第3节 大显身手的传感器（教学设计）物理鲁科版选择性必修第二册

该高二物理教学设计聚焦传感器在工业、医疗、智能家居等领域的应用，核心是理解“非电学量→电学量”的转换本质。课堂导入通过上海智能路灯、杭州“城市大脑”等生活智能场景，引发学生对“隐形英雄”传感器的探究兴趣，搭建从生活现象到原理分析的学习支架。 特色在于以多领域案例为载体，融合自动门工作视频、洗衣机水位气压动画、指纹识别手机实物演示等直观手段，强化物理观念中转换本质的理解。通过红外传感器与普通光电传感器辨析、洗衣机水位气压与电路通断关联分析，培养科学思维的场景适配逻辑。设计环境监测方案探究任务及创新装置构想作业，落实科学探究要求。助力学生提升跨场景迁移能力，为教师提供结构化案例库与分层练习，便于核心素养教学实施。

第3节 大显身手的传感器（教学设计） 年级 高二 学科 物理 教师 课题 第3节 大显身手的传感器 教学 目标 物理观念 能列举工业、医疗、智能家居等领域的传感器应用实例，理解不同场景下“非电学量→电学量”的转换本质，深化对传感器核心功能的认知。 科学思维 能分析典型应用（如医疗监测、工业控制）中传感器的选型依据，关联其特性与场景需求，提升跨场景迁移与系统分析能力。 科学探究 能针对实际问题（如环境监测）设计简易传感器应用方案，结合已有制作经验推演方案可行性，培养创新设计与问题解决能力。 科学态度 与责任 认识传感器技术对科技进步、低碳发展的推动作用，体会物理与多领域的交叉价值，增强科技自信与社会责任感。 教学 重难点 重点：掌握传感器在多领域的典型应用，理解特性与场景的适配逻辑。 难点：结合实际需求分析传感器选型的核心参数与决策依据。 教学过程 教师活动 学生活动 教学引入 上海张江科学城的智能路灯，能根据人流量自动调节亮度；杭州的‘城市大脑’通过数百万个传感器优化交通。传感器正在大显身手改变我们的世界！你能揭开这些‘隐形英雄’在现在与未来的神秘面纱吗？ 观察生活中的自动化现象，思考其背后的原理。 表达对“智能设备是否具有意识”的初步看法。 新课讲授 一、典型应用 1.自动感应门 （1）自动门工作视频 播放写字楼或机场自动感应门的高清工作视频，慢放“人走近—门开启—人通过—门关闭”的全过程。教师提问：“门是如何知道有人要进来？它‘看到’的是什么？”鼓励学生大胆猜测，可能的答案包括“摄像头”“雷达”“热感应”等。 （2）工作原理 教师结合PPT课件中的结构图进行讲解：“自动门使用的是红外线传感器。人体会持续发出微弱的红外线，这是一种热辐射。传感器前端有一个滤光片，只允许特定波长的红外线通过，并将其聚焦到内部的热电元件上。当热电元件接收到红外辐射时，温度升高，由于热电效应，它会释放电荷，导致电路中的电流和电压发生变化。这样，‘有人靠近’这一非电学信息就被成功转换成了电信号。” （3）辨析常见误解 辨析：“有人认为自动门是‘见光开’，使用的是普通光电传感器，这种说法对吗？”引导学生分析：“白天和夜晚光照差异大，但自动门只在有人时才开，说明它不是响应环境光，而是响应人体发出的特定红外辐射。因此，控制自动门的是红外传感器，而非普通光电传感器。大人、小孩、男孩、女孩只要体温在正常范围内，都会触发传感器。 2.洗衣机水位控制 （1）洗衣机结构图 投影全自动洗衣机水位控制装置的剖面图，标注外筒、内筒、气室、传感器膜盒等关键部件。教师引导：“当洗衣机进水时，水不仅进入内筒，也会通过管道进入底部的气室。气室上部是密封的空气，随着水位上升，这部分空气被压缩，压强增大。” （2）揭示控制逻辑 利用动画演示气压传递过程：水位上升→气室空气压强增大→压力通过软管传递至传感器膜盒→膜片受力向上凸起。当水位达到设定高度时，膜片的形变足以推动内部的机械结构，使动触点a与静触点b分离，同时与静触点c接触。这一动作接通了洗涤电机的控制电路，同时切断了进水电磁阀的电源，实现自动停水并启动洗涤程序。 （3）深化物理本质 提问：“这个过程中，传感器感知的物理量是什么？”学生回答“压力”或“压强”。教师强调：“准确地说，是通过气压间接测量水位高度，将‘水位’这一非电学量转化为‘电路通断’这一电学信号。这体现了传感器作为‘桥梁’的作用。” 3.指纹识别器 （1）实物展示 教师拿出一部支持指纹解锁的手机，请一位学生现场演示指纹解锁过程。提问：“手机是如何‘认出’你的指纹的？它是在拍照吗？”引导学生思考指纹识别的本质。 （2）工作原理 教师结合PPT中的示意图讲解：“指纹识别器使用的是电容传感器。其表面布满了微小的金属极板，外面覆盖一层绝缘材料。当你手指按上去时，皮肤成为另一个极板，与下方的金属极板构成无数个微型电容器。指纹的‘脊’（凸起部分）距离绝缘层近，电容值大；‘谷’（凹陷部分）距离远，电容值小。这样就形成了一个反映指纹纹路的电容分布图。” （3）信息闭环 “传感器电路会逐个读取每个微型电容器的电容值，将这些数据转换成电信号，形成数字图像。再通过算法与预先存储的指纹模板进行比对，如果匹配成功，就发出‘验证通过’的指令。整个过程实现了‘指纹纹路’到‘电容差异’再到‘数字信号’的精确转换。” 4.机器人 （1）工作视频 播放一段综合性机器人视频：包括工厂机械臂装配零件、服务机器人在酒店导航、农业机器人采摘水果、以及达芬奇手术机器人进行微创手术。教师提问：“机器人为什么能完成如此复杂的任务？它靠什么‘看’、‘听’、‘摸’甚至‘判断’？” （2）解析感知系统 教师结合PPT中的机器人系统框图讲解：“传感器系统是机器人的‘感觉器官’。外部传感器用于感知环境，如视觉传感器（摄像机）相当于‘眼睛’，可识别形状、颜色、距离；超声波传感器和语音识别装置是‘耳朵’，能探测障碍物或接收语音指令；温度传感器是‘皮肤’，感知环境冷暖；压力传感器则赋予‘手感’。内部传感器如角度传感器、关节传感器，用于监测自身手臂、关节的位置和运动速度，确保动作精准。” （3）技术发展趋势 “正是这些传感器的协同工作，才使机器人具备了感知、判断和行动的能力。它们在有害环境（如核辐射区）、高空、深海等人类难以到达的地方大显身手，极大提升了作业安全性和效率。未来机器人的智能化程度，将高度依赖于传感器技术的进步。” 1.观看自动门工作视频，注意门开启的时机与人体位置的关系。 2.参与讨论，提出关于自动门工作原理的假设。 1.观察洗衣机结构图，识别各部件名称及其相对位置。 2.跟随动画理解水位、气压、膜片形变、触点切换之间的因果关系。 3.描述水位控制的完整工作流程，重点说明气压如何驱动电路切换。 1.观察指纹识别过程，思考其与拍照的区别。 2.理解电容传感器的基本结构：金属极板阵列+绝缘层+皮肤构成电容器。 3.掌握指纹脊谷导致电容值差异的原理，建立空间距离与电容大小的关系。 1.观看机器人应用视频，感受传感器技术的强大功能。 2.识别视频中机器人使用的不同传感器类型，并对应其功能（眼、耳、皮肤等）。 3.理解外部传感器与内部传感器的区别：前者感知环境，后者监测自身状态。 4.讨论机器人在医疗、服务、农业等领域的应用价值及其对社会发展的意义。 新课讲授 二、拓展学习 1.温度传感器的应用——电熨斗 2.温度传感器的应用——电饭锅 3.光传感器的应用——火灾报警器 4.太阳能热水器 5.智能手机 【例题1】在家用电热灭蚊器中，电热部分主要元件是PTC元件，PTC元件是由钛酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率ρ随温度t的变化关系如图所示，由于这种特性，使PTC元件具有发热、保温双重功能。以下关于电热灭蚊器的判断正确的是（　　） A．当温度低于t1时通电，通电后，其电功率先增大，后减小 B．当温度低于t1时通电，通电后，其电功率先减小，后增大 C．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1不变 D．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1和t2之间的某一值不变 【答案】AD 【详解】在电热灭蚊器温度由初温升高到t1的过程中，电阻器的电阻率随温度的升高而减小，其电阻也随之减小，由于加在灭蚊器上的电压U保持不变，灭蚊器的电功率P增大，当t=t1时，功率达到最大；在温度由 t1升高到 t2的过程中，ρ增大，R增大，P减小，因此在t1~t2之间的某一温度会有产热功率等于散热功率，这时是保温状态，故AD正确，BC错误。 故选AD。 针对训练1传感器是把非电学量转换成电学量的一种元件。如图甲、乙所示是两种常见的电容式传感器，现将甲、乙两种传感器分别接到图丙的电路中进行实验（电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏），下列实验现象中正确的是（　　） A．当图甲所示传感器接入电路实验时，若F变小，则电流表指针向右偏转 B．当图甲所示传感器接入电路实验时，若F变大，则电流表指针向左偏转 C．当图乙所示传感器接入电路实验时，若h变大，则电流表指针向左偏 D．当图乙所示传感器接入电路实验时，若h变小，则电流表指针向左偏 【答案】D 【详解】A．由图甲所示传感器接入电路实验时，若F变小，则电容器两极板间的距离增大，根据电容的决定式 可知，电容减小，而电容器两端电压不变，则由 可知，电容器所带的电荷量减小，电容器放电，电路中有顺时针方向的电流，则电流表指针向左偏转，所以A错误； B．由图甲所示传感器接入电路实验时，若F变大，则电容器两极板间的距离减小，根据电容的决定式 可知，电容增大，而电容器两端电压不变，则由 可知，电容器所带的电荷量增大，电容器充电，电路中有逆时针方向的电流，则电流表指针向右偏转，所以B错误； C．当题图乙所示传感器接入电路实验时，若h变大，则电容器两电极正对面积增大，电容增大，而电容器两端电压不变，故电容器充电，电路中有逆时针方向的电流，则电流表指针向右偏转，所以C错误； D．当题图乙所示传感器接入电路实验时，若h变小，则电容器两电极正对面积减小，电容减小，而电容器两端电压不变，故电容器放电，电路中有顺时针方向的电流，则电流表指针向左偏转，所以D正确； 故选D。 1.观看高科技应用案例，感受物理力量。 2.理解在科技与生活中的价值。 3.形成对传感器应用的系统性认识。 课 堂 练 习 1.在电梯门口放置一障碍物，会发现电梯门不停地开关，这是由于在电梯门上装有的传感器是（　　） A．光传感器 B．温度传感器 C．声传感器 D．磁传感器 【答案】A 【详解】在电梯门口放置一障碍物，会发现电梯门不停地开关，这是由于在电梯门上装有的传感器是光传感器。故选A。 2.随着生活水平的提高,电子秤已经成为日常生活中不可或缺的一部分,电子秤的种类也有很多,用平行板电容器制成的厨房用电子秤及其电路简图如图所示。称重时,把物体放到电子秤面板上,压力作用会导致平行板上层膜片电极下移。则(　　) A.电容器储存的电能减少 B.电容器的电容减小,带电荷量减小 C.膜片下移过程中,电流表有a到b的电流 D.电子秤是一个压力传感器,稳定后电容器两板间电压等于电源电动势 【答案】D 【详解】根据电容表达式C=,当两个极板的距离减小时,电容器的电容增大,再根据电容定义式C=,由于电容器一直和电源相连,电压不变,当电容增大时,带电荷量增大,则电容器储存的电能增加,所以A、B错误;膜片下移过程中,电容器充电,则电流表有b到a的电流,选项C错误;电子秤是一个压力传感器,当压力稳定后,电容器停止充电,电路中的电流为零,即电流表示数为零,两极板的电势差不变,等于电源的电动势,所以D正确。 3.图为苹果自动分拣装置，可以把质量大小不同的苹果，自动分拣开。该装置的托盘秤压在一个以O1为转动轴的杠杆上，杠杆末端压在压力传感器R1上。当大苹果通过托盘秤时，R1所受的压力较大因而电阻较小，R2两端获得较大电压，该电压激励放大电路并保持一段时间，使电磁铁吸动分拣开关的衔铁，打开下面通道，让大苹果进入下面通道；当小苹果通过托盘秤时，R2两端的电压不足以激励放大电路，分拣开关在弹簧向上弹力作用下处于水平状态，小苹果进入上面通道。托盘停在图示位置时，设进入下面通道的大苹果最小质量为M0，若提高分拣标准，要求进入下面通道的大苹果的最小质量M大于M0，下面操作可行的是（　　） A．其他条件不变的情况下，只将托盘秤压在杠杆上的位置向左移动一些 B．其他条件不变的情况下，只适当减小R2的阻值 C．其他条件不变的情况下，只改变放大电路中电磁铁部分导线绕行的方向 D．其他条件不变的情况下，只增大和传感器R1相连接电路中电源电动势 【答案】B 【详解】A．要求进入下面通道的大苹果的最小质量M大于M0，则要求当此大苹果通过托盘时，压力传感器的压力与原来一致，可知其他条件不变的情况下，只将托盘秤压在杠杆上的位置向右移动一些；选项A错误； B．因要达到题中的要求，就要使得R2两端电压保持不变，因压力越大，电阻R1越小，此时回路中的电流越大，R2的电压就会变得更大，则要想保持R2的电压和原来一致，则只适当减小R2的阻值，选项B正确； C．其他条件不变的情况下，只改变放大电路中电磁铁部分导线绕行的方向对磁性大小无影响，选项C错误； D．因要达到题中的要求，就要使得R2两端电压保持不变，因R1减小，而其他条件不变的情况下，只能减小和传感器R1相连接电路中电源电动势，选项D错误。 故选B。 4.现代生活中，人们越来越离不开手机，为通信而创造的智能手机，越来越智能化，手机上装有多种传感器，当人们接通电话，将手机放在耳边时，原本亮着的屏幕会熄灭，这是由于屏幕上方安装了(　　) A．温度传感器 B．压力传感器 C．加速度传感器 D．距离传感器 【答案】D 【详解】当人们接通电话将手机放在耳边时，距离传感器发出的超声波遇到物体后反射回传感器，传感器收到信号后自动计算出物体与传感器的距离，当小于系统设置的临界点时原本亮着的屏幕就会熄灭，故D正确，A、B、C错误。 故选D。 5.如图是电饭锅的结构图，如果感温磁体的“居里温度”为时，下列说法中正确的是（　　） A．常温下感温磁体具有较强的磁性 B．当温度超过时，感温磁体的磁性较强 C．饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会超过，这时开关按钮会跳起 D．常压下只要锅内有水，锅内的温度就不可能达到，开关按钮就不会自动跳起 【答案】　ACD 【详解】AB．感温磁体在常温下磁性较强，当温度超过“居里温度”时会突然失去磁性，A项正确，B项错误； CD．只要锅底的温度超过103℃，感温磁体就失去磁性，开关按钮会跳起，但常压下烧水，不会超过103℃．所以水开后开关按钮不会自动跳起，要想自动跳起，只有水被烧干后，选项CD正确． 故选ACD。 6.（2025·云南·高考真题）基于铂电阻阻值随温度变化的特性，某兴趣小组用铂电阻做了测量温度的实验。可选用的器材如下：型号铂电阻、电源E（电动势，内阻不计）、电流表。（量程，内阻）、电流表（量程，内阻约）、定值电阻（阻值）、定值电阻（阻值）、开关S和导线若干。 查阅技术手册可知，型号铂电阻测温时的工作电流在之间，在范围内，铂电阻的阻值随温度t的变化视为线性关系，如图（a）所示。 完成下列填空： (1)由图（a）可知，在范围内，温度每升高，该铂电阻的阻值增加________； (2)兴趣小组设计了如图（b）所示的甲、乙两种测量铂电阻阻值的电路图，能准确测出铂电阻阻值的是________（填“甲”或“乙”），保护电阻R应选________（填“”或“”）； (3)用（2）问中能准确测出铂电阻阻值的电路测温时，某次测量读得示数为，示数如图（c）所示，该示数为________，则所测温度为________（计算结果保留2位有效数字）。 【答案】(1)3.85(2) 乙 (3) 62.0 51 【详解】（1）温度每升高，该铂电阻的阻值增加 （2）[1]由于内阻确定，所以用测量电阻的电压，用与之差来测量经过电阻的电流，故能准确测出铂电阻阻值的是乙； [2]电路中的最大电流为0.3mA，可得电路中的最小阻值 可知保护电阻R应选。 （3）[1]由图可知的分度值为，则其读数为； [2]根据欧姆定律可得 根据题图可得 代入数据可得 课 堂 小 结 1.传感器可不止“开关灯、控风扇”这点本事！它堪称“全能打工人”，在生活各处发光发热——手机拍照靠光敏传感器“抓光线”，汽车倒车靠超声波传感器“探障碍”，医院体检靠红外传感器“测体温”～ 2.不管是工业生产的“精准把关”，还是智能家居的“贴心服务”，甚至太空探索的“遥远探测”，传感器都能靠“感知+传信号”的核心技能，搞定各种复杂任务，比人工高效还靠谱！ 板 书 设 计 第3节 大显身手的传感器 一、生活管家组 电子秤（压力传感器）：“掂重量”，精准报数 空调（温度传感器）：“控冷暖”，恒温舒适 手机（光敏传感器）：“调亮度”，护眼省电 二、工业科技组 机床（位移传感器）：“定精度”，加工无误 汽车（胎压传感器）：“防风险”，行车安全 航天（生理传感器）：“护航天员”，监测健康 三、核心技能 感知非电量→转电信号→传指令，哪里需要哪里上！ 四、上岗口诀 生活工业航天忙，传感技术来帮忙，精准感知效率高，智能时代顶梁柱！ 作业 布置 1.选择一种传感器（如光敏、热敏或声敏传感器），说明其工作原理，并举例说明它在日常生活或工业中的一个应用场景。 2.设计一个简单的实验，利用传感器（如温度传感器）测量环境变化，记录数据并分析传感器如何将物理量转化为电信号，撰写简要实验报告。 3.结合智能家居或环保监测等主题，提出一个基于传感器的创新装置构想，描述其功能及解决的实际问题，突出传感器的核心作用。 教学反思 1.多领域应用案例呈现零散，可按“生活→工业→科技”分类梳理，用思维导图构建应用体系，强化逻辑关联。 2.传感器选型的参数分析不足，需补充灵敏度、稳定性等核心指标的对比案例，结合实际需求深化决策逻辑理解。 3.创新应用设计引导薄弱，可展示新型传感器（如柔性传感器）案例，启发学生结合生活痛点提出设计构想。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $