5.3利用传感器制作简单的自动控制装置（解析版）-2025年高二物理同步培优讲练（人教版选择性必修第二册）

5.3利用传感器制作简单的自动控制装置学习目标学习目标课程标准物理素养1.进一步理解常用传感器的工作原理及应用.2.学会利用传感器制作自动控制装置．物理观念：会利用干簧管制作简单的自动控制装置，如门窗防盗报警装置。科学思维：会利用光敏电阻制作简单的自动控制装置，如光控开关。。科学探究：通过制作自动控制装置，初步养成针对学习和生活中的问题，设计方案、动手实践的意识和习惯。科学态度与责任：设置实际生活中的应用场景，电路控制分析、设计实验电路并组装完成，这对培养学生的创新能力、提升对物理学的兴趣有极大的益。002思维导图003知识梳理课前研读课本，梳理基础知识：设计自动控制电路时，一般按照以下的思路进行。（1）根据题目给出的仪器和要求画出控制电路和工作电路。控制电路由电源、开关、光敏电阻（或热敏电阻等其他敏感元件）、电磁继电器和导线等组成；工作电路由电源、用电器（灯泡、电热丝或其他用电器）、导线等组成。这两个电路相互独立，又通过电磁继电器相关联，电磁继电器实际上是工作电路的开关。（2）分析自控电路的合理性。电路设计完成后，要对它的合理性进行分析，用光照射光敏电阻或对热敏电阻进行加热，检查工作电路的接通和断开是否符合实际要求。例如，自控路灯电路的设计要求是白天切断工作电路，使路灯熄灭，晚上接通工作电路，使路灯发光。004题型精讲【题型一】门窗防盗报警装置1.实验器材和装置干簧管作为传感器，用于感知磁体磁场是否存在．继电器(虚线框部分)作为执行装置．发光二极管LED作为电路正常工作提示，R为发光二极管的限流电阻，起保护作用．蜂鸣器H作为报警提醒．电路设计如图．2．电路工作原理当门窗紧闭时，磁体M靠近干簧管SA，干簧管两簧片被磁化相吸，继电器接通而工作．当门窗开启时，磁体离开干簧管，干簧管失磁断开，继电器被断电，动触点c与常闭触点b接通，蜂鸣器H发声报警．3．实验操作(1)检查干簧管．用磁体直接靠近干簧管，观察干簧管簧片能否正常动作．(2)连接电路．连接电路前，要检查其他元件是否也能正常工作．(3)接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，分别观察实验现象．【典型例题1】如图所示是某保密室的防盗报警电路，当有人闯入保密室时会使开关S闭合．下列说法正确的是()A．电磁继电器与发电机工作原理相同B．电磁铁的磁性强弱只与电流大小有关C．电磁铁工作时，上端为S极D．当有人闯入保密室时，b灯亮【答案】D【解析】电磁继电器是利用电流的磁效应工作的，发电机是利用电磁感应原理制成的，选项A错误；电磁铁的磁性强弱和电流大小、线圈的匝数及有无铁芯有关，选项B错误；由题图可知电磁铁工作时线圈中电流的方向，根据安培定则可知，电磁铁工作时，上端为N极，选项C错误；当有人闯入保密室时会使开关S闭合，电磁铁有磁性，吸引衔铁向下移动，b灯所在电路接通，b灯亮，选项D正确．【对点训练1】门窗防盗报警装置（1）实验器材和装置干簧管作为传感器，用于感知磁体磁场是否存在。继电器（虚线框部分）作为执行装置。发光二极管LED作为电路正常工作提示，R为发光二极管的限流电阻，起保护作用。蜂鸣器H作为报警提醒。电路设计如图。（2）电路工作原理当门窗紧闭时，磁体M靠近干簧管SA，干簧管两簧片被磁化相吸，继电器接通而工作。当门窗开启时，磁体离开干簧管，干簧管失磁断开，继电器被断电，动触点c与常闭触点b接通，蜂鸣器H发声报警。（3）实验操作①检查干簧管：用直接靠近干簧管，观察干簧管簧片能否正常动作。②连接电路：连接电路前，要检查其他元件是否也能正常工作。③接通电源后，将，分别观察实验现象。【答案】磁体磁体靠近和离开干簧管【解析】①[1]用磁体直接靠近干簧管，观察干簧管簧片能否正常动作。③[2]接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，分别观察实验现象。【题型二】光控开关1．实验器材和装置光敏电阻完成光信号向电信号的转变．晶体三极管将电流进行放大，同时具有完成断路和接通的开关作用．发光二极管LED模仿路灯．电路设计如图甲．为了能够驱动更大功率的负载，需用继电器来启、闭另外的供电电路，如图乙所示．2．电路工作原理(1)光较强时，光敏电阻阻值小，三极管不导通，继电器断路，处于常开状态，小灯泡L不亮．(2)光较弱时，光敏电阻阻值变大，三极管导通，产生较大的集电极电流，点亮发光二极管或驱动继电器吸合，点亮小灯泡L.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或小灯泡L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或小灯泡L发光．(4)让光照加强，当光照强到某种程度时，发光二极管LED或小灯泡L熄灭．【典型例题2】某实验小组设计了一个声、光灯光控制系统。声、光控制开关需要同时满足光线较暗、有活动声音时才接通电路的工作要求。其示意图如图（甲）所示。（1）声、光控制开关中的声控继电器与光控继电器是（填“并联”或“串联”）关系。（2）其中光控继电器的电路结构如图（乙）所示。已知环境亮度越大，光敏元件阻值越小，当电路电流小于某阈值I0时，继电器开始工作。在设定的光照度条件下调节滑动变阻器，使继电器恰好开始工作，此时电流表示数如图（丙）所示，此时I0=A。（3）为了节约用电，需要降低光照度阈值，应该把滑动变阻器阻值调。【答案】串联0.42小【解析】（1）[1]由于声、光控制开关需要同时满足光线较暗、有活动声音时才接通电路的工作要求，可知声、光控制开关中的声控继电器与光控继电器是串联关系。（2）[2]图丙中电流表的量程为0.6A，精度为0.02A，根据电流表的读数规律，可知，该电流表的读数为0.42A。（3）[3]由于环境亮度越大，光敏元件阻值越小，则当降低光照度阈值时，对应光敏电阻的阻值增大，由于电路电流小于某阈值I0时，继电器开始工作，可知此时应把滑动变阻器阻值调小。【对点训练2】为了节能环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统。光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件（照度可以反映光的强弱，光越强，照度越大，照度单位为lx）。（1）某光敏电阻R在不同照度下的阻值如下表，根据表中已知数据，在如图甲的坐标系中描绘出了阻值随照度变化的曲线。由图像可求出照度为0.6lx时的电阻约为kΩ。（2）如图乙，是街道路灯自动控制设计电路，利用直流电源为电磁铁供电，利用照明电源为路灯供电。为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果，路灯应接在（填“AB”或“BC”）之间。【答案】2.8kΩAB【解析】（1）[1]从图像上可以看出当照度为0.6lx时的电阻约为；（2）[2]当天亮时，光敏电阻的阻值变小，所以回路中电流增大，则衔铁被吸下来，此次触片和下方接触，此时灯泡应该熄灭，所以灯泡应接在AB之间。【题型三】热敏电阻的应用 【典型例题3】如图甲所示为一个简单恒温箱的电路图，其温控电路由一热敏电阻R和继电器组成，图乙为该热敏电阻的图像。初始时继电器的衔铁吸附在M端，当线圈中的电流大于或等于30mA时，衔铁被吸合到N端，则加热电路停止工作。已知继电器线圈的电阻为，为继电器线圈供电的电池电动势，内阻不计，图甲中的“电源”是恒温箱加热器的电源。

(1)应该把恒温箱内的加热器接在端（选填“A、B”或“C、D”）。(2)如果要使恒温箱内的温度保持，热敏电阻R的阻值为，可变电阻的阻值应调节为。【答案】(1)A、B(2)90190【解析】（1）当温度较低的时候，热敏电阻R的电阻较大，电路中的电流较小，此时继电器的衔铁与AB部分连接，此时是需要加热的，恒温箱内的加热器要工作，所以该把恒温箱内的加热器接在A、B端。（2）[1]由图可知如果要使恒温箱内的温度保持，热敏电阻R的阻值为[2]当温度达到100℃时，加热电路就要断开，此时的继电器的衔铁要被吸合，即控制电路的电流要到达I=30mA=0.03A根据闭合电路欧姆定律可得解得可变电阻的阻值应调节为【对点训练3】某项目式学习小组，在老师带领下设计了一个汽车轮胎温度报警器，其电路如图甲所示，其中温度传感器RT（核心部件在常温下阻值约为几千欧姆的热敏电阻）与一块变阻箱并联，滑动变阻器R1的最大阻值为10kΩ，电路中没有使用电流表，而是将一块满偏电压表与定值电阻R0=90Ω并联，电源不计内阻，且U=3V。(1)在连接电路时可供选择的变阻箱有两个不同规格：阻值范围为0-999.99Ω的变阻箱R2；阻值范围为0-9999.9Ω的变阻箱R3。应该选用（选填“R2”或“R3”）进行实验。(2)连接好电路后，在老师的带领下同学们测量温度传感器RT“温度一电阻”变化规律。闭合开关前应将变阻器R1的滑片往（选填“a”或“b”）端滑。(3)将图乙所示的传感器测温探头放在温度不断上升的水中，然后做如下操作：将S2闭合到“1”位置，调节滑动变阻器，使电压表的示数为U0（接近满偏），再迅速将开关S2闭合到“2”位置，调节电阻箱使电压表示数再次为U0（忽略该操作过程液体温度变化），此时变阻箱的阻值就是温度传感器热敏电阻RT在此温度下的阻值。待温度上升下一个记录温度时，重复上述操作得到了下表数据。温度/℃0102030405060708090100阻值/kΩ9.995.203.001.601.000.700.830.400.310.240.20请在图丙坐标纸上将剩余的点描完，并绘出热敏电阻，RT的阻值随温度变化规律。(4)有同学利用测出的热敏电阻RT的阻值随温度变化规律，又设计了如图丁所示电路图，采用量程为300μA内阻为90Ω的电流表，将其改装成3mA和15mA的量程，可以实现变档测温，通过控制开关S1能够实现0~40℃和0~100℃的两种测温范围，改装后的电流表不同档位对应不同测温范围。由此可推测Rc=Ω。将开关S1接到（选填“c”或“d”）测温量程为0~100℃。【答案】(1)(2)b(3)见解析(4)2c【解析】（1）由于温度传感器RT在常温下阻值约为几千欧姆，则变阻箱应该选用。（2）闭合开关前，为了保证电表安全，将变阻器R1的滑片往b端滑。（3）根据表格数据描出剩余点，并作出RT的阻值随温度变化的图线如图所示（4）[1]采用量程为300μA内阻为90Ω的电流表，将其改装成3mA和15mA的量程，则有联立解得，[2]当开关S1接到c时，改装的电流表量程为15mA，电流表的内阻为当开关S1接到d时，改装的电流表量程为3mA，电流表的内阻为当温度为100℃时，，若将开关S1接到c，则有若将开关S1接到d，则有可知将开关S1接到c测温量程为0~100℃。00501强化训练【基础强化】1．小欣同学发现学校楼道的灯，白天不亮，晚上经过楼道时，发出声音才亮，她经过调查了解到楼道的灯使用声、光控照明系统，声、光控开关需要同时满足光线较暗、有活动声音时才打开的工作要求（电源及电流表内阻不计），其示意图如图甲所示。

（1）声控开关和光控开关的连接方式为（填“串联”或“并联”）。（2）其中光控开关的结构如图乙所示，现用多用电表测量电磁继电器的等效电阻，将多用电表的选择开关置于“”挡，再将红，黑表笔短接，调零后，测量的示数如图丁所示，则电磁继电器的等效电阻为。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，由图丙可知随光照强度的增加，光敏电阻的阻值（选填“增大”、“减小”或“不变”）。

（3）已知光控开关的电源电动势为，电阻箱的阻值为。若设计要求当流过电磁继电器的电流为时，光控开关闭合，则此时的照度约为lx。为了节约用电，需要降低光照度值，应该把电阻箱的阻值调（选填“大”、或“小”）。

【答案】串联20减小0.6小【解析】（1）[1]声、光控开关需要同时满足光线较暗、有活动声音时才打开的工作要求，所以声控开关和光控开关的连接方式为串联。（2）[2]由图丁所示可知，电磁继电器的等效电阻为20。[3]由图丙可知，随光照强度的增加，光敏电阻的阻值减小。（3）[4]由闭合电路欧姆定律可得解得此时光敏电阻的阻值

有图丙可知此时的照度约为0.6lx。[5]为了节约用电，需要降低光照度值，由以上计算可知，应该把电阻箱的阻值调小。2．为节能减排，保护环境，公共场所使用声、光控照明系统，声、光控开关需要同时满足光线较暗、有活动声音时才打开的工作要求（电源及电流表内阻不计），其示意图如图甲所示。（1）声控开关和光控开关的连接方式为（填“串联”或“并联”）。（2）其中光控开关的结构如图乙所示，现用多用电表测量电磁继电器的等效电阻，将多用电表的选择开关置于“”挡，再将红，黑表笔，调零后，测量的示数如图丁所示，则电磁继电器的等效电阻为。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，由图丙可知随光照强度的增加，光敏电阻的阻值。（3）已知光控开关的电源电动势为，电阻箱的阻值为。若设计要求当流过电磁继电器的电流为时，光控开关闭合，则此时的照度约为lx。为了节约用电，需要降低光照度值，应该把电阻箱的阻值调。【答案】串联短接/减小0.6小【解析】（1）[1]因要同时满足光线较暗、有活动声音时才打开的要求，所以光控和声控开关必须是串联关系。（2）[2]多用电表测电阻的步骤是机械调零，选挡位，再欧姆调零，最后测量读数。所以选挡后应进行欧姆调零，即将红、黑表笔短接，调节欧姆调零旋钮，使指针指在表盘右侧零刻线上。[3]欧姆表的读数可估读一位或不估读。电磁继电器的等效电阻为[4]观察丙图可知，随光照强度的增加，光敏电阻的阻值减小。（3）[5]由闭合电路欧姆定律有解得由图丙可知此时照度为；[6]要降低光照度值，即要在低照度条件下才打开，光敏电阻阻值变大，要在继电器电流为时亮灯，由闭合电路欧姆定律可知，需调小电阻箱阻值。3．小明利用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路”，如图甲所示（虚线框内的连接没有画出）。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。图甲中继电器的供电电源，内阻不计，继电器线圈用漆包线绕成，其电阻。当线圈中的电流大于等于时，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）由图乙可知，当环境温度为时，热敏电阻阻值为；（2）由图乙可知，当环境温度升高时，热敏电阻阻值将（选填“增大”、“减小”或“不变”），继电器的磁性将（选填“增强”、“减弱”或“不变”）；（3）图甲中指示灯的接线柱D应与接线柱相连（均选填“A”或“B”）；（4）当环境温度大于等于时，警铃报警。【答案】30/29/31减小增强A40/39/41【解析】（1）[1]由图乙可知，当环境温度为时，热敏电阻阻值为。（2）[2]由图乙可知，当环境温度升高时，热敏电阻阻值将减小。[3]热敏电阻阻值减小，则流过继电器的电流增大，磁性增强。（3）[4]由于继电器的上触点接触，下触点分离，指示灯亮。所以图甲中指示灯的接线柱D应与接线柱A相连。（4）[5]当线圈中的电流大于等于时，继电器的衔铁将被吸合，警铃响。根据欧姆定律得此时温度为，则环境温度大于等于时，警铃报警。4．某一热敏电阻的阻值R随温度变化的图线如图甲所示，现要利用该热敏电阻组装一个报警系统，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，Ic约为10mA，流过的电流超过20mA时，报警器可能损坏），电阻箱（最大阻值为999.9Ω），直流电源（输出电压为18V，内阻不计），滑动变阻器（最大阻值为2000Ω），单刀双掷开关一个，导线若干。

（1）由甲图可知，热敏电阻的阻值随温度的升高而（选填“增大”或“减小”）；（2）按乙图所示的电路图组装电路，并按照下列步骤调节此报警系统；①电路接通前，滑动变阻器的滑片应置于（选填“a”或“b”）端附近；②若已知该热敏电阻在60℃时阻值为650.0Ω。则根据实验要求，先将电阻箱调到一固定的阻值，这一阻值为Ω；③将开关向（填“c”或“d”）端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警。（3）保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另-端闭合，报警系统即可正常使用。【答案】减小b650.0c【解析】（1）[1]由甲图可知，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。（2）①[2]为防止接通电源后，流过报警器的电流会超过20mA，报警器可能损坏，滑动变阻器的滑片应置于b端。②[3]本题采用的是等效替换法，先用变阻箱来代替热敏电阻，所以变阻箱的阻值要调节到系统报警时热敏电阻的临界电阻，也就是在60℃时的阻值为650.0Ω。③[4]先把变阻箱的电阻接入电路，即将开关向c端闭合，调节滑动变阻器的电阻，调至报警器开始报警时，保持滑动变阻器的阻值不变，接到热敏电阻上，即开关接d端，当热敏电阻的阻值是650.0Ω时，也就是温度达到了60℃，报警器开始报警。报警系统即可正常使用。【素养提升】5．门窗防盗报警装置（1）实验目的：当门窗紧闭时，蜂鸣器不响，指示灯；当门窗被打开时，蜂鸣器发出声音警报，指示灯。（2）实验思路：可利用在磁场中的特性实现上述功能。如图所示，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。干簧管可将门与门框的相对位置这一非电学量转换为电路的。【答案】亮灭干簧管通断【解析】（1）[1][2]实验目的：当门窗紧闭时，蜂鸣器不响，指示灯亮；当门窗被打开时，蜂鸣器发出声音警报，指示灯灭。（2）[3][4]实验思路：可利用干簧管在磁场中的特性实现上述功能。如图所示，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。干簧管可将门与门框的相对位置这一非电学量转换为电路的通断。6．如图是某同学用分体式位移传感器测量位移的大小的实验截屏，实验过程中该同学将位移传感器的发射端固定在小车上，接收端固定在倾斜轨道上。该同学从轨道底部位置反复将小车反复往上推（该动作瞬间完成）请根据图像完成下列分析：（1）由图可知前8s内小车的位移大约为m。（2）位移传感器的接收端安装在轨道的（填“顶端”或者“底端”）。（3）该同学第2次推小车发生在s。【答案】0.53顶端6.2（或6.3）【解析】（1）[1]由图可知前8s内小车的位移大约为（2）[2]位移时间图像的斜率表示速度，根据图像可知，0时刻开始时刻，图线斜率的绝对值增大，即为加速过程，即小车开始时刻由上向下做加速运动，而小车的位移开始处于变大状态可知位移传感器的接收端安装在轨道的顶端。（3）[3]g根据上述可知，在之间第一次将小车向上推，在4s时刻小车速度减小为0，随后沿轨道下滑，之后在约为6.2s时刻第2次向上推小车。7．如图甲所示，是某种材料制成的电阻随摄氏温度变化的图象，若用该电阻与电池（电动势，内阻不计）、电流表（量程为，内阻不计）、电阻箱串联起来，连接成如图乙所示的电路，用该电阻做测温探头，把电流表的电流刻度改为相应的温度刻度，就得到了一个简单的“金属电阻温度计”。（1）该热敏电阻最有可能的是由制作而成的（选填字母）A、金属合金材料

B、半导体硅材料

C、塑料材料（2）电流刻度逐渐变大，材料所处环境对应的温度在；（选填"变大”或“变小”）（3）若电阻箱阻值，当电流为时对应的温度数值为。【答案】A变小100【解析】（1）[1]该热敏电阻的特性为随温度升高，阻值增大，构成正温度系数的敏感电阻，则一定是金属材料，故选A；（2）[2]根据闭合电路的欧姆定律可知电流刻度逐渐变大，即电阻逐渐减小，对应的材料所处环境对应的温度在变小；（3）[3]若电阻箱阻值，当电流为时，由闭合电路的欧姆定律有解得而热敏电阻随温度的函数为代入阻值解得温度为8．某物理兴趣小组欲利用压力传感器制作成“苹果自动分拣装置”。(1)已知某型号的压力传感器RN，在不同压力下，其阻值约为十几千欧~几十千欧之间。为了精确测量传感器在不同压力下的阻值，实验室提供了以下器材：电源E（电动势为3V、内阻未知）电流表A₁（量程250μA、内阻约为50Ω）电流表A₂（量程10mA、内阻约为5Ω）电压表V₁（量程3V、内阻约为3kΩ）电压表V₂（量程15V、内阻约为15kΩ）滑动变阻器R₁（阻值0~10Ω、额定电流为2A）滑动变阻器R₂（阻值0~1000Ω、额定电流为0.5A）①为了尽可能提高测量的准确性，电流表应选，电压表应选，滑动变阻器应选。（填写器材名称代号）②选出最合理的实验电路。A．

B．C．

D．(2)某物理兴趣小组通过多次实验测得传感器的阻值RN随压力F变化的关系图像如图甲所示，并利用该压力传感器设计了如图乙所示的“苹果自动分拣装置”。该装置能把大小不同的苹果，按一定质量标准自动分拣为大苹果和小苹果。装置中托盘置于压力传感器，上，托盘重力不计，苹果经过托盘时对RN产生压力。初始状态衔铁水平，当R0两端电压（时可激励放大电路使电磁铁工作，吸动衔铁，并保持一段时间，确保苹果在衔铁上运动时电磁铁保持吸合状态。已知电源电动势E=6V，内阻不计，重力加速度取若要将质量大于等于200g和质量小于200g的苹果分拣开，应将R0的阻值调为（保留3位有效数字），此时质量小于200g的苹果将通过（选填“上通道”、“下通道”）。【答案】(1)A₁V₁R₁D(2)12.0（11.5~12.5均可）上通道【解析】（1）[1][2][3]电动势为3V，则电压表选择V1；电路中可能达到的最大电流数量级为则电流表选择A1；滑动变阻器要接成分压电路，则应该选择阻值较小的R₁；[4]因Rx远大于RA，可知采用电流表内接；滑动变阻器用分压电路，则电路图选择D；（2）当200g的苹果通过压敏电阻时压力为F=0.2×10N=2N，此时RN=24kΩ，则此时R0两端电压解得R0=12.0kΩ质量小于200g的苹果通过压敏电阻时压力较小，压敏电阻阻值较大，R0电压小于2V，不能激励放大电路使电磁铁工作吸动衔铁，则小于20