第5章 1 认识传感器 2 常见传感器的工作原理及应用-【优化探究】2025-2026学年新教材高中物理选择性必修第二册同步导学案配套PPT课件（人教版）单选

1　认识传感器 2　常见传感器的工作原理及应用 第五章　传感器 [学习目标]　1.了解传感器的原理及种类,知道传感器的组成与应用模式。2.知道光敏电阻、热敏电阻的特性和应用(重点)。3.了解霍尔元件的原理。4.会分析传感器在生活生产中的应用(难点)。 课时作业 巩固提升 要点1　认识传感器 要点2　常见传感器的工作原理及应用 要点3　霍尔元件　电容式传感器 内容索引 要点1　认识传感器 一 4 1.传感器 (1)定义：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____________(通常是____________、电流等电学量)输出，或转换为电路的____________的器件或装置。 (2)功能：把____________量转换为____________量，可以方便地进行 测量、传输、处理和____________。 可用信号 电压 通断 非电学 电学 控制 5 2.传感器的种类、组成与应用模式 (1)分类：按传感器的工作原理的不同，把传感器分为__________传感 器、__________传感器和__________传感器。 (2)组成：传感器主要由____________、转换元件组成。 ①敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。相当于人的感觉器官，是传感器的核心部分，是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等)制成的。 ②转换元件：将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。 物理 化学 生物 敏感元件 6 (3)应用模式 7 [例1]　关于传感器的作用,下列说法不正确的是(　　) A.通常的传感器不可以直接用来进行自动控制 B.传感器可以用来采集信息 C.传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量 D.传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量 D 传感器一定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的,不能实现自动控制,所以A正确;由于传感器可将非电学量转换成电学量,因此传感器也可以用来采集信息,所以B正确;传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量,但并不是将所有感受到的信号都转换为电学量,所以C正确,D错误。 [例2]　在多种检测三聚氰胺的方法中有一种“酶标法”检测,这种检测方法使用的传感器,应为传感器中的哪一类(　　) A.物理传感器　　　　　 B.化学传感器 C.生物传感器 D.温度传感器 “酶标法”的原理利用了生物酶,故应为生物传感器,C正确。 C [针对训练]　1.许多办公楼及宿舍楼的楼梯上的电灯白天不亮,到了晚上能够自动做到“人来即亮,人走即灭”,其神奇功能在于控制灯的“开关”传感器。下列有关该传感器的说法正确的是(　　) A.该传感器能够测量的物理量是位移和温度 B.该传感器能够测量的物理量是位移和光强 C.该传感器能够测量的物理量是光强和声音 D.该传感器能够测量的物理量是压力和位移 C 楼道中安装了自动灯光控制系统,白天灯不亮与光传感器有关;晚上有人经过时,灯自动亮起来,与声音有关,是声传感器,所以该传感器能够测量的物理量是光强和声音,C正确。 二 要点2　常见传感器的工作原理及应用 13 1.光敏电阻 (1)特点：光照越强，电阻____________。 (2)原理：无光照时，载流子极少，导电性能____________;随着光照的 增强，载流子____________，导电性____________。 (3)作用：把____________这个光学量转换为__________这个电学量。 梳理 必备知识 自主学习 越小 差 增多 变好 光照强弱 电阻 14 2.金属热电阻 金属的电阻率随温度的升高而增大，用金属丝可以制作_________传感器，称为热电阻，如图所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。 温度 15 3.热敏电阻 热敏电阻由半导体材料制成，其电阻随温度的变化非常_________，如图所示为某一热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线。 明显 16 4.电阻应变片 (1)电阻应变片的工作原理 ①金属的电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生机械形变，导体的长度、横截面积变化从而引起电阻变化。 ②半导体材料的压阻效应：单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化。 17 (2)力传感器——电子秤 ①组成：由金属梁和电阻应变片组成。 ②工作原理 ③作用：应变片将____________这个力学量转换为____________这个电学量。 电阻 电压 物体形变 电压 18 [思考与讨论] 将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将多用电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT(温度升高时电阻减小)的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中央。若在RT上擦一些酒精，多用电表指针将如何偏转?若用吹风机将热风吹向热敏电阻，多用电表指针将如何偏转? 提示：由于酒精挥发，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，多用电表指针将向左偏;用吹风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻RT温度升高，电阻值减小，多用电表指针将向右偏。 19 光敏电阻、金属热电阻和热敏电阻对比分析 归纳 关键能力 合作探究   特性 原因 光敏电阻 光照越强，电阻越小 光照增强，载流子增多，电阻减小 金属热电阻 温度越高，电阻越大 温度升高，金属电阻率增大，电阻增大 热敏电阻 负温度系数的热敏电阻 温度越高，电阻越小 温度升高，载流子增多，电阻减小 正温度系数的热敏电阻 温度越高，电阻越大 温度升高，载流子减少，电阻增大 20 [例3]　如图所示,R1、R2为定值电阻,L为小灯泡,R3为光敏电阻。当入射光强度增大时(　　) A.电压表的示数减小 B.R2中电流增大 C.小灯泡的功率增大 D.电路的路端电压增大 C 当入射光强度增大时,R3阻值减小,外电路总电阻随R3的减小而减小,由闭合电路欧姆定律知,干路电流增大,R1两端电压增大,电压表的示数增大,A项错误;同时内电压增大,故电路的路端电压减小,D项错误;因路端电压减小,且R1两端电压增大,故R2两端电压必减小,则R2中电流减小,B项错误;因干路电流增大,且R2中电流减小,则流过小灯泡的电流必增大,故小灯泡的功率增大,C项正确。 [例4]　如图所示,R1为定值电阻,R2为负温度系数的热敏电阻(负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻),L为小灯泡,当温度降低时(　　) A.R1两端的电压增大 B.电流表的示数增大 C.小灯泡的亮度变强 D.小灯泡的亮度变弱 C R2与灯泡L并联后再与R1串联,与电源构成闭合电路,当温度降低时,热敏电阻R2的电阻值增大,外电路电阻增大,电流表示数减小,R1两端的电压减小,灯泡L两端的电压增大,灯泡的亮度变强,故C正确。 [针对训练]　2.下列关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是(　　) A.应变片都是由半导体材料制成的 B.当应变片的表面拉伸时,其电阻变小;反之变大 C.传感器输出的是应变片上的电压 D.外力越大,输出的电压差值也越大 D 常见的电阻应变片有金属电阻应变片和半导体电阻应变片,故选项A错误;当应变片拉伸时,其电阻变大,反之变小,故选项B错误;传感器输出的是上、下两应变片上的电压差值,并且随着外力的增大,输出的电压差值越大,故选项C错误,D正确。 三 要点3　霍尔元件　电容式传感器 27 1.霍尔元件及工作原理 (1)霍尔元件 如图所示,在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上,制作四个电极E、F、M、N,它就成了一个霍尔元件。 (2)工作原理 外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力的作用,从而在薄片的一侧聚集,以致在薄片的另一侧会出现另一种电荷,从而形成电场;横向电场对载流子施加与洛伦兹力方向相反的静电力,当静电力与洛伦兹力达到平衡时,薄片左、右两侧会形成稳定的电压,设薄片左、右两侧的距离为l,薄片的厚度为d,则q=qvB。 根据电流的微观解释I=nqSv得,UH=。令k=,因n为单位体积内带电粒子的个数,q为单个带电粒子的电荷量,它们均为常数,所以UH=k。UH与B成正比,这就是霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因。 2.常见电容式传感器 名称 传感器 原理 测定角度θ的电容式传感器   当动片与定片之间的角度θ发生变化时,引起极板正对面积S的变化,使电容C发生变化,知道C的变化,就可以知道θ的变化情况 名称 传感器 原理 测定液面高度h的电容式传感器   在导线芯的外面涂上一层绝缘物质,放入导电液体中,导线芯和导电液体构成电容器的两个极,导线芯外面的绝缘物质就是电介质,液面高度h发生变化时,引起正对面积变化,使电容C发生变化,知道C的变化,就可以知道h的变化情况 名称 传感器 原理 测定压力F的电容式传感器   待测压力F作用于可动膜片的电极上时,膜片发生形变,使极板间距离d发生变化,引起电容C的变化,知道C的变化,就可以知道F的变化情况 名称 传感器 原理 测定位移x的电容式传感器   随着电介质板进入极板间的长度发生变化,电容C发生变化,知道C的变化,就可以知道x的变化情况 [例5]　霍尔元件是实际生活中的重要元件之一,广泛应用于测量和自动化技术等领域。如图所示为一长度一定的霍尔元件,磁感应强度为B的匀强磁场垂直于霍尔元件的工作面向下,在元件中通入图示从E到F方向的电流I,元件中的载流子为带负电的电荷,下列说法正确的是 (　　) A.该元件能把电学量转化为磁学量 B.该元件C面的电势高于D面的 C.如果用该元件测赤道处地磁场的磁感应强度,应保持C、D面水平 D.如果流过霍尔元件的电流大小不变,则元件C、D面的电势差与磁场的磁感应强度成正比 D 霍尔元件是能够把磁学量转换为电学量的传感器,A错误;根据左手定则可知,带负电的电荷向C面偏转,C面带负电,D面带正电,所以D面的电势高,B错误;在测定地球赤道处地磁场的磁感应强度时,应将元件的C、D面保持竖直,让磁场垂直通过元件的工作面,C错误;运动电荷最终在电场力和洛伦兹力的作用下处于平衡状态,设霍尔元件的长、宽、高分别为a、b、d,则有q=qvB,电流的微观表达式为I =nqvS=nqvbd,所以U= ,因n、q、d均为定值,如果流过霍尔元件的电流大小 不变,则元件C、D面的电势差与磁场的磁感应强度成正比, D正确。 [针对训练]　3.传感器是把非电学量(如位移、速度、压力、角度等)转换成电学量(如电压、电流、电阻等)的一种元件或装置。如图所示的甲、乙、丙、丁是四种常见的电容式传感器,下列说法正确的是(　　) A.图甲中两极板所带电荷量不变,若电压减小,可判断出h变小 B.图乙中两极板所带电荷量不变,若电压增大,可判断出θ变小 C.图丙中两极板间的电压不变,若有电流流向传感器的负极,则x变大 D.图丁中两极板间的电压不变,若有电流流向传感器的正极,则F变大 答案:D 题图甲中若h变小,则两极板正对面积变小,由电容的决定式C=知,C变小,由于两极板所带电荷量不变,则由电容的定义式C=分析可知电压变大,故A错误;若题图乙中θ变小,则两极板正对面积增大,由电容的决定式C=知电容增大,两极板所带电荷量不变,则由电容的定义式C=分析可知电压减小,故B错误;题图丙中两极板间的电压不变,若有电流流向传感器的负极,则电容器在放电,所带电荷量减小,由电容的定义式C=分析可知,电容减小,由电容的决定式C=知,电介质向外移动,则x变小,故C错误;题图丁中两极板间的电压不变,若有电流流向传感器的正极,则电容器在充电,所带电荷量增加,由电容的定义式C=分析可知,电容增大,由电容的决定式C=知,两极板间距离减小,则F变大,故D正确。 四 课时作业 巩固提升 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 [A组　基础巩固练] 1.下列关于传感器的说法,正确的是(　　) A.所有传感器都是由半导体材料制成的 B.传感器不是电视遥控接收器的主要元件 C.话筒中的传感器将电信号转换为声信号 D.传感器能将非电学量按一定规律转换为电学量或者电路的通断 D 传感器材料有半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等,A错误;电视遥控接收器的主要元件是红外线传感器,B错误;话筒中的传感器是声传感器,它将声信号转换为电信号,C错误;传感器能将非电学量按一定规律转换为电学量或者电路的通断,D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2.关于传感器,下列说法正确的是(　　) A.所有传感器都只能感受物理成分 B.金属材料也可以制成传感器 C.传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的 D.水银温度计是一种传感器 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 B 传感器可以感受物理、化学、生物等成分,A错误;传感器材料分为半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等,B正确;传感器是通过把非电学量转换成电学量来传递信号的,C错误;水银温度计根据热胀冷缩来测量温度,不是传感器,D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 3.关于传感器工作的一般流程,下列说法中正确的是(　　) A.非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件 B.电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量 C.非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量 D.非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 C 传感器工作的一般流程为:非电学量被敏感元件感知,然后通过转换元件转换成电信号,再通过转换电路将此信号转换成易于传输或测量的电学量,故A、B、D错误,C正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 4.关于传感器的作用,下列说法正确的是(　　) A.传感器一定是把非电学量转换为电学量 B.传感器一定是把非电学量转换为电路的通断 C.传感器把非电学量转换为电学量是为了方便进行测量、传输、处理和控制 D.电磁感应是把磁学量转换成电学量,所以电磁感应也是传感器 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 C 根据传感器的概念和工作原理可以判断C正确,A、B错误;电磁感应是一种现象,既不是器件,也不是装置,不能称为传感器,D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 5.利用光敏电阻制作的光传感器,记录了传送带上工件的输送情况,如图甲所示为某工厂成品包装车间的光传感记录器,光传感器B能接收到发光元件A发出的光,每当工件挡住A发出的光时,光传感器输出一个电信号,并在屏幕上显示出电信号与时间的关系,如图乙所示。若传送带始终匀速运动,每两个工件间的距离为0.2 m,则下述说法正确的是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 A.传送带运动的速度是0.1 m/s B.传送带运动的速度是0.5 m/s C.该传送带每小时输送3 600个工件 D.该传送带每小时输送7 200个工件 答案:C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 由题图乙可知,每隔1 s记录一个工件,因此传送带运动的速度是0.2 m/s,每小时该传送带输送3 600个工件,故选项C正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 6.通常当人走向银行门口时,门就会自动打开,是因为门上安装了(　　) A.温度传感器　　　　　　 B.压力传感器 C.红外线传感器 D.声音传感器 人走向门口时,门会自动打开,是因为安装了红外线传感器,从而能感知红外线,导致门被打开,故选C。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 C 7.某同学发现他家居住的楼房中,楼梯上的过道灯在夜晚天黑时,用力拍掌就亮了,而白天怎样用力拍掌,灯都不能亮。后来老师告诉他,过道灯是由声传感器和光传感器共同来控制的,其原理如图所示。下列关于声传感器和光传感器的说法正确的是(　　) A.白天有光照时,光传感器自动闭合 B.夜晚无光照时,光传感器自动断开 C.有人走动发出声音时,声传感器自动闭合 D.无人走动没有声音时,声传感器自动闭合 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 C 白天有光照时,光传感器自动断开,故A错误;夜晚无光照时,光传感器自动闭合,故B错误;有人走动发出声音时,声传感器自动闭合,故C正确;无人走动没有声音时,声传感器自动断开,故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 8.现代生活离不开智能手机,手机中有很多特殊功能需要传感器来实现。例如,当人将手机靠近耳朵附近接听电话时,手机会自动关闭屏幕从而达到省电的目的,实现这一功能可能用到的传感器为(　　) A.光传感器和位移传感器 B.磁传感器和温度传感器 C.磁传感器和声传感器 D.压力传感器和加速度传感器 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 A 当人将手机靠近耳朵附近接听电话时,改变了手机距离人体的位移,并且耳朵可能挡住了部分光线,所以可能用到的传感器为光传感器和位移传感器,A正确;当人将手机靠近耳朵附近接听电话时,没有发生磁场的变化,也没有产生特别的压力,B、C、D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 [B组　综合强化练] 9.传感器是智能社会的基础元件。如图为电容式位移传感器的示意图,观测电容C的变化即可知道物体位移x的变化,表示该传感器的灵敏度。电容器极板和电介质板长度均为L,测量范围为-≤x≤。下列说法正确的是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 A.电容器的电容变小,物体向-x方向运动 B.电容器的电容变大,物体向+x方向运动 C.电介质的介电常数越大,传感器灵敏度越高 D.电容器的板间电压越大,传感器灵敏度越高 答案:C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 根据电容决定式C=可知,电容器的电容变大,说明电容器极板间的电介质板长度增加,则物体沿-x方向运动,故A、B错误;电介质的介电常数εr越大,电介质板移动相同的位移,电容的变化量ΔC越大,传感器灵敏度越高,故C正确;电容器的板间电压变化,电容不发生变化,则传感器灵敏度不变,故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 10.传感器在自动控制中有着相当广泛的应用。有一种测量人的体重的电子秤,其测量部分的原理图如图中的虚线框所示,它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)、显示体重大小的仪表A(实质是理想的电流表)组成。 压力传感器表面能承受的最大压强为1×107 Pa,且已知压力传感器R的电阻与所受压力的关系如下表所示。设踏板和压杆的质量可以忽略不计,接通电源后,压力传感器两端的电压恒为4.8 V,g取10 m/s2。请回答: 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 压力 F/N 0 250 500 750 1 000 1 250 1 500 … 电阻 R/ Ω 300 270 240 210 180 150 120 … (1)该秤零起点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘 　 　　　A处。  (1)由题知,踏板空载时,压力传感器电阻R=300 Ω,此时A中电流I== A=1.6×10-2 A。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 1.6×10-2 (2)如果某人站在该秤踏板上,电流表刻度盘的示数为20 mA,则这个人的体重是　　　　kg。  (2)当电流I'=20 mA=20×10-3 A时,压力传感器的电阻R'== Ω =240 Ω,对应表格可知,这个人的体重为50 kg。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 50 [C组　培优选做练] 11.压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小。有一位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置,其工作原理如图甲所示。将压敏电阻和一块挡板固定在水平光滑绝缘小车上,中间放置一个绝缘重球。小车在水平面内向右做直线运动的过程中,电流表示数如图乙所示,0~t1时间内小车向右做匀速直线运动。下列判断正确的是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 A.从t1到t2时间内,小车做匀速直线运动 B.从t1到t2时间内,小车做匀加速直线运动 C.从t2到t3时间内,小车做匀速直线运动 D.从t2到t3时间内,小车做匀加速直线运动 答案:D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 分析题图乙中电流随时间的变化关系可以得出,在t1~t2时间内,电流增大,表明题图甲中压敏电阻的阻值逐渐减小,即压敏电阻受到的压力逐渐增大,所以可判断小车在向右做加速度逐渐增大的加速运动;在t2~t3时间内,电流在较大数值上保持恒定,说明电阻保持一个较小值,即受到的压力保持恒定,说明小车在向右做匀加速直线运动,故选项D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 $$