【广东专版】71　第十二章　实验十六　利用传感器制作简单的自动控制装置 课件《高考快车道》2026高考物理总复习

(共55张PPT)
实验十六　利用传感器制作简单的自动控制装置
第十二章　交变电流　传感器
实验储备·一览清
实验类型·全突破
类型1　 教材原型实验
角度1　温度传感器的应用
[典例1]　某同学利用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路”，如图甲所示。将热敏电阻R安装在需要探测温度的地方，当环境温度正常时，继电器的上触点接触，下触点分离，指示灯亮；当环境温度超过某一值时，继电器的下触点接触，上触点分离，警铃响。
图甲中给继电器供电的电源电压U1＝4 V，内阻不计，继电器线圈用漆包线绕成，其电阻R0为30 Ω。当线圈中的电流大于等于40 mA时，继电器的衔铁将被吸合，警铃响。图乙是热敏电阻的阻值随温度变化的图像。
(1)图甲中警铃的接线柱C应与接线柱________相连，指示灯的接线柱D应与接线柱________相连。(均选填“A”或“B”)
(2)当环境温度升高时，继电器的磁性将________(选填“增大”“减小”或“不变”)，当环境温度达到________ ℃时，警铃报警。
(3)如果要使报警电路在更高的温度报警，下列方案可行的是________。
A．适当减小U1 B．适当增大U1
C．适当减小U2 D．适当增大U2
B
A
增大
40
A
[解析]　(1)由于B接通时警铃响，A接通时指示灯亮，因此C接B，D接A。
(2)由于热敏电阻随温度升高，阻值减小，回路的电流强度增大，因此继电器的磁性增强。
当电流等于40 mA时，回路的总电阻
R＝＝＝100 Ω
而继电器电阻R0为30 Ω，因此当热敏电阻等于70 Ω时，由题图乙可知对应温度为40 ℃时，警铃报警。
(3)温度更高时，热敏电阻阻值更小，而报警电流为40 mA不变，因此应适当降低U1值，因此A正确。
角度2　光电传感器的应用
[典例2]　(2024·河北卷)某种花卉喜光，但阳光太强时易受损伤。某兴趣小组决定制作简易光强报警器，以便在光照过强时提醒花农。该实验用到的主要器材如下：学生电源、多用电表、数字电压表(0～20 V)、数字电流表(0～20 mA)、滑动变阻器R(最大阻值50 Ω，1.5 A)、白炽灯、可调电阻R1(0～50 kΩ)、发光二极管LED、光敏电阻RG、NPN型三极管VT、开关和若干导线等。
(1)判断发光二极管的极性
使用多用电表的“×10 k”电阻挡测量二极管的电阻。如图1所示，当黑表笔与接线端M接触、红表笔与接线端N接触时，多用电表指针位于表盘中a位置(见图2)；对调红、黑表笔后指针位于表盘中b位置(见图2)。由此判断M端为二极管的________(选填“正极”或“负极”)。
负极
(2)研究光敏电阻在不同光照条件下的伏安特性
①采用图3中的器材进行实验，部分实物连接已完成。要求闭合开关后电压表和电流表的读数从0开始。导线L1、L2和L3的另一端应分别连接滑动变阻器的________、________、________接线柱(以上三空选填接线柱标号“A”“B”“C”或“D”)。
A
A
C(或D)
②图4为不同光照强度下得到的光敏电阻伏安特性曲线，图中曲线Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ对应光敏电阻受到的光照由弱到强。由图像可知，光敏电阻的阻值随其表面受到光照的增强而________(选填“增大”或“减小”)。
减小
(3)组装光强报警器电路并测试其功能
图5为利用光敏电阻、发光二极管、三极管(当b、e间电压达到一定程度后，三极管被导通)等元件设计的电路。组装好光强报警器后，在测试过程中发现，当照射到光敏电阻表面的光强达到报警值时，发光二极管并不发光，为使报警器正常工作，应________(选填“增大”或“减小”)可调电阻R1的阻值，直至发光二极管发光。
增大
[解析]　(1)使用多用电表时，通过多用电表的电流流向遵循“红进黑出”，使用多用电表的电阻挡时，当黑表笔与M端接触、红表笔与N端接触时，若有电流，则二极管中电流方向为M→N，而由题图2可知此时多用电表指针位于a位置，即此时二极管电阻无穷大，由二极管的单向导电性可知，此时二极管所接电压为反向电压，则M端为二极管的负极。
(2)①由于要求闭合开关后电压表和电流表的读数从0开始，则滑动变阻器应采用分压式接法，L1、L2的另一端应接A接线柱，L3另一端应接C(或D)接线柱。
②I-U图像上某点与坐标原点连线的斜率的倒数表示光敏电阻的阻值，由题图4可知，光照增强时，光敏电阻的阻值减小，即光敏电阻的阻值随其表面受到光照的增强而减小。
(3)三极管未导通时，RG与R1串联。随着光强增强，RG电阻减小，此时三极管仍未导通，说明R1分压小，故需要增大R1。
类型2　 拓展创新实验
考向1　实验设计创新
[典例3]　(2024·广东汕头一模)科技实践小组的同学们应用所学电路知识，对“一抽到底”的纸巾盒进行改装，使纸巾剩余量可视化。
同学们使用的器材有：电源(E＝1.5 V，内阻不计)、定值电阻(R0＝6 Ω)、多用电表、铅笔芯(如图甲中AB所示)、导线若干、开关。
(1)用多用电表测量整根铅笔芯的电阻，选用“×10”倍率的电阻挡测量，发现多用电表指针的偏转角度很大，因此需选择________(选填“×1”或“×100”)倍率的电阻挡，并需________(填操作过程)后，再次进行测量，若多用电表的指针如图乙所示，测量结果为________ Ω。
×1
欧姆调零
12
(2)将铅笔芯固定在纸巾盒侧边，截取一段导线固定在挡板C，并保证导线与铅笔芯接触良好且能自由移动，请完成图甲中的电路连接。
(3)不计多用电表内阻，多用电表应该把选择开关打在“mA”挡，量程为________ mA(选填“2.5”“25”或“250”)。
(4)将以上装置调试完毕并固定好，便可通过电表读数观察纸巾剩余厚度，设铅笔芯总电阻为R，总长度为L，不计多用电表内阻，则多用电表示数I与纸巾剩余厚度h的关系式为I＝________________(用题中物理量符号表达)。依次实验将剩余纸巾厚度和对应电表读数一一记录下来，并进行标识，从而完成“一抽到底”纸巾盒的可视化改装探究。
250
[解析]　(1)电表指针的偏转角度很大，说明读数很小，倍率较高，则需选择“×1”倍率的电阻挡，并需要重新欧姆调零后进行测量，测量结果为12 Ω。
(2)将多用电表选择开关调至合适的直流电流挡，红表笔接C，黑表笔接电源负极，如图。
(3)纸巾没有使用时，铅笔芯电阻视为零，则最大电流为Im＝＝0.25 A＝250 mA
则量程为250 mA。
(4)根据闭合电路欧姆定律
I＝＝。
考向2　实验原理创新
[典例4]　现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60 ℃时，系统报警。提供的器材有：热敏电阻，报警器(内阻很小，流过的电流超过Ic时就会报警)，电阻箱(最大阻值为999.9 Ω)，直流电源(输出电压为U，内阻不计)，滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值为2 000 Ω)，单刀双掷开关一个，导线若干。在室温下对系统进行调节。已知U约为18 V，Ic约为10 mA；流过报警器的电流超过20 mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60 ℃时阻值为650.0 Ω。
(1)完成待调节的报警系统原理电路图的连线。
(2)电路中应选用滑动变阻器______(选填“R1”或“R2”)。
见解析图
R2
(3)按照下列步骤调节此报警系统：
①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为________ Ω；滑动变阻器的滑片应置于________(选填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是_____________________
___________________________________________________________。
②将开关向________(选填“c”或“d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至___________________________________________。
(4)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。
650.0
b
接通电源后，流过报警
器的电流会超过20 mA，报警器可能损坏
c
报警器开始报警
[解析]　(1)电路图连接如图所示。
(2)报警器开始报警时，对整个回路有U＝Ic(R滑＋R热)，代入数据可得R滑＝1 150.0 Ω，因此滑动变阻器应选择R2。
(3)①在调节过程中，电阻箱起到等效替代热敏电阻的作用，电阻箱的阻值应为报警器报警时热敏电阻的阻值，即为650.0 Ω。滑动变阻器在电路中为限流接法，滑片应置于b端附近，若置于另一端a时，闭合开关，则电路中的电流I＝ A≈27.7 mA，超过报警器最大电流20 mA，报警器可能损坏。②开关应先向c端闭合，移动滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警为止。
创新点解读　(1)利用热敏电阻来控制电路，使之成为温度报警系统，在设置报警温度时，借助于电阻箱进行电阻设置，使报警器达到报警的电流进行报警。
(2)可以设计成可调温度的报警器。
考向3　实验器材创新
[典例5]　某实验小组利用传感器来探究弹力与弹簧伸长的关系。如图甲所示，先将轻弹簧上端通过力传感器固定在水平的长木板A上，下端自由下垂，将距离传感器轻轻靠近轻弹簧下端，当力传感器示数为零时，距离传感器的示数为x0；然后再将弹簧下端与距离传感器固定，下面连接轻质木板B，距离传感器可以测量出其到力传感器的距离x，木板B下面用轻细绳挂住一小桶C。
(1)逐渐往小桶C内添加细沙，记录相应的力传感器的示数F和距离传感器的示数x，作出F-x图像如图乙所示。由图及相关信息可知，弹簧的劲度系数k＝______ N/m，弹簧原长L0＝________ cm。
(2)将该弹簧应用到电子秤上，如图丙所示(两根弹簧)。闭合开关S，称不同物体的质量时，滑片P上下滑动，通过电子显示器得到示数。弹簧处于自然伸长状态时，滑片P位于R的最上端，通过验证可知，电子显示器的示数I与物体质量m的关系为m＝ak－(a、b均为常数，k为轻弹簧的劲度系数)，则滑动变阻器R的长度L＝________，电源电动势E＝________(保护电阻和滑动变阻器最大阻值均为R0，电源内阻不计，已知当地重力加速度为g)。
100
4
ag
[解析]　(1)由弹簧的弹力与其形变量的关系可得F＝k(L－L0)
由表达式结合图像可知图像斜率表示弹簧的劲度系数，而横截距表示弹簧的原长，故弹簧的劲度系数
k＝＝ N/m＝100 N/m
弹簧原长L0＝4 cm。
(2)当所称的物体质量为零时，有ak＝
此时由电路结构可得E＝2IR0
联立解得电源电动势E＝
当所称的物体质量最大时，弹簧被压缩L，此时有
m＝ak－，I′＝，mg＝2kL
联立解得L＝ag。
创新点解读　本实验利用力传感器和距离传感器分别测量力和弹簧形变量，探究弹簧弹力与形变量的关系，改变了传统的弹簧测力计测力、刻度尺测长度的方法，减小了实验误差。
实验针对训练(十六)　利用传感器制作简单的自动控制装置
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________(选填“大”或“小”)。
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1所示)，则25 ℃的刻度应在20 ℃的刻度的________(选填“左”或“右”)侧。
右
(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，请用图2中的器材(可增加元器件)设计一个电路。
见解析图
[解析]　(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．电控调光玻璃能根据光照强度自动调节玻璃的透明度，将光敏电阻Rx和定值电阻R0接在9 V的电源上，光敏电阻阻值随光强变化关系如表所示：
光强E/cd 1 2 3 4 5
电阻值/Ω 18 9 6 3.6
[“光强”是表示光强弱程度的物理量，符号为E，单位坎德拉(cd)]
(1)当光照强度为4坎德拉(cd)时光敏电阻Rx的大小为________ Ω。
4.5
(2)其原理是光照增强，光敏电阻Rx阻值变小，施加于玻璃两端的电压降低，玻璃透明度下降，反之则玻璃透明度上升。若电源电压不变，R0是定值电阻，则下列电路图中符合要求的是________(填序号)。
A　　　　　　　　　　B
C　　　　　　　　　　D
C
[解析]　(1)由表格数据可知，光敏电阻Rx的阻值与光强E的乘积均为18 Ω·cd，则当E＝4 cd时，光敏电阻的阻值Rx＝＝4.5 Ω。
(2)由题意可知，光敏电阻Rx与定值电阻R0串联连接，光照增强时，光敏电阻Rx阻值减小，电路中的总电阻减小，由I＝可知，电路中的电流增大，由U′＝IR′可知，R0两端的电压增大，因串联电路中总电压等于各分电压之和，所以Rx两端的电压减小，反之，光照减弱时，光敏电阻Rx阻值增大，R0两端的电压减小，Rx两端的电压增大，则玻璃并联在R0两端时不符合题意，玻璃并联在Rx两端时符合题意，A项错误，C项正确；若玻璃与电源并联，光照变化时，玻璃两端的电压不变，B、D两项错误。
3．(2025·广东云浮质检)为了节能和环保，一些公共场所用光控开关控制照明系统，光控开关可用光敏电阻控制，如图甲所示是某光敏电阻阻值随光的照度变化曲线，照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为勒克斯(lx)。
(1)如图乙所示，电源电动势为3 V，内阻不计，当控制开关两端电压上升至2 V时控制开关自动启动照明系统。要求当天色渐暗照度降至1.0 lx时控制开关接通照明系统，则R1＝________ kΩ。
10
(2)某同学为了测量光敏电阻在不同照度下的阻值，设计了如图丙所示的电路进行测量，电源(E＝3 V，内阻未知)，电阻箱(0～99 999 Ω)。实验时将电阻箱阻值置于最大，闭合S1，将S2与1相连，减小电阻箱阻值，使灵敏电流计的示数为I，图丁为实验时电阻箱的阻值，其读数为________ kΩ；然后将S2与2相连，调节电阻箱的阻值如图戊所示，此时电流表的示数恰好为I，则光敏电阻的阻值为________ kΩ(结果保留3位有效数字)。
62.5
40.0
[解析]　(1)电阻R1和R0串联，有＝，U0＝2 V，U1＝U－U0＝1 V，当照度为1.0 lx时，电阻R0＝20 kΩ，则R1＝10 kΩ。
(2)题图丁的电阻为R2＝62.5 kΩ，题图戊的电阻R′2＝22.5 kΩ，本题采用等效法测电阻，前后两次电路中的电流相等，则电路中的电阻相等，则有R2＝R′0＋R′2，所以R′0＝40.0 kΩ。
4．磁敏电阻是一种对磁敏感、具有磁阻效应的电阻元件。物质在磁场中电阻发生变化的现象称为磁阻效应。某实验小组利用伏安法测量一磁敏电阻RM的阻值(约几千欧)随磁感应强度的变化关系。
所用器材：电源E(6 V)、滑动变阻器R(最大阻值为20 Ω)、电压表(量程为0～3 V，内阻为2 kΩ)、毫安表(量程为0～3 mA，内阻不计)、定值电阻R0＝1 kΩ、开关、导线若干
(1)为了使磁敏电阻两端电压调节范围尽可能大，实验小组设计了电路图甲，请用笔代替导线在乙图中将实物连线补充完整。
(2)某次测量时电压表的示数如图丙所示，电压表的读数为________ V，电流表的读数为0.5 mA，则此时磁敏电阻的阻值为________。
(3)实验中得到该磁敏电阻阻值R随磁感应强度B变化的曲线如图丁所示，某同学利用该磁敏电阻制作了一种报警器，其电路的一部分如图戊所示。图中E为直流电源(电动势为6.0 V，内阻可忽略)，当图中的输出电压达到或超过2.0 V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0.2 T，则图中________(选填“R1”或“R2”)应使用磁敏电阻，另一固定电阻的阻值应为______ kΩ(保留2位有效数字)。
1.30
3 900 Ω
R2
2.8
[解析]　(1)根据题图甲，在题图乙中补充实物连线，如图所示。
(2)电压表的最小刻度值为0.1 V，如题图丙所示，电压表的读数为1.30 V。
根据串联电路电压与电阻成正比的关系，磁敏电阻两端的电压为
×(2 kΩ＋1 kΩ)＝1.95 V
电流表读数为0.5 mA，故此时磁敏电阻R＝ Ω＝3 900 Ω。
(3)根据闭合电路欧姆定律可得输出电压为
U＝
要求输出电压达到或超过2.0 V时报警，即要求磁感应强度增大时，电阻的阻值增大，从而需要输出电压增大，故需要R2的阻值增大才能实现此功能，故R2为磁敏电阻。
开始报警时磁感应强度为0.2 T，此时R2＝1.4 kΩ，
电压U＝2.0 V
根据电路关系
＝
解得另一固定电阻R1＝2.8 kΩ。
谢 谢 ！