教科版高中物理选择性必修第二册第五章传感器第3节传感器的应用举例第4节自制简单的控制电路课件(61页PPT)

(共61张PPT)
[学习目标]
1.了解几种常见传感器的特性及其在生产生活中的应用。
2.学会利用传感器制作简单的自动控制电路。
1.电熨斗依靠______________传感器进行设定和控制温度。
2.电饭锅依靠____传感器(感温铁氧体)对烹煮过程进行控制。
3.火灾报警器是__传感器的应用，光电式烟雾报警器是最为常见的一种火灾报警器。它是利用光____的原理探测火灾初期产生的烟雾浓度，从而发出报警信号的。烟雾报警器带孔的罩子内装有_________和_________，根据其结构特点一般可分为______和_______两种。
热双金属片温度
温度
光
散射
发光元件
受光元件
遮光型
散射型
4.一辆普通轿车上安装几十到近百个传感器。
控制系统 子控制系统 所用的主要传感器
发动机 电子燃油喷射系统 温度、压力、位置、转速、流量、爆震、车速、旋转位移、液位、力矩、氧传感器等
底盘 电子自动变速控制系统 车速、位移、油温、节流阀传感器等
电子控制悬架系统 车高、车速、航角、方位、加速度、转向盘转角传感器等
电子控制动力转向系统 车速、转向、转速、油压、扭矩传感器等
防抱死制动系统 轮速、压力、加速度、振动传感器等
控制系统 子控制系统 所用的主要传感器
车身 安全气囊系统 加速度、碰撞(前后和侧向)传感器等
防撞警告系统 接近、红外热成像、超声阵列、距离传感器等
自动空调系统 低压开关、温度开关、压力、湿度传感器等
[例1]　如图所示，电吉他的弦是磁性物质。当弦振动时，线圈中产生感应电流，感应电流输送到放大器、喇叭，然后把声音播放出来。下列说法正确的是(　　)
A.电吉他是光电传感器
B.电吉他是温度传感器
C.电吉他是声音传感器
D.弦改用尼龙材料原理不变
C
解析　当弦振动时，线圈中产生感应电流，把声音这种非电学量转换为电流这种电学量，属于声音传感器，尼龙材料不能被磁化，将弦换成该材料则无法正常工作，故C正确，A、B、D错误。
[例2]　(多选)如图是电饭锅的结构图，如果感温铁氧体的“居里温度”为103 ℃，下列说法正确的是(　　)
A.常温下感温铁氧体具有较强的磁性，能自动吸起永磁铁，通电加热
B.当温度超过103 ℃时，感温铁氧体的磁性消失，弹簧推动杠杆断开触点
C.饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会超过103 ℃，这时开关按钮不会跳起
D.常压下只要锅内有水，锅内的温度不可能达到103 ℃，开关按钮就不会自动跳起
BD
解析　开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁铁与感温铁氧体相吸，手松开后，按钮不再恢复到题图所示状态，电路接通，电饭锅加热，因此感温铁氧体不会自动吸起永磁铁，故A错误；如果在标准大气压下用电饭锅烧水，水沸腾后温度为100 ℃，不会自动断电，只有当水烧干后，温度升高达到103 ℃时，感温铁氧体失去了磁性，会自动断电，故B、D正确；饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，当温度升至103 ℃时，感温铁氧体失去磁性，在弹簧作用下，开关按钮会自动跳起，从而切断电源，故C错误。
1.实验器材和装置
(1)晶体三极管
三个电极：①发射极e；②基极b；③集电极c。
图甲中三极管起到开关和放大作用。
图乙中三极管起到二级放大驱动发光二极管发光的作用。
(2)实验器材：发光二极管(LED)，NPN型三极管Q1，PNP型三极管Q2，光敏电阻RL，可调电阻R1，限流、保护电阻R2、R3。
(3)实验电路图
2.电路工作原理
有光照的情况下，光敏电阻的阻值只有几欧到几十欧，Q1的基极与发射极间电压小，不能导通；Q2的发射极与基极间电压也较小，也不能导通，所以LED不会发光。无光照时，光敏电阻的阻值会达到MΩ量级。Q1的基极与发射极间电压大，导通，Q2的发射极与基极间电压较大，导通，于是LED发光。
3.实验操作
(1)连接电路，检查无误后，接通电源。
(2)用白光照射光敏电阻，调节R1，使发光二极管LED刚好不发光。
(3)减弱光敏电阻的光照强度，当光减弱到某种程度时，发光二极管LED发光。
(4)让光照加强，当光照强到某种程度时，发光二极管LED熄灭。
[例3]　图甲为电磁继电器自动双向开关，当D、E中通过的电流较小时，电磁铁磁性弱，A与B接线柱接通；当D、E中通过的电流增大到一定数值时，C与B接线柱接通。图乙为应用电磁继电器和光敏电阻实现路灯自动开、关的电路图，虚线框内为电磁继电器接入电路时的符号(M、N两接线柱分别与电磁继电器中接线柱A或C连接)。R为光敏电阻，R1为可调电阻，R0为保护电阻。开关S闭合，在光线暗时对路灯L供电，光线亮时对路灯L断电并同时接通LED。下列说法正确的是(　　)
C
A.光敏电阻阻值随光照强度增大而增大
B.为使电路正常工作，图甲中电磁继电器的A接线柱应与图乙中N接线柱连接
C.为更好地节能环保，光线更暗时对路灯自动供电，可将R1的阻值调小
D.当LED出现断路故障时，电磁继电器将不能正常工作
[例4]　(2025·潍坊市高二期中)公共场所的照明系统普遍使用声、光控开关，其示意图如图甲所示，该系统在光线较暗且有活动声音时启动照明。
(1)声控开关和光控开关的连接方式为________(选填“串联”或“并联”)。
(2)其中光控开关的控制电路如图乙所示，电源电动势为3.0 V，电磁继电器控制光控开关接通或断开，流过继电器的电流为0.05 A 时光控开关闭合，光敏电阻的阻值随照度(照度可以反映光的强弱，光越强，照度越大，单位为lx)的变化关系如图丙所示，已知继电器线圈电阻为10 Ω，电源内阻不计。
①若要求照度为0.6 lx时光控开关闭合，则电阻箱的阻值应调为________ Ω；
②为了节约用电，在更低光照度值时光控开关闭合，应该把电阻箱的阻值调________(选填“大”或“小”)。
答案　(1)串联　(2)①20　②小
1.实验电路图
如图乙所示，RT为热敏电阻，常温下阻值约为2 kΩ，温度升高时阻值减小。R1为可调电阻，最大阻值10 kΩ。Q1为NPN型三极管，起到开关和放大的作用。R2为定值电阻，通过其分压控制Q1通断。LS为有源蜂鸣器，有直流通过即可发出鸣叫声。
2.工作原理
接通电源后，先调节R1使蜂鸣器在常温下不发声。再用热水使热敏电阻的温度升高，到达某一温度时蜂鸣器就会发出报警声。
3.实验步骤
(1)先检测蜂鸣器的工作情况，有无损坏。
(2)按照电路图连接电路，把热敏电阻放置到温控箱里。
(3)把电阻箱调到预设好的电阻，然后闭合开关。
(4)不断调节温控箱中的温度。当蜂鸣器开始报警时，停止加热，记录下温度计的示数。
(5)改变电阻箱的电阻，重复上述步骤。
[例5]　用某热敏电阻RT作为传感器制作的自动报警器原理如图所示，其中左侧为控制电路，右侧为工作电路，热敏电阻RT的阻值随温度升高而减小。在某次调试时，报警器达到报警温度后，无论如何调节滑动变阻器的滑片P都不能使小灯泡发光。排除了其他因素后，造成这一现象的原因可能是下列选项中的(　　)
A.控制电路中电源E1的内阻太小
B.工作电路中电源E2的内阻太小
C.继电器中的线圈匝数太少
D.继电器中弹簧劲度系数太小
C
解析　小灯泡发光的条件是控制电路中的电流大于等于临界值，若控制电路中电源E1的内阻过小，则电路中的电流更大，更容易升高到临界值，故A错误；工作电路中的电源不影响控制电路的电流，即与工作电路无关，故B错误；继电器中线圈匝数过少，电磁铁磁性较弱，电磁铁在到达临界条件的电流时，引力无法将衔铁吸引下来，故C正确；继电器中弹簧劲度系数太小时，电磁铁更容易将衔铁吸引下来，更容易使小灯泡发光，故D错误。
[例6]　某兴趣小组研究热敏电阻在通以恒定电流时，其阻值随温度
的变化关系。实验电路如图所示，实验设定恒定电流为50.0 μA，主
要实验器材有：恒压直流电源E、加热器、测温仪、热敏电阻RT、可
变电阻R1、电流表A、电压表V。
(1)用加热器调节RT的温度后，为使电流表的示数仍为50.0 μA，应调节__________(选填一种给定的实验器材)。当RT两端未连接电压
表时，电流表示数为50.0 μA；连接电压表后，电流表示数显著增大，应将原电压表更换为内阻____________(选填“远大于”“接近”或“远小于”)RT阻值的电压表。
(2)测得RT两端的电压随温度的变化如图所示，由图可得温度从
35.0 ℃变化到40.0 ℃的过程中，RT的阻值随温度的平均变化率是___
___ kΩ·℃-1(保留两位有效数字)。
答案　(1)可变电阻R1　远大于　(2)－1.2
1.(传感器的应用)(多选)某一电熨斗的温控电路原理如图所示。1是温控螺丝、2是有弹性的金属片、4是绝缘块、5是加热电阻、6是电熨斗底板。图中3是一种传感器，当温度升高到某一数值时，温控螺丝1与金属片2断开，不再接触，从而切断电源。则下列说法正确的是(　　)
A.3可能是光敏电阻
B.3可能是双金属片
C.将1向下调，可提高熨斗的最高温度
D.将1向下调，可降低熨斗的最高温度
BC
解析　电熨斗的温控是通过金属受热弯曲的原理来控制，双金属片由长和宽相同的铜片和铁片组成，受热时铜片膨胀比铁片大，双金属片向铁片一侧弯曲，温度越高，弯曲越明显，A错误，B正确；将1向下调，则熨斗温度需更高才能使温控螺丝1与金属片2断开，C正确，D错误。
2.(电饭煲的工作原理)电饭煲的工作原理如图所示，可分为两部分，
即控制部分：由S1、S2、定值电阻R1和黄灯组成；工作(加热)部分：
由发热电阻R3、定值电阻R2和红灯组成。S1是一个磁钢限温开关，
手动闭合，当此开关的温度达到居里点(103 ℃)时，自动断开，
且不能自动复位，S2是一个金属片自动开关，当温度达到70～80 ℃时，自动断开，低于70 ℃时，自动闭合，红灯、黄灯是指示灯，通过其电流必须较小，所以R1、R2起____________作用。R3是发热电阻，接通电源并闭合S1后，黄灯熄而红灯亮，R3发热，当温度达到70～80 ℃时，S2断开，当温度达到103 ℃时饭熟，S1断开，当温度降到70 ℃以下时，S2闭合，电饭煲处于保温状态，由以上描述可知R2________(选填“<”“＝”或“>”)R3，当用电饭煲烧水时，S1________(选填“会”或“不会”)自动断开。
答案　限流　>　不会
解析　通过红灯、黄灯的电流必须较小，可知R1、R2起限流作用；R3是发热电阻，要产生很大的热量，所以电流要大一点，而通过R2的电流要小一点，且并联电路电压相等，根据欧姆定律可知R2>R3；当用电饭煲烧水时，温度达不到居里点(103 ℃)，S1不会自动断开。
3.(光控电路)许多会议室的天花板上都装有火灾报警器，如图甲是利用烟雾对光的散射来工作的火灾报警器，正常光线无法照射到报警器罩内，当烟雾进入罩内后对光有散射作用，光线即可进入报警器罩内。
答案　(1)bc　(2)30　适当提高电源电动势E或增大电阻箱R的阻值
4.(温控电路)某同学在做“利用传感器制作简单的自动控制装
置”的实验中，所用热敏电阻RT的阻值随温度升高而减小，
由该热敏电阻RT作为传感器制作的自动报警器原理图如图所
示，其中左侧为控制电路，右侧为工作电路。
(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“上”或“下”)移动。
(3)(多选)如果报警器达到报警温度时，无论如何调节滑动变阻器的滑片P都不能使报警器响铃，检查后发现电路连接完好，各电路元件完好，则造成电路不能正常工作的原因可能是________。
A.控制电路中电源E1的电动势过小
B.继电器中线圈匝数过多
C.继电器中弹簧劲度系数过大
答案　(1)b　(2)上　(3)AC
解析　(1)温度升高时热敏电阻阻值减小，控制电路中的电流增大，则电磁铁的磁性增强，将衔铁吸引下来与下方b处接通，故c应接在b处。
(2)若要使启动报警的温度降低些，相当于增大临界状态的热敏电阻阻值，为了仍等于电磁铁将衔铁吸引下来的电流临界值，则需要减小滑动变阻器的阻值，即滑片P向上移动。
(3)报警器响铃的条件是控制电路中的电流大于等于临界值，控制电路中电源E1的电动势过小，即使无论如何调节滑动变阻器的滑片P都无法使电路中的电流升高到临界值，故A正确；继电器中线圈匝数过多，使电磁铁磁性更强，更容易使报警器报警，故B错误；继电器中弹簧劲度系数过大时，电磁铁在到达临界条件的电流时，引力无法将衔铁吸引下来，故C正确。
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[基础巩固练]
1.许多楼道灯具有这样的功能，天黑时，出现声音就开启，而在白天时，即使有声音它也没有什么反应。它的控制电路中接入的两个传感器是(　　)
A.温度传感器和声传感器
B.温度传感器和力传感器
C.光传感器和力传感器
D.光传感器和声传感器
D
解析　楼道照明灯天黑时，出现声音它就开启，而在白天，即使有声音它也没有反应，原因是电路中光传感器安装在声音传感器之前，天黑没有光，则声音传感器起作用，而在白天声音传感器不起作用。故选D。
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2.(多选)小型电磁继电器的构造示意图如图所示，其中L为含铁芯的线圈，P为可绕O点转动的铁片，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线柱。继电器与传感器配合，可完成自动控制的要求，其工作方式是(　　)
A.A、B间接控制电路，C.D间接被控电路
B.A、B间接被控电路，C.D间接控制电路
C.流过L的电流减小时，C、D间电路断开
D.流过L的电流增大时，C、D间电路断开
AC
解析　当A、B间导通时，通电螺线管吸引铁片P，此时C、D间电路接通，所以A、B间接控制电路，C、D间接被控电路，A正确，B错误；流过L的电流减小时，通电螺线管磁性减弱，弹簧把铁片P拉开，C、D间电路断开，C正确，D错误。
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3.图中光敏电阻RG没有受到光照射(或光较暗)时，阻值较大；有光照射(或光较强)时，阻值较小。如图所示，现利用该光敏电阻、低压直流电源和电磁继电器设计了自动控制电路，用于公路照明。下列说法正确的是(　　)
A.白天光照越强，电磁铁的磁性越强
B.白天流过R2的电流大于晚上流过R2的电流
C.该电路能实现灯泡白天亮、晚上不亮的功能
D.低压直流电源的总功率晚上比白天的大
B
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解析　光照增强，则光敏电阻阻值减小，总阻值减小，回路中总电流增大，由U＝E－I(r＋R1)知，电磁铁和R3两端电压减小，电流减小，磁性减弱，故A错误；光照增强，总电流增大，流过R3的电流减小，因此流过R2的电流增大，故白天流过R2的电流大于晚上流过R2的电流，故B正确；光照增强，磁性减弱，因此灯泡所在的电路断开，白天不亮，故C错误；光照增强，回路中总电流增大，根据P＝EI可知功率增大，因此白天总功率较大，故D错误。
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4.温度自动报警器的工作原理图如图所示，图中1是电磁铁、2是衔铁、3是触点、4是水银温度计(水银导电)。则下列说法正确的是(　　)
A.温度高于警戒温度时，电铃不报警、指示灯亮
B.温度低于警戒温度时，电铃报警、指示灯熄灭
C.温度高于警戒温度时，指示灯亮、电铃报警
D.温度低于警戒温度时，指示灯亮、电铃不报警
D
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解析　温度低于警戒温度时，水银柱下降，控制电路处于断路状态，电磁铁中没有电流通过，电磁铁没有磁性，此时指示灯通过常闭触点与工作电路接通，指示灯亮，电铃不报警，故B错误，D正确；温度高于警戒温度时，水银柱上升，控制电路处于接通状态，电磁铁中有电流通过，电磁铁有磁性，此时电铃通过常开触点与工作电路接通，电铃报警，此时指示灯所在的电路中没有电流，指示灯不亮，故A、C错误。
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5.某实验小组为研究保温式自动电饭锅中用于监测温度的热敏电阻RT的特性，设计了以下实验：
(1)首先利用多用电表粗略测量与电饭锅中型号相同的热敏电阻常温状态下的阻值，多用电表的旋钮置于电阻“×100”的挡位时示数如图甲所示，则该热敏电阻的阻值为________ Ω。
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(2)该实验小组为了进一步探究热敏电阻的特性，设计了图乙所示的电路，电路中的电表均为理想电表，定值电阻R0＝2 kΩ。
①开关闭合前，滑动变阻器的滑片应置于最____(选填“左”或“右”)端。
②某次实验，电压表V1、V2的示数分别为3.0 V、4.5 V，则热敏电阻的阻值为________ kΩ。
(3)通过多次实验，作出热敏电阻的阻值随温度变化的图像如图丙所示，当RT＝2 kΩ时，热敏电阻所处环境的温度约为________ ℃。
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(4)该自动电饭锅采用感温磁控元件(图中虚线框内)控制加热电路通或断，当磁控元件输入端a、b间的电压大于某一值时开关S闭合，加热电路接通。若设定锅内温度低于60 ℃时，加热电路接通，则下列电路符合要求的是________(选填“A”或“B”)。
答案　(1)3 200　(2)①左　②3　(3)38 (4)B
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6.纯电动汽车的蓄电池的安全性，主要体现在对其温度的控制上，当电池温度过高时，必须立即启动制冷系统进行降温。图甲是小明设计的模拟控温装置示意图，电磁继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器RP串联接在电动势为5 V(内阻不计)的电源两端。当电磁铁线圈(电阻不计)中的电流I大于或等于20 mA时，衔铁被吸合，热敏电阻置于温度监测区域，其阻值Rt与温度t的关系如图乙所示，滑动变阻器的最大阻值为200 Ω。则：
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(1)图甲中应将b端与________(选填“a”或“c”)端相连。
(2)若设置电池温度为50 ℃时启动制冷系统，则滑动变阻器阻值应为________ Ω。
(3)该电路可设置启动制冷系统的最高温度是________ ℃。
答案　(1)c　(2)150　(3)74
解析　(1)由题意可知，当控制电路电流达到20 mA时衔铁被吸合，制冷系统工作，所以题图甲中，应将b端与c端相连。
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[能力提升练]
7.如图甲为某小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，R1为光敏电阻(该电阻特性是光照强，导电性好)、R2为定值电阻，A、B接监控装置。如图乙为一温度自动报警器的原理图，在水银温度计的顶端封入一段金属丝。下列说法正确的是(　　)
A.图甲中，当有人通过而遮住光线时，A、B之间电压减小
B.图甲中，仅减小R2的阻值时，可增大A、B之间的电压
C.图乙中，温度升高至74 ℃时，灯L2亮报警
D.图乙中，温度升高至78 ℃时，灯L1亮报警
A
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解析　图甲中，当有人通过而遮住光线时，光照变弱，R1阻值变大，根据“串反并同”，A、B之间电压减小，A正确；图甲中，仅减小R2的阻值时，回路电流增大，根据UAB＝E－I(R1＋r)，A、B之间的电压减小，B错误；图乙中，温度升高至78 ℃时，回路导通，灯L2亮报警，灯L1熄灭，C、D错误。
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8.如图甲为一利用光敏电阻测量储液罐中液面高度装置的
原理示意图。当罐中装满液体时，液面与出液口高度差为
h，罐外有一竖直放置的管，管内一侧有沿竖直线排列的
多个光敏电阻，另一侧有一列光强稳定的光源。液面上一
浮块与一块遮光板通过定滑轮相连，遮光板可随浮块的升
降在管内上下运动，光敏电阻排列的总长度和遮光板的总长度都为h。当储液罐内装满液体时，遮光板的上沿与最下面的光敏电阻的下边缘等高，管内的光均匀地照射在光敏电阻上，光敏电阻和仪表相连。现要求设计一电路以利用上述装置测量液面的高度。
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为将问题简化，假设管内只有3个光敏电阻R1、R2、R3，分别位于管的上端、下端和中央；它们的暗电阻均为R＝10 kΩ，被管内光源照亮时电阻均为R′＝1.0 kΩ。给定的仪器还有：直流电源E(电动势为9 V，电阻不计)，3个定值电阻，阻值分别为R4＝2.5 kΩ，R5＝1.8 kΩ，R6＝1.5 kΩ；电压表V(量程为0～3 V，内阻可视为无穷大)，开关一个，导线若干。
要求：当罐内装满液体时，电压表恰好为满量程。
(1)如图乙为某次电压表的示数为______ V。
(2)选择合适的定值电阻，在如图丙所示虚线框内画出电路图，并用题中给定的符号标明图中各元件。

丙
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(3)液面与出液口等高时电压表的示数为____V(结果保留两位有效数字)。
(4)若管内的光照变弱，使得光敏电阻被照亮时的阻值变为1.2 kΩ，则定值电阻的阻值应变为________ kΩ，便可达到题目要求(结果保留两位有效数字)。
答案　(1)1.40　(2)见解析图　(3)0.43　(4)1.8
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[拓展培优练]
9.(2025·成都市高二月考)某物理兴趣小组制作了一个简易电子体温计，其结构如图1所示。
(1)兴趣小组测出某种热敏电阻的I－U图像如图2所示，那么他们选用的应该是图3中__________(选填“甲”或“乙”)电路，由图可知，热敏电阻的阻值随温度的升高而____________(选填“增大”或“减小”)。
(2)按图4所示的电路测量热敏电阻t ℃时的电阻Rt。小明将单刀双掷开关分别打到a处和b处，通过观察分析，发现电压表示数变化更明显，由此判断开关打到__________(选填“a”或“b”)处时进行实验系统误差较小。
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(4)热敏电阻的阻值随温度的变化如图8所示，在设计的电路中(如图7所示)，已知电源电动势为5.0 V(内阻不计)，电路中二极管为红色发光二极管，红色发光二极管的启动(导通)电压为3.0 V，即发光二极管两端电压U≥3.0 V时点亮，同时电铃发声。实验要求当热敏电阻的温度高于38 ℃时红灯亮且铃响发出警报，其中电阻__________(选填“R1”或“R2”)为定值电阻，其阻值应调为______ Ω(结果保留两位有效数字)。
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解析　(1)由题图2可知，电压、电流均从0开始变化，则电路采用分压式，即图乙。由题图2可知，电压与电流的比值越来越小，即热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。
(2)将单刀双掷开关分别打到a处和b处，通过观察分析，发现电压表示数变化更明显，说明电压表分流影响小，电流表应该采用外接法，即开关打到a。
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