5.1认识传感器 5.2 常见传感器的工作原理及应用 导学案 -2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

该高中物理导学案围绕传感器展开，涵盖其定义、组成、工作原理及光敏电阻、热敏电阻等常见传感器的特性与应用。通过磁控灯泡现象、孵化器控温等生活实例导入，结合实验探究建立非电学量转电学量的意义与具体传感器原理的联系，搭建学习支架。 注重实验探究与实例分析，如热敏电阻与多用电表实验、电饭锅中温度传感器工作过程讨论，培养科学探究能力和科学思维中的模型建构。结合电子秤、洗衣机等生活应用，强化物理观念，习题设计含课堂小测与变式训练，帮助学生巩固知识，提升学习效率。

第五章 传感器 1-2 认识传感器 常见传感器的工作原理及应用 【课标要求】知道非电学量转换成电学量的技术意义。通过实验，了解常见传感器的工作原理。会利用传感器制作简单的自动控制装置。 【学习目标】 1．了解传感器基本工作原理。 2．了解几种常见传感器 3．通过实验，对传感器中常见的敏感元件加以了解，从理性上知道它们的工作原理。 【学习重难点】 重点：1．了解什么是传感器，知道非电学量转化为电学量的技术意义。 2．认识各种常见的传感器；了解各种敏感元件的工作原理。 3．会分析传感器在生产生活中的应用。 难点：传感器的组成与应用模式。 课本导练 必备知识 一、传感器及其工作原理 1．传感器的定义：_________________________________________________________________________________________ 2．非电学量转换为电学量的意义：__________________________________ 3．传感器的组成：___________________________________________ 4．传感器应用的一般模式 二、光敏电阻 _______________________________________________________ 三、金属热电阻和热敏电阻 1．金属热电阻：_____________________________________________ 2．热敏电阻：______________________________________________ 四、电阻应变片 1．电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生机械形变时，其电阻也随之变化的现象． 2．电阻应变片：_____________________________________________ 3．电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量． 1．什么是传感器？它由哪几部分组成？各部分有什么作用？ 2．请列举一个你认为很“神奇”的利用传感器工作的例子，简单说明它的原理。 3．按照你对以下几种传感器的理解，填写下面的表格。 传感器名称 输入的物理量 输出的物理量 光敏电阻 热敏电阻 金属热电阻 电阻应变片 电容式位移传感器 4．图是一种电感式微小位移传感器的原理图。1是待测位移的物体，3是空心线圈，软铁芯2插在线圈3中并且可以随着物体1在线圈中左右平移。这种传感器可以把被测物体位移的大小转换为线圈自感系数的大小，请定性说明它的工作原理，并尝试设计与线圈3相连的电路。 展示讨论 小组讨论课本导练内容，并完成下列问题讨论且进行展示。 1．以下工作中，你认为要用什么传感器？ （1）让孵化器在一定温度下孵化禽蛋； （2）电梯超出负载时，发出报警提示； （3）使汽车排放符合国家标准的尾气。 2．电饭锅中应用了温度传感器，它的主要元件是感温铁氧体，其特点是：常温下感温铁氧体具有铁磁性，能够被磁体吸引，但是温度上升到约103℃时，就失去了铁磁性，不能被磁体吸引了。这个温度在物理学中称为该材料的“居里点”。电饭锅的结构如图所示，请结合温度传感器的特点回答以下问题： (1)开始煮饭时为什么要压下开关按钮？手松开后这个按钮是否会恢复到图示状态？为什么？ (2)煮饭时水沸腾后锅内还有一定水分时，为什么锅的温度会保持100℃而不会持续升高？ (3)饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会有什么变化？这时电饭锅会自动地发生哪些动作？ (4)如果用电饭锅烧水，能否在水沸腾后自动断电？ 点评点拨 一、传感器 思维探究 小盒子 A 的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关．如果把磁体 B 放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁体移走，灯泡熄灭．盒子里有什么样的装置，才能出现这样的现象？ 传感器的核心元件 1．敏感元件： 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： 是传感器中能将敏感元件输出的与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件． 3．转换电路： 将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流、电阻等． 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： 非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量 例1． 传感器担负着信息采集的任务，它可以（ ） A．将力学量（如形变量）转变成电学量 B．将热学量转变成电学量 C．将光学量转变成电学量 D．将电学量转变成力学量 二、光敏电阻 思维探究 我们知道，传感器可以感受光强、温度、力、磁等非电学量，并把它们转换为与之有确定对应关系的电学量输出．那么，常见的传感器是怎样感知非电学量，并将其转换为电学量的呢？利用不同的敏感元件制成的各种传感器又有哪些应用呢？ 光敏电阻的基本原理 1．光敏电阻一般由半导体材料制成，当半导体材料被光照射时，载流子增多，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．光敏电阻的阻值随光照强度的增强而明显减小． 例2． 根据光敏电阻特性设计的自动计数器的电路图如图所示，其中 为光敏电阻， 为定值电阻，电源电动势和内阻恒定，信号处理系统会实时监测 两端的电压，每获得一次低电压就记数一次．下列说法正确的是（ ） A．有光照射时 的阻值比无光光照时小 B．有光照射时 两端的电压比无光照射时大 C．有光照射时电源两端的电压比无光照射时小 D．有光照射时 消耗的电功率比无光照射时小 变式训练1． 如图所示是利用硫化镉制成的光敏电阻自动计数的示意图，其中A是发光仪器，B是光敏电阻，R是普通定值电阻，下列说法中正确的是（ ） A．当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变小，电压表读数变小 B．当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大，电压表读数变大 C．当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变小，电压表读数变小 D．当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大，电压表读数变大 三、金属热电阻和热敏电阻 思维探究 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？ 金属热电阻 金属导体的电阻随温度的升高而增大，如图图线①所示． 热敏电阻 1．热敏电阻指用半导体材料制成，电阻值随温度变化发生明显变化的电阻．如图图线②所示为某热敏电阻的电阻—温度特性曲线． 2．热敏电阻分正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻两类，电阻值随温度升高而增大的是正温度系数（PTC）热敏电阻；电阻值随温度升高而减小的是负温度系数（NTC）热敏电阻．常用的是负温度系数热敏电阻． 例3． 如图所示是一火灾报警器的部分电路示意图．其中 为热敏电阻．值班室的显示器为电路中的电流表，a、b之间接报警器．当 所在处出现火情时，报警器两端的电压减小，并发出警报，以下说法正确的是（ ） A．热敏电阻 的阻值减小 B．热敏电阻 的阻值增大 C．电流表示数减小 D．电流表示数增大 变式训练． 如图所示，R4是半导体材料制成的热敏电阻，电阻率随温度的升高而减小，这就是一个火警报警器的电路，电流表是安放在值班室的显示器，电源两极之间接一个报警器，当R4所在处出现火情时，显示器的电流I和报警器两端的电压U的变化情况是（ ） A．I变大，U变小 B．I变大，U变大 C．I变小，U变大 D．I变小，U变小 四、电阻应变片 思维探究 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． 例4． 生活中的电子秤利用了传感器原理，电子秤称重时主要使用的是下列哪种传感器（ ） A．超声波传感器 B．压力传感器 C．温度传感器 D．红外传感器 变式训练． 洗衣机能根据洗衣量来控制桶内的水量，你认为洗衣机是用什么传感器检测水量的（ ） A．压力传感器 B．光线传感器 C．声音传感器 D．温度传感器 五、霍尔元件 思维拓展 如图所示，在一个很小的矩形半导体（如砷化铟）薄片上，制作四个电极E、F、M、N，它就构成了一个霍尔元件．我们之前已经学过霍尔效应，那么你是否能够描述一下霍尔元件的工作原理？ 霍尔电压 1．表达式：如图所示，在E、F间通人恒定的电流1，同时外加与薄片垂直的磁感应强度大小为B的强磁场，则在M、N间可出现霍尔电压 （k为比例系数）． 2．原理：以载流子是自由电子为例，霍尔电压公式的推导如下：根据左手定则，让磁感线垂直穿过掌心，四指指向电子运动的反方向（即电流方向），拇指指向即电子所受洛伦兹力的方向，则左侧（N侧）表面积累负电荷，右侧（M侧）表面就积累等量的正电荷，即右侧表面的电势高，这样就会形成电场，当电子所受电场力与洛伦兹力平衡时，左、右两侧的电压达到稳定． 霍尔电势高低的判断 由左手定则判断带电粒子的受力方向，从而得出带电粒子的偏转方向，正电荷聚集的面为高电势面，负电荷聚集的面为低电势面． 霍尔元件的作用 一个霍尔元件的厚度d、霍尔系数k为定值，若保持电流I恒定则霍尔电压U就与磁感应强度B成正比，因此，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，故霍尔元件又称磁敏元件． 例5． 霍尔效应这一现象是美国物理学家霍尔于1879年发现的．当电流垂直于外磁场通过导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差被称为霍尔电势差．现有一金属导体霍尔元件连在如图所示电路中，电源内阻不计，电动势恒定，霍尔电势差稳定后，下列说法正确的是（ ） A．a端电势低于b端电势 B．若元件的厚度增加，a、b两端电势差不变 C．霍尔电势差的大小只由霍尔元件本身决定 D．若要测量赤道附近的地磁场，应将工作面调整为与待测平面平行 变式训练1． 利用霍尔元件可以进行微小位移的测量．如图甲所示，将固定有霍尔元件的物体置于两块磁性强弱相同、同极相对放置的磁体缝隙中，建立如图乙所示的空间坐标系．保持沿 x方向通过霍尔元件的电流I不变，当物体沿 z轴方向移动时，由于不同位置处磁感应强度 B不同，霍尔元件将在 y轴方向的上、下表面间产生不同的霍尔电压UH．当霍尔元件处于中间位置时，磁感应强度 B为0，UH为0，将该点作为位移的零点．在小范围内，磁感应强度 B的大小和坐标 z成正比，这样就可以把电压表改装成测量物体微小位移的仪表．下列说法中正确的是（ ） A．该仪表只能测量位移的大小，无法确定位移的方向 B．该仪表的刻度线是不均匀的 C．若霍尔元件中导电的载流子为电子，则当∆z＞0时，上表面电势高 D．电流I越大，霍尔电压UH越大 小结小测 一、课堂小结 二、课堂小测 （1）光敏电阻的阻值随光照的强弱而变化，光照越强，电阻越大。（ ） （2）有些热敏电阻在温度升高时阻值变小。（ ） （3）金属热电阻在温度升高时阻值变小。（ ） （4）电子秤使用的测力器件是力传感器，其中一种由金属梁和电阻应变片组成，电阻应变片是敏感元件。（ ） （5）电容式传感器只能将位移这个力学量转换为电容这个电学量。（ ） （6）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。（ ） 【参考答案】 课本导练 必备知识 【答案】 一、1．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、电流等电学量，或转换为电路的通断； 2．把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和 控制 ； 3． 传感器的基本部分一般由敏感元件、 转换元件组成． 二、 光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量． 三、1． 金属的电阻率随温度的升高而增大，利用这一特性，金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻； 2． 用半导体材料制成，氧化锰制成的热敏电阻的阻值随温度的升高而 减小． 四、2． 电阻应变片有金属电阻应变片和半导体电阻应变片，半导体电阻应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应． 1．【答案】见解析 2．【答案】见解析 3．【答案】 见解析。 4．【答案】 见解析。 展示讨论 1．【答案】见解析 2．【答案】 见解析。 点评点拨 一、传感器 【答案】 干簧管，当磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用（过程如图所示），干簧管是一种能够感知磁场的传感器。 例1．【答案】ABC 二、光敏电阻 【答案】 1． 光传感器：工作原理：通过光电效应或光敏材料（如光敏电阻、光电二极管）来感应光的强度。应用：光线强度测量、环境亮度监测、自动灯光控制等。 2． 温度传感器：工作原理：基于热电效应（如热电偶）或材料电阻随温度变化（如热敏电阻）来感知温度。应用：气象监测、工业过程控制、家用电器（如冰箱、空调）温度监控。 3． 压力传感器：工作原理：通过压电效应、应变计或电容变换原理来感测力的变化。应用：工业设备监控、汽车胎压监测系统、医疗设备（如血压监测）。 4． 力传感器：工作原理：利用应变计技术，感知施加在传感器上的力或者压力。应用：工业称重、机器人抓取力检测、实验室力学测试。 5． 磁场传感器：工作原理：通过霍尔效应或磁敏材料感知磁场的变化。应用：汽车的方向盘角度传感、手机的磁场导航、无刷电机的位置检测。 6． 湿度传感器：工作原理：利用电容或电阻变化来感知空气中的湿度变化。应用：气象站、空调控制、食品保鲜监测。 7． 气体传感器：工作原理：通过化学反应、电化学或者电导率变化来检测气体的种类和浓度。应用：环境监测、工业气体泄漏检测、智能家居环境控制。 例2．【答案】AC 变式训练1．【答案】AD 三、金属热电阻和热敏电阻 【答案】 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。 例3．【答案】AC 变式训练．【答案】A 四、电阻应变片 【答案】 在梁的自由端施加力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。 例4．【答案】B 变式训练．【答案】A 五、霍尔元件 【答案】 外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力的作用，从而在导体板的一侧聚集，以致在导体板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，导体板左、右两侧会形成稳定的电压，设导体板左、右两侧的距离为l，导体板的厚度为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。 例5．【答案】B 变式训练1．【答案】D 小结小测 二、课堂小测 【答案】 × √ × √ × √ 学科网（北京）股份有限公司 $