第五章 1-2.认识传感器&常见传感器的工作原理及应用-（配套练习）【学霸笔记·同步精讲】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册（人教版）

1.认识传感器　2.常见传感器的工作原理及应用 1.知道什么是传感器，了解传感器的种类。 2.知道传感器的组成与应用模式。 3.知道光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻、电阻应变片的特点，了解不同传感器的特征及工作原理。 4.了解传感器在生产、生活中的广泛应用。 知识点一　认识传感器 情境：如图所示，目前我国的大量电动汽车配置了高阶智驾功能，主要利用激光雷达、毫米波雷达、高清摄像头等元件感知周围运动、静止物体等的信息，保证汽车安全智能行驶。 问题：激光雷达、毫米波雷达、高清摄像头等元件感知周围运动、静止物体等的信息时，主要是把光、位移、距离、速度等信号转变为什么（选择“力学”“热学”或“电学”）信号？ 1.传感器 （1）定义：能够感受诸如力、　　　　、光、　　　　、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　　　　和　　　　的可用信号输出。通常转换成的可用信号是电压、电流等　　　　量，或转换为电路的　　　　。 （2）作用：把　　　　量转换为　　　　量，可以很方便地进行测量、　　　　、处理和　　　　。 2.传感器的种类 （1）物理传感器：利用物质的　　　　特性或　　　　效应制作而成的传感器，如力传感器、磁传感器、声传感器等。 （2）化学传感器：利用　　　　反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器，如离子传感器、气体传感器等。 （3）生物传感器：利用　　　　活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质的传感器。如酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等。 3.传感器的组成：传感器的基本部分一般由　　　　　、　　　　　组成。 4.传感器应用的一般模式 【易错辨析】 （1）传感器只能感受温度和光两个物理量。（　　） （2）楼道的灯白天不亮，晚上有声音时才亮，是利用了“声控＋光控”传感器。（　　） （3）当人走近一些宾馆的自动门时门会自动打开，是利用了紫外线传感器。（　　） 1.传感器的组成和工作流程 （1）传感器的组成 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：传感器中能将敏感元件输出且与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的部分。 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。 （2）传感器的一般工作流程 2.传感器的原理 传感器感受的通常是非电学量，如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等。这些输出的信号是非常微弱的，通常需要经过放大后，再传送给控制系统产生各种控制动作。 【例1】　（传感器的理解）（2025·江苏泰州期末）关于传感器，下列说法正确的是（　　） A.金属材料不可以制成传感器 B.所有传感器的材料都是由半导体材料做成的 C.话筒是一种常用的声传感器，其作用是将声信号转换为电信号 D.传感器都是通过感知电压的变化来传递信号的 尝试解答　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 【例2】　（传感器的分类）（2025·山东威海期末）关于物理传感器、化学传感器和生物传感器的下列说法中，正确的是（　　） A.物理传感器利用材料的某种物理性质工作，因而只能用于机械加工行业不能用于化工领域 B.化学传感器是利用某种化学反应来工作的，因而只能输出某种化学物质而不能输出电学量 C.生物传感器的适用范围广，可在任意温度条件下工作 D.生物传感器对生物物质敏感，因而对使用传感器的环境有一定的要求 尝试解答　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 知识点二　常见传感器的工作原理及应用 　情境：为了人们的照明需要同时也为了节能，公共楼道、卫生间等场所的照明灯一般都安装了自动控制开关。 问题：（1）如果要实现“白天不亮、晚上亮”而且“人来灯亮、人去灯灭”的双重自动控制，需要什么传感器？ （2）如果要实现“白天不亮、晚上亮”而且“有声时灯亮、无声时灯灭”的双重自动控制，需要什么传感器？ 1.光敏电阻 （1）特点：在被光照射时　　　　发生变化。 （2）原理：无光照时，载流子少，导电性能　　　　；随着光照的增强，载流子　　　　，导电性　　　　。 （3）作用：把　　　　　这个光学量转换为　　　　这个电学量。 2.金属热电阻 金属的电阻率随温度的升高而　　　　。用金属丝可以制作　　　　传感器，称为热电阻，如图甲为某金属导线电阻的温度特性曲线。 3.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非常　　　　，如图乙为某一热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线。 4.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　　　　形变，导体的长度、横截面积变化从而引起　　　　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　　　作用时，其　　　　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 ③作用：应变片将物体　　　　这个力学量转换为　　　　这个电学量。 【易错辨析】 　（1）随着光照的增强，光敏电阻的电阻值逐渐增大。（　　） （2）热敏电阻能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。（　　） （3）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。（　　） （3）手机中的声音传感器把声音转化为电信号。（　　） 光敏电阻、金属热电阻和热敏电阻的比较 特性 原因 光敏电阻 光照越强，电阻越小 光照增强，载流子增多，电阻减小 金属热电阻 温度越高，电阻越大 温度升高，金属电阻率增大，电阻增大 热敏 电阻 正温度系数的热敏电阻 温度越高，电阻越大 温度升高，载流子减少，电阻增大 负温度系数的热敏电阻 温度越高，电阻越小 温度升高，载流子增多，电阻减小 【例3】　（热敏电阻和金属热电阻）〔多选〕嫦娥六号采用了大量的传感器，其中用到了金属热电阻和热敏电阻，它们的阻值R随温度T变化的关系图像如图所示，下列说法中正确的是（　　） A.金属热电阻不可用来做电阻温度计 B.金属热电阻在温度上升时导电能力减弱 C.热敏电阻的阻值随温度的变化不明显 D.它们都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量 尝试解答　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 【例4】　（光敏电阻）〔多选〕如图所示为城市街道上的光控路灯电路，以实现自动亮度控制。图中A、B为相同灯泡，电源电动势为E，内阻为r，Rt为光敏电阻，其阻值随光照强度增加而减小。下列判断正确的是（　　） A.外界光照强度增加时，电流表示数减小 B.外界光照强度增加时，通过R0的电流增加 C.外界光照强度增加时，A灯、B灯均变暗 D.该电路不可用于实际光控路灯中，因为外界光照强度增加时，电源消耗功率增大 尝试解答　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 方法技巧 含传感器电路的动态分析方法 （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）结合电路结构特点及局部阻值的变化，根据闭合电路欧姆定律等规律分析有关物理量的变化。 【例5】　（力传感器）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～t1时间内，升降机一定静止 B.t1～t2时间内，升降机可能做匀加速直线运动 C.t1～t2时间内，升降机运动时的加速度在变化 D.t2～t3时间内，升降机可能向下匀速运动 尝试解答　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 知识点三　电容式传感器及其应用 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，这种电容器称为电容式传感器。 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 【例6】　〔多选〕如图所示，甲、乙、丙、丁是四种常见的电容式传感器，下列说法正确的是（　　） A.图甲中两极板所带电荷量不变，若两极板间的电压变大，可判断出h变小 B.图乙中两极板所带电荷量不变，若两极板间的电压变大，可判断出θ变小 C.图丙中两极板间的电压不变，若有电流流向传感器的负极，则x变大 D.图丁中两极板间的电压不变，若有电流流向传感器的正极，则F变大 尝试解答　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　〔多选〕（2025·广东佛山期末）图甲是由导电的多晶硅制成的电容式加速度传感器，图乙是其原理图。传感器可以看成由两个电容C1、C2组成，当传感器沿着箭头方向变速运动时，多晶硅悬臂梁的右侧可发生弯曲形变，形变程度只与加速度大小相关，且加速度向上时，悬臂梁的右侧向下弯曲。下列说法正确的是（　　） A.传感器静止时，用外力下压悬臂梁右侧，C1增大，C2减小 B.传感器保持匀速向上运动，C1与C2均不变 C.传感器由静止突然加速向上运动，C1减小，C2增大 D.传感器向下做匀减速运动，C1不断减小，C2不断增大 霍尔元件的原理及应用 1.霍尔传感器：根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。一般用于电机中测定转子的转速，如录像机的磁鼓、电脑中的散热风扇等。 2.霍尔元件的工作原理（如图所示） （1）E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁感应强度为B的磁场时，薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下向着与电流和磁场都垂直的方向偏转，使M、N间出现电压UH。 （2）霍尔元件中电流、电压稳定时，载流子所受静电力和洛伦兹力二力平衡。 3.霍尔电压：UH＝k（d为薄片的厚度，k为霍尔系数）。其中UH与B成正比，所以霍尔元件能把磁学量转换成电学量。 【典例1】　〔多选〕如图所示为某霍尔元件的工作原理示意图，该元件中电流I由正电荷的定向运动形成。下列说法正确的是（　　） A.M点电势比N点电势高 B.用霍尔元件可以测量地磁场的磁感应强度 C.用霍尔元件能够把磁学量转换为电学量 D.若保持电流I恒定，则霍尔电压UH与B成正比 尝试解答　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 【典例2】　〔多选〕（2025·湖北黄冈期末）自行车速度计测车速时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越小 C.车速为2πNR2 D.车速为2πNR1 尝试解答　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：完成课后作业　第五章　1.　2. 7 / 7 学科网（北京）股份有限公司 $ 1.认识传感器2.常见传感器的工作原理及应用 知识点一 情境导入 　提示：主要是把光、位移、距离、速度等信号转变为电学信号。 新知导读 1.（1）温度　声　传送　处理　电学　通断　（2）非电学　 电学　传输　控制　2.（1）物理　物理　（2）电化学　 （3）生物　3.敏感元件　转换元件 易错辨析 （1）×　（2）√　（3）× 知识点二 情境导入 提示：（1）光传感器＋红外线传感器（或微波传感器等）。 （2）光传感器＋声传感器。 新知导读 1.（1）电阻　（2）差　增多　变好　（3）光照强弱　电阻　 2.增大　温度　3.明显　4.（1）①机械　电阻　②外力　 电阻率　（2）③形变　电压 易错辨析 （1）×　（2）√　（3）√　（4）√ 1.认识传感器　2.常见传感器的工作原理及应用 知识点一 【例1】　C　传感器材料分为半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料，故A、B错误；话筒是通过声波的振动，改变电容的大小，从而将声音信号转化为电信号的，故C正确；传感器的种类很多，不一定是感知电压来实现传递信号的，故D错误。 【例2】　D　物理传感器在化工领域也可以使用，如温度传感器等，故A错误；不论哪种传感器都可以将非电学量转换成电学量输出，故B错误；生物传感器能够使用的前提是生物物质保持生物活性，因而对使用的环境有一定的要求，故C错误，D正确。 知识点二 【例3】　BD　金属热电阻的阻值随温度的升高而线性增大，这样的金属可以制成温度传感器，称为金属热电阻，可用来做电阻温度计，故A错误；金属热电阻在温度上升时，电阻变大，导电能力减弱，故B正确；热敏电阻的阻值随温度的升高而降低，其阻值变化明显，故C错误；金属热电阻和热敏电阻它们都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，故D正确。 【例4】　BCD　外界光照强度增加时，光敏电阻阻值减小，电路中的总电阻减小，由I总＝，可知电路中总电流增大，电流表示数增大，故A错误；电路中总电流增大，由U内＝Ir，可知电源内电压增大，由E＝U内＋U外，可知路端电压减小，所以灯泡A中的电流IA减小，由I总＝IA＋，可知外界光照强度增加时，通过R0的电流增加，故B正确；外界光照强度增加时，灯泡A中的电流IA减小，A灯变暗；由于通过R0的电流增加，所以R0两端的电压增大，又外电压减小，因此B灯两端的电压减小，所以B灯变暗，故C正确；外界光照强度增加时，电路中总电流增大，电源消耗功率P内＝I2r增大，所以该电路不可用于实际光控路灯中，故D正确。 【例5】　C　0～t1时间内，电流不变，根据闭合电路欧姆定律可知，电路中的总阻值不变，升降机可能静止也可能匀速运动，故A错误；t1～t2时间内，电流逐渐增大，则电阻逐渐减小，因为压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，所以压力逐渐增大，由牛顿第三定律可知物块受到的支持力逐渐增大，根据牛顿第二定律有FN－mg＝ma，可知合力向上，加速度向上且逐渐增大，故B错误，C正确；t2～t3时间内，电流不变，电阻不变，压力不变，此时的电流大于静止时的电流，压力大于静止时的压力，物块受重力和支持力，根据牛顿第二定律有FN'－mg＝ma'，可知合力向上，加速度向上且大小不变，所以t2～t3时间内，升降机匀加速上升或匀减速下降，故D错误。 知识点三 【例6】　AD　题图甲中若h变小，则两极板正对面积变小，由电容的决定式C＝可知，C变小，由于两极板所带电荷量不变，则由电容的定义式C＝可知，两极板间的电压变大，故A正确；若题图乙中θ变小，则两极板正对面积增大，由电容的决定式C＝可知，电容增大，两极板所带电荷量不变，则由电容的定义式C＝可知，两极板间的电压减小，故B错误；题图丙中两极板间的电压不变，若有电流流向传感器的负极，则电容器在放电，所带电荷量减小，由电容的定义式C＝可知，电容减小，由电容的决定式C＝可知，电介质向外移动，则x变小，故C错误；题图丁中两极板间的电压不变，若有电流流向传感器的正极，则电容器在充电，所带电荷量增加，由电容的定义式C＝可知，电容增大，由电容的决定式C＝可知，两极板间距离减小，则F变大，故D正确。 即学即练 　BC　传感器静止时，用外力下压悬臂梁右侧，多晶硅悬臂梁与顶层多晶硅距离变大、与底层多晶硅距离变小，由C＝可知，C1减小，C2增大，故A错误；传感器保持匀速向上运动，多晶硅悬臂梁相对于顶层多晶硅和底层多晶硅位置不变，C1与C2均不变，故B正确；传感器由静止突然加速向上运动，多晶硅悬臂梁的右侧发生弯曲形变，多晶硅悬臂梁与顶层多晶硅距离变大、与底层多晶硅距离变小，由C＝可知，C1减小，C2增大，故C正确；传感器向下做匀减速运动，加速度向上且大小恒定，多晶硅悬臂梁的右侧向下弯曲形变且形变量不变，多晶硅悬臂梁与顶层多晶硅、底层多晶硅的距离均不变，由C＝可知，C1、C2大小不再变化，故D错误。 【素养培优】 【典例1】　BCD　当正电荷定向运动形成电流时，正电荷在洛伦兹力作用下向N极聚集，M极感应出等量的负电荷，所以M点电势比N点电势低，选项A错误；根据霍尔元件的特点可知，选项B、C正确；因霍尔电压UH＝k，保持电流I恒定时，霍尔电压UH与B成正比，选项D正确。 【典例2】　BC　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是单个电子所带的电量，S是导体的横截面积，v是电子定向运动的速度。整理得：v＝，联立解得Um＝，保持电流不变，霍尔电压Um与车速大小无关，故A错误；车速越快，磁铁经过霍尔传感器附近的时间越短，脉冲的宽度Δt越小，B正确；由题意，如果在单位时间t＝1 s内得的脉冲数为N时，则自行车的转速为n0＝，则车速为v＝2πn0R2＝＝2πNR2，故C正确，D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $