2025年高考物理一轮复习讲义学案 第十三章　交变电流　 实验十六　利用传感器制作简单的自动控制装置

这是一份2025年高考物理一轮复习讲义学案 第十三章　交变电流　 实验十六　利用传感器制作简单的自动控制装置，共11页。


1.实验一：门窗防盗报警装置
（1）实验目的与要求
当门窗紧闭时，蜂鸣器不响，指示灯亮；当门窗被打开时，蜂鸣器发出警报声，指示灯灭.
（2）电路图
（3）实验器材和装置
干簧管SA、继电器（虚线框部分）、发光二极管LED、电阻R、蜂鸣器H、电源、小磁体、开关.
（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，干簧管两个簧片被磁化相吸而接通继电器线圈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，干簧管失磁断开，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.干簧管在电路中起传感器和控制开关的作用，继电器则相当于一个自动的双向开关.
（5）实验操作
a.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.
b.确定各元件可以正常工作后，按照电路图连接电路.
c.接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，分别观察实验现象.
2.实验二：光控开关
（1）实验目的与要求
模拟光控路灯根据光照的变化自动开启或关闭.
（2）电路图
（3）实验器材和装置
发光二极管LED、三极管VT、可调电阻R1、继电器K、限流电阻R2、光敏电阻RG、二极管D、电源、小灯泡L.
（4）电路工作原理
当环境光比较强时，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.
当环境光比较弱时，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.
（5）实验操作
a.按照电路图连接电路，检查无误后，接通电源.
b.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.
c.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.
d.让光照加强，当光照强到某种程度时，发光二极管LED或小灯泡L熄灭.
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.

命题点1 教材基础实验
1.[教材原型实验/2021广东]某小组研究热敏电阻阻值随温度的变化规律.根据实验需要已选用了规格和量程合适的器材.
（1）先用多用电表预判热敏电阻阻值随温度的变化趋势.选择适当倍率的欧姆挡，将两表笔 短接 ，调节欧姆调零旋钮，使指针指向右边“0Ω”处.测量时观察到热敏电阻温度越高，相同倍率下多用电表指针向右偏转角度越大，由此可判断热敏电阻阻值随温度的升高而 减小 .
（2）再按下图连接好电路进行测量.
①闭合开关S前，将滑动变阻器R1的滑片滑到 b 端（选填“a”或“b”）.
将温控室的温度设置为T，电阻箱R0调为某一阻值R01.闭合开关S，调节滑动变阻器R1，使电压表和电流表的指针偏转到某一位置.记录此时电压表和电流表的示数、T和R01.断开开关S.
再将电压表与热敏电阻C端间的导线改接到D端，闭合开关S.反复调节R0和R1，使电压表和电流表的示数与上述记录的示数相同.记录此时电阻箱的阻值R02.断开开关S.
②实验中记录的阻值R01 大于 R02（选填“大于”“小于”或“等于”）.此时热敏电阻阻值RT＝ R01－R02 .
（3）改变温控室的温度，测量不同温度时的热敏电阻阻值，可以得到热敏电阻阻值随温度的变化规律.
解析 （1）用多用电表欧姆挡测量电阻时，在选择适当倍率后，需要先将两表笔短接，调节欧姆调零旋钮进行调零.热敏电阻温度越高，相同倍率下多用电表指针向右偏转角度越大，说明热敏电阻阻值随温度的升高而减小.
（2）①闭合开关S前，为保护电路，应将滑动变阻器R1的阻值调到最大，因此应将滑动变阻器R1的滑片滑动到b端.②温度为T时，R01＝R02＋RT，显然R01大于R02，此时热敏电阻阻值RT＝R01－R02.
命题点2 创新设计实验
2.[压敏电阻]材料的电阻随压力的变化而变化的现象称为“压阻效应”，利用这种效应可以测量压力大小.若图甲为某压敏电阻在室温下的电阻—压力特性曲线，其中RF、R0分别表示有、无压力时压敏电阻的阻值.为了测量压力F，需先测量压敏电阻处于压力中的阻值RF.请按要求完成下列实验.
（1）设计一个可以测量处于压力中的该压敏电阻阻值的电路，在图乙的虚线框中画出实验电路原理图（压敏电阻及所给压力已给出，待测压力大小约为0.4×102～0.8×102N，不考虑压力对电路其他部分的影响），要求误差较小，提供的器材如下：
A.压敏电阻，无压力时阻值R0＝6000Ω
B.滑动变阻器R，最大阻值为200Ω
C.电流表A，量程2.5mA，内阻约30Ω
D.电压表V，量程3V，内阻约3kΩ
E.直流电源E，电动势3V，内阻很小
F.开关S，导线若干
（2）正确接线后，将压敏电阻置于待测压力下，通过压敏电阻的电流是1.33mA，电压表的示数如图丙所示，则电压表的读数为 2.00 V.
（3）此时压敏电阻的阻值为 1.5×103 Ω；结合图甲可知待测压力的大小F＝ 60 N.（计算结果均保留两位有效数字）
解析 （1）根据题述对实验电路的要求，应该采用分压式接法、电流表内接的电路，如图所示.
（2）根据电压表读数规则知，电压表读数为2.00V.
（3）由欧姆定律知，此时压敏电阻的阻值为RF＝UI－RA≈1.5×103Ω，R0RF＝60001.5×103＝4，由题图甲可知，对应的待测压力F＝60N.

1.某学校的科技小组在一次创新大赛中利用所学物理知识设计了一种“闯红灯违规记录仪”，其工作原理如图甲所示，当光控开关接收到某种颜色的光时，开关自动闭合，车辆经过的路面下的压敏电阻受到车的压力，其阻值随压力变化如图乙所示，当压力变化引起电流变化达到一定值时，继电器的衔铁就被吸下，电路中的电控照相机就启动，记录下违规车辆实况.光控开关未受到该种光照射就自动断开，衔铁不被吸引，工作电路中的指示灯发光.
图甲
图乙
（1）要记录车辆违规闯红灯的情境，光控开关应在接收到 红 （选填“红”“绿”或“黄”）光时自动闭合.
（2）已知控制电路电源电动势为6V，内阻为2Ω，继电器电阻为8Ω，当控制电路中电流大于0.06A时，衔铁会被吸引.则只有质量超过 400 kg的车辆违规时才会被记录.（重力加速度g取10m/s2）
解析 （1）因是闯红灯违规证据模拟记录器，故光控开关应在接收到红光时自动闭合.
（2）由闭合电路欧姆定律可得I＝ER＋r＋R继，解得R＝90Ω，再由R－F图像可读出当R＝90Ω时F＝4000N，由G＝mg可求出m＝400kg，故只有质量超过400kg的车辆违规时才会被记录.
2.[液位报警器/2024山东青岛调研检测]液位报警器是一种用于监测、维护和测量液面位置的传感器，它会将感知到的液位数据转换为电信号.某实验小组通过研究热敏电阻的特性制作了一个汽车低油位报警装置，过程如下.

图甲 图乙
（1）已知常温下某热敏电阻的阻值约为1.4kΩ，若用图甲所示的多用电表测量该电阻的阻值，需将选择开关旋转到欧姆挡 ×100 （选填“×10”“×100”或“×1k”）位置.
（2）设计图乙电路探究该热敏电阻的阻值Rt随温度t变化的关系，开关闭合前，滑片P应位于滑动变阻器最 左 端（选填“左”或“右”），已知定值电阻R0＝1.5kΩ，某次测量中电流表A1的示数为3.20mA，A2的示数为2.40mA，两电流表均可视为理想电表，则此时热敏电阻的阻值Rt＝ 2 kΩ.
图丙 图丁
（3）该实验小组经过多次测量，绘出了Rt－t图像如图丙所示，图丁是他们根据此热敏电阻设计的汽车低油位报警器.其中电源的电动势E＝6.6V，定值电阻R＝1.5kΩ，长为l＝60cm的热敏电阻下端紧靠油箱底部，不计报警器和电源内阻.已知流过报警器的电流I＞3.0mA时报警器开始报警，若测得报警器报警时油液（油液内热敏电阻）的温度为15℃，油液外热敏电阻温度为50℃，由此可知油液的警戒液面到油箱底部的距离约为 10.0（9.2～10.8均可） cm（结果保留1位小数）.
（4）若保持油液的温度为15℃，油液外热敏电阻的温度为50℃，随着油箱中液面逐渐降低，按照（3）中测量方法，实验小组根据图丙将电流表上“电流”刻度改为“液面距油箱底部的距离”刻度，改装后表盘上的刻度是 非均匀 （选填“均匀”或“非均匀”）的.
解析 （1）多用电表在测电阻时，指针越接近中间位置，读数越准确，又读数＝刻度×倍率，待测电阻约为1.4kΩ，则应选×100倍率的挡位.
（2）滑动变阻器以分压式接入电路，则测量电路的电压和电流应从零开始变化，即开关闭合前，滑片P应置于最左端；根据并联分流规律可得Rt＝I1I2R0＝2kΩ.
（3）设警戒液面到油箱底部的距离为h，根据题图丙可知，温度为15℃时，热敏电阻的阻值约为Rt1＝1.7kΩ，温度为50℃时，热敏电阻的阻值约为Rt2＝0.5kΩ，根据闭合电路欧姆定律结合电阻定律可得Rt1lh＋Rt2l（l－h）＋R＝EI，代入数据解得h＝10.0cm.
（4）根据（3）问分析可知，改装后表盘上的刻度是非均匀的.
3.磁敏电阻是一种对磁敏感，具有磁阻效应的电阻元件.磁敏电阻在磁场中阻值发生变化的现象称为磁阻效应.某同学利用伏安法测量一磁敏电阻的阻值（几千欧）随磁感应强度的变化关系.所用器材：电源E，滑动变阻器R（最大阻值为20Ω），电压表（内阻约为3000Ω），毫安表（可视为理想电表），开关S及导线若干.
（1）在图甲所给的器材符号之间画出连线，组成测量电路图.

图甲 图乙
（2）实验时，将磁敏电阻置于待测磁场中，记录不同磁感应强度下电压表和毫安表的示数，计算出相应的磁敏电阻阻值.若某次测量中电压表和毫安表的示数分别为6.2V和2.8mA，则此时磁敏电阻的阻值为 2.2 kΩ（保留两位有效数字）.
（3）实验中得到的该磁敏电阻阻值R随磁感应强度B变化的曲线如图乙所示.某次测量中，测得磁敏电阻的阻值为10.0kΩ，此时磁感应强度为 1.4×10－4 T（保留两位有效数字）.
（4）太阳风是指从太阳上层大气射出的超声速带电粒子流，当太阳风激烈爆发时，可能会给地球带来无法预计的磁暴灾难.某同学利用实验中的磁敏电阻制作了一种搭载在人造卫星上的探测磁感应强度的报警器，其电路的一部分如图丙所示.图中E为直流电源（电动势为9.0V，内阻可忽略），当图中的输出电压达到或超过3.0V时，便触发报警器（图中未画出）报警.若要求开始报警时磁感应强度为10－4T，则图中 R2 （选填“R1”或“R2”）应使用磁敏电阻，另一固定电阻的阻值应为 10 kΩ（保留两位有效数字）；如果要提高此装置的灵敏度（即在磁感应强度更小时就能触发报警），应该 减小 （选填“增大”或“减小”）R1.
解析 （1）因毫安表可视为理想电表，则可以采用电流表内接法；滑动变阻器的总阻值为20Ω，待测磁敏电阻为几千欧，属于小电阻控制大电阻，则用滑动变阻器的分压式接法便于操作和多测数据.电路图如图所示.
（2）根据部分电路的欧姆定律可得磁敏电阻的阻值为R＝UI＝6.22.8×10－3Ω≈2.2kΩ.
（3）根据R－B图像可知，当R＝10.0kΩ时，磁感应强度B＝1.4×10－4T.
（4）根据闭合电路欧姆定律可得输出电压为U＝ER2R1＋R2，要求输出电压达到或超过3.0V时报警，即要求磁感应强度增大时（电阻的阻值增大），输出电压增大，故需要R2的阻值增大才能实现此功能，故R2为磁敏电阻；已知报警电压为U＝3V，而B＝10－4T时，R2＝5kΩ，解得R1＝ER2U－R2＝10kΩ，在磁感应强度更小时R2的阻值较小，根据串联分压原理可知应将R1减小，从而让R2分得更多的电压，达到3V就可以报警，即如果要提高此装置的灵敏度，应该减小R1.
4.（1）利用负温度系数热敏电阻制作的热传感器，一般体积很小，可以用来测量很小范围内的温度变化，反应快，而且精确度高.
①如果将负温度系数热敏电阻与电源、电流表和其他元件串联成一个电路，其他因素不变，只要热敏电阻所处区域的温度降低，电路中电流将变 小 （选填“大”或“小”）.
②上述电路中，我们将电流表中的电流刻度换成相应的温度刻度，就能直接显示出热敏电阻附近的温度.如果刻度盘正中的温度为20℃（如图甲所示），则25℃的刻度应在20℃的刻度的 右 （选填“左”或“右”）侧.
③为了将热敏电阻放置在某蔬菜大棚内检测大棚内温度变化，请在图乙中用图中的器材（可增加元器件）设计一个电路.
（2）图丙为一测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路，电源电压恒定，内阻不计，开关闭合后，调节滑动变阻器滑片，使小灯泡发光逐渐增强，测得流过电阻的电流和光强的关系图线如图丁所示，试根据这一特性，在图戊中用笔画线连接给定的器材设计一个自动光控电路.
解析 （1）①因为温度降低时，负温度系数热敏电阻的阻值增大，故电路中电流会减小.②由①的分析知，温度越高，电流越大，25℃的刻度应对应较大电流，故在20℃的刻度的右侧.③电路如图所示.
（2）由光敏电阻的特性曲线可以看出，当入射光增强时，流过光敏电阻的电流增大，光敏电阻的阻值减小.根据题意设计一个自动光控电路，如图所示.
控制过程是：当有光照时，放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸引衔铁使两个触点断开；当无光照时，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个触点闭合，工作电路接通，电灯开始工作.
5.[苹果自动分拣装置/2023重庆高二期末]如图甲所示为苹果自动分拣装置的示意图.该装置的托盘秤压在以O1为转动轴的杠杆上，杠杆左端压在压敏电阻R上，R的阻值随压力变化的曲线如图乙所示.当质量等于分拣标准（0.15kg）的苹果经过托盘秤时，杠杆对R的压力为2N，调节可调电阻R0，使它两端电压恰好能使放大电路中的电磁铁吸动分拣开关的衔铁，此电压叫作放大电路的激励电压.放大电路中有保持电路，能够确保苹果在衔铁上运动时，电磁铁始终保持该苹果在经过托盘秤时的状态.
图甲
图乙
（1）当较大的苹果通过托盘秤时，R所受的压力较大，则电阻 较小 （选填“较大”或“较小”）.
（2）自动分拣装置正常工作时，大于0.15kg的苹果通过 通道B （选填“通道A”或“通道B”）.
（3）若电源电动势为5V，内阻不计，激励电压为2V.
①为使该装置达到上述分拣目的，R0的阻值应等于 16 kΩ（结果保留两位有效数字）.
②某同学想利用一块电压表测出每个苹果的质量，电压表的示数随苹果质量的增大而增大，则电压表应该并联在电阻 R0 （选填“R”“R0”或“电源”）两端.
③已知压敏电阻受到的压力与苹果的质量成正比.若要将分拣标准提高到0.33kg，仅将R0的阻值调为 12 kΩ即可实现（结果保留两位有效数字）.
解析 （1）由题图乙可知当较大的苹果通过托盘秤时，R所受的压力较大，电阻较小.
（2）大于0.15kg的苹果通过托盘秤时，R0两端的电压达到放大电路的激励电压，使放大电路中的电磁铁吸动分拣开关的衔铁，大苹果进入下面的通道B.
（3）①杠杆对R的压力为2N时R阻值为24kΩ，为使该装置达到上述分拣目的，R0的阻值需满足RR0＝（5－2）V2V，则R0＝16kΩ.
②随着苹果质量增大，R阻值减小，分压减小，电源电动势不变，R0分压增大，为了满足电压表的示数随苹果质量的增大而增大，需要将电压表并联在R0两端.
③根据m1m2＝F1F2可知分拣标准到0.33kg时，压力为4.4N，此时R的阻值为18kΩ，根据①中分析知R0的阻值应该调至12kΩ.
6.[酒精检测仪]交警在某次拦截进行例行检查过程中，用酒精检测仪进行检测，结果显示驾驶人小王驾驶小型轿车，酒精含量为48mg/100mL，属于“酒驾”；而另一位小李驾驶二轮摩托车，酒精含量为110mg/100mL，属于“醉驾”.现代社会，喝酒不开车已经成为基本行为准则.某款酒精检测仪如图甲所示，核心部件为酒精气体传感器，其电阻R与酒精气体浓度c的关系如图乙所示.某同学想利用该酒精气体传感器设计一款酒精检测仪，除酒精气体传感器外，在实验室中找到了如下器材.
A.蓄电池（电动势E＝2V，内阻r＝0.6Ω）；
B.表头G（满偏电流6.0mA，内阻未知）；
C.电流表A（满偏电流10mA，内阻未知）；
D.电阻箱R1（最大阻值999.9Ω）；
E.电阻箱R2（最大阻值999.9Ω）；
F.开关及导线若干.
图甲 图乙
（1）该同学设计的测量电路如图丙所示，为将表头G的量程扩大为原来的10倍，他进行了如下操作：先断开开关S1、S2、S3，将R1、R2调到最大值.合上开关S1，将S3拨到2处，调节R2，使表头G满偏，电流表A示数为I.此时合上开关S2，调节R1和R2，当电流表A示数仍为I时，表头G示数如图丁所示，此时R1为108.0Ω，则改装电表时应将R1调为 6.0 Ω，改装结束后断开所有开关.
图丙 图丁
（2）该同学若将图中开关S1、S2合上，而将S3拨到1处，电阻箱R2的阻值调为14.0Ω，酒精气体浓度为零时，表头G的读数为 2.0 mA.
（3）完成步骤（2）后，某次在实验室中测试酒精含量时，表头指针指向5.0mA.已知酒精含量在0.2～0.8mg/mL之间属于“酒驾”；酒精含量达到或超过0.8mg/mL属于“醉驾”，则该次测试的酒精含量属于 醉驾 （选填“酒驾”或“醉驾”）.
（4）使用较长时间后，蓄电池电动势降低，内阻增大，可调整 R2 （选填“R1”或“R2”），则此时所测的酒精气体浓度仍为准确值.
解析 （1）合上开关S1，将S3拨到2处，调节R2，使表头G满偏，电流表A示数为I.则表头G与电流表A串联，可知I＝Ig＝6.0mA.合上开关S2，调节R1和R2，当电流表A示数仍为I时，表头G与R1并联，由题图丁可知表头G的示数I'＝4mA，则R1中的电流I1＝I－I'＝2mA，由I'Rg＝I1R1，解得表头G的内阻Rg＝12R1＝54.0Ω.将表头G的量程扩大为原来的10倍，则与表头G并联的电阻R1中的电流为IR1＝（10－1）Ig＝9Ig，则由IgRg＝9IgR'1，解得改装电表时应将R1调为R'1＝19Rg＝6.0Ω.
（2）改装电流表的内阻为R'g＝RgR' 1Rg＋R' 1＝54×654+6Ω＝5.4Ω.由题图乙可知酒精气体浓度为零时，传感器的电阻为R＝80Ω，由闭合电路欧姆定律可得电路中总电流I2＝Er＋R2＋R＋R'g＝20.6+14+80+5.4A＝0.02A＝20mA，则表头G的读数为I'2＝110I2＝2.0mA.
（3）某次在实验室中测试酒精含量时，表头指针指向5.0mA，电路中总电流I3＝10×5.0mA＝50.0mA＝0.05A，由闭合电路欧姆定律可得I3＝Er＋R2＋R'＋R'g，解得传感器的电阻R'＝20Ω，由题图乙可知酒精含量为0.8mg/mL，所以该次测试的酒精含量属于醉驾.
（4）由闭合电路欧姆定律可知I0＝Er＋R2＋R＋R'g，使用较长时间后，蓄电池电动势降低，内阻增大，要想所测的酒精气体浓度仍为准确值，则电路中电流不变，则需要把R2调小，使电路中总电阻减小.