第5章 3 利用传感器制作简单的自动控制装置-【创新大课堂系列】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册同步辅导与测试(人教版)

3.AB[传感器能够感受诸如力、温度、声、光、化学成分等被： 铁的磁场减弱，磁敏电阻阻值减小，右侧电路总电流变大， 测量，并能把它们按照一定的规律转化为便于传送和处理 路端电压减小，故灯泡L。变暗：由于通过L支路的电流变 的可用信号输出，通常转换成的可用信号是电压、电流等电· 大，故L1变亮。 学量。故选A、B。] 答案L。变暗，L1变亮 关键能力·合作探究 3利用传感器制作简单的自动控制装置 要点1 实验研析·创新学习 探究导入提示：它是声电传感器，输入的是声信号，输出的[典例们[解析]电池、光敏电阻与开关及干簧管继电器开 是电信号。 关外面的接线构成一个回路：而另一组电池、蜂鸣器与千簧 探究归纳 管继电器开关里面的接线构成又一个回路。当有光照时， [典例1][解析]传感器材料分为半导体材料、陶瓷材料、 光敏电阻阻值变小，使得干簧管继电器开关产生磁场，使开 金属材料和有机材料等，A错误，B正确；传感器是通过非！ 关接通，最终使得蜂鸣器发声，电路如图所示。 电学量转换成电学量来传递信号的，C错误；水银温度计根 据热胀冷缩来测量温度，不是传感器，D错误。 干簧管继电器开关 [答案]B 光敏电阻C白 蜂鸣器 练由题知踏板空载时，压力传感器电 针对训练 9 时A中电流1是-品A=1.6X10A 光电报警装置 [答案] (2)当电流1=20mA=20×103A时，压力传感器的电阻针对训练 见解析图 4.8 2。一2=2402，对应表格可知，这个人的体解析(1)光敏电阻的阻值随光照度变化 重为50kg。 所示。 答案(1)1.6×10(2)50 +电阻k2 要点2 探究导入提示：当光被产品挡住时，R电阻增大，电路中电： 70 流减小，R:两端电压减小，信号处理系统得到低电压，每通 601 -r 过一个产品就获得一次低电压，并计数一次。 50 探究归纳 40 [典例2][解析]火警报警器使用了光传感器，故A错误；： 30+ 冰箱控温系统使用了温度传感器，故B正确；一般人体都有： 20 恒定的体温，一般在37℃，所以会发出特定波长的红外线，！ 被动式红外探头就是靠探测人体发射的红外线而进行工作 的，人走向门口时，门会自动打开，是因为安装了红外线传 0 0.20.40.60.81.01.21.4照度x 感器，从而能感知红外线，导致门被打开，故C错误；灯要求 图甲 夜晚亮、白天熄，而白天有光，黑夜没有光，则是由光导致电 特点：光敏电阻的阻值随光照强度的增大非线性减小。 路的电流变化，所以电路中光传感器导致电阻变化，实现自： (2)电路原理图如图乙所示。控制开关自动启动照明系统， 动控制，因此利用的是半导体的光敏性，即为光电传感器，： 给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至1,01x 故D错误。 时启动照明系统，即此时光敏电阻阻值为20kΩ，两端电压 [答案]B 为2V,电源电动势为3V,所以应加上一个分压电阻，分压 针对训练 电阻阻值为10k2,即选用R。 2.B[增加光照强度时，R的阻值减小，电路的总电阻减小。 照明系统 根据闭合电路的欧姆定律可知，电路中的总电流增大，电源！ 的总功率增大，路端电压减小，A灯变暗，A中的电流变小，： 控制开关 则R2的电流变大，R:两端的电压变大，R两端的电压变 小，B灯变暗，选项B正确，A、C、D错误。] 素养演练·提升技能 1.C[人走向门口时，门会自动打开，是因为安装了红外线传 感器，从而能感知红外线，导致门被打开。] 2.A[当人将手机靠近耳朵接听电话时，改变了位移，并且 耳朵会挡住光线，所以可能用到的传感器为光传感器和位 图乙 移传感器，A正确，B、C、D错误。] 3.AD[由电流表的变化判断半导体电阻的变化，温度升高！ 答案见解析 时：电路中总电流增大，由闭合电落欧好定律可知，总电阻素养演练·提升技能 减小，则热敏电阻阻值减小，导电性能变好，故A、D正确。]1，解析(1)由题图甲可知当温度升高时RT的阻值减小，通 4.AC[铜板中的自由电荷是电子，电子定向移动的方向与 过线圈的电流变大，对衔铁的引力变大，可与口点接触，欲 电流的方向相反，由左手定则可判断出电子因受洛伦兹力· 使报警器报警，应接在a,点。 作用向b侧偏转，所以>9，故A正确，B错误；因甲。一 (2)若使启动报警的温度提高些，可使电路的相对电流减小 织=9所以电流增大时只一增大，故C正确：若 一些，以使得热敦电阻R的阻值减小得更大一些，所以将 滑动变阻器滑片P向左移动，增大滑动变阻器接入电路的 将铜板改为VCI溶液，溶液中的正、负离子均向b侧偏转，1 阻值。 9。一9|=0，即不产生霍尔效应，故D错误。] (3)在调试报警器达最低报警温度时，无论如何调节滑动变 5.解析当滑片P向右移动时，滑动变阻器接入电路的阻值： 阻器滑片P都不能使报警器工作，可能是通过线圈的电流 增大，电源电压不变，所以电磁铁电路中的电流减小，电磁： 太小或线圈匝数太少，对衔铁的引力较小，也可能是弹簧的 227 弹力较大，线圈的磁力不能将衔铁吸引到和接触的状态，： 答案(1)见解析图 还可能是乙图电源电压太低。 (2)R 答案(1)a(2)左(3)乙图中的电源电压太低或电流太： (3)①650.0b接通电源后，流过报警器的电流会超过 小或继电器线圈匝数太少或弹簧劲度系数太大 20mA,报警器可能损坏 2.解析(1)图中横轴表示温度，纵轴表示电阻，随着温度的· ②c报警器开始报警 增加，金属热电阻的阻值略增大，而热敏电阻的阻值显著减· 章末综合提升 小。所以这种热敏电阻在温度上升时导电能力增强：相对核心素养提升 金属热电阻而言，热敏电阻对温度变化的影响更敏感。 [典例1][解析]电路中，当没装料时U.=0,此时拉力等 (2)①小灯泡电阻较小，电流传感器应采用外接法，描绘小 于料斗重力，为1×103N,故应变片电阻为20k2,根据串、 灯泡伏安特性曲线，电压与电流应从零开始变化，滑动变阻 器应采用分压接法，为方便实验操作，滑动变阻器可以选： 并联息移的电压关系，有是是解得R=00A正确： A;电路图如图所示。 装料时，R。的阻值逐渐变大，b点电势升高，故U的值逐渐 电压传感器 增加，B错误；应变片的作用是把物体拉力这个力学量转换 为电压这个电学量，一般是由半导体材料制成的，C、D正确。 电流传感器 [答案]ACD 针对训练 :1.解析(1)可变电阻R2=1252,电流是20mA,电源电动 势E=6V, 根据闭合电路欧姆定律可得I=尺，十R,+R。: E ②由题图甲可知，通过灯泡的电流是0,3A时，灯泡两端电 压是2.4V,则灯泡功率P=UI=2.4V×0.3A=0.72W; 解得R,=752。 电源的内阻为，=32,40=20 (2)由题图可知，热敏电阻R1的阻值随温度的升高而减小， 0.3 可见温度越高，电路中的电流越大，当电流达到20mA时， 答案(1)增强敏感(2)①A图见解析 继电器的衔铁被吸合，电路应当断开，所以应该把恒温箱的 ②0.722 加热器接在A、B端。 3.解析(2)根据实验的原理可知，需要先选取合适的滑动变 (3)由题意可知，R1t=常数，当温度是100℃时，则有752 阻器的电阻值，结合滑动变阻器使用时的注意事项可知，开 ×60℃=R,'×100℃， 始时需要将滑动变阻器滑片P滑到口端，以保证电流表的· 解得R,'=452, 使用安全：然后将单刀双掷开关S掷于c端，调节滑片P使 则可变电阻R,的阻值R,'=￡-R,-R,'=1550。 电流表满偏，设此时电路总电阻为R,断开电路。 (3)当温度为t时，热敏电阻的阻值与摄氏温度t的关系为： (4)恒温箱的温度越高，热敏电阻的阻值越小，相同电流情 R,=a十t,根据闭合电路的欧姆定律可得，I=R+R, E 况下，可变电阻应越大，则欲将恒温箱的温度调高一些，应 将R2的阻值调大。 E 答案见解析 -R+a+kt :[典例2][解析门当系统在水平面内以角速度w转动时，无 (4)由上式可知，温度越高，电流表中的电流值越小，所以低： 论角速度增大还是减小，BC的电阻不变，根据闭合电路欧 温刻度在表盘的右侧：由于电流与温度的关系不是线性函· 姆定律可知，电路中的电流保持不变，与角速度无关，故A 数，所以表盘的刻度是不均匀的。 错误。当角速度增大，弹簧的伸长量增大，则BP之间的分 答案(2)ac 压变大，即输出电压U增大，故B正确。设系统在水平面内 E 以角速度仙转动时，弹簧伸长的长度为x,则对元件A,根据 (3)R+a+kt (4)右否 mol 4.解析(1)热敏电阻工作温度达到60℃时，报警器报警，故 牛颜第二定律有k红=ma什)，可得L一m,又输出 需通过调节电阻箱使其电阻为60℃时的热敏电阻的阻值，： 电压为U= 二E=吾，联立两式得U=Em ,C正确， 即将阻值调节到650,02，使报警器能正常报警，电路图如 k-mw 图所示。 D错误。 [答案] BC 报警器 电源 针对训练 ab☐ :2.解析(1)当振子向左偏离中间位置x距离时，由牛顿第二 电阻箱 开关 定律得2kx=ma ① c\d 滑动变阻器 一x 电压表的示张为U=乙E ② 热敏电阻 (2)U=18V,通过报警器的电流10mA≤1.≤20mA,电路 由以上两式解得a= L(E-2U) ③ mE 中总电阻R= ，即900n≤R≤1800n,故滑动变阻器 U (2)均匀，因为加速度口与电压表示数[U是一次函数（线性 关系)。 选R。 (3)当滑动触头滑到最右端时，电压表的最大示数为U=E, (3)热敏电阻阻值为650.02时，报警器开始报警，模拟热 敏电阻的电阻箱阻值也应为650.02，实验调试时，将开关： 电压表指针指在满刻度的是位置时，U=是E, 4 置于c端，缓慢调节滑动变阻器，直到报警器开始报警。为 防止通过报警器电流过大，造成报警器烧坏，电路接通前， 代入③式解得a= ，方向向左。 2m 应使滑动变阻器的滑片置于b端。 答案见解析 228物理选择性必修第二册 4.(多选)霍尔元件的示意图如图所 闭合开关S1和S2后，当滑片P向右滑动时，灯 示，一块通电的铜板放在磁场中， 泡L1、I2的亮度怎样变化？ 铜板的前、后板面垂直于磁场，板 基座 内通有如图方向的电流，a、b是 铜板上、下边缘的两点，则 锑化钢 A.电势9a>P% B.电势Pb>P。 电极 C.电流增大时，9。一9%增大 D.其他条件不变，将铜板改为NaC1溶液时，电势： 结果仍然一样 电磁铁 5磁传感器是把磁场、电流、温度、光等外界因素引： 起的敏感元件磁性能变化转换成电信号，以这种： S2 (b) 方式来检测相应物理量的器件。磁敏电阻是利 用某些材料电阻的磁敏效应制成的，其外形结构 如图(a)所示。把磁敏电阻GMR接入如图(b)所 示的电路中，它的阻值随所处空间磁场的增强而 增大，电源的内阻不可忽略。 温馨提示 请做课时分层检测（二十一） 3利用传感器制作简单的自动控制装置 实验必备·自主探究 一、实验目的 通，发光二极管1ED发光，显示电路处于正常工 1.了解门窗防盗报警装置，会组装门窗防盗报警： 作状态。当门窗开启时，磁体离开干簧管，干簧 装置。 管失磁断开，继电器被断电。继电器的动触点℃ 2.了解光控开关电路及控制原理，会组装光控 与常闭触点b接通，蜂鸣器H发声报警。干簧管 开关。 在电路中起传感器和控制开关的作用，继电器则 二、门窗防盗报警装置 相当于一个自动的双向开关。 1.电路如图所示。 3.实验器材 干簧管、继电器、发光二极管IED、蜂鸣器H、电 源、导线若干、开关、电阻、小磁体。 LED 4. 实验步骤 (1)连接电路前，要先判断一下干簧管是否可以 2.工作原理：闭合电路开关S,系统处于防盗状态。 正常工作。用磁体直接靠近干簧管，观察簧片 当门窗紧闭时，磁体M靠近干簧管SA,干簧管 能否正常动作。 两个簧片被磁化相吸而接通继电器线圈K,使继 (2)确定各元件可以正常工作后，按照图示连接 电器工作。继电器的动触点c与常开触点a接： 电路。 -118 第五章传感器 (3)接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，分：3.实验器材 别观察实验现象。 发光二极管、三极管、可变电阻R1、电阻R2、光敏 三、光控开关 电阻、继电器、直流电源、导线若干、黑纸。 1.电路如图所示。 4.实验步骤 (1)按照图示连接电路，检查无误后，接通电源。 o+Vs Ra (2)让光敏电阻RG受到白天较强的自然光照射， LED 调节电阻R,使发光二极管LED或小灯泡L刚 b 好不发光。 、VT Rc (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 2.工作原理：当环境光比较强时，光敏电阻RG的阻 二极管LED或小灯泡L熄灭。 值很小，三极管不导通，发光二极管或继电器所5.注意事项 在的回路相当于断路，即发光二极管不工作；继 (1)安装前，对实验器材进行测试，确保各元件性 电器处于常开状态，小灯泡L不亮。当环境光比： 能良好后再进行安装。 较弱时，光敏电阻RG的阻值变大，三极管导通，： (2)光控开关实验中，二极管连入电路的极性不 且获得足够的基极电流，产生较大的集电极电： 能反接。 流，点亮发光二极管或驱动继电器吸合而点亮小： (3)如果实验现象不明显，可用手电筒加强光照， 灯泡L。 或遮盖光敏电阻，再进行观察。 实验研析·创新学习 [典例]把蜂鸣器、光敏电阻、干簧管继电器开关、 [听课记录] 电源连成电路如图所示，制成光电报警装置。当 报警器有光照射时，蜂鸣器发声，当没有光照或； 者光照很弱时，蜂鸣器不发声。 ①光敏电阻：光敏电阻受光照后，阻值会变小。 ②干簧管继电器开关：由干簧管和绕在干簧管外 的线圈组成。当线圈中有一定的电流时，线圈产 生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁： 化，两个簧片在磁力作用下由原来的分离状态变 成闭合状态。当线圈中没有电流或者电流很微： 弱时，磁场消失，簧片在弹力的作用下恢复到分 离状态。 电路已经连接一部分，请将电路完整连接好。 干簧管继电器开关 光敏电阻 蜂鸣器 光电报警装置 119 物理 选择性必修第二册 (1)根据表中数据，请在给定的坐标系中描绘出 针对训练 阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化 为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控 的特点： 制照明系统。光控开关可采用光敏电阻来控制， (2)如图所示，当1、2两端所加电压上升至2V 光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元 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 件（照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照： 求当天色渐暗照度降低至1.01x时启动照明系 度单位为1x)。某光敏电阻Rc在不同照度下的： 统，在虚线框内完成电路原理图。（不考虑控制 阻值如下表： 开关对所设计电路的影响) 照度(1x》 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 提供的器材如下： 直流电源E(电动势3V,内阻不计)； 电阻(k2〉 75 40 28 23 20 18 定值电阻：R1=10k2,R2=20k2,Rg=40k2 个电阻kΩ (限选其中之一并在图中标出)； 80 开关S及导线若干。 70 照明系统 60 50 控制开关 40 30 10 00.20.40.60.81.01.21.4照度1 素养演练·提升技能 达标训练素养提高 1.传感器担负着信息的采集任务，在自动控制中发 (1)为了使温度过高时报警铃响，c应接在 挥着重要作用，传感器能够将感受到的物理量： (选填“a”或“b”)点。 (如温度、光、声等)转换成便于测量的量（通常是 (2)若使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻 电学量)。例如，热敏传感器主要是应用了半导 器滑片P向 (选填“左”或“右”)移动。 体材料制成的热敏电阻，其阻值随温度变化的图： (3)如果在调试报警器达到最低报警温度时，无 线如图甲所示，图乙是由热敏电阻RT作为传感： 论如何调节滑动变阻器滑片P都不能使报警器 器制作的简单自动报警器的线路图。 工作，且电路连接完好，各电路元件都能处于工 R/O 作状态，则造成工作电路实际不能工作的原因可 能是 t 甲 000004 2.(1)热敏电阻常用于温度控制 P 报 或过热保护装置中。如图为 金属热电阻 某种热敏电阻和金属热电阻 热敏电阻 的阻值R随温度1变化的示 120 第五章传感器 意图。由图可知，这种热敏电阻在温度上升时导： 电能力 (选填“增强”或“减弱”)；相对金 属热电阻而言，热敏电阻对温度变化的影响应更 (选填“敏感”或“不敏感”)。 (2)利用传感器可以探测、感受外界的信号、物理 防水绝缘材料 条件等。图甲为某同学用传感器做实验得到的 ④ 小灯泡的U-I关系图线。 (1)按电路图连接好实验器材。 (2)将滑动变阻器滑片P滑到 (选填“a” 电压传感器 电 或“b”)端，单刀双掷开关S掷于 (选填 0 0 传感器 “c”或“”)端，调节滑片P使电流表满偏，并在以 后的操作中保持滑片P位置不动，设此时电路总 0.20.40.61A 甲 电阻为R,断开电路。 (3)容器中倒入适量开水，观察标准温度计，每当 电流传感器 标准温度计示数下降5℃，就将开关S置于d 端，并记录此时的温度1和对应的电流表的示数 丙 I,然后断开开关。请根据温度表的设计原理和 ①实验室提供的器材有：电流传感器、电压传感 电路图，写出电流与温度的关系式I= 器、滑动变阻器A(阻值范围0~10Ω)、滑动变阻： (用题目中给定的符号)。 器B(阻值范围0~1002)、电动势为6V的电源： (4)根据对应温度记录的电流表示数，重新刻制 (不计内阻)、小灯泡、开关、导线若干。该同学做 电流表的表盘，改装成温度表。根据改装原理， 实验时，滑动变阻器选用的是 (选填“A” 此温度表表盘刻度线的特点是：低温刻度在 或“B”);请在图乙的方框中画出该实验的电 (选填“左”或“右”)侧，刻度线分布是否均 路图。 匀？ (选填“是”或“否”)。 ②将该小灯泡接入如图丙所示的电路中，已知电：4.现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求 流传感器的示数为0.3A,电源电动势为3V,则 当热敏电阻的温度达到或超过60℃时，系统报 此时小灯泡的电功率为 W,电源的内阻 警。提供的器材有：热敏电阻，报警器（内阻很 为 2 小，流过的电流超过I。时就会报警)，电阻箱（最 3.某同学尝试把一个灵敏电流表改装成温度表，他： 大阻值为999.92)，直流电源（输出电压为U,内 所选用的器材有：灵敏电流表（待改装），学生电： 阻不计)，滑动变阻器R1(最大阻值为10002)， 源（电动势为E,内阻不计），滑动变阻器，单刀双滑动变阻器R2(最大阻值为2000Ω)，单刀双掷 掷开关，导线若干，导热性能良好的防水材料，标： 开关一个，导线若干 准温度计，PT℃热敏电阻RT(PTC线性热敏电 在室温下对系统进行调节。已知U约为18V,I。 阻的阻值与摄氏温度t的关系为RT=a十kt,a>: 约为10mA;流过报警器的电流超过20mA时， 0,k>0). 报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高 设计电路图如图所示，并按如下步骤进行操作。 而减小，在60℃时阻值为650.02。 -121 物理选择性必修第二册 (1)完成如图所示待调节的报警系统原理电路图： (3)按照下列步骤调节此报警系统： 的连线。 ①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值， 报警器 根据实验要求，这一阻值为 2;滑动变阻 电源 器的滑片应置于 (填“a”或“b”)端附近， ab☐ 电阻箱 开关 不能置于另一端的原因是 滑动变阻器 ②将开关向 (填“c”或“d”)端闭合，缓慢 十白 热敏电阻 移动滑动变阻器的滑片，直至 (2)电路中应选用滑动变阻器 (填“R1”或 (4)保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向 “R2”)。 另一端闭合，报警系统即可正常使用。 章未综合提升 【知识网络构建】 概念：能把非电学量转换成电学量或电路通断的元件 光敏电阻：光照越强时电阻越小 热敏电阻（负温度系数）：温度越高时电阻越小 敏感元件 金属热电阻：温度越高时电阻越大 电阻应变片：受力变形引起电阻变化 传感器 执行结构 应用模式：传感器→放大、转换电路 显示器 计算机系统 门窗防盗报警装置 应用实例 光控开关 ◆核心素养提升◆心 一、传感器与电学相关的解题思路 1×103N,没装料时U=0,g取10m/s2。下列 1.分析相关的电路连接。 说法正确的是 2.明确传感器的工作原理。 拉力 振料口 传感器 3.结合相关变化分析电路得到答案。 料斗 [典例1]（多选）工业生产中需要物料配比的地方 放料门 送料皮带 常用“吊斗式”电子秤，如图甲所示的是“吊斗式” 甲 电子秤的结构图，其中实现称质量的关键性元件 R 是拉力传感器。拉力传感器的内部电路如图乙 R/k 所示，R1、R2、R3是定值电阻，R1=20k2,R2 20.05 Ra b Ro 20.00 10k2,R。是对拉力敏感的应变片电阻，其电阻： 12V 1.001.20F(103N) 值随拉力变化的图像如图丙所示。已知料斗重： 乙 丙 122