2025高考物理总复习传感器利用传感器制作简单的自动控制装置

第十三章交变电流电磁波传感器第4课时传感器实验十六：利用传感器制作简单的自动控制装置目标要求1.掌握制作传感器常用元件：光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、电阻应变片、霍尔元件的基本特性及工作原理。2.探究传感器的工作原理及传感器应用的一般模式。3.能利用传感器制作简单的自动控制装置。内容索引考点一

常见的传感器考点二

实验：利用传感器制作简单的自动控制装置考点三

含传感器的电学实验课时精练><考点一常见的传感器一、传感器及其工作原理1.传感器的工作原理：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。通常转换成的可用信号是电压、电流等

量，或转换为电路的_____。把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、

、处理和

。电学通断传输控制传感器应用的一般模式如图所示：2.传感器的核心元件(1)敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。(2)转换元件：能将敏感元件输出的信号直接转换成

的部分。(3)信号调整与转换电路：能把输出的微弱的电信号放大的部分。电信号3.传感器的分类

工作原理举例物理传感器利用物质的物理特性或物理效应感知并检测出待测对象信息力传感器、磁传感器、声传感器等化学传感器利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度转换为电信号离子传感器、气体传感器等生物传感器利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等二、常见敏感元件1.光敏电阻(1)特点：一般情况下，光照越强，电阻越小。(2)原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能

；随着光照的

，载流子增多，导电性

。(3)作用：把

这个光学量转换为

这个电学量。差增强变好光照强弱电阻2.热敏电阻和金属热电阻(1)热敏电阻热敏电阻一般由半导体材料制成，其电阻随温度的变化明显，温度升高电阻

，如图甲所示为某一热敏电阻的阻值随温度变化的特性曲线。(2)金属热电阻有些金属的电阻率随温度的升高而

，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。减小增大(3)作用：热敏电阻和金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。注意：在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器。3.电阻应变片(1)电阻应变片的作用：电阻应变片能够把物体

这个力学量转换为_____这个电学量。(2)电子秤的组成及敏感元件：由

和电阻

组成，敏感元件是

。形变电阻金属梁应变片应变片(3)电子秤的工作原理金属梁自由端受力F⇒金属梁发生弯曲⇒应变片的电阻变化⇒两应变片上电压的差值变化4.霍尔元件的应用霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的一种磁敏元件。一般用于电机中测定转子的转速，如录像机的磁鼓、电脑中的散热风扇等。(1)霍尔元件的工作原理：E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M、N间出现电压(如图所示)。(2)霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受静电力和洛伦兹力二力平衡。(3)霍尔电压：UH＝

(d为薄片的厚度，k为霍尔系数)。其中UH与B成正比，所以霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。1.传感器是把非电学量转换为电学量的元件。(

)2.传感器只能感受温度和光两个物理量。(

)3.随着光照的增强，光敏电阻的电阻值一定逐渐增大。(

)4.电子秤所使用的测力装置是力传感器，它是把力信号转换为电压信号。(

)√××√例1

(2023·浙江1月选考·14改编)下列说法不正确的是A.利用电容传感器可制成麦克风B.物体受合外力越大，则动量变化越快C.利用红外传感器可制成商场的自动门D.牛顿运动定律不适用，则动量守恒定律也不适用√声音使振动膜片振动，改变两极板间距离，使声音信号转换成电信号，则利用电容传感器可制成麦克风，故A正确；由动量定理有F合t＝Δp，可得

＝F合，可知物体受合外力越大，则动量变化越快，故B正确；人体可以向外界释放红外线，感应装置接收到红外线后，可以开门，则利用红外传感器可制成商场的自动门，故C正确；牛顿运动定律只适用于宏观低速问题，不适用于微观高速问题，而动量守恒定律既适用于低速宏观问题，也适用于高速微观问题，故D错误。例2

(2023·江苏省扬州中学阶段练习)其兴趣小组利用压敏电阻制作了一台电子秤，其内部电路如图所示，R1是保护电阻，R2是调零电阻，压敏电阻值R随压力F变化规律为R＝kF＋C(k、C为常量，k>0)。现对电流表的刻度盘进行改装，使得电流表满偏时对应的物体质量为零，则A.刻度盘标注的质量刻度均匀B.若使用前质量示数大于零，应将R2的滑片向右滑动C.电子秤的示数越大，电源的总功率越大D.若电池的内阻增大，但仍能调零，则称量值仍准确√由闭合电路欧姆定律电路中的电流与压力F不是线性关系，刻度盘标注的质量刻度不均匀，故A错误；若使用前质量示数大于零，电流偏小，应减小电阻，将R2的滑片向左滑动，故B错误；电子秤的示数越大，电路中电流越小，电源的总功率P＝EI越小，故C错误；电池的内阻增大，电动势不变，若能调零，减小调零电阻R2的值，电流表仍可以满偏，称量值仍准确，故D正确。返回实验：利用传感器制作简单的自动控制装置><考点二例3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串联接在电压为5V的电源(不计内阻)两端。当电磁铁线圈(电阻不计)中的电流I大于或等于20mA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200Ω。则：(1)图甲中应将b端与_____(选填“a”或“c”)端相连；c由题意可知，当控制电路电流达到20mA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。(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；150(3)该电路可设置启动制冷系统的最高温度是_____℃。73当滑动变阻器调到最大阻值200Ω时，热敏电阻的阻值Rt′＝R－RP′＝250Ω－200Ω＝50Ω，由题图乙可知此时对应的温度为73℃，所以此时该电路可设置启动制冷系统的最高温度是73℃。例4

(2023·江苏无锡市统考)传感器在自动控制中发挥着重要作用。图甲是利用热敏电阻RT制作的自动报警装置，其中热敏电阻RT阻值随温度变化的图线如图乙所示。

(1)为了使温度过高时报警器铃响，c应接在______(选填“a”或“b”)处；a根据题图乙坐标系中曲线的趋势可知，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，为了使温度过高时报警器铃响，开关c应该接在a处；(2)若要使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器的滑片P向_____(选填“左”或“右”)移动。左若要使启动报警的温度提高些，滑动变阻器滑片P向左移动。返回含传感器的电学实验><考点三例5

(2023·江苏苏州市联考)某温度传感器设计电路如图甲所示，要求从表盘上直接读出温度值(电流表满偏时指针所指刻度为0℃)，其中保护电阻R1＝400Ω，调零电阻R2的可调范围是0～100Ω，理想电流表量程为0～6mA，电源电动势E＝3V(内阻不计)，金属热电阻的阻值R与温度t的对应关系如图乙所示。(1)要对温度传感器进行调零，调零电阻R2应调为_____Ω。60(2)请利用已知物理量的数值，写出电流表示数I随温度t变化的关系式，即I＝__________A。(3)将电流表刻度线改为温度刻度线后，温度刻度线是_______(选填“均匀”或“不均匀”)的。不均匀(4)测量温度时，若要求电表指针偏转不低于量程的

则该传感器的温度测量范围是0～______℃。1200例6

(2023·湖南卷·12)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；1000欧姆表读数为10×100Ω＝1000Ω(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)；当电压传感器读数为零时，C、D两点电势相等，(3)依次将0.5g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；答案见解析图次数123456砝码质量m/g0.00.51.01.52.02.5电压U/mV057115168220280绘出U－m图像如图(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200mV，则F0大小是__________N(重力加速度取9.8m/s2，保留2位有效数字)；1.7×10－2由图像可知，当电压传感器的读数为200mV时，所放物体质量为1.75g，则F0＝mg＝1.75×10－3×9.8N≈1.7×10－2N(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200mV，则F1_____F0(填“>”“＝”或“<”)。>可将C、D以外的电路等效为新的电源，C、D两点电压看作路端电压，C、D接非理想电压传感器，当读数为200mV时，实际C、D间断路(接理想电压传感器时)时的电压大于200mV，则此时压力传感器的读数F1>F0。返回课时精练1.霍尔元件的示意图如图所示，一块通电的铜板放在磁场中，铜板的前、后板面垂直于磁场，板内通有如图方向的电流，a、b是铜板上、下边缘的两点，则A.电势φa＝φbB.电势φb＞φaC.电流增大时，|φa－φb|增大D.其他条件不变，将铜板改为NaCl溶液时，电势结果仍然一样√123456铜板中的自由电荷是电子，电子定向移动的方向与电流的方向相反，由左手定则可判断出电子因受洛伦兹力作用向b侧偏转，所以φa＞φb，故A、B错误；设前后板面间距为d，因|φa－φb|＝UH＝

所以电流增大时，|φa－φb|增大，故C正确；若将铜板改为NaCl溶液，溶液中的正、负离子均向b侧偏转，|φa－φb|＝0，即不产生霍尔效应，故D错误。1234562.(2023·江苏南京市江宁中学月考)某物理兴趣小组利用热敏电阻来制作一个简易的温度计。已知该热敏电阻的阻值随温度变化的关系如图甲所示。他们准备的实验器材如下：干电池(电动势为1.5V，内阻不计)，毫安表(量程为10mA，内阻RA为40Ω)，滑动变阻器R1，开关，导线若干。123456(1)若直接将干电池、开关、毫安表、热敏电阻R串接成一个电路作为测温装置，则该电路能测得的最高温度为____℃。80温度最高时，热敏电阻阻值最小，此时Im＝10mA＝0.01A，根据闭合电路欧姆定律有Im＝解得R＝110Ω，由题图甲可知R＝－0.5t＋150(Ω)，代入数据得该电路能测得的最高温度t＝80℃。123456(2)现在该兴趣小组想让测温范围大一些，使该电路能测得的最高温度为100℃，他们又设计了如图乙所示的电路图，并进行了如下操作：a.将该热敏电阻R做防水处理后放入100℃的沸水中，一段时间后闭合开关，调节滑动变阻器使毫安表指针满偏，则此时滑动变阻器R1应为____Ω；12345610将该热敏电阻R做防水处理后放入100℃的沸水中，当t＝100℃时，由题图甲知R＝100Ω，根据闭合电路的欧姆定律，电流表满偏有Im＝代入数据解得R1＝10Ω。123456b.保持滑动变阻器R1接入电路的电阻不变，他们在实验室中找来了一瓶水，把热敏电阻R放入水中，一段时间后闭合开关，发现毫安表的示数为8.0mA，则测得水的温度为_____℃；12345625c.毫安表的电流值I(单位：mA)和温度t(单位：℃)的关系式为I

＝__________mA；d.根据关系式将毫安表刻度盘上的电流值改写为温度值。123456(3)考虑到干电池有一定内阻，该兴趣小组的温度测量值相比真实值______(填“偏大”“偏小”或“不变”)。

123456偏小可见R真＜R，结合温度与电阻关系式R＝－0.5t＋150，可得该兴趣小组的温度测量值偏小。3.(2023·江苏宿迁市统考)某同学制作了一个简易的温控装置，电路如图甲，继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端，当继电器的电流达到或超过30mA时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控。继电器的电阻约为20Ω，热敏电阻的阻值Rt随温度t变化的关系如图乙所示。123456(1)提供的实验器材有：电源E(12V，内阻不计)、滑动变阻器R1(0～200Ω)、滑动变阻器R2(0～400Ω)、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱0～999.9Ω、开关S、导线若干。要启动继电器，则电路中的总电阻需满足：R继电器＋R＋Rt≤_____Ω。为使该装置实现对30～80℃之间任一温度的控制，滑动变阻器R应选用____(填“R1”或“R2”)。123456400R2当继电器的电流达到或超过30mA时，才能吸合，所以I＝≥30mA，则R继电器＋R＋Rt≤400Ω，由题图乙知30～80°C间Rt的最小值为50Ω，结合继电器的电阻约为20Ω，滑动变阻器连入电路的阻值最大约为400Ω－50Ω－20Ω＝330Ω，所以滑动变阻器选R2；123456(2)如果要把温控装置设置为50℃，应先用电阻箱替代热敏电阻，把电阻箱数值调至_____Ω，闭合开关，调节滑动变阻器，直至继电器的衔铁被吸合。然后断开开关，再重新用热敏电阻替换电阻箱。12345680由题图乙知，当温度为50℃时，热敏电阻Rt＝80Ω，用电阻箱替代热敏电阻，所以把电阻箱数值调到80Ω；123456(3)该温控装置在____________(填“低温区域”或“高温区域”)灵敏度更高。甲、乙两位同学就提高该温控装置的灵敏度方案进行了讨论：甲同学认为应该换一个24V的电源，电动势越大越容易驱动电磁继电器，可以提高温控装置的灵敏度；乙同学则认为应该换一个6V的电源，这样使继电器启动的电阻更小，热敏电阻占总电阻的比例增大，其控制效果更好。你认为____(填“甲”或“乙”)同学的分析更有道理。123456低温区域乙由题图乙知，高温区域电阻的变化比较平缓，即较大的温度变化才能引起一定的电流变化，而在低温区域，较小的温度变化就能导致较大的电阻变化，从而使得电流发生较大的变化，所以低温区域灵敏123456度高；需提高高温区域的灵敏度，因高温区域的热敏电阻阻值较小，故应换一个电动势较小的电源，使继电器启动的总电阻更小，热敏电阻占总电阻的比例更大，这样热敏电阻变化会使电流变化更明显，则乙同学说法正确。4.(2022·河北卷·12)某物理兴趣小组利用废弃电饭煲的部分器材自制简易电饭煲，设计电路如图甲所示。选用的器材有：限温开关S1(手动将其按下，开始持续加热煮饭，当锅内温度高于103℃时自动断开，之后不能自动闭合)；保温开关S2(当锅内温度高于80℃时自动断开，温度低于70℃时自动闭合)；电饭煲的框架(结构如图乙所示)。自备元件有：加热电阻丝R(阻值为60Ω，用于加热煮饭)；限流电阻R1和R2(阻值均为1kΩ)；指示灯L1和L2(2.5V，0.6W，当电流低于30mA时可视为熄灭)；保险丝T。123456(1)按照兴趣小组设计的电路，下列说法正确的是_____。A.按下S1，L1和L2均发光B.当锅内温度高于103℃时，S1自动

断开，L1和L2均发光C.保温过程中，S2自动在闭合、断开

状态之间交替切换D.当锅内温度低于70℃时，S2自动闭合，L1发光，L2熄灭123456CD按下S1后L2支路被短路，则L2不会发光，A错误；当锅内温度高于103℃时，S1断开，而要温度降到70℃以下时S2才会闭合，则此时L2可能发光，此时电路中R与R1和L1的串联部分并联，并联的整体再和L2、R2串联，RL≈10.42Ω，则回路中并联部分的电阻R并≈56.64Ω则回路总电阻R总＝1067.06Ω123456则L2一定发光，此时并联的整体的电压为U并＝I总R并≈11.89V则流过L1的电流为123456流过L1的电流小于30mA，则L1熄灭，B错误；由题知，S2在锅内温度高于80℃时自动断开，锅内温度降到70℃以下时S2自动闭合，C正确；当锅内温度低于70℃时，S2自动闭合，L2支路被短路，则L2不会发光，此时电路中R与R1和L1的串联部分并联，则此时流过L1的电流为123456(2)简易电饭煲制作完成后，试用时L1始终不亮，但加热和保温功能均正常。在不增加元件的前提下，断开电源，使用多用电表判断发生故障的元件。下列操作步骤的正确顺序是__________(填写各步骤前的字母)。A.将选择开关旋转到“×100”位置B.将两支表笔直接接触，调节“欧姆调

零旋钮”，使指针指向欧姆零点C.调整“指针定位螺丝”，使指针指到

零刻度D.测量指示灯L1两端的阻值E.将选择开关置于OFF位置或交流电压最高挡123456CABDE123456多用电表的操作步骤为：调整“指针定位螺丝”，使指针指到零刻度——机械调零；将选择开关旋转到“×100”位置——选挡；将两支表笔直接接触，调节“欧姆调零旋钮”，使指计指向欧姆零点——欧姆调零；测量指示灯L1两端的阻值——测量；将选择开关置于OFF位置或交流电压最高挡——关闭多用电表。故正确顺序为CABDE。操作时，将多用电表两表笔与L1两端接触，若指针如图丙所示，可判断是____断路损坏；若指针如图丁所示，可判断是_____断路损坏。(用电路中的元件符号表示)123456L1R1123456由于使用时L1始终不亮，但加热和保温功能均正常，则说明R、L2、R2、T均正常，若指针如题图丙所示，可看出L1两端有1100Ω左右的电阻，则说明L1始终不亮的原因是L1断路损坏；若指针如题图丁所示，可看出欧姆表的示数几乎为零，但由于RL＝10.42Ω，此时选用的是“×100”挡，则说明灯泡L1正常，则说明L1始终不亮的原因是R1断路损坏。5.(2023·江苏扬州市新华中学三模)某研究性学习小组利用压敏电阻制作电子秤。已知压敏电阻在压力作用下发生微小形变，它的电阻也随之发生变化，其阻值R随压力F变化的图像如图甲所示，其中R0＝15Ω，图像斜率k＝1.4Ω/N。小组同学按图乙所示电路制作了一个简易电子秤(秤盘质量不计)，电路中电源电动势E＝3.5V，内阻未知，电流表量程为

10mA，内阻RA＝18Ω，g取10m/s2。

123456(1)下列操作步骤的正确顺序是__________。①秤盘上放置已知重力的重物G，保持滑动变阻器接入电路的阻值不变；读出此时电流表示数I；②换用不同已知质量的重物，记录每一个质量值对应的电流值；③秤盘上不放重物时，闭合开关，调节滑动变阻器，使电流表指针满偏；④将电流表刻度盘改装为质量刻度盘。123456③①②④123456在本实验中应先让秤盘上不放重物，闭合开关，调节滑动变阻器，使电流表指针满偏，然后在秤盘上放置已知重力的重物G，保持滑动变阻器接入电路的阻值不变，读出此时电流表示数I，再换用不同已知质量的重物，记录每一个质量值对应的电流值，最后将电流表刻度盘改装为质量刻度盘，故合理的实验操作顺序为③①②④。(2)实验时发现电流表量程偏小，根据需要将其量程扩大为100mA，则应该给该电流表_______(填“串联”或“并联”)阻值为___Ω的电阻。123456并联2(3)用改装后的电流表进行操作，若电流表示数为20mA，则待测重物质量m＝_____kg。12345610123456联立解得m＝10kg。(4)改装后的刻度盘，其0刻度线在电流表________(选填“零刻度”或“满刻度”)处。123456满刻度由于压敏电阻阻值R随压力增大而增大，则电流表示数随压力增大而减小，所以改装后的刻度盘，其零刻度线在电流表的满刻度处。(5)若电源电动势不变，内阻变大，其他条件不变，用这台电子秤称重前，进行了步骤③的操作，则测量结果_____(填“偏大”“偏小”或“不变”)。123456不变根据操作过程③可知，当电源电动势不变，而内阻增大时，仍可以通过减小滑动变阻器接入电路的阻值使得电流表达到满偏，回路中电源内阻和滑动变阻器接入电路的总电阻不变，所以测量结果不变。6.(2023·江苏南通市海安高级中学校考)现要组装一个酒精测试仪，它利用的是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器。此传感器的电阻Rx随酒精气体浓度的变化而变化，规律如图甲所示。酒精测试仪的调试电路如图乙所示。目前国际公认的酒驾标准是“0.2mg/mL≤酒精气体浓度<0.8mg/mL”，醉驾标准是“酒精气体浓度≥0.8mg/mL”提供的器材有：A.二氧化锡