第5章 第1、2节 认识传感器 常见传感器的工作原理及应用-【创新教程】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册五维课堂同步Word教案（人教版2019）

第1节　认识传感器 第2节　常见传感器的工作原理及应用 知识导图 核心素养 1.物理观念：借助传感器概念及传感器的分类体会物理观念生成过程中蕴含的主要思想方法 2.科学思维：通过传感器的工作原理及敏感元件的特性体会物理模型在探索自然规律中的作用 3.科学态度与责任：通过传感器在生活、科技中的实例感受传感器的应用技术在信息时代的作用与意义 [知识梳理] 知识点一　认识传感器 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可用 电信号 (通常是 电压 、电流等电学量)输出，或转换为电路的 通断 的器件或装置． (2)功能：把 非电学 量转化为 电学 量，可以方便地进行测量、传输、处理和 控制 ． 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 物理 传感器、 化学 传感器和 生物 传感器． (2)组成：传感器主要由 敏感元件 、转换元件组成． (3)应用模式 知识点二　常见传感器的工作原理及应用 1．光敏电阻 (1)特点：在被光照射时 电阻 发生变化． (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．金属热电阻和热敏电阻 (1)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，如图所示为某金属导线电阻的温度特性曲线． (2)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明显，温度升高电阻 减小 ，如图所示为某一热敏电阻的电阻随温度变化的特性曲线． (3)作用：金属热电阻和热敏电阻把 温度 这个热学量转换为 电阻 这个电学量． 3．电阻应变片 (1)特点： 阻值 随着所受机械形变的变化而变化． (2)原因：电阻与导体的材料、长度和横截面积有关．当金属丝受到拉力时，长度变长、横截面积变小，导致电阻 变大 ；当金属丝受到压力时，长度变短、横截面积变大，导致电阻 变小 ． (3)作用：把 物体形变 这个力学量转换为 电阻 这个电学量． [基础自测] 1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)传感器一般是把非电学量转换为电学量或转换为电路的通断( √ ) (2)传感器一定是把非电学量转换为电路的通断( × ) (3)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( √ ) (4)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．声控灯有一种有趣的现象，那就是光线充足时，任你发出多大的声音都不亮；但在黑夜，轻轻一声它就发出亮光，这是为什么呢？ 提示　声控灯全名应该为——声光控灯，声控灯中有光控电路，使其在光线足够的时候不工作，所以声控灯的控制盒实际上是声、光同时控制的，在光线充足的情况下灯不会亮，起到日熄夜亮的控制作用，以节约用电． 3．火灾探测器的核心元件为光敏传感器，当烟雾在空气中的浓度超过设定值时，可以触发报警，并对外发出声光报警信号．此时传感器是将什么量进行转化的？ 提示　传感器是将烟雾产生的光学量转化为电路的电学量，使电路接通，从而对外发出声光报警信号． 　　 传感器的原理和分类 ◆[探究导引] 　(1)现代的工农业生产和日常生活中大量的应用了传感器，给我们的生产和生活带来了极大的方便．传感器是起什么作用的元件？ (2)夜晚，楼道里漆黑一片，但随着我们的脚步声响，楼道的灯亮了，身后的灯则依次熄灭．这其中的奥秘是什么？ 提示　(1)传感器是一种将非电学量转换为电学量的元件． (2)在电路中安装了一种能将声、光信号转换为电信号的传感器——声光延时开关． ◆[探究归纳] 1．传感器的核心元件 (1)敏感元件：相当于人的感觉器官，直接感受被测量，并将其变换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量． (2)转换元件：也称为传感元件，通常不直接感受被测量，而是将敏感元件输出的物理量转换成电学量输出． (3)转换电路：是将转换元件输出的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流等． 2．传感器的工作原理 传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后再输送给控制系统产生各种控制动作．传感器的工作原理如下所示： →→→→ 3．分类 工作原理 举例 物理传感器 利用物质的物理性质和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 利用化学反应识别和检测信息 离子传感器、气体传感器等 生物传感器 利用生物化学反应识别和检测信号 酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等 [例1]　如图是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置．其中电源电压保持不变，R是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端．在装置中使用了一只电压表(图中没有画出)，通过观察电压表示数，可以了解油量情况，你认为电压表应该接在图中的________两点之间，按照你的接法请回答：当油箱中油量减少时，电压表的示数将________(选填“增大”或“减小”)． [思路点拨]　→→→ [解析]　定值电阻R′和滑动变阻器是串联的，当油箱中的油量减少时，浮标下降，杠杆的左端下降，右端上翘，滑动变阻器连入电路的电阻增大，分担的电压增大，定值电阻分担的电压减小，所以电压表应接在c、d之间与定值电阻并联；油量减少，电压表示数减小． [答案]　c、d　减小 [规律总结]　对传感器的进一步理解 1．不同的传感器的原理不同，但都是通过敏感元件把非电学量的变化转变为电学量的变化． 2．传感器输出的电学量可能为电流、电压、电路通断等，不一定是电压． 3．敏感元件只是传感器的一个关键部分并不一定就是一个完整的传感器． ◆[跟进训练] 1．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 解析：C　[传感器工作的一般流程为非电学量 敏感元件转换元件 转换电路 电学量，因此A、B、D错，C正确．] 2．很多汽车的车窗有防夹手功能．车窗在关闭过程中碰到障碍时会停止并打开．实现该功能可能使用的传感器是(　　) A．生物传感器　　 B．气体传感器 C．温度传感器 D．压力传感器 解析：D　[汽车的车窗有防夹手功能，在关闭过程中碰到障碍时会停止并打开，这是因为使用压力传感器，故D正确，A、B、C错误．] 对敏感元件的认识 ◆[探究导引] 　在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以准确得知生产产品的数量，如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻．此光电计数器的基本工作原理是什么？ 提示　当光被产品挡住时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个产品就获得一次低电压，并计数一次． ◆[探究归纳] 1．光敏电阻：光敏电阻一般由半导体材料制成，当半导体材料受到光照时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也形成更多的空穴，于是导电性能明显增强．光敏电阻把光照的强弱转换为电阻的大小． 2．热敏电阻和金属热电阻的特点 (1)热敏电阻的两种型号及其分类 热敏电阻器是电阻值随温度变化而变化的敏感元件．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．热敏电阻器可按电阻温度特性、材料、结构、工作方式、工作温度和用途进行分类. 分类方式 类别 电阻温度特性 正温度系数、负温度系数 材料 金属、半导体(单晶体、多晶体、陶瓷) 结构 珠状、片状、杆状、膜状 工作方式 直热式、旁热式 工作温度 常温、高温、低温 用途 测温控温、辐射能(功率)测量、稳压(稳幅)等 (2)热敏电阻与金属热电阻的区别 热敏电阻 金属热电阻 特点 电阻率随温度的变化而变化非常明显 电阻率随温度的升高而增大 制作材料 半导体 金属导体 优点 灵敏度好 化学稳定性好，测温范围大 作用 能够将温度这个热学量转换为电阻这个电学量 3.电阻应变片的应用——电子秤 (1)组成：由金属梁和应变片组成． (2)工作原理：如图所示，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小．F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大．如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上表面应变片两端的电压变大，下表面应变片两端的电压变小．传感器把这两个电压的差值输出．外力越大，输出的电压差值也就越大，由电压差值的大小，即可得到外力F的大小． [例2]　(多选)在温控电路中，通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制．如图所示电路，R1为定值电阻，R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小)，C为电容器．当环境温度降低时(　　) A．电容器C的带电荷量增大 B．电压表的读数增大 C．电容器C两板间的电场强度减小 D．R1消耗的功率增大 [思路点拨]　解答本题时可按以下思路分析： →→→→→ 解析：AB　[当环境温度降低时，R2变大，电路的总电阻变大，由I＝知I变小，又U＝E－Ir，电压表的读数U增大，故B正确；又由U1＝IR1及P1＝I2R1可知U1变小，R1消耗的功率P1变小，故D错误；电容器两板间的电压U2＝U－U1，U2变大，由场强E′＝，Q＝CU2可知Q、E′都增大，故A正确，C错误．] [规律总结] 传感器问题中的电路动态分析的四点注意 (1)如果涉及光敏电阻，必须明确光照情况怎样变化，从而判断出其阻值的变化． (2)如果涉及热敏电阻，必须明确是正温度系数还是负温度系数的热敏电阻及温度变化情况，从而判断其阻值的变化． (3)如果是其他元件引起的电路变化可具体问题具体分析． (4)结合电路结构特点及局部阻值的变化，根据闭合电路的欧姆定律等规律分析有关物理量的变化． ◆[跟进训练] 1．(多选)如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时(　　) A．电压表的示数增大 B．R2中电流减小 C．小灯泡的功率增大 D．电路的路端电压增大 解析：ABC　[当照射光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，A项正确，D项错误；由路端电压减小，而R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大，C项正确．] 2．(多选)下列关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是(　　) A．应变片是由导体材料制成 B．当应变片的表面拉伸时，其电阻变大；反之变小 C．传感器输出的是应变片上的电压 D．外力越大，输出的电压值也越大 解析：BD　[应变片多用半导体材料制成，故选项A错误；当应变片拉伸时，其电阻变大，选项B正确；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，选项D正确．] [易错点]　不能正确理解传感器的工作原理而出错 [例]　(多选)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，其工作原理图如图甲所示．将压敏电阻和一块挡板固定在水平绝缘小车上，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，压敏电阻受力为零时，I＝I1，下列判断正确的是(　　) A．从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动 B．从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动 C．从t3到t4时间内，小车做匀加速直线运动 D．从t4到t5时间内，小车可能做减速直线运动 [正解]　ACD [解析]　由电流表示数随时间变化的图线可知，从t1到t2时间内，电流表示数不变且大于I1，说明压敏电阻的阻值不变，压敏电阻所受压力不变，小车做匀加速运动，选项A正确；从t2到t3时间内，电流表示数逐渐增大，说明压敏电阻的阻值随时间减小，压敏电阻所受压力逐渐增大，小车做加速度逐渐增大的加速运动，选项B错误；从t3到t4时间内，电流表示数不变且大于I1，说明压敏电阻的阻值不变，压敏电阻所受压力不变，小车做匀加速运动，选项C正确；从t4到t5时间内，电流表示数不变，为I1根据题述可知压敏电阻的阻值不变且所受压力为零，小车可能做匀速直线运动或减速直线运动，选项D正确． [易错分析]　错误地认为电流均匀增加则速度均匀增加，电流不变则速度不变，而错选B选项． [误区警示]　 分析此类问题，首先要明确传感器的特征，再结合具体电路进行分析和计算． ◆[课堂小结] 　　 1．(传感器的工作原理及应用)传感器可以进行信息采集并把采集到的信息转换为易于控制的量，其工作过程可能是(　　) A．将力学量(如形变量)转换成磁学量 B．将电学量转换成热学量 C．将光学量转换成电学量 D．将电学量转换成力学量 解析：C　[传感器是指能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量或转换为控制电路的通断的一类元件，故只有C项正确．] 2．(传感器的工作原理)下列电器中，应用了压力传感器的是(　　) A．红外数字温度计 B．天黑自动开启的路灯 C．数字体重计 D．白炽灯泡 解析：C　[红外数字温度计应用了红外传感器，不符合题意，故A错误；天黑自动开启的路灯使用了光敏电阻传感器，不符合题意，故B错误；数字体重计采用了压力传感器，符合题意，故C正确；白炽灯泡将电能转化为热，然后转化为光，不符合题意，故D错误．] 3．(认识传感器)有一电学元件，温度升高时其电阻减小，这种元件可能是(　　) A．金属导体　　　　　 B．光敏电阻 C．NTC热敏电阻 D．PTC热敏电阻 解析：C　[金属导体电阻值一般随温度升高而增大，光敏电阻电阻值随光照强度的增大而减小，PTC热敏电阻的阻值随温度的升高而增大，只有NTC热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，C对，A、B、D错．] 4．(传感器的工作原理及应用)(多选)如图所示电路中，电源电动势为E，内阻为r，RT为负温度系数热敏电阻，R为光敏电阻，闭合开关后，小灯泡L正常发光，由于环境条件改变(光照或温度)，发现小灯泡亮度变暗，则引起小灯泡变暗的原因可能是(　　) A．温度不变，光照增强 B．温度升高，光照不变 C．温度降低，光照增强 D．温度升高，光照减弱 解析：AC　[由题图可知，当光敏电阻阻值减小或热敏电阻阻值增大时，小灯泡L都会变暗，结合光敏电阻特性可知，A正确，B错误；若光敏电阻阻值减小的同时，热敏电阻的阻值增大，小灯泡L变暗，C正确；若热敏电阻减小，光敏电阻增大，则小灯泡变亮，D错误．] 5．(电容式话筒感器)如图所示的电容式话筒就是一种电容式传感器，其原理是：导电性振动膜片与固定电极构成了一个电容器，当振动膜片在声音的作用下振动时，两个电极之间的电容发生变化，电路中电流随之变化，这样声信号就变成了电信号，则当振动膜片向左振动时(　　) A．电容器的电容增大 B．电容器带电荷量减少 C．电容器两极板间的场强增大 D．电阻R中的电流方向自右向左 解析：B　[振动膜片向左振动时电容器两极板间的距离变大，由C＝可知电容器的电容减小，A错误；由C＝可知，在U不变的情况下，C减小则Q减小，电容器处于放电状态，R中电流方向自左向右，B正确，D错误；依据E＝可知，电容器两极板间的场强减小，C错误．] 学科网（北京）股份有限公司 $$