5.1 认识传感器&5.2 常见传感器的工作原理及应用（课件PPT）-【金榜题名】2025-2026学年高二物理选择性必修第二册高中同步学案（人教版）

第五章　传感器 5．1　认识传感器 5．2　常见传感器的工作原理及应用 物理 选择性必修2 第五章　传感器 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修2 第五章　传感器 返回导航 返回导航 返回导航 目录 contents Part 01 课前预习 梳理教材 课堂探究 核心突破 Part 02 课堂达标 素养提升 Part 03 课时作业（十八） Part 04 物理 选择性必修2 第五章　传感器 返回导航 返回导航 返回导航 课前预习 梳理教材 物理 选择性必修2 第五章　传感器 返回导航 返回导航 返回导航 明暗 强弱 低于 高于 红外线 红外线传感器 物理 选择性必修2 第五章　传感器 返回导航 返回导航 返回导航 乙醇传感器 浓度 规律 电压 电流 电路的通断 物理 选择性必修2 第五章　传感器 返回导航 返回导航 返回导航 力传感器 磁传感器 声传感器 成分 浓度 酶传感器 微生物传感器 物理 选择性必修2 第五章　传感器 返回导航 返回导航 返回导航 非电学量 电信号 检测 转换 物理 选择性必修2 第五章　传感器 返回导航 返回导航 返回导航 越小 差 增强 变好 光照强弱 电阻 物理 选择性必修2 第五章　传感器 返回导航 返回导航 返回导航 减小 物理 选择性必修2 第五章　传感器 返回导航 返回导航 返回导航 增大 物理 选择性必修2 第五章　传感器 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修2 第五章　传感器 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修2 第五章　传感器 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修2 第五章　传感器 返回导航 返回导航 返回导航 物体形变 电压 电阻 电压 物理 选择性必修2 第五章　传感器 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修2 第五章　传感器 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修2 第五章　传感器 返回导航 返回导航 返回导航 课堂探究 核心突破 物理 选择性必修2 第五章　传感器 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修2 第五章　传感器 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修2 第五章　传感器 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修2 第五章　传感器 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修2 第五章　传感器 返回导航 返回导航 返回导航 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1．传感器的种类：________、________、________等物理传感器。 2．电化学反应原理：把无机或有机化学物质的____、____等转换为电信号。 3．生物活性物质：利用生物活性物质选择性来识别和测定生物化学物质，如________、____________、细胞传感器等生物传感器。 三、传感器的组成与应用模式 1．敏感元件：是指能直接感受或响应外界被测________的部分。 2．转换元件：是指能将敏感元件输出的信号直接转换成______的部分。 它们分别完成____和____两个基本功能。 四、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。 五、金属热电阻和热敏电阻 1．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，湿度升高电阻____，如图甲所示为某一热敏电阻的电阻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．热敏电阻与金属热电阻的区别 热敏电阻 金属热电阻 特点 电阻随温度的变化而变化且非常明显 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 4.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。 六、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。 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 eq \x(\a\al(金属梁,自由端,受力F))→eq \x(\a\al(梁发生,弯曲))→eq \x(\a\al(应变片,的_____,变化))→eq \x(\a\al(两片变片,上 _____ 的,差值变化)) (3)作用：应变片将________这个力学量转换为____这个电学量。 [自我诊断] 　判断下列说法的正误。 (1)传感器只能感受温度和光两个物理量。(　　) (2)传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量。(　　) (3)随着光照的增强，光敏电阻的电阻值逐渐增大。(　　) (4)只有热敏电阻才能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。(　　) (5)热敏电阻是由金属制成的，对温度感知灵敏。(　　) (6)电子秤所使用的测力装置是力传感器，它是把力信号转化为电压信号。(　　) 【答案】　(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)×　(6)√ 一、传感器 　干簧管结构：如图甲所示，玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片，接入图乙电路，当条形磁体靠近干簧管时： (1)会发生什么现象，为什么？ (2)干簧管的作用是什么？ 【答案】　(1)灯泡会亮，因为当条形磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通。 (2)干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器。 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，如温度、位移等。 (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： eq \x(非电学量)→eq \x(敏感元件)→eq \x(转换器件)→eq \x(转换电路)→eq \x(电学量) 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 压力传感器、温度传感器、光电传感器、电感传感器、电容传感器等 化学传感器 利用化学反应识别和检测信息 气敏传感器、湿敏传感器等 生物传感器 利用生物化学反应识别和检测信号 酶传感器、组织传感器、细胞传感器等 　全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一，为模仿汽车油表原理，某同学自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。如图所示，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。该同学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________(填“增大”或“减小”)。 【解析】　由题图可知当油箱内液面高度变化时，R的金属滑片将会移动，从而引起R两端电压的变化，且当R′≫R时，UR＝IR可视为UR与R成正比，所以电压表应接在b、c两点之间，当油量减少时，浮标下移，右端接入滑动变阻器的电阻变大，电压表示数将增大。 【答案】　b、c　增大 核心素养·思维升华 传感器问题的分析思路 (1)明确传感器的类型，了解传感器的工作原理。 (2)确定传感器中的什么量变化时可以引起电学量的变化。 (3)根据电学量的变化确定相关物理量的变化。 ◆针对训练1　(多选)关于传感器的作用，下列说法正确的是(　　) A．通常的传感器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 【解析】　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，A错误；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，B正确；传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量，比如：光敏电阻在有光照射时，电阻会变小，C正确，D错误。 【答案】　BC 二、光敏电阻 　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？ 【答案】　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。 1．当半导体材料受到光照或者温度升高时，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，于是导电能力明显增强。 2．光敏电阻是用半导体材料(如硫化镉)制成的。它的特点是光照越强，电阻越小。它能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。 3．火灾报警器： (1)如图所示为利用烟雾对光的散射来工作的一种火灾报警器，其工作原理是： 带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板。平时，光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态。 (2)烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小。与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报。 　(多选)如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当入射光强度增大时(　　) 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】　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，同时内电压增大，故电路的路端电压减小，A项正确，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项正确；因干路电流增大，且R2中电流减小，知流过小灯泡的电流必增大，故小灯泡的功率增大，C项正确。 【答案】　ABC 三、金属热电阻和热敏电阻 如图所示，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，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？ 【答案】　由于酒精挥发，热敏电阻RT温度降低，电阻值僮增大，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。 热敏电阻和金属热电阻的特点 (1)热敏电阻：用半导体材料制成，电阻值随温度变化发生明显变化的电阻。如图①所示为某热敏电阻的电阻—温度特性曲线。 (2)金属热电阻：有些金属的电阻率随温度的升高而增大，如图②所示，这样的电阻也可以制作温度传感器。热敏电阻或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，但相比而言，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，而热敏电阻的灵敏度较好。 　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 【解析】　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电阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，灯泡L两端的电压增大，灯泡的亮度变强，R1两端的电压减小，故只有C正确。 【答案】　C 四、电阻应变片 　如图所示是一个应变式力传感器，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。结合力传感器的特点，叙述它的工作原理。 【答案】　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。力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。力F越大，输出的电压差值也就越大。 　有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图所示。它主要由三部分构成：踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值可随压力大小而变化的电阻器)、显示体重的仪表(其实质是电流表)。其中AO∶BO＝5∶1。已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示： 压力F/N 0 50 100 150 200 250 300 … 电阻R/Ω 300 270 240 210 180 150 120 … 踏板的杠杆组件的质量不计，接通电源后，压力传感器两端电压恒为4.68 V，则： (1)利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式； (2)该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘多少毫安处？ (3)如果某人站在踏板上，电流表刻度盘示数为20 mA，这个人的体重是多少？(取g＝10 N/kg) 【解析】　(1)由表中数据可归纳得出：R＝300－0.6F。 (2)依题意可知，电子秤空载时压力传感器受到的压力为零，电阻R1＝300 Ω，电路中的电流为I1＝eq \f(U,R1)＝eq \f(4.68,300) A＝15.6 mA，所以该秤零刻度线应标在电流表刻度盘的15.6 mA处。 (3)当电流表刻度盘的读数为I2＝20 mA时，压力传感器的电阻 R2＝eq \f(U,I2)＝eq \f(4.68,20×10－3) Ω＝234 Ω， 由R＝300－0.6F，解得F2＝110 N。 再由F2·AO＝G·BO， 可得G＝550 N。 故人的体重为m＝eq \f(G,g)＝55 kg。 【答案】　(1)R＝300－0.6 F　(2)15.6 mA (3)55 kg 1．传感器已广泛应用在生产、生活中，下列关于传感器的说法正确的是(　　) A．火警报警器使用了压力传感器 B．冰箱控温系统使用了温度传感器 C．商场里的自动门使用了光传感器 D．夜间自动打开的路灯使用了温度传感器 【解析】　火警报警器使用了温度传感器，故A错误；冰箱控温系统使用了温度传感器，故B正确；一般人体都有恒定的体温，一般在37 ℃，所以会发出特定波长的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的，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C错误；灯要求夜晚亮、白天熄，而白天有光，黑夜没有光，则是由光导致电路的电流变化，所以电路中光传感器导致电阻变化，实现自动控制，因此是利用半导体的光敏性，即为光电传感器，故D错误。 【答案】　B 2．(多选)如图所示是某居住小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，R1为光敏电阻、R2为定值电阻，A、B接监控装置，则(　　) A．当有人通过而遮住光线时，A、B之间电压升高 B．当有人通过而遮住光线时，A、B之间电压降低 C．当仅增大R2的阻值时，可增大A、B之间的电压 D．当仅减小R2的阻值时，可增大A、B之间的电压 【解析】　R1是光敏电阻，当有人通过而遮住光线时，R1的阻值变大，回路中的电流I减小，A、B间的电压U＝IR2减小，故A项错误，B项正确；由闭合电路的欧姆定律得U＝E－I(R1＋r)，当仅增大R2的阻值时，电路中的电流减小，可得A、B间的电压U增大，故C项正确；当减小R2的阻值时，电路中的电流增大，A、B间的电压U减小，故D项错误。 【答案】　BC 3．家用电热灭蚊器正常工作时其发热电阻产生的热量和向环境辐射的热量相等，可以维持其温度在165 ℃左右，其发热电阻随温度的变化图像如图所示。下列说法正确的是(　　) A．t1＝165 ℃ B．t1<165 ℃<t2 C．通过该发热电阻的电流与电压成正比 D．通过该发热电阻的电流与温度成正比 【解析】　由图像可知，在0～t1这区间里电阻R随温度升高而减小；在t1～t2这区间里电阻R随温度的升高而增大；在大于t2区间里电阻R随温度的升高而减小。在家庭电路中电压不变，根据电功率P＝eq \f(U2,R)，可知电阻的发热功率与电阻成反比。在温度升到t1前，电阻R随温度的升高而减小，功率增大，温度升高更快；温度一旦超过t1，电阻R随温度的升高而 增大，功率减小，放出热量减小，温度升高变慢，当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1至t2间的某一值不变，保持稳定，故t1<165 ℃<t2，故A错误，B正确；在家庭电路中电压不变，根据I＝eq \f(U,R)，可知电流与电阻成反比，由图可知，温度一直增大，但电阻先减小后增大再减小，故电流先增大后减小再增大，故C、D错误。 【答案】　B 4．压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学设计了利用压敏电阻判断竖直升降机运动状态的装置，其工作原理图如图甲所示，将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动的过程中，电流表示数如图乙所示，已知升降机静止时电流表的示数为I1，下列判断正确的是(　　) A．0到t1时间内，升降机一定静止 B．t1到t2时间内，升降机可能做匀加速直线运动 C．t1到t2时间内，升降机运动时的加速度在变化 D．t2到t3时间内，升降机可能向下匀速运动 【答案】　C 5．热敏电阻的阻值会随温度的变化而发生明显的改变，可以用来监控周围温度的变化。如图甲所示是某金属热敏电阻的阻值Rt随温度t变化的图像。将热敏电阻Rt接入如图乙所示电路，用于监控一线圈电阻r＝5 Ω的小型电动机M的温度，定值电阻R0＝20 Ω，电源电动势E＝40 V，内阻不计。当S断开，稳定后理想电流表的示数I1＝0.5 A；当S闭合，稳定后理想电流表的示数I2＝1.5 A，电动机输出的机械功率为5 W。求： (1)当S断开，热敏电阻的温度； (2)当S闭合，热敏电阻的温度。 【解析】　(1)当S断开，由图像可知Rt1＝70－t 由I1＝eq \f(E,R0＋Rt1)，得t1＝10 ℃ (2)当S闭合，电动机两端的电压U＝E－I2R0 电动机输出的机械功率P＝UI电动机－Ieq \o\al(2,电动机)r 通过金属热敏电阻的电流I1＝I2－I电动机 金属热敏的电阻Rt2＝eq \f(U,It) 由以上各式得，当S闭合，热敏电阻的温度t2＝50 ℃ 【答案】　(1)10 ℃　(2)50 ℃ $$