2024年高考物理第一轮复习讲义：第十二章 实验十三 利用传感器制作简单的自动控制装置

1．甲、乙两同学查阅资料获得一热敏电阻阻值R随温度t变化的曲线如图(a)所示，甲、乙两同学想利用该热敏电阻随温度的变化规律测量所在学校春季室外温度(温度大约在14～22 ℃)，除了开关S、导线之外还有下列器材可供选用：

电压表V1(量程0～15 V，内阻约为15 kΩ);

电压表V2(量程0～3 V，内阻约为5 kΩ)；

电流表A1(量程0～150 μA，内阻约为100 Ω)；　

电流表A2(量程0～10 mA，内阻为500 Ω)；

滑动变阻器RP(阻值范围0～20 Ω，额定电流1 A)；　

电源E(电动势3．0 V，内阻不计)。

(1)为了科学合理地测量该热敏电阻RT的阻值，得出甲、乙两同学所在学校在实验进行过程中的室外温度，甲、乙两同学设计了如图(b)所示的电路原理图。电压表应该选用________(选填“V1”或“V2”)，电流表应该选用________(选填“A1”或“A2”)。

(2)根据该热敏电阻RT的阻值随温度变化的特点，组装一个由该热敏电阻RT控制的报警系统，电路原理图如图(c)所示，要求当热敏电阻的温度达到或超过60 ℃时，报警系统开始报警，其中电阻箱最大阻值为9 999．9 Ω，直流电源电动势为3 V，内阻不计，滑动变阻器最大阻值为2．0 kΩ。电路接通前，滑动变阻器的滑片应置于________(选填“a”或“b”)端附近，再将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值应为________；将开关拨向________(选填“1”或“2”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至报警系统开始报警，保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用。

解析：(1) 电源电动势E＝3．0 V，因此电压表选择V2，甲、乙两同学所在学校春季室外温度大约在14～22 ℃，根据题图(a)可知，热敏电阻的阻值在2．6×104～3．6×104 Ω，则回路中最大电流I＝ A≈115 μA，电流表选用A1。

(2)为防止接通电源后，流过报警器的电流过大，使报警器损坏，滑动变阻器的滑片应置于b端；本题采用的是等效替代法，先用电阻箱来代替热敏电阻，所以电阻箱的阻值要调节到热敏电阻的临界阻值，也就是在60 ℃时的阻值6．0 kΩ；将开关拨向2端，先把电阻箱的电阻接入电路，调节滑动变阻器的电阻，调至报警器开始报警时，保持滑动变阻器的阻值不变，接到热敏电阻上，当热敏电阻的阻值是6．0  kΩ时，也就是温度达到60 ℃时，报警器开始报警。

答案：(1)V2　A1　(2)b　6．0 kΩ　2

2．测量血压的压力传感器在工作时的示意图如图甲所示。测量血压时将薄金属片P放在手臂的血管上，薄金属片P上固定四个电阻R1、R2、R3、R4(如图乙所示，且四个电阻通电时的电流方向都是纵向的)，图丙是金属片P的侧视图。四个电阻与电源、电流计、可变电阻连接成图丁电路。

(1)开始时，薄金属片P中央的O点未施加任何压力，要使电流计无读数，则四个电阻的阻值应满足的关系是________。

(2)当给O点施加一个压力F后薄金属片P发生形变，四个电阻也随之发生形变，形变后四个电阻的阻值如何变化？R1________、R2________、R3________、R4________。(选填“增大”“减小”或“不变”)

(3)电阻变化后，电路中的A、B两点的电势φA________ (选填“大于”“小于”或“等于”)φB。

(4)简述血压计测血压的原理：_________________________________________。

(5)图丁电路中，若电桥已经平衡，现将电源和电流计互换位置，则电桥________(选填“仍然平衡”或“不能平衡”)。

解析：(1)当满足＝时，A、B两点电势相等，电流计无示数。

(2)电阻R1和R4会被纵向拉伸，根据电阻定律电阻增大；电阻R2、R3会被横向拉伸，电阻减小。

(3)由于电阻R1、R4增大，R2、R3减小，则A点电势降低，B点电势升高，φA<φB。

(4)脉搏跳动时，对薄金属片P的压力发生变化，电流计的示数发生变化。

(5)电源与电流计位置互换后等效电路相同，电桥仍然平衡。

答案：(1)＝　(2)增大　减小　减小　增大　(3)小于

(4)电流计的示数随压力的变化而变化　(5)仍然平衡

3．温度传感器的核心部分是一个热敏电阻。某课外活动小组的同学在学习了伏安法测电阻之后，利用所学知识来测量由某种金属制成的热敏电阻的阻值。可供选择的实验器材如下：

A．直流电源，电动势E＝6 V，内阻不计；

B．毫安表A1，量程为600 mA，内阻约为0．5 Ω；

C．毫安表A2，量程为10 mA，内阻RA＝100 Ω；

D．定值电阻R0＝400 Ω；

E．滑动变阻器R＝5 Ω；

F．被测热敏电阻RT，开关、导线若干。

(1)实验要求能够在0～5 V范围内，比较准确地对热敏电阻的阻值RT进行测量，请在图甲的方框中设计实验电路。

(2)某次测量中，闭合开关S，记下毫安表A1的示数I1和毫安表A2的示数I2，则计算热敏电阻阻值的表达式为RT＝________(用题给的物理量符号表示)。

(3)该小组的同学利用图甲电路，按照正确的实验操作步骤，作出的I2-I1图像如图乙所示，该小组的同学通过查阅资料得知该热敏电阻的阻值随温度的变化关系如图丙所示。将该热敏电阻接入如图丁所示电路，电路中电源电压恒为9 V，内阻不计，理想电流表示数为0．7 A，定值电阻R1＝30 Ω，则由以上信息可求出定值电阻R2的阻值为________Ω，此时该金属热敏电阻的温度为________℃。

解析：(1)毫安表A2，量程为10 mA，内阻RA＝100 Ω，可以将它与定值电阻R0串联，改装成Ug＝Ig(RA＋R0)＝0．01×500 V＝5 V的电压表，为了减少系统误差，电流表A1外接。要求能够在0～5 V范围内进行调节，所以滑动变阻器采用分压式接法，如图所示。

(2)某次测量中，闭合开关S，记下毫安表A1的示数I1和毫安表A2的示数I2，则通过热敏电阻的电流

I＝I1－I2

热敏电阻两端电压U＝I2(RA＋R0)

则计算热敏电阻阻值的表达式为

RT＝＝。

(3)理想电流表示数为0.7 A，相当于I1′＝0.7 A，则通过热敏电阻的电流为

IT′＝0.7 A－0．3 A＝0.4 A＝400 mA

根据图像可知，此时I2＝4 mA，此时RT两端电压为2 V，则R2两端电压为7 V，则R2＝ Ω＝17.5 Ω，

RT＝ Ω＝5 Ω

根据RTt图像可知RT＝t＋(Ω)

解得t＝55 ℃。

答案：(1)图见解析　(2)　(3)17.5　55