2024年高考物理一轮复习（新人教版） 第13章 第4讲　传感器　实验：利用传感器制作简单的自动控制装置

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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.
传感器　实验：利用传感器制作简单的自动控制装置
考点二　实验：利用传感器制作简单的自动控制装置
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_____.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.
二、常见敏感元件1.光敏电阻(1)特点：光照越强，电阻 .(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.
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.
(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 .(3)电子秤的工作原理
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.(　　)
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时，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.
例1　(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50.0 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，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50.0 μA；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.
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50.0 μA，则需控制整个回路的总电阻不变，故须调节可变电阻R1.
(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).
例2　为了节能和环保，一些公共场所用光控开关控制照明系统，光控开关可用光敏电阻控制，如图甲所示是某光敏电阻阻值随光的照度变化曲线，照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为：勒克斯(lx).
(1)如图乙所示，电源电动势为3 V，内阻不计，当控制开关两端电压上升至2 V时，控制开关自动启动照明系统.要求当天色渐暗照度降至1.0 lx时控制开关接通照明系统，则R1＝____ kΩ.
(2)某同学为了测量光敏电阻在不同照度下的阻值，设计了如图丙所示的电路进行测量，电源(E＝3 V，内阻未知)，电阻箱(0～99 999 Ω).实验时将电阻箱阻值置于最大，闭合S1，将S2与1相连，减小电阻箱阻值，使灵敏电流计的示数为I，图丁为实验时电阻箱的阻值，其读数为______ kΩ；然后将S2与2相连，调节电阻箱的阻值如图戊所示，此时电流表的示数恰好为I，则光敏电阻的阻值为_____ kΩ(结果均保留3位有效数字).
题图丁所示电阻箱读数为R2＝62.5 kΩ，题图戊所示电阻箱读数R2′＝22.5 kΩ，本题采用等效替代法测电阻，前后两次电路中的电流相等，则电路中的总电阻相等，则有R2＝R0′＋R2′，所以R0′＝40.0 kΩ.
例3　(多选)如图是霍尔元件的工作原理示意图，如果用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持I恒定，则可以验证UH随B的变化情况.以下说法正确的是(工作面是指较大的平面)A.将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作 面，UH将变大B.在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工 作面应保持水平C.在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平D.改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH将发生变化
地球两极的磁场方向在竖直方向上，所以霍尔元件的工作面应保持水平，使B与工作面垂直，选项B正确；地球赤道上的磁场沿水平方向，只有霍尔元件的工作面在竖直方向且垂直于南北方向时，B才与工作面垂直，选项C错误；改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，B垂直工作面分量的大小发生变化，UH将发生变化，选项D正确.
实验：利用传感器制作简单的自动控制装置
一、门窗防盗报警装置1.实验目的：了解门窗防盗报警装置，会组装门窗防盗报警装置.2.电路如图所示.
3.工作原理：闭合电路开关S，系统处于防盗状态.当门窗紧闭时，磁体M靠近干簧管SA，干簧管两个簧片被磁化相吸而接通继电器线圈K，使继电器工作.继电器的动触点c与常开触点a接通，发光二极管LED发光，显示电路处于正常工作状态.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.继电器的动触点c与常闭触点b接通，蜂鸣器H发声报警.干簧管在电路中起传感器和控制开关的作用，继电器则相当于一个自动的双向开关.
4.实验器材干簧管SA、继电器、发光二极管LED、蜂鸣器H、电源、导线若干、开关、电阻R、小磁体.5.实验步骤(1)连接电路前，要先判断一下干簧管是否可以正常工作.用磁体直接靠近干簧管，观察簧片能否正常工作.(2)确定各元件可以正常工作后，按照电路图连接电路.(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.
二、光控开关1.实验目的：了解光控开关电路及控制原理，会组装光控开关.2.电路如图所示.
3.工作原理：当环境光比较强时，光敏电阻RG的阻值很小，三极管不导通，发光二极管或继电器所在的回路相当于断路，即发光二极管不工作；继电器处于常开状态，小灯泡L不亮.当环境光比较弱时，光敏电阻RG的阻值变大，三极管导通，且获得足够的基极电流，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而点亮小灯泡L.
4.实验器材发光二极管LED、晶体三极管VT、可调电阻R1、限流电阻R2、光敏电阻RG、集成电路实验板、直流电源、导线若干、黑纸、小灯泡L.5.实验步骤(1)按照电路图连接电路，检查无误后，接通电源.(2)让光敏电阻RG受到白天较强的自然光照射，调节电阻R1使发光二极管LED或小灯泡L刚好不发光.(3)遮挡RG，当光照减弱到某种程度时，就会看到发光二极管LED或小灯泡L发光.(4)让光照加强，当光照强到某种程度时，则发光二极管LED或小灯泡L熄灭.
6.注意事项(1)安装前，对实验器材进行测试，确保各元件性能良好后，再进行安装.(2)光控开关实验中，二极管连入电路的极性不能反接.(3)如果实验现象不明显，可用手电筒加强光照，或遮盖光敏电阻，再进行观察.
例4　在实际应用中有多种自动控温装置，以下是其中两种控温装置：
(1)图(a)为某自动恒温箱原理图，箱内的电阻R1＝2 kΩ，R2＝1.5 kΩ，R3＝4 kΩ，Rt为热敏电阻，其电阻随温度变化的图像如图(b)所示.当a、b两点电势φa<φb时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当φa≥φb时，电压鉴别器会使S断开，停止加热，则恒温箱内的稳定温度为____ ℃，恒温箱内的电热丝加热时Rt的取值范围为__________.
(2)有一种由PTC元件做成的加热器，它产生的焦耳热功率PR随温度t变化的图像如图(c)所示.该加热器向周围散热的功率为PQ＝k(t－t0)，其中t为加热器的温度，t0为室温(本题中取20 ℃)，k＝0.1 W/℃.当PR＝PQ时加热器的温度即可保持稳定，则该加热器工作的稳定温度为_______________ ℃；
某次工作中，该加热器从室温升高至稳定温度的过程中，下列温度变化过程用时最短的是____(填选项前的字母序号)～24 ℃ B.32～36 ℃C.48～52 ℃ D.60～64 ℃
70(68～72均可)
PQ＝0.1(t－t0) (W)，PQ与温度t之间关系的图像如图；由图可知，当温度为70 ℃左右时，发热功率和散热功率相等，即此时物体的温度不再变化；由图可知，四个选项中，32～36 ℃时PR－PQ最大，即该过程用时最短，故选B.
例5　为了建设安全校园，某校物理教师带领兴趣小组的学生，利用光敏电阻和电磁继电器，为学校教学楼内所有楼梯口的照明灯安装了亮度自动控制装置.如图甲所示为他们设计的原理图，R0为光敏电阻(阻值随亮度的增加而减小)，R1为滑动变阻器，电磁继电器的衔铁由软铁(容易磁化和消磁)制成，R2为电磁铁的线圈电阻，K为单刀双掷开关.
(1)为使楼内亮度降低到一定程度照明灯自动点亮，亮度升高到一定程度照明灯自动熄灭，单刀双掷开关应置于____(选填“a”或“b”).
亮度降低R0变大，电流减小，电磁继电器力减小，衔铁被放开，此时照明灯应被点亮，所以单刀双掷开关应接b.
(2)为了提升校园安全系数，使照明灯在不太暗的时候就点亮，滑动变阻器接入电路的电阻应_______(选填“调大”或“调小”).
电磁继电器的衔铁被吸下或放开有一个电流的临界值，对应一个总电阻的临界值，所以滑动变阻器调得越大，对应R0的触发值越小，能使照明灯在不太暗的时候就点亮.
(3)已知直流电路中的电流达到10 mA时电磁继电器的衔铁正好会被吸下，R0从正午最亮到夜晚最暗的阻值变化范围为50～200 Ω，R2约为5 Ω，直流电源电动势E＝3 V，内阻r约为1 Ω，现有三个最大电阻阻值分别为100 Ω、300 Ω、3 000 Ω的滑动变阻器，为实现调控目标R1最好应选择最大阻值为_____ Ω的滑动变阻器.
电动势为3 V，触发电流为10 mA，可得对应总电阻为300 Ω.滑动变阻器选100 Ω，R0可触发的阻值范围约为194～200 Ω，范围太小，对应亮度太低；300 Ω的阻值足够调控，对应R0触发值范围足够大；3 000 Ω阻值太大，对于某一亮度对应阻值的调节不精准.
(4)兴趣小组同学想要对原设计进行改进，使亮度降低到一定程度触发衔铁吸下，请你在图乙的虚线框中用笔画线代替导线重新连接直流电路中c、d、e、f、g、h各点，以实现这一改进目标.
为了实现“亮度降低到一定程度触发衔铁吸下”可让R0与电磁继电器并联，这样亮度降低时R0增大，电磁继电器中的电流增大，可触发衔铁被吸下，电路图如图.
1.(多选)在如图所示的电路中，当用半导体材料做成的热敏电阻浸泡到热水中时，电流表示数增大，则说明A.在温度越高时，热敏电阻阻值越小B.在温度越高时，热敏电阻阻值越大C.半导体材料温度升高时，导电性能变差D.半导体材料温度升高时，导电性能变好
由电流表的变化判断半导体的电阻的变化，温度升高时，电路中总电流增大，由闭合电路欧姆定律可知，总电阻减小，则温度升高，热敏电阻阻值减小，半导体材料导电性能变好，故A、D正确.
2.(多选)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
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正确，B错误；
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.
3.如图是利用太阳能给LED路灯供电的自动控制电路的示意图.R是光敏电阻，R0是保护定值电阻，日光充足时，电磁继电器把衔铁吸下，GH接入电路，太阳能电池板给蓄电池充电，光线不足时，衔铁被弹簧拉起，与EF接入电路，蓄电池给LED路灯供电，路灯亮起，下列关于该电路分析正确的是A.该光敏电阻阻值随光照强度增大而增大B.增加电源电动势可以增加路灯照明时间C.增大保护电阻R0阻值可延长每天路灯照　明时间D.并联更多的LED路灯可延长每天路灯照明时间
日光充足时，电磁继电器把衔铁吸下，根据闭合电路欧姆定律，控制电路中电阻变小，电流变大，衔铁被吸下，则当日光充足时光敏电阻R阻值减小，故A错误；
电动势增大，电阻不变情况下，电流增大，电磁继电器把衔铁吸下，减少了路灯照明时间，故B错误；增大保护电阻R0，减小了电流，延长了照明时间，故C正确；LED灯的盏数不影响控制电路，考虑蓄电池容量一定，可能减少照明时间，故D错误.
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60 Ω，用于加热煮饭)；限流电阻R1和R2(阻值均为1 kΩ)；指示灯L1和L2(2.5 V,0.6 W，当电流低于30 mA时可视为熄灭)；保险丝T.
(1)按照兴趣小组设计的电路，下列说法正确的是_____(多选).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
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≈10.42 Ω，则回路中并联部分的电阻R并≈56.64 Ω则回路总电阻R总＝1 067.06 Ω
则L2一定发光，此时并联的整体的电压为U并＝I总R并≈11.89 V
流过L1的电流小于30 mA，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
此时流过L1的电流大于30 mA，则L1发光，D正确.
(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
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)
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.
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1 100 Ω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＝10.42 Ω，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.(2023·四川遂宁市模拟)高速路入口都安装有称量汽车重量的地磅.如图甲所示是某工厂生产的小型地磅结构图和电路图，其中R是压敏电阻，质量m0＝500 kg的秤台平放在压敏电阻上，被称汽车停放在秤台上.已知电路中电源电动势为26 V、内电阻r＝10 Ω，电流表量程为0.3 A、内阻RA＝10 Ω，滑动变阻器R′的最大阻值为500 Ω.如图乙是压敏电阻的阻值R随压力F变化曲线.某设计人员对电流表上刻度重新赋值，使之能够从表盘上直接读出秤台上汽车的质量，他先后进行了以下操作.重力加速度g＝10 m/s2.
(1)断开开关S，撤去秤台上的汽车，把多用电表的旋钮旋到欧姆挡“×10挡”，通过正确调零后，用红、黑表笔接在压敏电阻两端，多用电表的表针指到如图丙所示位置，则压敏电阻R此时的电阻值为_____ Ω.
欧姆挡选择“×10挡”，则阻值为16.0×10 Ω＝160 Ω.
(2)闭合开关S，设计人员通过调节滑动变阻器，使电流表读数为0.10 A，并在此处标注为0 kg，则此时滑动变阻器R′接入电路的电阻值为____ Ω；2 500 kg处应标注在______ A处.
当仅有秤台时，压敏电阻的阻值为160 Ω，根据闭合电路欧姆定律得E＝I(R＋R′＋RA＋r)，解得R′＝80 Ω，2 500 kg的物体在秤台上时，此时压力为(2 500＋500)×10 N＝3×104 N，压敏电阻的阻值约为100 Ω，根据闭合电路欧姆定律得E＝I1(R1＋R′＋RA＋r)，解得I1＝0.13 A.
(3)设计人员按上述操作逐个刻度赋值后，经长时间使用，发现电池的电
动势略有减小、内电阻有所增大.他重新调节滑动变阻器，使秤台空载时电流表读数仍为0.10 A，然后再去测量汽车的重量.您认为现在的测量值相比汽车真实重量______(选填“偏大”“偏小”或“不变”)
6.(2023·上海市模拟)力传感器是高中物理实验中常见的一种传感器，它通过敏感元件把待测力这一物理量转化为相应的电信号来进行测量.
(1)如图(a)所示，R1、R2、R3、R4为四个完全相同的应变片，弹性梁在外力的作用下产生形变时，应变片随之被拉伸或压缩，拉伸时电阻值变大，压缩时电阻值变小.现将R2、R3两个应变片粘贴在弹性梁的上表面，R1、R4两个应变片粘贴在弹性梁的下表面.当弹性梁右端受力向下弯曲时，R2、R3的电阻值______，R1、R4的电阻值______(均选填“变大”“变小”或“不变”).
采用如图(b)所示的电路图测量电路，已知电源电动势为E，内阻不计.每片应变片的初始电阻为R0.当弹性梁右端受到外力作用，四个应变片电阻变化量的绝对值均为Δx，则A、B两端的电压UAB＝______.
(2)如图(c)所示为半导体薄膜压力传感器的电阻值R随压力F变化的图线.读图可知，压力为1 N时该图像的斜率为_____ kΩ/N，压力为5 N时该图像的斜率为______ kΩ/N.要使传感器对力的变化测量较为灵敏，应选择在区间______(选填“1 N”或“5 N”)附近.