第五章 2．常见传感器的工作原理及应用-【名师导航】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册教师用书word（人教版）江苏专用

本讲义聚焦常见传感器的工作原理及应用核心知识点，系统梳理电阻式传感器（光敏、热敏、金属热电阻、电阻应变片）的特性（如光照增强光敏电阻减小、温度变化影响热敏与金属热电阻阻值）和电容式传感器（通过正对面积、间距等改变电容）的原理，构建从物理特性到实际应用（电子秤、温控装置等）的学习支架。 资料通过表格对比（如热敏与金属热电阻的材料、灵敏度差异）、典例电路分析（如电子秤压力与电阻关系推导）及思考辨析强化科学思维，结合分层作业和实验探究题培养科学探究能力，课中辅助教师清晰授课，课后助力学生巩固物理观念、弥补知识盲点。

2．常见传感器的工作原理及应用 [学习目标]　1．了解光敏电阻的工作原理及作用。2．了解热敏电阻和金属热电阻的工作原理及作用。3．了解电阻应变片在电子秤上的应用。4．了解电容在传感器中的应用。 知识点一　光敏电阻 1．特点：光照越强，电阻越小。 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。 　光敏电阻随光照强度变化电阻变化是因为光敏电阻是半导体，光照引起载流子数变化。 知识点二　热敏电阻和金属热电阻 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，温度升高电阻减小，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。 甲　　　　　　　　　乙 2．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。 知识点三　力传感器的应用——电子秤 1．组成及敏感元件：由金属梁和电阻应变片组成，敏感元件是电阻应变片。 2．工作原理 ⇒⇒⇒ 3．作用：电阻应变片将物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。 思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)宇宙飞船使用各类传感器，智能化地感知各种信息。其中感知航天员体温变化的是光传感器。 (×) (2)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。 (×) (3)交通警察用来检测驾驶员酒精含量的检测器使用的传感器是压力传感器。 (×) 某兴趣小组为了研究电子温控装置，将热敏电阻R1(负温度系数)、定值电阻R2以及电压表和电流表连入如图所示的电路中，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。 (1)闭合开关S后，温度升高时，电流表的示数如何变化？ (2)闭合开关S后，温度降低时，电压表的示数如何变化？ 提示：(1)温度升高时，热敏电阻的阻值变小，干路的电流变大，所以电流表的示数变大。 (2)温度降低，热敏电阻的阻值变大，干路中的电流变小，R2两端的电压变小，电压表的示数变小。 考点1　电阻式传感器的应用分析 1．电阻式传感器性能比较 热敏电阻 金属热电阻 光敏电阻 电阻应变片 特点 正温度系数的热敏电阻，随温度升高电阻变大；负温度系数的热敏电阻，随温度升高电阻减小 电阻率随温度的升高而增加 在强光下电阻小，在弱光下电阻大 受到拉力时，电阻变大；受到压力时，电阻变小 敏感 材料 半导体 金属 把硫化镉涂敷在绝缘板上，其表面镀银 金属材料 优点 灵敏度好 测温范围大 灵敏度好 灵敏度好 原理 温度影响电阻率 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 R＝ρ 应用 空调机 电饭煲 照相机 电子秤 2．热敏电阻和金属热电阻随温度变化的特点 (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。如图中①所示为某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增大，如图中②所示，这样的电阻也可以制作温度传感器。 【典例1】　(源自粤教版教材改编)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电阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，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，故只有C正确。] 　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．如图为电阻R随温度T变化的图线。下列说法中正确的是(　　) A．图线1是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的 B．图线2是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的 C．图线1对应的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高 D．图线2对应的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度差 B　[金属热电阻的阻值随温度升高而增大，半导体材料的热敏电阻的阻值随温度升高而减小，所以A错误，B正确；图线1对应的材料化学稳定性好但灵敏度低，图线2对应的材料化学稳定性差但灵敏度高，所以C、D错误。] 考点2　电容式传感器 1．电容器的电容取决于极板间的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这几个因素。如果某个物理量(如角度θ、位移x、深度H等)的变化引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化，由此可以制成电容式传感器。 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 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，引起正对面积发生变化，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 测定压力F的电容式传感器 待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，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 测定位移x的电容式传感器 随着电介质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 【典例2】　如图所示为测定压力的电容式传感器，将平行板电容器、灵敏电流计(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路，当压力F作用于可动膜片电极上时，膜片发生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流计指针偏转。在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中，灵敏电流计指针偏转情况为(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏)(　　) A．向右偏到某一刻度后回到零刻度 B．向左偏到某一刻度后回到零刻度 C．向右偏到某一刻度后不动 D．向左偏到某一刻度后不动 思路点拨：根据电容的公式C＝和C＝，按以下思路进行分析。 →→→→ A　[压力F作用时，极板间距d变小，由C＝，电容器电容C变大，又根据Q＝CU，极板所带电荷量变大，所以电容器应充电，灵敏电流计中产生由正接线柱流入的电流，所以指针将右偏。F不变时，极板保持固定后，充电结束，指针回到零刻度。故选A。] 　电容式传感器是一种多功能传感器，可把压力、转角、位移、压强、声音等非电学量转换为电容这一电学量，分析原理时，关键要搞清是哪个非电学量转换为电容，然后结合电容的决定式来分析。 [跟进训练] 2．传感器是将能感受的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件，在自动控制中有相当广泛的应用，如图所示的装置是一种测定液面高度的电容式传感器。金属芯线与导电液体构成一个电容器，从电容C大小的变化情况就能反映出液面高度h的高低情况，则两者的关系是(　　) ①C增大表示h增大　②C增大表示h减小 ③C减小表示h减小　④C减小表示h增大 A．只有①正确 B．只有①③正确 C．只有②正确 D．只有②④正确 B　[液面高度的变化相当于电容器极板正对面积的变化。当h增大时，相当于正对面积增大，则电容应增大；当h减小时，相当于正对面积减小，电容C应减小，B正确。] 　 　　　　　　　　　 　　　　　 　　 1．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 C　[金属导体电阻值一般随温度升高而增大，光敏电阻电阻值是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正确，A、B、D错误。] 2．关于光敏电阻和热敏电阻，下列说法中正确的是(　　) A．光敏电阻是用半导体材料制成的，其阻值随光照增强而减小，随光照的减弱而增大 B．光敏电阻是能把光照强度这个光学量转换为电流这个电学量的传感器 C．热敏电阻是用金属铂制成的，它对温度感知很灵敏 D．热敏电阻是把热量这个热学量转换为电阻这个电学量的传感器 A　[光敏电阻是把光强转换为电阻的元件；热敏电阻是把温度转换为电阻的元件，故B、D错误；热敏电阻和光敏电阻都是半导体材料制成的，半导体具有光敏性和热敏性，金属铂与热敏电阻的阻值随温度的变化趋势相反，故A正确，C错误。] 3．传感器是指这样一类元件，它通常能把非电学量(如力、光等)的变化，转换为电学量(如电流、电压等)的变化或电路的通断，它在自动控制中有着广泛的应用。关于制作传感器所需要的元器件，下列说法错误的是(　　) A．热敏电阻能够把温度的变化转换为其阻值的变化 B．金属热电阻能够把温度的变化转换为其阻值的变化 C．光敏电阻能够把光照强弱的变化转换为其阻值的变化 D．所有传感器都是由半导体材料制作的 D　[热敏电阻、金属热电阻、光敏电阻都是把温度或光照强度的变化转换为其阻值的变化，从而使电路中电流或电压发生变化，故A、B、C正确；并非所有的传感器都是由半导体材料制成的，半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料都可以用来制作传感器，故D错误。] 4．有一种测量压力的电子秤，其原理如图所示。E是内阻不计、电动势为6 V的电源。R0是一个阻值为300 Ω的限流电阻。G是由理想电流表改装成的指针式测力显示器。R是一个压敏电阻，其阻值可随压力大小的变化而改变，两者关系如表所示。C是一个用来保护显示器的电容器。秤台的重力忽略不计。 压力F/N 0 50 100 150 200 250 300 … 电阻R/Ω 300 280 260 240 220 200 180 … 探究： (1)利用表中的数据，写出电阻R随压力F变化的数学关系式； (2)若电容器的耐压值为5 V，该电子秤的最大称量值为多少？ (3)如果把电流表中电流的刻度变换成压力刻度，则该测力显示器的刻度是否均匀？ [解析]　(1)由题表中数据可知，k＝＝－ ＝－0.4 Ω/N，所以电阻R随压力F变化的数学关系式为R＝300－0.4F(Ω)。 (2)R上受到的压力越大，R的阻值越小，电容器两极板间电压越大，由题意知，电容器两极板间电压不能超过5 V，所以＝，解得R＝60 Ω，又因为R＝300－0.4F( Ω)得F＝600 N。 (3)电流表中的电流 I＝＝(A)， 电流I与压力F之间不是线性关系，该测力显示器的刻度不均匀。 [答案]　(1)R＝300－0.4F(Ω)　(2)600 N　(3)不均匀 回归本节知识，完成以下问题： (1)光敏电阻把什么量转化为电阻？热敏电阻把什么量转化为电阻？电阻应变片把什么量转化为电阻？ 提示：光照强度　温度　形变。 (2)电容式位移传感器输入的是什么？输出的是什么？ 提示：位移　电容。 课时分层作业(十八)　常见传感器的工作原理及应用 题组一　电阻式传感器的应用分析 1．如图所示，用光敏电阻LDR和灯泡制成的一种简易水污染指示器，下列说法中正确的是(　　) A．严重污染时，LDR是高电阻 B．轻度污染时，LDR是高电阻 C．无论污染程度如何，LDR的电阻不变，阻值大小由材料本身因素决定 D．该仪器的使用不会因为白天和晚上受到影响 A　[严重污染时，透过污水照到LDR上的光线较少，LDR电阻较大，A正确，B错误；LDR由半导体材料制成，受光照影响，电阻会发生变化，C错误；白天和晚上自然光的强弱不同，或多或少会影响LDR的电阻，D错误。] 2．(教材P108T4改编)电熨斗能自动控制温度，在熨烫不同的织物时，设定的温度可以不同，图为电熨斗的结构图，电熨斗内部装有双金属片，双金属片上层金属的热膨胀系数大于下层金属，若把熨烫的棉麻衣物换成丝绸衣物，则如何调节调温旋钮(　　) 织物材料 尼龙 合成纤维 丝绸 羊毛 棉麻 熨烫温度 低→高 A．向下 B．向上 C．保持原状 D．不能确定 B　[由题意知，电熨斗由熨烫的棉麻衣物换成丝绸衣物，就是要求电熨斗在低温易断开，因双金属片上层金属的膨胀系数大于下层金属，使双金属片向下弯曲，上下触点脱离，电路断开，因此，应向上调节调温旋钮，双金属片受热时，易使触点分离，所以选B。] 3．如图所示，电源电动势为E，内阻为r，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，下列说法正确的是(　　) A．电压表的示数减小 B．小灯泡L变暗 C．R1电流变化量比R3电流变化量小 D．R1电压变化量比R2电压变化量大 C　[当照射光强度增大时，R3电阻减小，外电路总电阻减小，则干路电流增大，根据U1＝IR1可知R1两端的电压增大，而电压表的示数等于R1两端的电压，所以电压表的示数增大，A错误；干路电流增大，由闭合电路欧姆定律有IR2＝，故通过R2的电流减小；干路电流增大，R2的电流减小，则通过小灯泡的电流增大，故小灯泡功率增大，小灯泡L变亮，B错误；通过R2的电流减小，小灯泡支路的电流增大，而干路的电流增大，则干路电流增加量小于电阻R3电流增加量，即R1电流变化量比R3电流变化量小，C正确；干路电流增大，电源内电压增大，路端电压减小，则电阻R1电压增加量小于并联部分电压减小量，即R1电压变化量比R2电压变化量小，D错误。] 4．如图所示是观察电阻R随温度变化情况的示意图。现在把杯中的水由冷水换为热水，关于欧姆表的读数变化情况正确的是(　　) A．如果R为金属热电阻，读数变大，且变化非常明显 B．如果R为金属热电阻，读数变小，且变化不明显 C．如果R为热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变化非常明显 D．如果R为热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变化不明显 C　[若为金属热电阻，温度升高后，电阻变大，但由于金属热电阻灵敏度较差，故欧姆表读数变大但不明显，选项A、B错误；若为用半导体材料制作的热敏电阻，由于热敏电阻的灵敏度较高，读数将明显变化，选项C正确，D错误。] 5．下列关于几种传感器的说法不正确的是(　　) A．电子秤所使用的测力装置是力传感器 B．电饭锅常压下只要锅内有水，锅内的温度不可能达到103 ℃，开关按钮就不会自动跳起 C．电熨斗需要较高温度熨烫时，弹性铜片在金属片上方，要调节温度旋钮，使升降螺丝上移并推动弹性铜片上移 D．霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量 C　[电子秤所使用的测力装置是力传感器，利用通过应力片的电流一定，压力越大，电阻越大，应力片两端的电压差越大，将力信号变成电信号，故A正确，不符合题意；铁氧体在103 ℃失去磁性，电饭锅常压下只要锅内有水，锅内温度就不可能达到103 ℃，开关按钮就不会自动跳起，故B正确，不符合题意；电熨斗需要较高温度熨烫时，要调节调温旋钮，使升降螺丝下移并推动弹性铜片下移，当温度升到较高，金属片发生弯曲较厉害触点才断开，故C错误，符合题意；霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量，故D正确，不符合题意。] 题组二　电容式传感器 6．电容式传感器的用途非常广泛，由于电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素，当某一物理量发生变化时就能引起电容的变化，如图是某种电容式传感器的示意图，关于这个传感器的作用，下列说法正确的是(　　) A．可以通过电介质的左右移动来测量极板的位移 B．可以通过电介质的左右移动再结合时间来测量速度 C．可以通过电介质的左右移动来测量极板受到的压力 D．可以通过电介质的左右移动结合时间来测量极板的速度 B　[电容器可以由电介质的变化引起电容的变化测量位移x，也可以结合时间来测量位移变化的快慢即速度，B选项正确；电介质的运动与极板的变化都影响电容的变化，故不能通过电介质的运动来测量极板受到的压力、极板的位移及运动快慢，A、C、D错误。] 7．如图所示是电容式话筒的示意图，它是利用电容制成的传感器，话筒的振动膜前面有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极。在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，从而使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因是电容器两板间的(　　) A．距离变化 B．正对面积变化 C．电介质变化 D．电压变化 A　[振动膜前后振动，使振动膜上的金属层与金属板间的距离发生变化，从而将声音信号转化为电信号，故A正确。] 8．如图所示是一火灾报警器的电路示意图，其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器，这种半导体热敏材料的电阻率随温度的升高而减小。电流表为值班室的显示器，电源两极之间接一报警器，当传感器R2所在处出现火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是(　　) A．I变大，U变大　 B．I变大，U变小 C．I变小，U变大　 D．I变小，U变小 D　[当传感器R2所在处出现火情时，R2阻值变小，R2与R3的并联总电阻减小，外电路的总电阻R减小，由闭合电路欧姆定律可知电路的总电流增大，电源的内电压变大，由U＝E－I总r，可知路端电压减小，即报警器两端电压U减小，电路中并联部分的电压U并＝E－I总(R1＋r)，由于I总变大，则可知U并变小，则根据部分电路的欧姆定律可知通过显示器的电流I变小，则A、B、C错误，D正确。] 9．如图所示，R1和R2是同种材料、厚度相同、 上下表面为正方形的金属导体，但R1的尺寸比R2的尺寸大。将两导体同时放置在同一匀强磁场B中，磁场方向垂直于两导体正方形表面，在两导体上加相同的电压，形成如图所示方向的电流；电子由于定向移动，会在垂直于电流方向受到洛伦兹力作用，从而产生霍尔电压，当电流和霍尔电压达到稳定时，下列说法中正确的是(　　) A．R1中的电流大于R2中的电流 B．R1导体右表面电势高于左表面电势 C．R1中产生的霍尔电压等于R2中产生的霍尔电压 D．对于R1，仅增大厚度时，霍尔电压将增大 C　[电阻R＝ρ，设正方形金属导体边长为a，厚度为b，则R＝＝，则R1＝R2，在两导体上加上相同的电压，故R1中的电流等于R2中的电流，故A错误；电子在磁场中受到洛伦兹力作用，根据左手定则可知，向右表面偏转，故R1导体右表面电势低于左表面电势，故B错误；根据静电力与洛伦兹力平衡，则有evB＝，电流I＝neabv，解得UH＝Bav＝Ba＝，故R1中产生的霍尔电压等于R2中产生的霍尔电压，故C正确；据欧姆定律可得I＝＝＝，据C项可得，霍尔电压UH＝＝ ·，故对于R1，仅增大厚度时，霍尔电压不变，故D错误。] 10．自行车速度计的工作原理主要依靠的就是安装在前轮上的一块磁铁，当磁铁运动到霍尔传感器附近时，就产生了霍尔电压，霍尔电压通过导线传入一个小型放大器中，放大器就能检测到霍尔电压，这样便可测出在某段时间内的脉冲数。当自行车以某个速度匀速直线行驶时，检测到单位时间内的脉冲数为N，已知磁铁和霍尔传感器到前轮轮轴的距离均为R1，前轮的半径为R2，脉冲的宽度为Δt，峰值为Um，下列说法正确的是(　　) A．车速越快，脉冲的峰值Um越大 B．车速越快，脉冲的宽度Δt越大 C．车速为2πNR2 D．车速为2πNR1 C　[根据qvB＝q得，Um＝Bdv，由电流的微观定义式：I＝neSv，n是单位体积内的电子数，e是单个导电粒子所带的电量，S是导体的横截面积，v是导电粒子运动的速度，整理得：v＝。联立解得：Um＝，可知保持电流不变，霍尔电压Um与车速大小无关，车速快，电压升高快，Δt应越小，故A、B均错误；由题意知，如果在单位时间t＝1 s内测得的脉冲数为N，则自行车的转速为n0＝，则车速为v＝2πNR2，故C正确，D错误。] 1 / 15 学科网（北京）股份有限公司 $