2025版高考物理全程一轮复习专题练习第十三章实验十七利用传感器制作简单的自动控制装置

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1.门窗防盗报警装置具有自动提示报警的功能．在睡觉前连接好电路，启动防盗报警装置．当门窗紧闭时，蜂鸣器不响，指示灯亮；当门窗被打开时，蜂鸣器发出声音报警，指示灯灭．
2．光控路灯根据光照的变化自动开启或关闭．即在天色暗到一定程度时让路灯自动开启，而在天明时自动关闭．
实验一 门窗防盗报警装置
1．实验电路图
2．实验步骤
(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，观察簧片能否正常工作．
(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．
3．注意事项
(1)检查干簧管的簧片是否能正常开合．
(2)确定各元件可以正常工作后．按照设计的电路图连接电路．连接发光二极管时要注意将其正、负极与电源正、负极对应连接．
实验二 光控开关
1．实验电路图
2．实验步骤
(1)按照电路图连接电路，检查无误后，接通电源．
(2)让光敏电阻RG受到白天较强的自然光照射，调节电阻R1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．
3．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．
考点一 教材原型实验
例 1 如
图所示是具有自动报警功能的防盗门，它利用干簧管作为传感器，继电器(虚线方框部分)作为执行装置．下列说法不正确的是( )
A．当门紧闭时，磁体M处在干簧管SA里面，开关c与b接通
B．当门紧闭时，磁体M处在干簧管SA里面，开关c与a接通
C．当门被推开时，磁体M离开干簧管SA，继电器被断电，开关c与b接通
D．当门被推开时，磁体M离开干簧管SA，开关c与b接通，蜂鸣器H发声报警
例 2 光控路灯可以根据光照的变化自动开启或关闭，如图所示是利用光敏电阻和晶体三极管制作的光控开关的原理电路图．当天色逐渐变暗时，LED灯自动点亮，下列说法正确的是( )
A．光敏电阻RG逐渐变小
B．光敏电阻RG的电压变小
C．晶体三极管被断开
D．如果想要在更暗的时候LED灯被点亮，应将R1调大一点
例 3 传感器担负着信息采集的任务，在自动控制中发挥着重要作用，传感器能够将感受到的物理量(如温度、光、声等)转换成便于测量的量(电学量)，例如热敏传感器．某热敏电阻RT阻值随温度变化的图线如图甲所示，图乙是由该热敏电阻RT作为传感器制作的简单自动报警器线路图．问：

(1)为了使温度过高时报警器响铃，c应接在________(选填“a”或“b”)处．
(2)若要使启动报警的温度降低些，应将滑动变阻器的滑片P向________(选填“左”或“右”)移动．
(3)如果在调试报警器报警温度时，发现将报警器放在预定的报警温度的环境时，报警器一直报警，无论如何调节滑动变阻器的滑片P，报警器都一直报警，可能的原因和解决的办法是________________________________________________________________________
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例 4 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)．
(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.
(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．
(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：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．
考点二 探索创新实验
例 5 [2023·湖南卷]某探究小组利用半导体薄膜压力传感器等元件设计了一个测量微小压力的装置，其电路如图(a)所示，R1、R2、R3为电阻箱，RF为半导体薄膜压力传感器，C、D间连接电压传感器(内阻无穷大)．
(1)先用欧姆表“×100”挡粗测RF的阻值，示数如图(b)所示，对应的读数是________ Ω；
(2)适当调节R1、R2、R3，使电压传感器示数为0，此时，RF的阻值为________(用R1、R2、R3表示)；
(3)依次将0.5 g的标准砝码加载到压力传感器上(压力传感器上所受压力大小等于砝码重力大小)，读出电压传感器示数U，所测数据如下表所示：
根据表中数据在图(c)上描点，绘制U-m关系图线；
(4)完成前面三步的实验工作后，该测量微小压力的装置即可投入使用．在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力F0，电压传感器示数为200 mV，则F0大小是________ N(重力加速度取9.8 m/s2，保留2位有效数字)；
(5)若在步骤(4)中换用非理想毫伏表测量C、D间电压，在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力F1，此时非理想毫伏表读数为200 mV，则F1________F0(填“>”“＝”或“<”)．
例 6 某科技兴趣小组对具有自动加水功能的家用电热壶的原理十分感兴趣，于是自行设计了一个简化的装置示意图和电路图，如图1所示．该装置可以实现在壶中的水量不足时自动加水，而在达到“预设水量”时，又能够自动停止加水的目的．底座可以承受水壶和水的全部重量，底座压在一个以O点为固定转轴的L形杠杆上．杠杆ABO段水平，另一端与压力传感器R1接触，R1的阻值与压力F之间的关系图像如图2所示．当“控制电路”的输入端电压大于等于1 V时，能控制水泵的电机开始工作，将水抽到水壶中．已知电源的电动势为6 V，内阻为1 Ω，R2为电阻箱(0～99.9 Ω)，水壶中没有水时，水壶和底座的总质量为0.5 kg，重力加速度g取10 m/s2，“控制电路”输入端中的电流十分微弱，可以忽略，杠杆绝缘且质量不计，不考虑加水时水流的冲击力．回答下列问题：
(1)水龙头往水壶加水的过程中，R1的阻值逐渐________，R2两端的电压逐渐________(均选填“增大”或“减小”)；为了实现上述功能，“控制电路”的输入端应该并联在电路的________端点(选填“a、b”或“c、d”)．
(2)该小组的同学调节底座与杠杆的接触位置B，使图中OA的长度为OB长度的2倍，并要求“预设水量”为1 L(对应的水的质量为1 kg)．已知电阻R1受到的压力F＝·FB，其中FB为杠杆上B点受到的压力，则应将R2调节为________ Ω，此时R2两端的电压为________ V．
[解题心得]

实验十七 利用传感器制作简单的自动控制装置
关键能力·分层突破
考点一
例1 解析：当门紧闭时，磁体处在干簧管里面，继电器接通，开关c与a接通，LED灯亮，当门被推开时，磁体离开干簧管，继电器断电，开关c与b接通，LED灯不亮，蜂鸣器H发声报警，选项B、C、D正确，A错误．
答案：A
例2 解析：由光敏电阻的特性可知，光照越暗，电阻越大，所以光敏电阻的分压就越大，这时晶体三极管被导通，想要在更暗的时候接通LED灯的开关，这时光敏电阻就要更大，R1电阻也必须变大，选项D正确．
答案：D
例3 解析：(1)由题图甲可知，热敏电阻RT在温度升高时阻值变小，电路中电流变大，电磁铁磁性增强，把右侧衔铁吸引过来，与a接触，故c应接在a处．
(2)若要使启动报警的温度降低些，热敏电阻的阻值增大，滑动变阻器的滑片P向右移动．
(3)在预定的报警温度的环境时该热敏电阻RT和滑动变阻器的总电阻之和过小，电流过大，可以换一个阻值大一点的滑动变阻器．
答案：(1)a (2)右 (3)在预定的报警温度的环境时该热敏电阻RT和滑动变阻器的总电阻之和过小，可以换一个阻值大一点的滑动变阻器
例4 解析：(1)从图像上可以看出当照度为0.6 lx时的电阻约为2.7 kΩ(2.6 kΩ～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，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．
(3)根据欧姆表的读数规则，所以电阻值为R＝14×10 Ω＝140 Ω，回路中的电流为2 mA时回路中需要的电阻Rx＝＝ Ω＝3 000 Ω，所以选择滑动变阻器R2比较合理．若要求天色渐暗照度降低至1.0 lx时点亮路灯，则天色更暗时光敏电阻更大，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．
答案：(1)2.7 kΩ(2.6 kΩ～2.8 kΩ ) (2)AB (3)140 Ω R2 左
考点二
例5 解析：(1)欧姆表读数为10×100 Ω＝1 000 Ω
(2)当电压传感器读数为零时，CD两点电势相等，即UCB＝UDB，即RF＝R3，解得RF＝
(3)绘出U-m图像如图
(4)由图像可知，当电压传感器的读数为200 mV时，所放物体质量为1.75 g，则
F0＝mg＝1.75×10－3×9.8 N＝1.7×10－2 N
(5)可将CD以外的电路等效为新的电源，电动势E′，内阻r′，CD两点电压看做路端电压，因为换用非理想电压传感器时内阻不是无穷大，此时电压传感器读数U′＝，当读数为U′＝200 mV时，实际CD间断路(接理想电压传感器时)时的电压等于E′大于200 mV，则此时压力传感器的读数F1>F0.
答案：(1)1 000(1 000.0) (2) (3)见解析 (4)1.7×10－2 (5)>
例6 解析：(1)加水的过程中，压力F变大，由题图2知，R1的阻值逐渐减小；则电路总电阻逐渐减小，根据闭合电路欧姆定律可知，电路电流逐渐增大，则R2两端的电压逐渐增大；为了在水量达到“预设水量”时电机停止工作，要使“控制电路”输入端电压随水量的增加而减小，则“控制电路”输入端应该连接电路的a、b端点．
(2)达到“预设水量”1 L时，水壶和水的总重力为G＝(m水＋m0)g＝(1＋0.5)×10 N＝15 N
压力传感器R1上的压力为F＝·FB＝×15 N＝7.5 N，由图2读得R1的阻值为5.0 Ω，由题意知到“预设水量”时R1的电压应为1 V，通过R1的电流应为I1＝ A＝0.2 A，则R2的阻值应为R2＝－R1－r＝ Ω－5.0 Ω－1.0 Ω＝24.0 Ω，此时R2两端的电压为U2＝I1R2＝0.2×24.0 V＝4.8 V.
答案：(1)减小 增大 a、b (2)24.0 4.8
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
次数
1
2
3
4
5
6
砝码质量m/g
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
电压U/mV
0
57
115
168
220
280