第13章　交变电流　传感器 第3讲　实验16：利用传感器制作简单的自动控制装置--2027全国版高考物理第一轮(含答案)

2027全国版高考物理第一轮
第3讲　实验16:利用传感器制作简单的自动控制装置
1.(6分)(2025北京海淀期末)光敏电阻的阻值随光照强弱的变化而变化。光控路灯可以根据光照强度的变化自动开启或关闭。如图甲所示是一种光控开关电路。图中用发光二极管LED模拟“路灯”,RG为光敏电阻、R2为发光二极管的限流电阻、VT为三极管。可调电阻R1与光敏电阻RG组成串联分压电路。当三极管VT的b、e间电压达到一定临界值后,使得由电源正极经电阻R2、发光二极管、三极管VT到达电源负极的回路被导通,二极管发光。改变可变电阻R1,可控制电路根据环境的光照强弱点亮“路灯”。
甲
乙
(1)图乙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分别对应光敏电阻受到的光照强度由弱到强。由图像可知,光敏电阻接入电路中的阻值随其表面受到的光照强度的增强而　　　　(选填“增大”或“减小”)。
(2)在图甲所示的电路中,若要在天更暗时才点亮“路灯”,可将可调电阻R1的阻值调得更　　(选填“大”或“小”)些。
2.(12分)(2025山东潍坊二模)热敏电阻常用于温度控制或过热保护装置中。某学习小组利用热敏电阻,设计制作自动报警装置,方案如下:
(1)使用多用电表研究热敏电阻Rt的阻值随温度变化的规律。
①用多用电表测Rt的阻值,选择开关应置于　　　　(选填“A”“B”“C”或“D”)区。
甲
乙
②不同温度下选择合适的挡位,读出热敏电阻Rt的阻值。某次读数时,发现多用电表的指针偏转角度较大,为了较准确地读出此温度下热敏电阻的阻值,需要将选择开关换到　　　(选填“更高”或“更低”)挡。
③描绘出热敏电阻Rt的阻值随温度变化的规律如图乙所示。
(2)使用上述热敏电阻Rt作为传感器制作的自动报警装置线路图如图丙所示。
丙
①为了降低装置的报警温度,应将滑动变阻器滑片向　　　　(选填“左”或“右”)移动;
②设定装置的报警温度为100 ℃,报警时流过热敏电阻Rt的电流为10 mA,已知直流电源电动势E=15 V(内阻不计),忽略电磁铁线圈电阻,则滑动变阻器应接入电路的阻值为　　　　 Ω。
3.(16分)(2025河北邯郸模拟预测)某物理兴趣小组同学欲应用实验室现有的元件:电源、光敏电阻、干簧管、蜂鸣器等制作一报警装置。
(1)实验组同学现应用多用电表测量在不同光照强度下光敏电阻的阻值。
甲
A同学正确操作多用电表测量某一光照强度下光敏电阻的阻值时,选择开关位置如图甲所示,指针偏转情况如图乙中的Ⅰ所示,为使测量更为准确,他将选择开关调整到　　　　(选填“×1”“×10”或“×1k”)挡,随后A同学将红、黑表笔分别与光敏电阻两端接触,进行阻值测量。B同学认为A同学的操作过程存在不当之处,应　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(写出正确的操作过程)。经过规范的操作后,电阻表指针偏转情况如图乙中的Ⅱ所示,此次测量的读数为　　　　(结果保留两位有效数字) Ω。之后,改变光照强度,测出光敏电阻在不同光照强度下的电阻值,绘制出如图丙所示图线。
乙
丙
丁
(2)干簧管是一种能够感知磁场的传感器,如图丁所示为干簧管的结构图,玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片,当干簧管周围磁感应强度足够大时,两个簧片被磁化从而接通。
戊
实验组设计的报警装置在光照强度不够或无光照时不报警,在光照强度达到一定亮度时报警装置发声,其电路图连接如图戊所示,该报警装置应用了　　　　(选填“静电感应”“电磁感应”或“电流的磁效应”)。
4.(16分)(2025河南郑州模拟)半导体薄膜压力传感器是一种常用的传感器,其阻值会随压力变化而变化。某实验小组设计了如图甲所示的电路,用于测量某一半导体薄膜压力传感器在不同压力下的阻值RN。
甲
乙
丙
(1)某次实验时电压表和电流表读数分别为U1和I1,已知电压表内阻为RV,则压力传感器的阻值RN=　　　　(用U1、I1、RV表示)。
(2)通过多次实验绘制压力传感器的阻值RN随压力F变化的关系如图乙所示。该传感器通常用于测量小于2 N的压力,主要原因是在该区间内,阻值RN　　　　　(选填“大”或“变化快”),传感器灵敏度高。
(3)该小组利用此压力传感器设计了如图丙所示的自动装置分拣苹果。将压力传感器RN与可调电阻R0串联接入电路中,托盘秤(重力不计)置于RN上。分拣开关在弹簧向上的压力作用下处于水平状态。当分拣标准为0.15 kg时,调节R0,使0.15 kg的苹果在托盘秤上时,R0两端的电压为3 V。此时,放大电路中的电磁铁恰好吸住分拣开关的衔铁。放大电路能够确保苹果在通过分拣开关时电磁铁始终保持吸住状态。已知电源电动势为9 V,内阻不计,重力加速度g取10 m/s2。
①为使该装置达到上述分拣目的,R0的阻值应调为　　　　 kΩ。
②为了增大苹果的分拣标准,应将可调电阻R0　　　　(选填“调大”或“调小”)。
答案：
1.答案 (1)减小　(2)大
解析 (1)I-U图像的斜率表示电阻的倒数,由图乙可知图中曲线Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的斜率逐渐变大,所以光敏电阻接入电路中的阻值随其表面受到的光照强度的增强而减小。
(2)光敏电阻接入电路中的阻值随其表面受到的光照强度的增强而减小,在天更暗时光敏电阻的阻值较大,由于三极管VT的b、e间电压即为光敏电阻两端的电压,光敏电阻的电阻增大到一定程度时三极管才导通,二极管发光,则若在天更暗时才点亮“路灯”,需要将可调电阻R1的阻值调得更大些。
2.答案 (1)①B　②更低　(2)①右　②1 350
解析 (1)①用多用电表测Rt的阻值,选择开关应置于B区;②多用电表的指针偏转角度较大,为了较准确地读出此温度下热敏电阻的阻值,需要将选择开关换到更低挡。
(2)①若要降低装置的报警温度,则应让报警时热敏电阻的阻值比原来大,故为了使电流达到电磁继电器正常吸合时的电流,需要减小滑动变阻器的阻值,即应将滑动变阻器滑片向右移;②如果设置报警温度为100 ℃,由图像可知该温度对应的热敏电阻阻值为Rt=150 Ω,根据闭合电路欧姆定律可得I=,则滑动变阻器应接入电路的阻值为R=1 350 Ω。
3.答案 (1)×1k　进行欧姆调零后再将红、黑表笔分别与电阻两端接触进行电阻测量　1.9×104　(2)电流的磁效应
解析 (1)“×100”挡时指针偏转角度较小,表盘示数较大表示电阻阻值太大,需要增大倍率,故应选择“×1k”挡;电阻表的读数为刻度×倍率,读数为19.0,倍率为“×1k”,故读数为1.9×104 Ω;换倍率之后应先进行欧姆调零,之后再进行电阻的测量,故正确操作为:进行欧姆调零(红、黑表笔短接,调节欧姆调零旋钮使表的指针指向欧姆零处)后再将红、黑表笔分别与电阻两端接触进行电阻测量。
(2)光敏电阻与干簧管外线圈串联,当报警器有光照射时,光敏电阻阻值减小,根据闭合电路欧姆定律可知,电路中电流增大,线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化,两个簧片由原来的分离状态变成闭合状态,蜂鸣器所在电路接通,蜂鸣器发声。反之,当没有光照射或光很微弱时,光敏电阻阻值很大,根据闭合电路欧姆定律可知,电路中电流很小,干簧管内的两个铁质簧片处于分离状态,连接蜂鸣器的电路断开,蜂鸣器不发声。由上述原理分析可知,实验应用了电流的磁效应。
4.答案 (1)　(2)变化快　(3)15　调小
解析 (1)根据闭合电路欧姆定律,通过RN的电流为IN=I1-,解得压力传感器的阻值为RN=。
(2)由图乙可以看出,在小于2 N的压力区间内,随着压力的变化,阻值RN的变化量较大,即阻值RN变化快,所以传感器灵敏度高。
(3)①已知苹果质量为m=0.15 kg,重加加速度g取10 m/s2,则苹果对压力传感器的压力为F=mg=1.5 N,由图乙可知,当F=1.5 N时,有RN=30 kΩ,电源电动势E=9 V,R0两端电压U0=3 V,由UN=E-U0,则RN与R0串联,根据串联电路电流相等,由解得R0=15 kΩ;②为了增大苹果的分拣标准,即增大苹果对压力传感器的压力,从图乙可知压力增大时RN减小。电源电动势E不变,要使电磁铁仍能吸住分拣开关的衔铁,即R0两端电压仍需达到使电磁铁工作的电压值。根据串联电路分压原理,RN减小,要保持U0不变,则应将可调电阻R0调小。
6