2027届高考物理一轮复习·实验探究专题：3 热学、光学、传感器实验篇 压轴挑战题

**基本信息** 聚焦热学、光学、传感器5个核心实验，通过基础-中档-压轴三级题量，系统提炼误差分析、光路推导、传感器电路设计等方法，构建从概念到综合应用的逻辑链条，培养科学思维与探究能力。 **专项设计** |模块|题量/典例|方法提炼|知识逻辑| |----|-----------|----------|----------| |热学实验|2题（油膜法/气体定律）|误差分析变量影响法、pV=nRT定量计算|分子动理论→气体状态方程→实验条件偏差修正| |光学实验|2题（折射率/双缝干涉）|折射定律光路几何法、Δx=λl/d多色光对比|光的折射→干涉规律→非理想条件误差分析| |传感器实验|1题（多传感器融合）|分压电路阈值设计、或门逻辑控制|电学元件特性→电路设计→多参数监测系统构建|

高考物理实验探究专题训练（套装） · 第3册：热学·光学·传感器实验篇 — 高考物理实验探究专题训练 — 第 3 册 热学·光学·传感器 实验篇 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 适用对象：2027届新高三师生（一轮复习阶段） 覆盖实验：5个核心实验（实验12~15、实验19） 题量结构：20题（基础8 + 中档8 + 压轴4） 命题导向：紧扣2026高考实验考查趋势 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 目 录 目 录 2 第三部分 压轴挑战题 3 第16题 （10分）[压轴] 实验12：油膜法——多因素误差辨析 3 第17题 （10分）[压轴] 实验13：温度波动对p-1/V图像的定量影响 4 第18题 （10分）[压轴] 实验14：界面不平行的折射光路分析与误差 4 第19题 （10分）[压轴] 实验15：测定不同色光波长（红/绿/紫对比） 5 第20题 （10分）[压轴] 实验19：多传感器融合——智能温室自动报警系统设计 6 第三部分 压轴挑战题解析 8 第16题 [压轴] 实验12：油膜法——多因素误差辨析 8 第17题 [压轴] 实验13：温度波动对p-1/V图像的定量影响 10 第18题 [压轴] 实验14：界面不平行的折射光路分析与误差 13 第19题 [压轴] 实验15：测定不同色光波长（红/绿/紫对比） 14 第20题 [压轴] 实验19：多传感器融合——智能温室自动报警系统设计 17 附录 20 附录一 答案速查表 20 （在Word中按 Ctrl+A 全选后按 F9 可更新目录页码） 第三部分 压轴挑战题 （共5题，每题10分，共50分。考查创新实验设计、综合计算和方案评价） 第16题 （10分）[压轴] 实验12：油膜法——多因素误差辨析 在"用油膜法估测分子的大小"实验中，油酸酒精溶液浓度1:2000，每滴溶液体积0.020mL，测得油膜面积S = 200cm2。 （1）计算该次测量的油酸分子直径d = ______m（保留2位有效数字）。 （2）判断下列8种偏差情形导致d"偏大""偏小"还是"无影响"： 序号 偏差情形 d的偏差方向 ① 溶液未摇匀，取上层（浓度偏低） ______ ② 滴管标定时多数5滴（实际40滴/mL，误记45滴/mL） ______ ③ 痱子粉撒得过厚，阻碍油膜展开 ______ ④ 油膜未完全展开就描画边界 ______ ⑤ 描画边界时笔尖偏外侧约2mm ______ ⑥ 浓度1:2000误写为1:200 ______ ⑦ 水温较高，部分油酸挥发 ______ ⑧ 方格数少了10格（计数遗漏） ______ （3）上述情形中属于系统误差的是______，属于偶然误差的是______（填序号）。 （4）改进后5次测量d值为4.0、4.2、3.9、4.1、3.8（单位：10-10m）。求平均值d̄和相对误差δ（公认值d0 = 4.0 × 10-10m）。 答：___________________________________________ 第17题 （10分）[压轴] 实验13：温度波动对p-1/V图像的定量影响 某实验小组用注射器和压强传感器探究气体等温变化。室温t0 = 20°C（T0 = 293K），大气压p0 = 1.01×105Pa。实验中由于操作不够缓慢，压缩气体时温度升高Δt = 3°C（膨胀时降低3°C），且温度变化在读取数据前未恢复至室温。 （1）当体积从V0 = 50mL压缩至V = 25mL时，实际气体温度T1 = ______K。若按等温（T0）计算，p理论 = ______×105Pa；实际压强p实际 = ______×105Pa。相对偏差δ ≈ ______%。 （2）该组同学不知温度波动，仍按等温处理数据作p-1/V图像。压缩段（V减小）温度升高使数据点位于等温直线上方，膨胀段（V增大）温度降低使数据点位于等温直线下方。p-1/V图像将不再是直线，而是________________________________________。 （3）温度波动ΔT = ±3K时，pV的相对波动|Δ(pV)/(pV)| = ______，约______%（保留1位有效数字）。 （4）为减小温度波动影响，以下措施有效的是______。 A. 缓慢移动活塞，每次移动后等待30秒再读数 B. 用隔热套包裹注射器，隔绝热交换 C. 用温度传感器实时监测气体温度，仅在温度恢复T0时读数 D. 减小每次体积变化幅度，多次测量 答：___________________________________________ 第18题 （10分）[压轴] 实验14：界面不平行的折射光路分析与误差 在"测定玻璃的折射率"实验中，某同学用了加工不良的玻璃砖，两界面aa'和bb'不平行，夹角α = 3°（aa'水平，bb'向右倾斜3°）。激光以θ1 = 45°从aa'面射入，n = 1.50。 （1）aa'面折射角θ2 = ______°（已知sin-1(0.471) ≈ 28.1°）。 （2）由于bb'与aa'夹角α = 3°，光线在bb'面的入射角θ3 = θ2 + α = ______°。 （3）在bb'面，光从玻璃射向空气，折射角θ4 = ______°（已知sin-1(1.50×sin31.1°) = sin-1(0.774) ≈ 50.7°）。 （4）出射光线与入射光线______（填"平行"或"不平行"）。两面平行时θ4 = θ1；本实验中出射光线相对于入射光线的偏转角φ = θ4 − θ1 − α = ______°。若该同学仍按平行假设处理数据，得到的n将______（填"偏大"或"偏小"）。 （5）用两面平行的标准玻璃砖重复实验，出射光线与入射光线的关系为______。 答：___________________________________________ 第19题 （10分）[压轴] 实验15：测定不同色光波长（红/绿/紫对比） 某实验小组用双缝干涉分别测定红、绿、紫光波长。器材：白炽灯、三色滤光片、双缝（d = 0.25mm）、遮光筒（l = 0.900m）、测量头（10分度游标卡尺）。 （1）分别用红、绿、紫滤光片实验，数据如下： 色光 第1条亮纹x₁/mm 第6条亮纹x₆/mm Δx/mm λ/nm 红光 1.2 13.1 ______ ______ 绿光 0.8 10.4 ______ ______ 紫光 0.5 8.1 ______ ______ 计算各色光Δx和λ（保留3位有效数字）。 （2）三色光波长大小关系λ红 ______ λ绿 ______ λ紫（填">"或"<"），与理论值（红620~760nm、绿500~560nm、紫380~460nm）对比，实验结果______（填"在"或"不在"）合理范围内。 （3）紫光条纹间距测量误差明显大于红光，可能原因是______________________________和______________________________。 （4）用红光（λ = 660nm）照射双缝。将d从0.25mm增大到1.0mm（4倍），其他不变，Δx变为原来的______。此时条纹______（填"清晰可辨"或"过于密集"）。为恢复清晰条纹，应将l增大到原来的______倍。 答：___________________________________________ 第20题 （10分）[压轴] 实验19：多传感器融合——智能温室自动报警系统设计 某物理兴趣小组设计一个智能温室大棚自动报警系统，要求同时监测温度、光照和压力三个参数，当任一参数超出安全范围时触发报警。 系统设计要求： - 温度监测：温度超过40°C时触发温度报警（使用NTC热敏电阻Rt） - 光照监测：光照强度低于阈值（光敏电阻Rg阻值大于5kΩ）时触发光照报警 - 压力监测：大棚积雪压力超过设定值（电容式压力传感器C变化超过10pF）时触发压力报警 - 任一传感器触发→蜂鸣器报警→对应指示灯亮（红/黄/蓝分别对应温度/光照/压力） （1）温度监测电路：NTC热敏电阻Rt与定值电阻R1 = 2kΩ串联接6V电源，Rt两端接电压比较器。当温度 = 40°C时Rt = 2kΩ。当温度 > 40°C时，Rt阻值______（填"增大"或"减小"），Rt两端电压______（填"升高"或"降低"）。比较器参考电压应设为______V（使温度超过40°C时触发）。 （2）光照监测电路：光敏电阻Rg与定值电阻R2 = 5kΩ串联接6V电源，Rg两端接电压比较器。当光照降低使Rg > 5kΩ时触发报警。Rg阻值增大时，Rg两端电压______（填"升高"或"降低"），比较器参考电压应设为______V（使Rg > 5kΩ时触发）。此时Rg = 5kΩ，R2 = 5kΩ，Rg两端电压 = ______V。 （3）压力监测电路：电容式压力传感器C0 = 100pF（无压力时），与固定电容C1 = 100pF串联构成分压电路，接6V交流电源。无压力时C0两端电压 = ______V。当压力使C0增大10pF（变为110pF）时，C0两端电压______（填"升高"或"降低"），触发报警。 （4）报警逻辑电路：三个比较器输出分别通过______门连接蜂鸣器（任一触发即报警），三个比较器输出分别连接对应颜色的指示灯。当温度和光照同时超限时，蜂鸣器______（填"响"或"不响"），红色指示灯______，黄色指示灯______。 （5）系统优缺点分析：多传感器融合相比单一传感器监测的优势是______________________________；本系统的一个不足之处是______________________________。 答：___________________________________________ 学科网（北京）股份有限公司 第三部分 压轴挑战题解析 第16题 [压轴] 实验12：油膜法——多因素误差辨析 在"用油膜法估测分子的大小"实验中，油酸酒精溶液浓度1:2000，每滴溶液体积0.020mL，测得油膜面积S = 200cm2。 （1）计算该次测量的油酸分子直径d = ______m（保留2位有效数字）。 （2）判断下列8种偏差情形导致d"偏大""偏小"还是"无影响"： 序号 偏差情形 d的偏差方向 ① 溶液未摇匀，取上层（浓度偏低） ______ ② 滴管标定时多数5滴（实际40滴/mL，误记45滴/mL） ______ ③ 痱子粉撒得过厚，阻碍油膜展开 ______ ④ 油膜未完全展开就描画边界 ______ ⑤ 描画边界时笔尖偏外侧约2mm ______ ⑥ 浓度1:2000误写为1:200 ______ ⑦ 水温较高，部分油酸挥发 ______ ⑧ 方格数少了10格（计数遗漏） ______ （3）上述情形中属于系统误差的是______，属于偶然误差的是______（填序号）。 （4）改进后5次测量d值为4.0、4.2、3.9、4.1、3.8（单位：10-10m）。求平均值d̄和相对误差δ（公认值d0 = 4.0 × 10-10m）。 【参考答案】 （1）5.0 × 10-10 （2）①偏大 ②偏小 ③偏大 ④偏大 ⑤偏小 ⑥偏大 ⑦偏大 ⑧偏大 （3）系统误差：①③⑤⑥⑦；偶然误差：②④⑧ （4）d̄ = 4.0 × 10-10m；δ = 0% 【命题意图】 本题为油膜法实验误差分析的压轴题，系统考查8种偏差情形对d = V油酸/S的影响方向判断，区分系统误差与偶然误差，并计算平均值和相对误差。体现2026高考对实验误差分析能力的高要求。 【解题思路】 先计算标准d值，再逐一分析每种偏差对V计算和S测量的影响，由d = V计算/S测量判断偏差方向，按系统误差（固定偏向）和偶然误差（随机偏向）分类，计算平均值和相对误差。 【详细过程】 （1）V油酸 = (1/2000) × 0.020mL = 1.0 × 10-11 m3，S = 2.0 × 10-2 m2 d = 1.0 × 10-11 / 2.0 × 10-2 = 5.0 × 10-10 m （2）逐一分析（d = V计算/S测量）： ①上层浓度低→实际油酸少→S实际偏小→V计算不变→d偏大 ②标定多数→V0计算偏小→V计算偏小→d偏小 ③粉过厚→S偏小→d偏大 ④未完全展开→S偏小→d偏大 ⑤描画偏外→S偏大→d偏小 ⑥浓度1:200比1:2000大10倍→V计算偏大→d偏大 ⑦油酸挥发→实际油酸少→S偏小→V计算不变→d偏大 ⑧方格少计→S偏小→d偏大 （3）系统误差（固定偏向）：①③⑤⑥⑦；偶然误差（随机偏向）：②④⑧ （4）d̄ = (4.0+4.2+3.9+4.1+3.8)/5 × 10-10 = 4.0 × 10-10m δ = |4.0−4.0|/4.0 × 100% = 0% 【易错点提示】 ①误差分析核心是追踪V计算和S测量各自变化方向；②浓度记大→V计算偏大→d偏大；③滴管标定多数→V0计算偏小→d偏小，方向易搞反；④系统误差有固定偏向可修正，偶然误差随机只能多次测量减小。 【知识链接】 误差分析是物理实验核心能力。系统误差可通过校准仪器、改进方法消除；偶然误差通过多次测量取平均值减小。油膜法最大误差来源是面积测量和浓度配制。改进方案：数码相机+图像软件替代方格法、精密移液器替代滴管。2026高考对误差分析的考查从定性向定量深化。 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 第17题 [压轴] 实验13：温度波动对p-1/V图像的定量影响 某实验小组用注射器和压强传感器探究气体等温变化。室温t0 = 20°C（T0 = 293K），大气压p0 = 1.01×105Pa。实验中由于操作不够缓慢，压缩气体时温度升高Δt = 3°C（膨胀时降低3°C），且温度变化在读取数据前未恢复至室温。 （1）当体积从V0 = 50mL压缩至V = 25mL时，实际气体温度T1 = ______K。若按等温（T0）计算，p理论 = ______×105Pa；实际压强p实际 = ______×105Pa。相对偏差δ ≈ ______%。 （2）该组同学不知温度波动，仍按等温处理数据作p-1/V图像。压缩段（V减小）温度升高使数据点位于等温直线上方，膨胀段（V增大）温度降低使数据点位于等温直线下方。p-1/V图像将不再是直线，而是________________________________________。 （3）温度波动ΔT = ±3K时，pV的相对波动|Δ(pV)/(pV)| = ______，约______%（保留1位有效数字）。 （4）为减小温度波动影响，以下措施有效的是______。 A. 缓慢移动活塞，每次移动后等待30秒再读数 B. 用隔热套包裹注射器，隔绝热交换 C. 用温度传感器实时监测气体温度，仅在温度恢复T0时读数 D. 减小每次体积变化幅度，多次测量 【参考答案】 （1）296；2.02；2.04；1.0 （2）由两段不同斜率的线段组成：压缩段斜率偏大（数据点在等温直线上方），膨胀段斜率偏小（数据点在等温直线下方），整体呈折线偏离直线 （3）3/293；1 （4）ACD 【命题意图】 本题为气体等温变化实验的压轴题，定量分析温度波动对p-1/V图像的影响，要求学生运用pV = nRT计算实际压强与理论压强的偏差，判断p-1/V图像弯曲方向，并提出减小温度波动的措施。 【解题思路】 用理想气体状态方程计算温度升高后的实际压强，比较实际值与等温理论值偏差，分析压缩和膨胀过程中温度变化对p-1/V图像的影响，计算pV相对波动，判断减小温度波动措施的有效性。 【详细过程】 （1）T1 = 293 + 3 = 296K 等温：p理论 = p0V0/V = 1.01×105 × 50/25 = 2.02×105 Pa 实际：p实际 = p0V0T1/(T0V) = 1.01×105 × 50 × 296/(293 × 25) = 2.02×105 × 296/293 = 2.02×105 × 1.01024 ≈ 2.04×105 Pa δ = |2.04−2.02|/2.02 × 100% ≈ 1.0% （2）压缩段（V减小）：T升高→p偏大→数据点在等温直线上方→斜率偏大；膨胀段（V增大）：T降低→p偏小→数据点在等温直线下方→斜率偏小。p-1/V图像由两段不同斜率的线段组成，呈折线偏离直线。 （3）pV = nRT，|Δ(pV)/(pV)| = |ΔT|/T = 3/293 ≈ 1% （4）A：缓慢+等待→热交换充分→有效。B：隔热隔绝热交换→温度更难恢复→无效。C：温度传感器监测→仅T0时读数→有效。D：减小幅度→温度变化小→有效。 【易错点提示】 ①温度升高→p偏大→p-1/V斜率偏大（数据点在上方）；②温度波动ΔT/T ≈ 1%对精密实验有影响；③隔热不是减小温度波动的正确方法（应增强热交换）；④p-1/V偏离直线的方向取决于温度变化方向。 【知识链接】 气体实验定律成立条件严格：玻意耳定律要求等温。温度波动是最主要误差来源。现代DIS系统用温度传感器实时监测，可在数据采集时自动补偿温度影响。2026高考趋势：定量分析实验条件偏差对结果的影响。 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 第18题 [压轴] 实验14：界面不平行的折射光路分析与误差 在"测定玻璃的折射率"实验中，某同学用了加工不良的玻璃砖，两界面aa'和bb'不平行，夹角α = 3°（aa'水平，bb'向右倾斜3°）。激光以θ1 = 45°从aa'面射入，n = 1.50。 （1）aa'面折射角θ2 = ______°（已知sin-1(0.471) ≈ 28.1°）。 （2）由于bb'与aa'夹角α = 3°，光线在bb'面的入射角θ3 = θ2 + α = ______°。 （3）在bb'面，光从玻璃射向空气，折射角θ4 = ______°（已知sin-1(1.50×sin31.1°) = sin-1(0.774) ≈ 50.7°）。 （4）出射光线与入射光线______（填"平行"或"不平行"）。两面平行时θ4 = θ1；本实验中出射光线相对于入射光线的偏转角φ = θ4 − θ1 − α = ______°。若该同学仍按平行假设处理数据，得到的n将______（填"偏大"或"偏小"）。 （5）用两面平行的标准玻璃砖重复实验，出射光线与入射光线的关系为______。 【参考答案】 （1）28.1 （2）31.1 （3）50.7 （4）不平行；2.7；偏大 （5）平行（仅有侧移） 【命题意图】 本题为折射率测量的压轴题，考查界面不平行时多次折射的光路几何分析、出射光线偏转角推导和非理想实验条件下的误差判断。 【解题思路】 用折射定律计算aa'面折射角，根据界面夹角推导bb'面入射角，再用折射定律计算bb'面折射角，分析出射光线偏转和n偏差。 【详细过程】 （1）aa'面：sinθ2 = sinθ1/n = sin45°/1.50 = 0.707/1.50 = 0.471 → θ2 = 28.1° （2）bb'法线相对aa'法线偏转α = 3°，θ3 = θ2 + α = 28.1° + 3° = 31.1° （3）bb'面：sinθ4 = n·sinθ3 = 1.50 × sin31.1° = 1.50 × 0.516 = 0.774 → θ4 = 50.7° （4）两面平行时θ4 = θ1 = 45°。本实验θ4 = 50.7° ≠ 45°，不平行。 出射光线相对于aa'法线的方向 = θ4 − α = 50.7° − 3° = 47.7° φ = 47.7° − 45° = 2.7°（或φ = θ4 − θ1 − α = 50.7° − 45° − 3° = 2.7°） 该同学若按平行假设（θ4 = θ1）确定O2位置，实际O2偏移→θ2测量偏小→n = sinθ1/sinθ2偏大。 （5）两面平行时出射光线与入射光线平行（仅有侧移），这是折射定律在两面平行介质中的自洽性体现。 【易错点提示】 ①两面平行→出射平行入射（θ4 = θ1），仅有侧移；②界面不平行→θ3 = θ2 ± α（加减取决于倾斜方向）；③出射光线偏转角φ = θ4 − θ1 − α；④界面不平行破坏"平行出射"判据，使n偏大。 【知识链接】 两面平行玻璃砖"平行出射"是折射定律的直接推论，也是验证器材质量的依据。实际实验中可通过检查出射光线是否平行于入射光线判断界面是否平行。2026高考考查非理想实验条件对结果的影响。 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 第19题 [压轴] 实验15：测定不同色光波长（红/绿/紫对比） 某实验小组用双缝干涉分别测定红、绿、紫光波长。器材：白炽灯、三色滤光片、双缝（d = 0.25mm）、遮光筒（l = 0.900m）、测量头（10分度游标卡尺）。 （1）分别用红、绿、紫滤光片实验，数据如下： 色光 第1条亮纹x₁/mm 第6条亮纹x₆/mm Δx/mm λ/nm 红光 1.2 13.1 ______ ______ 绿光 0.8 10.4 ______ ______ 紫光 0.5 8.1 ______ ______ 计算各色光Δx和λ（保留3位有效数字）。 （2）三色光波长大小关系λ红 ______ λ绿 ______ λ紫（填">"或"<"），与理论值（红620~760nm、绿500~560nm、紫380~460nm）对比，实验结果______（填"在"或"不在"）合理范围内。 （3）紫光条纹间距测量误差明显大于红光，可能原因是______________________________和______________________________。 （4）用红光（λ = 660nm）照射双缝。将d从0.25mm增大到1.0mm（4倍），其他不变，Δx变为原来的______。此时条纹______（填"清晰可辨"或"过于密集"）。为恢复清晰条纹，应将l增大到原来的______倍。 【参考答案】 （1） 色光 Δx/mm λ/nm 红光 2.38 661 绿光 1.92 533 紫光 1.52 422 （2）>；>；在 （3）紫光波长短→条纹间距小→测量误差大；人眼对紫光敏感度低→条纹边界判断不准确 （4）1/4；过于密集；4 【命题意图】 本题为双缝干涉实验的压轴题，考查不同色光波长的实验测定、数据处理、误差比较和条纹间距调节参数的定量分析，要求学生综合运用Δx = λl/d进行多组计算和参数优化。 【解题思路】 用Δx = (x6−x1)/5计算条纹间距，代入λ = dΔx/l求波长，比较三种色光波长与理论值，分析紫光误差大的原因，用Δx = λl/d分析参数变化影响。 【详细过程】 （1）红光：Δx = (13.1−1.2)/5 = 11.9/5 = 2.38mm λ = dΔx/l = (0.25×10-3)(2.38×10-3)/0.900 = 6.61×10-7m = 661nm 绿光：Δx = (10.4−0.8)/5 = 9.6/5 = 1.92mm λ = (0.25×10-3)(1.92×10-3)/0.900 = 5.33×10-7m = 533nm 紫光：Δx = (8.1−0.5)/5 = 7.6/5 = 1.52mm λ = (0.25×10-3)(1.52×10-3)/0.900 = 4.22×10-7m = 422nm （2）λ红(661nm) > λ绿(533nm) > λ紫(422nm)，与理论值范围对比：661nm在620~760nm范围内 ✓，533nm在500~560nm范围内 ✓，422nm在380~460nm范围内 ✓。均在合理范围内。 （3）紫光误差大的原因：①紫光波长短→Δx小→条纹间距小→游标卡尺读数相对误差大；②人眼对紫光敏感度较低→条纹边界判断不精确→读数误差大。 （4）Δx = λl/d。d从0.25mm变为1.0mm（4倍），Δx变为原来的1/4。 原Δx = 660×10-9×0.900/(0.25×10-3) = 2.376mm，新Δx = 2.376/4 = 0.594mm → 条纹过于密集难以分辨。 为恢复清晰：需Δx恢复原值 → l' = l×4 = 3.6m，即l增大到原来4倍。 【易错点提示】 ①第1到第6条是5个间隔；②λ = dΔx/l，注意单位统一（最终转nm）；③紫光波长短→Δx小→测量误差大；④Δx = λl/d，d增大4倍→Δx变为1/4，需l同步增大4倍才能恢复。 【知识链接】 不同色光波长不同是色散现象的本质。可见光波长范围380~760nm对应紫到红。双缝干涉实验是测定单色光波长的标准方法，精度取决于d、l、Δx的测量精度。2026高考可能考查不同光源（激光vs普通光源）对干涉条纹质量的影响。 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 第20题 [压轴] 实验19：多传感器融合——智能温室自动报警系统设计 某物理兴趣小组设计一个智能温室大棚自动报警系统，要求同时监测温度、光照和压力三个参数，当任一参数超出安全范围时触发报警。 系统设计要求： - 温度监测：温度超过40°C时触发温度报警（使用NTC热敏电阻Rt） - 光照监测：光照强度低于阈值（光敏电阻Rg阻值大于5kΩ）时触发光照报警 - 压力监测：大棚积雪压力超过设定值（电容式压力传感器C变化超过10pF）时触发压力报警 - 任一传感器触发→蜂鸣器报警→对应指示灯亮（红/黄/蓝分别对应温度/光照/压力） （1）温度监测电路：NTC热敏电阻Rt与定值电阻R1 = 2kΩ串联接6V电源，Rt两端接电压比较器。当温度 = 40°C时Rt = 2kΩ。当温度 > 40°C时，Rt阻值______（填"增大"或"减小"），Rt两端电压______（填"升高"或"降低"）。比较器参考电压应设为______V（使温度超过40°C时触发）。 （2）光照监测电路：光敏电阻Rg与定值电阻R2 = 5kΩ串联接6V电源，Rg两端接电压比较器。当光照降低使Rg > 5kΩ时触发报警。Rg阻值增大时，Rg两端电压______（填"升高"或"降低"），比较器参考电压应设为______V（使Rg > 5kΩ时触发）。此时Rg = 5kΩ，R2 = 5kΩ，Rg两端电压 = ______V。 （3）压力监测电路：电容式压力传感器C0 = 100pF（无压力时），与固定电容C1 = 100pF串联构成分压电路，接6V交流电源。无压力时C0两端电压 = ______V。当压力使C0增大10pF（变为110pF）时，C0两端电压______（填"升高"或"降低"），触发报警。 （4）报警逻辑电路：三个比较器输出分别通过______门连接蜂鸣器（任一触发即报警），三个比较器输出分别连接对应颜色的指示灯。当温度和光照同时超限时，蜂鸣器______（填"响"或"不响"），红色指示灯______，黄色指示灯______。 （5）系统优缺点分析：多传感器融合相比单一传感器监测的优势是______________________________；本系统的一个不足之处是______________________________。 【参考答案】 （1）减小；降低；3.0 （2）升高；3.0；3.0 （3）3.0；降低 （4）或；响；亮；亮 （5）优势：可同时监测多个环境参数，任一异常即报警，监测范围更全面，可靠性更高；不足：各传感器之间可能存在交叉敏感（如温度变化影响光敏电阻特性），需要校准和补偿 【命题意图】 本题为传感器实验的压轴综合题，以智能温室大棚为情境，融合热敏电阻、光敏电阻和电容式压力传感器三种传感器，考查多传感器融合系统的电路设计、触发阈值计算和报警逻辑分析。体现2026高考"只靠背步骤已不够用"的命题趋势——要求学生综合运用电学、热学、光学知识解决实际问题。 【解题思路】 分析NTC热敏电阻温度特性确定触发条件和参考电压，分析光敏电阻分压电路确定触发阈值，分析电容分压电路确定压力触发条件，设计报警逻辑电路（或门），分析多传感器融合系统的优缺点。 【详细过程】 （1）NTC热敏电阻：温度升高→Rt减小。 Rt与R1串联：Rt两端电压Ut = E·Rt/(R1+Rt)。 温度40°C时Rt = 2kΩ = R1，Ut = 6×2/(2+2) = 3.0V。 温度 > 40°C → Rt < 2kΩ → Ut < 3.0V（Rt减小→分压减小）。 比较器：当Ut < 3.0V时触发报警 → 参考电压 = 3.0V（反相输入端接Rt电压，同相端接3.0V参考，当Rt端电压低于3.0V时输出高电平触发报警）。 （2）光敏电阻Rg与R2串联：Rg两端电压Ug = E·Rg/(R2+Rg)。 Rg增大→Ug升高。 当Rg = 5kΩ = R2时，Ug = 6×5/(5+5) = 3.0V。 当Rg > 5kΩ → Ug > 3.0V → 比较器参考电压 = 3.0V（当Ug > 3.0V时触发报警）。 （3）电容分压：C0与C1串联接交流电源。 电容串联分压：U0 = E·(1/C0)/[(1/C0)+(1/C1)] = E·C1/(C0+C1) 无压力时C0 = C1 = 100pF：U0 = 6×100/(100+100) = 3.0V 当C0 = 110pF时：U0 = 6×100/(110+100) = 600/210 ≈ 2.86V < 3.0V C0增大→U0降低→触发报警。 （4）三个比较器输出通过或门连接蜂鸣器：任一触发即报警。 温度和光照同时超限：蜂鸣器响，红色指示灯亮（温度报警），黄色指示灯亮（光照报警）。 （5）优势：多参数同时监测，任一异常即报警，覆盖面广，可靠性高，避免单一传感器漏检。 不足：传感器间可能存在交叉敏感（温度变化影响光敏电阻、压力传感器温漂等），需要校准和补偿；电路复杂度增加；功耗增大。 【易错点提示】 ①NTC温度升高→Rt减小→Rt分压降低（不是升高）；②光敏电阻Rg增大→Rg分压升高（光照降低→阻值增大→分压增大）；③电容串联分压与电阻串联分压公式不同（电容大的分压小）；④或门实现"任一触发即报警"逻辑。 【知识链接】 多传感器融合是物联网和智能控制的核心技术。实际应用中还需考虑：传感器标定与校准、信号调理（放大/滤波）、A/D转换、微处理器数据处理、无线通信等。2026高考趋势：以真实应用情境为背景，考查传感器原理与电路设计的综合应用，体现"探究性"和"应用性"命题方向。多传感器融合实验是大学物理实验和工程实践的重要内容，在高考中以设计性实验题形式出现。 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 附录 附录一 答案速查表 （供快速核对答案，详细解析见第三章） 题号 难度 所属实验 参考答案摘要 第1题 基础 实验12：用油膜法估测分子的大小 （1）稀释油酸，使一滴溶液中油酸体积足够小，形成的单分子油膜面积适中便于测量；酒精易挥发，不影响油膜最终形态 （2）显示油膜边界轮廓，便于描画和测量油膜面积 （3）4 × 10⁻¹⁰ （4）AB 第2题 基础 实验12：油膜法——溶液配制与滴管标定 （1）1.0；500 （2）0.025；2.5 × 10⁻⁸ （3）ABCD （4）偏小 第3题 基础 实验13：p-V图像与p-1/V图像的对 （1）2.40 × 10⁶ （2）双曲线（等轴双曲线的一支）；过原点的直线 （3）ABCD （4）上；不再过 第4题 基础 实验14：测定玻璃的折射率 （2）P₁；P₂；P₁；P₂；P₃ （3）sinθ₁/sinθ₂ （4）1.4 第5题 基础 实验14：插针法——操作步骤排序与纠错 （1）a→c→b→e→h→d→f （2）c （3）ABCD （4）小；大 第6题 基础 实验15：双缝干涉装置光路排列顺序 （1）a→b→c→d→e→f （2）ABCDE （3）能；滤光片和单缝功能独立，互换不影响各自作用 （4）单缝与双缝不平行；双缝到屏距离不够远（条纹太密）；光源亮度不足；遮光筒漏光 第7题 基础 实验19：光敏电阻特性测量与光控开关 （1）5 （2）800；远小于；减小 （3）半导体；光照使半导体中产生更多载流子（电子-空穴对），载流子浓度增大，导电性增强，电阻减小 （4）电磁继电器；路灯（或蜂鸣器）；大 第8题 中档 实验12：油膜法——方格法测量面积改进 （1）220；2.2 × 10⁻² （2）液滴体积微小差异、水面洁净度不一致、表面张力波动、痱子粉分布不均匀等 （3）4.0 × 10⁻¹⁰ （4）方格法能更准确反映不规则形状的实际面积，"长×宽"法会高估面积导致d偏小；可减小方格边长提高分辨率或用数码相机+图像软件计算面积 第9题 中档 实验13：探究气体等温变化的规律 （1）缓慢移动活塞保证气体有足够时间与外界热交换，使气体温度始终保持与室温相等（等温条件）。快速推拉会使气体温度变化（压缩升温、膨胀降温），破坏等温条件 （2）1.06 × 10⁵ （3）原点；pV （4）变大 第10题 中档 实验13：用压强传感器探究等容变化（查理 （1）t + 273.15；原点 （2）273 （3）偏小；偏大 （4）不过原点的直线（斜率为正）；绝对零度对应的摄氏温度（约−273°C） 第11题 中档 实验14：全反射法测折射率（临界角法） （1）不改变；沿半径入射时入射角为0°，折射角也为0°，方向不变 （2）玻璃；空气；90；临界 （3）1.50 （4）ABCD 第12题 中档 实验15：用双缝干涉实验测定光的波长 （1）干涉条纹间距Δx；米尺；测量头（游标卡尺） （2）获取线光源（保证空间相干性）；获取单色光（保证时间相干性） （3）2.2；550 （4）增大；增大 第13题 中档 实验15：白光双缝干涉条纹特征分析 （1）白；彩；各种色光在中央（光程差=0）都形成亮纹，叠加为白光；两侧不同色光亮纹位置不同，分开形成彩色 （2）大于；大于 （3）2.64；1.68 （4）2 第14题 中档 实验19：探究传感器的原理与应用 （1）1500 （2）1000 （3）下降；NTC（负温度系数）热敏电阻阻值随温度升高而减小（温度升高使半导体中载流子浓度增大，电阻率降低） （4）电磁继电器（或比较器）；蜂鸣器（或报警指示灯） 第15题 中档 实验19：压力传感器原理（应变片与电容式 （1）增大；ρ(l₀+Δl)/(S₀−ΔS) （2）拉伸；压缩；相反；增大 （3）εS/d；增大 （4）2.2 × 10⁻¹³ 第16题 压轴 实验12：油膜法——多因素误差辨析 （1）5.0 × 10⁻¹⁰ （2）①偏大 ②偏小 ③偏大 ④偏大 ⑤偏小 ⑥偏大 ⑦偏大 ⑧偏大 （3）系统误差：①③⑤⑥⑦；偶然误差：②④⑧ （4）d̄ = 4.0 × 10⁻¹⁰m；δ = 0% 第17题 压轴 实验13：温度波动对p-1/V图像的定量 （1）296；2.02；2.04；1.0 （2）由两段不同斜率的线段组成：压缩段斜率偏大（数据点在等温直线上方），膨胀段斜率偏小（数据点在等温直线下方），整体呈折线偏离直线 （3）3/293；1 （4）ACD 第18题 压轴 实验14：界面不平行的折射光路分析与误差 （1）28.1 （2）31.1 （3）50.7 （4）不平行；2.7；偏大 （5）平行（仅有侧移） 第19题 压轴 实验15：测定不同色光波长（红/绿/紫对 （1）红光Δx=2.38mm/λ=661nm，绿光Δx=1.92mm/λ=533nm，紫光Δx=1.52mm/λ=422nm （2）>；>；在 （3）紫光波长短→条纹间距小→测量误差大；人眼对紫光敏感度低→条纹边界判断不准确 （4）1/4；过于密集；4 第20题 压轴 实验19：多传感器融合——智能温室自动报 （1）减小；降低；3.0 （2）升高；3.0；3.0 （3）3.0；降低 （4）或；响；亮；亮 （5）优势：可同时监测多个环境参数，任一异常即报警，监测范围更全面，可靠性更高；不足：各传感器之间可能存在交叉敏感（如温度变化影响光敏电阻特性），需要校准和补偿 2027高考物理实验专题 第 页 学科网（北京）股份有限公司 $