2025年高二物理同步培優(yōu)講練（人教版選擇性必修第二冊）5.3利用傳感器制作簡單的自動控制裝置（原卷版）

5.3利用傳感器制作簡單的自動控制裝置

課程標準物理素養(yǎng)

物理觀念：會利用干簧管制作簡單的自動控制裝置，如門窗防盜報警裝置。

1.進一步理解常用傳感器

科學思維：會利用光敏電阻制作簡單的自動控制裝置，如光控開關。。

的工作原理及應用.

科學探究：通過制作自動控制裝置，初步養(yǎng)成針對學習和生活中的問題，設

2.學會利用傳感器制作自

計方案、動手實踐的意識和習慣。

動控制裝置．

科學態(tài)度與責任：設置實際生活中的應用場景，電路控制分析、設計實驗電

路并組裝完成，這對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、提升對物理學的興趣有極大的益。

（一）課前研讀課本，梳理基礎知識：

設計自動控制電路時，一般按照以下的思路進行。

（1）根據題目給出的儀器和要求畫出控制電路和工作電路。

控制電路由電源、開關、光敏電阻（或熱敏電阻等其他敏感元件）、電磁繼電器和導線等組成；工作電路由

電源、用電器（燈泡、電熱絲或其他用電器）、導線等組成。這兩個電路相互獨立，又通過電磁繼電器相關

聯(lián)，電磁繼電器實際上是工作電路的開關。

（2）分析自控電路的合理性。

電路設計完成后，要對它的合理性進行分析，用光照射光敏電阻或對熱敏電阻進行加熱，檢查工作電路的

接通和斷開是否符合實際要求。例如，自控路燈電路的設計要求是白天切斷工作電路，使路燈熄滅，晚上

接通工作電路，使路燈發(fā)光。

【題型一】門窗防盜報警裝置

1.實驗器材和裝置

干簧管作為傳感器，用于感知磁體磁場是否存在．繼電器(虛線框部分)作為執(zhí)行裝置．發(fā)光二極管LED作

為電路正常工作提示，R為發(fā)光二極管的限流電阻，起保護作用．蜂鳴器H作為報警提醒．電路設計如圖．

2．電路工作原理

當門窗緊閉時，磁體M靠近干簧管SA，干簧管兩簧片被磁化相吸，繼電器接通而工作．當門窗開啟時，磁

體離開干簧管，干簧管失磁斷開，繼電器被斷電，動觸點c與常閉觸點b接通，蜂鳴器H發(fā)聲報警．

3．實驗操作

(1)檢查干簧管．用磁體直接靠近干簧管，觀察干簧管簧片能否正常動作．

(2)連接電路．連接電路前，要檢查其他元件是否也能正常工作．

(3)接通電源后，將磁體靠近和離開干簧管，分別觀察實驗現(xiàn)象．

【典型例題1】如圖所示是某保密室的防盜報警電路，當有人闖入保密室時會使開關S閉合．下列說法正確

的是()

A．電磁繼電器與發(fā)電機工作原理相同

B．電磁鐵的磁性強弱只與電流大小有關

C．電磁鐵工作時，上端為S極

D．當有人闖入保密室時，b燈亮

【對點訓練1】門窗防盜報警裝置

（1）實驗器材和裝置

干簧管作為傳感器，用于感知磁體磁場是否存在。繼電器（虛線框部分）作為執(zhí)行裝置。發(fā)光二極管LED

作為電路正常工作提示，R為發(fā)光二極管的限流電阻，起保護作用。蜂鳴器H作為報警提醒。電路設計如

圖。

（2）電路工作原理

當門窗緊閉時，磁體M靠近干簧管SA，干簧管兩簧片被磁化相吸，繼電器接通而工作。當門窗開啟時，磁

體離開干簧管，干簧管失磁斷開，繼電器被斷電，動觸點c與常閉觸點b接通，蜂鳴器H發(fā)聲報警。

（3）實驗操作

①檢查干簧管：用直接靠近干簧管，觀察干簧管簧片能否正常動作。

②連接電路：連接電路前，要檢查其他元件是否也能正常工作。

③接通電源后，將，分別觀察實驗現(xiàn)象。

【題型二】光控開關

1．實驗器材和裝置

光敏電阻完成光信號向電信號的轉變．晶體三極管將電流進行放大，同時具有完成斷路和接通的開關作

用．發(fā)光二極管LED模仿路燈．電路設計如圖甲．

為了能夠驅動更大功率的負載，需用繼電器來啟、閉另外的供電電路，如圖乙所示．

2．電路工作原理

(1)光較強時，光敏電阻阻值小，三極管不導通，繼電器斷路，處于常開狀態(tài)，小燈泡L不亮．

(2)光較弱時，光敏電阻阻值變大，三極管導通，產生較大的集電極電流，點亮發(fā)光二極管或驅動繼電器吸

合，點亮小燈泡L.

3．實驗操作

(1)連接電路，檢查無誤后，接通電源．

(2)用白光照射光敏電阻，調節(jié)R1，使發(fā)光二極管LED或小燈泡L剛好不發(fā)光．

(3)減弱光敏電阻的光照強度，當光減弱到某種程度時，發(fā)光二極管LED或小燈泡L發(fā)光．

(4)讓光照加強，當光照強到某種程度時，發(fā)光二極管LED或小燈泡L熄滅．

【典型例題2】某實驗小組設計了一個聲、光燈光控制系統(tǒng)。聲、光控制開關需要同時滿足光線較暗、有活

動聲音時才接通電路的工作要求。其示意圖如圖（甲）所示。

（1）聲、光控制開關中的聲控繼電器與光控繼電器是（填“并聯(lián)”或“串聯(lián)”）關系。

（2）其中光控繼電器的電路結構如圖（乙）所示。已知環(huán)境亮度越大，光敏元件阻值越小，當電路電流小

于某閾值I0時，繼電器開始工作。在設定的光照度條件下調節(jié)滑動變阻器，使繼電器恰好開始工作，此時

電流表示數如圖（丙）所示，此時I0=A。

（3）為了節(jié)約用電，需要降低光照度閾值，應該把滑動變阻器阻值調。

【對點訓練2】為了節(jié)能環(huán)保，一些公共場所使用光控開關控制照明系統(tǒng)。光控開關可采用光敏電阻來控制，

光敏電阻是阻值隨著光的照度而發(fā)生變化的元件（照度可以反映光的強弱，光越強，照度越大，照度單位

為lx）。

（1）某光敏電阻R在不同照度下的阻值如下表，根據表中已知數據，在如圖甲的坐標系中描繪出了阻值隨

照度變化的曲線。由圖像可求出照度為0.6lx時的電阻約為kΩ。

（2）如圖乙，是街道路燈自動控制設計電路，利用直流電源為電磁鐵供電，利用照明電源為路燈供電。為

達到天亮燈熄、天暗燈亮的效果，路燈應接在（填“AB”或“BC”）之間。

【題型三】熱敏電阻的應用

【典型例題3】如圖甲所示為一個簡單恒溫箱的電路圖，其溫控電路由一熱敏電阻R和繼電器組成，圖乙為

該熱敏電阻的Rt圖像。初始時繼電器的銜鐵吸附在M端，當線圈中的電流大于或等于30mA時，銜鐵被

吸合到N端，則加熱電路停止工作。已知繼電器線圈的電阻為20，為繼電器線圈供電的電池電動勢

E9.0V，內阻不計，圖甲中的“電源”是恒溫箱加熱器的電源。

(1)應該把恒溫箱內的加熱器接在端（選填“A、B”或“C、D”）。

(2)如果要使恒溫箱內的溫度保持50C，熱敏電阻R的阻值為，可變電阻R的阻值應調節(jié)為

。

【對點訓練3】

某項目式學習小組，在老師帶領下設計了一個汽車輪胎溫度報警器，其電路如圖甲所示，其中溫度傳感器

R（T核心部件在常溫下阻值約為幾千歐姆的熱敏電阻）與一塊變阻箱并聯(lián)，滑動變阻器R1的最大阻值為10kΩ，

電路中沒有使用電流表，而是將一塊滿偏U027mV電壓表與定值電阻R0=90Ω并聯(lián)，電源不計內阻，且U=3V。

(1)在連接電路時可供選擇的變阻箱有兩個不同規(guī)格：阻值范圍為0-999.99Ω的變阻箱R2；阻值范圍為

0-9999.9Ω的變阻箱R3。應該選用（選填“R2”或“R3”）進行實驗。

(2)連接好電路后，在老師的帶領下同學們測量溫度傳感器RT“溫度一電阻”變化規(guī)律。閉合開關前應將變阻

器R1的滑片往（選填“a”或“b”）端滑。

(3)將圖乙所示的傳感器測溫探頭放在溫度不斷上升的水中，然后做如下操作：將S2閉合到“1”位置，調節(jié)滑

動變阻器，使電壓表的示數為U0（接近滿偏），再迅速將開關S2閉合到“2”位置，調節(jié)電阻箱使電壓表示數

再次為U0（忽略該操作過程液體溫度變化），此時變阻箱的阻值就是溫度傳感器熱敏電阻RT在此溫度下的

阻值。待溫度上升下一個記錄溫度時，重復上述操作得到了下表數據。

溫度/℃0102030405060708090100

阻值/kΩ9.995.203.001.601.000.700.830.400.310.240.20

請在圖丙坐標紙上將剩余的點描完，并繪出熱敏電阻，RT的阻值隨溫度變化規(guī)律。

(4)有同學利用測出的熱敏電阻RT的阻值隨溫度變化規(guī)律，又設計了如圖丁所示電路圖，采用量程為300μA

內阻為90Ω的電流表，將其改裝成3mA和15mA的量程，可以實現(xiàn)變檔測溫，通過控制開關S1能夠實現(xiàn)0~40℃

和0~100℃的兩種測溫范圍，改裝后的電流表不同檔位對應不同測溫范圍。由此可推測Rc=Ω。將開關

S1接到（選填“c”或“d”）測溫量程為0~100℃。

【基礎強化】

1．小欣同學發(fā)現(xiàn)學校樓道的燈，白天不亮，晚上經過樓道時，發(fā)出聲音才亮，她經過調查了解到樓道的燈

使用聲、光控照明系統(tǒng)，聲、光控開關需要同時滿足光線較暗、有活動聲音時才打開的工作要求（電源及

電流表內阻不計），其示意圖如圖甲所示。

（1）聲控開關和光控開關的連接方式為（填“串聯(lián)”或“并聯(lián)”）。

（2）其中光控開關的結構如圖乙所示，現(xiàn)用多用電表測量電磁繼電器的等效電阻，將多用電表的選擇開關

置于“1”擋，再將紅，黑表筆短接，調零后，測量的示數如圖丁所示，則電磁繼電器的等效電阻為

。光敏電阻的阻值隨照度（照度可以反映光的強弱，光越強，照度越大，單位為lx）的變化關系如圖丙

所示，由圖丙可知隨光照強度的增加，光敏電阻的阻值（選填“增大”、“減小”或“不變”）。

（3）已知光控開關的電源電動勢為3.0V，電阻箱的阻值為10。若設計要求當流過電磁繼電器的電流為

0.05A時，光控開關閉合，則此時的照度約為lx。為了節(jié)約用電，需要降低光照度值，應該把

電阻箱的阻值調（選填“大”、或“小”）。

2．為節(jié)能減排，保護環(huán)境，公共場所使用聲、光控照明系統(tǒng)，聲、光控開關需要同時滿足光線較暗、有活

動聲音時才打開的工作要求（電源及電流表內阻不計），其示意圖如圖甲所示。

（1）聲控開關和光控開關的連接方式為（填“串聯(lián)”或“并聯(lián)”）。

（2）其中光控開關的結構如圖乙所示，現(xiàn)用多用電表測量電磁繼電器的等效電阻，將多用電表的選擇開關

置于“1”擋，再將紅，黑表筆，調零后，測量的示數如圖丁所示，則電磁繼電器的等效電阻為

。光敏電阻的阻值隨照度（照度可以反映光的強弱，光越強，照度越大，單位為lx）的變化關系如圖丙

所示，由圖丙可知隨光照強度的增加，光敏電阻的阻值。

（3）已知光控開關的電源電動勢為3.0V，電阻箱的阻值為10。若設計要求當流過電磁繼電器的電流為

0.05A時，光控開關閉合，則此時的照度約為lx。為了節(jié)約用電，需要降低光照度值，應該把

電阻箱的阻值調。

3．小明利用熱敏電阻設計了一個“過熱自動報警電路”，如圖甲所示（虛線框內的連接沒有畫出）。將熱敏電

阻R安裝在需要探測溫度的地方，當環(huán)境溫度正常時，繼電器的上觸點接觸，下觸點分離，指示燈亮；當

環(huán)境溫度超過某一值時，繼電器的下觸點接觸，上觸點分離，警鈴響。圖甲中繼電器的供電電源E15V，

內阻不計，繼電器線圈用漆包線繞成，其電阻R030。當線圈中的電流大于等于50mA時，繼電器的銜

鐵將被吸合，警鈴響。圖乙是熱敏電阻的阻值隨溫度變化的圖像。

（1）由圖乙可知，當環(huán)境溫度為80℃時，熱敏電阻阻值為；

（2）由圖乙可知，當環(huán)境溫度升高時，熱敏電阻阻值將（選填“增大”、“減小”或“不變”），繼電器

的磁性將（選填“增強”、“減弱”或“不變”）；

（3）圖甲中指示燈的接線柱D應與接線柱相連（均選填“A”或“B”）；

（4）當環(huán)境溫度大于等于℃時，警鈴報警。

4．某一熱敏電阻的阻值R隨溫度變化的圖線如圖甲所示，現(xiàn)要利用該熱敏電阻組裝一個報警系統(tǒng)，要求當

熱敏電阻的溫度達到或超過60℃時，系統(tǒng)報警。提供的器材有：熱敏電阻報警器（內阻很小，流過的電流

超過Ic時就會報警，Ic約為10mA，流過的電流超過20mA時，報警器可能損壞），電阻箱（最大阻值為999.9Ω），

直流電源（輸出電壓為18V，內阻不計），滑動變阻器（最大阻值為2000Ω），單刀雙擲開關一個，導線若干。

（1）由甲圖可知，熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而（選填“增大”或“減小”）；

（2）按乙圖所示的電路圖組裝電路，并按照下列步驟調節(jié)此報警系統(tǒng)；

①電路接通前，滑動變阻器的滑片應置于（選填“a”或“b”）端附近；

②若已知該熱敏電阻在60℃時阻值為650.0Ω。則根據實驗要求，先將電阻箱調到一固定的阻值，這一阻值

為Ω；

③將開關向（填“c”或“d”）端閉合，緩慢移動滑動變阻器的滑片，直至報警器開始報警。

（3）保持滑動變阻器滑片的位置不變，將開關向另-端閉合，報警系統(tǒng)即可正常使用。

【素養(yǎng)提升】

5．門窗防盜報警裝置

（1）實驗目的：當門窗緊閉時，蜂鳴器不響，指示燈；當門窗被打開時，蜂鳴器發(fā)出聲音警報，指

示燈。

（2）實驗思路：可利用在磁場中的特性實現(xiàn)上述功能。如圖所示，門的上沿嵌入一小塊永磁

體M，門框內與M相對的位置嵌入干簧管SA，并將干簧管接入報警電路。干簧管可將門與門框的相對位置

這一非電學量轉換為電路的。

6．如圖是某同學用分體式位移傳感器測量位移的大小的實驗截屏，實驗過程中該同學將位移傳感器的發(fā)射

端固定在小車上，接收端固定在傾斜軌道上。該同學從軌道底部位置反復將小車反復往上推（該動作瞬間

完成）請根據圖像完成下列分析：

（1）由圖可知前8s內小車的位移大約為m。

（2）位移傳感器的接收端安裝在軌道的（填“頂端”或者“底端”）。

（3）該同學第2次推小車發(fā)生在s。

7．如圖甲所示，是某種材料制成的電阻R隨攝氏溫度t變化的圖象，若用該電阻與電池（電動勢E=1.5V，

內阻不計）、電流表（量程為5mA，內阻不計）、電阻箱R串聯(lián)起來，連接成如圖乙所示的電路，用該電阻

做測溫探頭，把電流表的電流刻度改為相應的溫度刻度，就得到了一個簡單的“金屬電阻溫度計”。

（1）該熱敏電阻最有可能的是由制作而成的（選填字母）

A、金屬合金材料B、半導體硅材料C、塑料材料

（2）電流刻度逐漸變大，材料所處環(huán)境對應的溫度在；（選填"變大”或“變小”）

（3）若電阻箱阻值R300Ω，當電流為3mA時對應的溫度數值為℃。

8．某物理興趣小組欲利用壓力傳感器制作成“蘋果自動分揀裝置”。

(1)已知某型號的壓力傳感器RN，在不同壓力下，其阻值約為十幾千歐~幾十千歐之間。為了精確測量傳感器

在不同壓力下的阻值，實驗室提供了以下器材：

電源E（電動勢為3V、內阻未知）

電流表A?（量程250μA、內阻約為50Ω）

電流表A?（量程10mA、內阻約為5Ω）

電壓表V?（量程3V、內阻約為3kΩ）

電壓表V?（量程15V、內阻約為15kΩ）

滑動變阻器R?（阻值0~10Ω、額定電流為2A）

滑動變阻器R?（阻值0~1000Ω、額定電流為0.5A）

①為了盡可能提高測量的準確性，電流表應選，電壓表應選，滑動變阻器應

選。（填寫器材名稱代號）

②選出最合理的實驗電路。

A．B．

C．D．

(2)某物理興趣小組通過多次實驗測得傳感器的阻值RN隨壓力F變化的關系圖像如圖甲所示，并利用該壓力

傳感器設計了如圖乙所示的“蘋果自動分揀裝置”。該裝置能把大小不同的蘋果，按一定質量標準自動分揀為

大蘋果和小蘋果。裝置中托盤置于壓力傳感器，RN上，托盤重力不計，蘋果經過托盤時對RN產生壓力。

初始狀態(tài)銜鐵水平，當R0兩端電壓（U2V時可激勵放大電路使電磁鐵工作，吸動銜鐵，并保持一段時

間，確保蘋果在銜鐵上運動時電磁鐵保持吸合狀態(tài)。已知電源電動勢E=6V，內阻不計，重力加速度取

g10m/s2

若要將質量大于等于200g和質量小于200g的蘋果分揀開，應將R0的阻值調為k（保留3位

有效數字），此時質量小于200g的蘋果將通過（選填“上通道”、“下通道”）。

【能力培優(yōu)】

9．某實驗小組利用壓力傳感器制作體重計，已知壓敏電阻阻值R隨壓力F變化的圖像如圖a所示。圖b為

體重計的電路圖，其中電源電動勢E6V，內阻不計，顯示體重的儀表G（其實質是毫安表，內阻rA=60Ω）。

踏板在杠桿AB中間，踏板和杠桿AB的質量不計，g10m/s2。實驗步驟如下：

步驟a：體重計上不放重物時，閉合開關，毫安表示數為