1所示。选用的器材有：限温开关S1(手动将其按下，开始持续加热煮饭。当锅内温度高于103 ℃时自动断开，之后不能自动闭合)；保温开关S2(当锅内温度高于80 ℃时自动断开，温度低于70 ℃时自动闭合)；电饭煲的框架(结构如图2所示)。自备元件有：加热电阻丝R(阻值为60 Ω，用于加热煮饭)；限流电阻R1和R2(阻值均为1 kΩ)：指示灯L1和L2(2.5 V,0.6 W，当电流低于30 mA时可视为熄灭)；保险丝T。 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 (1)按照兴趣小组设计的电路，下列说法正确的是________(多选)。 A．按下S1，L1和L2均发光 B．当锅内温度高于103 ℃时，S1自动断开，L1和L2均发光 C．保温过程中，S2自动在闭合、断开状态之间交替切换 D．当锅内温度低于70 ℃时，S2自动闭合，L1发光，L2熄灭 CD 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 (2)简易电饭煲制作完成后，试用时L1始终不亮，但加热和保温功能均正常，在不增加元件的前提下，断开电源，使用多用电表判断发生故障的元件。下列操作步骤的正确顺序是______________(填写各步骤前的字母)。 A．将选择开关旋转到“×100”位置 B．将两支表笔直接接触，调节“欧姆调零旋钮”，使指针指向欧姆零点 C．调整“指针定位螺丝”，使指针指到零刻度 D．测量指示灯L1两端的阻值 E．将选择开关置于OFF位置或交流电压最高挡 CABDE 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 操作时，将多用电表两表笔与L1两端接触，若指针如图3所示，可判断是_______断路损坏；若指针如图4所示，可判断是_______断路损坏。(用电路中的元件符号表示) L1 R1 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 (2)多用电表的操作步骤为：调整“指针定位螺丝”，使指针指到零刻度——机械调零；将选择开关旋转到“×100”位置——选挡；将两只表笔直接接触，调节“欧姆调零旋钮”，使指针指向欧姆零点——欧姆调零；测量指示灯L1两端的阻值——测量；将选择开关置于OFF位置或交流电压最高挡——关闭多用电表。故正确顺序为CABDE。由于使用时L1始终不亮，但加热和保温功能均正常，则说明R、L2、R2、T均正常，如图3可看出L1两端有1 100 Ω左右的电阻，则说明L1始终不亮的原因是L1断路损坏。由于使用时L1始终不亮，但加热和保温功能均正常，则说明R、L2、R2、T均正常，如图4可看出欧姆表的示数几乎为零，此时选用的是“×100”挡则说明灯泡L1正常，则说明L1始终不亮的原因是R1断路损坏。 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 2 创新实验提升 (能力考点·深度研析) 除了热敏电阻和光敏电阻外，还有一些常用的传感器元件如下： 1．压敏电阻：将压力转换为电学量(电阻)。 2．气敏电阻：将气体浓度转换为电学量(电阻)。 3．光电管：将所收到的光信号转换成电信号。 4．电容器：将位移、角度、压力转换为电学量(电容)。 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 5．霍尔元件： (1)霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受静电力和洛伦兹力二力平衡。 6．弹簧：将弹力、加速度转换为电学量(电流)。 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 ►考向1　霍尔元件 如图甲所示，利用霍尔效应传感器获 知自行车的运动速率的自行车速度计。一块磁铁安装在自行车前轮上，轮子每转一圈，这块磁铁就靠近传感器一次，传感器会输出一个脉冲电压。如图乙所示，为霍尔元件的工作原理图，电源输出电压为U1。当磁场靠近霍尔元件时，在导体前后表面间出现如图乙所示的电势差，称为霍尔电势差U2。 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 下列说法正确的是( ) A．图乙中霍尔元件的载流子带正电 B．自行车的车速越大，霍尔电势差U2越大 C．若传感器的电源输出电压U1变小，霍尔电势差U2仍保持不变 D．已知自行车车轮的半径，再根据单位时间内的脉冲数，即可求得车速大小 D 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 ►考向2　利用压敏电阻制作简单的自动控制电路 传感器可以感受光强、温度、力、磁感应强度等非电学量，并把它们转换为与之有确定对应关系的电学量输出。 (1)热敏电阻常用于温度控制或过热保护装置中，在图甲中，热敏电阻的阻值随温度变化对应的图线是______(选填“1”或“2”)线。 2 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 (2)利用压敏电阻制作的传感器，可用于设计制作“车辆闯红灯违规记录仪”，仪器主要由控制电路和工作电路组成，如图乙所示，控制电路中的光控开关接收到红光时会自动闭合，接收到绿光或黄光时会自动断开。将控制电路中的压敏电阻埋在路面停止线前侧，压敏电阻阻值随压力的变化如图丙所示。控制电路中电源的电动势为9 V，内阻为1 Ω，继电器线圈电阻为9 Ω，滑动变阻器连入电路的电阻为50 Ω；当控制电路中的电流大于0.06 A时，衔铁会被吸引，从而启动工作电路，电控照相机拍照记录违规车辆。 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 ①当红灯亮时，若车辆越过停止线，电流表A的示数会变______(选填“小”或“大”)。 ②只有车辆对压敏电阻的压力超过_____________N后，车辆闯红灯时才会被拍照记录。 大 5×103 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 [解析]　(1)热敏电阻阻值随温度的升高而减小，热敏电阻的阻值随温度变化对应的图线是2线。 (2)①当红灯亮时，若车辆越过停止线，压敏电阻所受压力增大，阻值减小，控制电路中总电阻减小，电流增大，电流表的示数会变大。 又R总＝1 Ω＋9 Ω＋50 Ω＋R，解得R＝90 Ω 由题图丙可知，此时压敏电阻受到的压力为5×103 N，所以车辆对压敏电阻的压力超过5×103 N后，车辆闯红灯时才会被拍照记录。 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 (4)电阻应变片：由R＝ρ可知，受到拉力时，电阻变大，受到压力时，电阻变小。 (3)根据欧姆表的读数规则。所以电阻值为14.0×10 Ω＝140 Ω 回路中的电流为2 mA时回路中总电阻R＝＝ Ω＝3 000 Ω 所以选择滑动变阻器R2比较合理。若要求天色更暗时才点亮路灯，天色更暗时光敏电阻阻值更大，要先保证回路中的电流2 mA不变，则应减小滑动变阻器的阻值，即向左滑动滑动变阻器。 [解析]　(1)按下S1，灯泡L2短路，不能发光，故A项错误；当锅内温度高于103 ℃时，S1断开，而要温度降到70 ℃以下时S2才会闭合，则此时L2可能发光，此时电路中R与R1和L1的串联部分并联，并联的整体再和L2、R2串联，则回路中并联的整体电阻RL＝10.42 Ω，R并＝56.64 Ω，则总电阻R总＝1 067.06 Ω，则回路总电流I总＝＝0.21 A，则L2一定发光，此时并联的整体电压为U并＝I总R并＝11.89 V，则流过L1的电流为IL1＝＝0.012 A<30 mA，则L1熄灭，B项错误；保温开关 S2(当锅内温度高于80 ℃时自动断开，温度低于70 ℃时自动闭合)在保温过程中，自动在闭合、断开状态之间交替切换，故C项正确；当锅内温度低于70 ℃时，S2自动闭合，电饭煲处于加热状态，此时L2被短路，L2熄灭，电路中R与R1和L1的串联部分并联，L1的电阻RL1＝＝ Ω≈10.42 Ω，则流过L1的电流为IL1′＝＝ A≈0.218 A，流过L1的电流大于30 mA，L1发光，故D项正确。 (2)霍尔电压：UH＝k(d为薄片的厚度，k为霍尔系数)。其中UH与B成正比，所以霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。 [解析]　由图乙可知，前表面的电势低，由左手定则可知，图乙中霍尔元件的载流子带负电，A错误；设霍尔元件的长为a，宽为b，高为c，稳定后电场力和洛伦兹力平衡，即qv′B＝q，解得U2＝Bbv′，由电流的微观表达式I＝nqSv′，n是单位体积内的载流子数，q是单个载流子所带的电荷量，S是导体的横截面积，v′是载流子的运动速度，整理得U2＝，由上式可知霍尔电势差U2与车速大小无关，B错误；由U2 ＝，可知，若传感器的电源电压U1变小，那么电流I减小，则霍尔电势差U2将减小，C错误；由单位时间内的脉冲数，可求得车轮转动周期，从而求得车轮的角速度ω＝，由线速度公式v＝ωr，结合车轮半径，即可求得车的速度大小，D正确。 ②压敏电阻阻值为R时，控制电路中的电流等于0.06 A，则R总＝＝ Ω＝150 Ω $