第十三章　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-2025物理大一轮复习讲义人教版

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.掌握制作传感器的常用元件：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。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、电流等电学量，或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。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电信号的部分。(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。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，导电性能差；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。(3)作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。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，温度升高电阻减小，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增大，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。(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形变这个力学量转换为电阻这个电学量。(2)电子秤的组成及敏感元件：由金属梁和电阻应变片组成，敏感元件是应变片。(3)电子秤的工作原理eq\x(金属梁自由端受力F)⇒eq\x(金属梁发生弯曲)⇒eq\x(应变片的电阻变化)⇒eq\x(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＝keq\f(IB,d)(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(多选)(2023·浙江1月选考·14)下列说法正确的是()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答案ABC解析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eq\f(Δp,t)＝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(2022·北京卷·13)某同学利用压力传感器设计水库水位预警系统。如图所示，电路中的R1和R2，其中一个是定值电阻，另一个是压力传感器(可等效为可变电阻)。水位越高，对压力传感器的压力越大，压力传感器的电阻值越小。当a、b两端的电压大于U1时，控制开关自动开启低水位预警；当a、b两端的电压小于U2(U1、U2为定值)时，控制开关自动开启高水位预警。下列说法正确的是()A．U1<U2B．R2为压力传感器C．若定值电阻的阻值越大，开启高水位预警时的水位越低D．若定值电阻的阻值越大，开启低水位预警时的水位越高答案C解析由题意可知水位越高，对压力传感器的压力越大，压力传感器的电阻值越小。控制开关自动开启低水位预警，此时水位较低，压力传感器的电阻值较大，由于a、b两端此时的电压大于U1，根据串联电路电压分布特点可知，R1为压力传感器，故高水位时压力传感器的电阻值变小，压力传感器R1两端电压变小，U1>U2，A、B错误；根据闭合电路欧姆定律可知，a、b两端的电压为U＝eq\f(E,R1＋R2)R1＝eq\f(E,1＋\f(R2,R1))，若定值电阻的阻值越大，当开启低水位预警a、b两端的电压大于U1时，压力传感器阻值R1越大，水位越低；当a、b两端的电压小于U2开启高水位预警时，压力传感器阻值R1越大，水位越低，C正确，D错误。考点二实验：利用传感器制作简单的自动控制装置例3(2023·四川内江市模拟)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；(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)73解析(1)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℃启动制冷系统，由题图乙可知，当温度为50℃时，Rt的阻值为100Ω，此时控制电路的总电阻R＝eq\f(E,I)＝eq\f(5V,20×10－3A)＝250Ω，由串联电路的电阻规律，滑动变阻器接入的电阻为RP＝R－Rt＝250Ω－100Ω＝150Ω。(3)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℃。考点三含传感器的电学实验例4(2022·重庆卷·11)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50.0μA，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50.0μA，须调节________________(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50.0μA；连接电压表后，电流表示数显著增大，须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2位有效数字)。答案(1)可变电阻R1远大于(2)－1.2解析(1)由题知恒压直流电源E的电动势不变，而用加热器调节RT的温度后，导致整个回路的总电阻改变，而要确保电流表的示数仍为50.0μA，则需控制整个回路的总电阻不变，故须调节可变电阻R1。连接电压表后，电流表示数显著增大，则说明电压表与RT并联后R总减小，则根据并联电阻的关系有R总＝eq\f(RTRV,RT＋RV)＝eq\f(RT,\f(RT,RV)＋1)，则要保证R总不变，须将原电压表更换为内阻远大于RT阻值的电压表。(2)实验设定恒定电流为50.0μA，由题图可得温度为35.0℃时电压表的电压为1.58V，则根据欧姆定律可知此时热敏电阻RT1＝31.6kΩ；温度为40.0℃时电压表的电压为1.28V，则根据欧姆定律可知此时热敏电阻RT2＝25.6kΩ，则温度从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k＝eq\f(ΔRT,Δt)＝－1.2kΩ·℃－1，负号表示随着温度升高RT的阻值减小。例5(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；(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)；(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：次数123456砝码质量m/g0.00.51.01.52.02.5电压U/mV057115168220280根据表中数据在图(c)上描点，绘制U－m关系图线；(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)；(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“<”)。答案(1)1000(2)eq\f(R1R3,R2)(3)见解析图(4)1.7×10－2(5)>解析(1)欧姆表读数为10×100Ω＝1000Ω(2)当电压传感器读数为零时，C、D两点电势相等，则eq\f(R1,RF)＝eq\f(R2,R3)，解得RF＝eq\f(R1R3,R2)(3)绘出U－m图像如图所示(4)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)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接非理想电则此时压力传感器的读数F1>F0。课时精练1．基于“巨磁电阻效应”开发的用于读取硬盘数据的技术，被认为是纳米技术的第一次真正应用。在下列有关其他电阻应用的说法中错误的是()A．热敏电阻可应用于温度测控装置中B．光敏电阻是一种光电传感器C．电阻丝可应用于电热设备中D．电阻在电路中主要起到通过直流、阻碍交流的作用答案D解析热敏电阻对温度很敏感，可用于温度测控装置中，光敏电阻对光照很敏感，是一种光电传感器，电阻丝可用于电热设备中，所以A、B、C三个说法均正确；交流电、直流电均可通过电阻，电阻对它们均可产生阻碍作用，所以D错误。2．(2023·北京市人大附中检测)物理学中用照度描述光的强弱，光越强照度越大，照度的单位为lx。某实验室采用光敏电阻制作光控开关来控制照明系统，光敏电阻在不同照度下的阻值如下表。控制电路原理如图甲所示，电路中的电阻R1和R2，其中一个是定值电阻，另一个是光敏电阻，已知直流电源电动势E＝3V，内阻不计，实验室某日的照度随时间变化曲线如图乙，当控制开关两端电压U≥2V时，控制开关自动启动照明系统。则下列说法正确的是()照度/lx0.20.40.60.81.01.2电阻/kΩ754024201815A．R1为定值电阻，R2为光敏电阻B．照度越大，该电路控制开关两端的电压越大C．若将定值电阻的阻值变为20kΩ，该天6：00后照明系统即可工作D．该电路中定值电阻阻值越大，该天的照明系统工作的时间越短答案D解析当控制开关两端电压U≥2V时，控制开关自动启动照明系统，可知照度小时，控制开关两端电压大；根据表格数据可知照度小时，光敏电阻阻值大，则R1为光敏电阻，R2为定值电阻；照度越大，光敏电阻R1阻值越小，该电路控制开关两端的电压越小，故A、B错误；若将定值电阻的阻值变为20kΩ，由串联电路分压规律知控制开关自动启动时光敏电阻为40kΩ，此时对应照度为0.4lx，根据题图乙可知该天系统工作时间段为0～6：00、18：00～24：00，故C错误；该电路中定值电阻阻值越大，控制开关自动启动时光敏电阻越大，此时对应照度越小，该天的照明系统工作的时间越短，故D正确。3．(2024·湖北省模拟)如图所示，虚线框内为漏电保护开关的原理示意图：变压器A处用火线和零线平行绕制成线圈，然后接到用电器。B处有一个输出线圈，一旦线圈B中有电流，经放大后便能推动继电器切断电源。如果甲、乙、丙、丁四人分别以图示方式接触电线(裸漏部分)，甲、乙、丙站在木凳上，则下列说法正确的是()A．甲会发生触电事故，继电器不会切断电源B．乙会发生触电事故，继电器会切断电源C．丙会发生触电事故，继电器会切断电源D．丁会发生触电事故，继电器会切断电源答案D解析从题图中可知A线圈是用火线和零线双股平行线绕制成线圈，正常情况下火线和零线中电流方向相反、大小相等，线圈A产生的总磁通量为零，当漏电时，火线和零线中电流方向相反、大小不等，线圈A产生的总磁通量不为零，增加了，故会在线圈B中产生感应电流，经放大后便能推动继电器切断电源。甲、乙站在木凳上(人与地绝缘)接触火线时，火线和零线中电流方向相反、大小相等，线圈A产生的总磁通量为零，线圈B中不产生感应电流，继电器均不会切断电源，甲、乙不会发生触电事故，但丙双手接触“火线与零线”会触电(人与地绝缘)，火线和零线中电流方向相反、大小相等，线圈A产生的总磁通量为零，线圈B中不会产生感应电流，故继电器不会切断电源，但人会触电，A、B、C错误；当丁如题图中所示接触火线时会触电，会导致一部分电流通过大地，火线和零线中电流方向相反、大小不等，线圈A产生的总磁通量不为零，即增加了，故会在线圈B中产生感应电流，经放大后便能推动继电器切断电源，D正确。4．图甲是一种家用门窗防盗报警装置，图乙是干簧管元件。安装时，在门的上沿嵌入一小块永磁体M，门框内与M相对的位置嵌入干簧管SA，并将干簧管接入报警电路(蜂鸣报警器)，睡觉前连接好电路，启动防盗报警装置，当门紧闭时，蜂鸣报警器不响，当门被打开时，蜂鸣报警器发出声音警报，下列有关说法正确的是()A．当门关闭时，干簧管两簧片接通B．干簧管可以由铜或银等导电性能更好的材料制成C．如将门上镶嵌磁体的N、S极对调后，该报警器不能正常工作D．本装置是利用电磁感应原理控制电路答案A解析干簧管为磁控开关，当门关闭时有磁体，干簧管两簧片接通，故D错误，A正确；铜或银不是磁性材料，则干簧管不可以由铜或银等导电性能更好的材料制成，故B错误；如将门上镶嵌磁体的N、S极对调后，不影响磁体吸引干簧管两簧片，该报警器能正常工作，故C错误。5．(2023·福建福州市二模)电子温度计的核心元件是热敏电阻。某型号的热敏电阻说明书显示的RT－t图像如图甲所示。学习小组想测量该热敏电阻RT在34～42℃的阻值与温度的关系。实验器材有电源(输出电压恒为U＝12.0V，不计内阻)，电流表A(量程Ig＝50mA，内阻rg＝50Ω)等，实验电路图如图乙所示。主要实验步骤如下：①闭合开关S，调节滑动变阻器R，使电流表满偏；②保持滑动变阻器R接入电路的阻值不变，断开开关S，将RT做好防水处理后同温度计一起放进烧杯里，烧杯中倒入温水，当温度计示数为合适值时，读出电流表示数I；③水温逐渐降低，读出不同温度下电流表示数I，填到记录表格中。请完成以下问题；(1)有两个滑动变阻器可供选择，最大阻值分别为100Ω、200Ω，本实验应选择最大阻值为________Ω的滑动变阻器。(2)温度为42℃时电流表指针如图丙所示，读数为I＝__________mA，则测得的此温度下热敏电阻的阻值RT＝__________Ω(保留1位小数)。(3)小组利用此热敏电阻和电磁继电器设计一个温度报警装置，环境温度低于42℃时报警指示灯不亮，达到或超过42℃时指示灯亮，电路图如图丁所示。则指示灯应连接在___________(填“AB”或“CD”)间。答案(1)200(2)30.7150.9(3)CD解析(1)闭合开关，调节滑动变阻器R，当电流表满偏时有eq\f(U,Ig)＝R＋rg＝240Ω，因此可知滑动变阻器需要调节到190Ω，则需选择最大阻值为200Ω的滑动变阻器。(2)根据电流表的表盘刻度可知，该电流表的精度为1mA，因此读数时需估读到下一位，根据指针所示可读得电流表得示数为30.7mA；根据闭合电路欧姆定律有U＝I(RT＋rg＋R)，代入数据解得RT≈150.9Ω。(3)根据温度报警器组装的电路图，当温度低于42℃时，热敏电阻的阻值较大，电磁继电器线圈中的电流较小，磁力不足以把衔铁吸下，灯不亮，说明报警指示灯连接在CD间。6．(2023·河北省联考)某科技兴趣小组对具有自动加水功能的家用电热壶的原理十分感兴趣，于是自行设计了一个简化的装置示意图和电路图，如图甲所示。该装置可以实现在壶中的水量不足时自动加水，而在达到“预设水量”时，又能够自动停止加水的目的。底座可以承受水壶和水的全部重量，底座压在一个以O点为固定转轴的L形杠杆上。杠杆ABO段水平，另一端与压力传感器R1接触，R1的阻值与压力F之间的关系图像如图乙所示。当“控制电路”的输入端电压大于等于1V时，能控制水泵的电机开始工作，将水抽到水壶中。已知电源的电动势为6V，内阻为1Ω，R2为电阻箱(0～99.9Ω)，水壶中没有水时，水壶和底座的总质量为0.5kg，重力加速度g取10m/s2，“控制电路”输入端中的电流十分微弱，可以忽略，杠杆绝缘且质量不计，不考虑加水时水流的冲击力。回答下列问题：(1)水龙头往水壶加水的过程中，R1的阻值逐渐________，R2两端的电压逐渐________(均选填“增大”或“减小”)；为了实现上述功能，“控制电路”的输入端应该并联在电路的________端点(选填“a、b”或“c、d”)。(2)该小组的同学调节底座与杠杆的接触位置B，使图甲中OA的长度为OB长度的2倍，并要求“预设水量”为1L(对应的水的质量为1kg)。已知电阻R1受到的压力F＝eq\f(|OB|,|OA|)·FB，其中FB为杠杆上B点受到的压力，则应将R2调节为______Ω，此时R2两端的电压为_______V。答案(1)减小增大a、b(2)24.04.8解析(1)加水的过程中，压力F变大，由题图乙知，R1的阻值逐渐减小，则电路总电阻逐渐减小，根据闭合电路欧姆定律可知，电路电流逐渐增大，则R2两端的电压逐渐增大；为了在水量达到“预设水量”时电机停止工作，要使“控制电路”输入端电压随水量的增加而减小，则“控制电路”输入端应该连接电路的a、b端点。(2)达到“预设水量”1L时，水壶和水的总重力为G＝(m水＋m0)g＝(1＋0.5)×10N＝15N，压力传感器R1上的压力为F＝eq\f(|OB|,|OA|)·FB＝eq\f(1,2)×15N＝7.5N，由题图乙读得R1的阻值为5.0Ω，由题意知达到“预设水量”时R1的电压应为1V，通过R1的电流应为I1＝eq\f(1,5.0)A＝0.2A，则R2的阻值应为R2＝eq\f(E,I1)－R1－r＝eq\f(6,0.2)Ω－5.0Ω－1Ω＝24.0Ω，此时R2两端的电压为U2＝I1R2＝0.2×24.0V＝4.8V。7．(2020·全国卷Ⅲ·23)已知一热敏电阻当温度从10℃升至60℃时阻值从几千欧姆降至几百欧姆，某同学利用伏安法测量其阻值随温度的变化关系。所用器材：电源E、开关S、滑动变阻器R滑(最大阻值为20Ω)、电压表(可视为理想电表)和毫安表(内阻约为100Ω)。(1)在所给的器材符号之间画出连线，组成测量电路图。(2)实验时，将热敏电阻置于温度控制室中，记录不同温度下电压表和毫安表的示数，计算出相应的热敏电阻阻值。若某次测量中电压表和毫安表的示数分别为5.5V和3.0mA，则此时热敏电阻的阻值为________kΩ(保留2位有效数字)。实验中得到的该热敏电阻阻值R随温度t变化的曲线如图(a)所示。(3)将热敏电阻从温控室取出置于室温下，测得达到热平衡后热敏电阻的阻值为2.2kΩ。由图(a)求得，此时室温约为________℃(保留3位有效数字)。(4)利用实验中的热敏电阻可以制作温控报警器，其电路的一部分如图(b)所示。图中，E为直流电源(电动势为10V，内阻可忽略)；当图中的输出电压达到或超过6.0V时，便触发报警器(图中未画出)报警。若要求开始报警时环境温度为50℃，则图中________(选填“R1”或“R2”)应使用热敏电阻，另一固定电阻的阻值应为________kΩ(保留2位有效数字)。答案(1)见解析图(2)1.8(3)25.5(4)R11.2解析(1)滑动变阻器最大阻值仅20Ω，应采用分压式接法，电压表为理想电表，应采用毫安表外接法，测量电路图如图所示。(2)热敏电阻的阻值R＝eq\f(U,I)＝eq\f(5.5V,3.0mA)≈1.8kΩ。(3)根据R－t图像，R＝2.2kΩ时，t约为25.5℃。(4)输出电压变大时，R2两端电压变大，R1两端电压变小。根据R－t图像知，温度升高时热敏电阻的阻值减小，则电路中电流变大，固定电阻两端的电压变大，所以固定电阻