5.1 传感器 5.2 常见传感器的工作原理及作用 课件-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

该高中物理课件围绕传感器展开，涵盖定义、工作原理、分类及常见传感器（如光敏电阻、霍尔元件）的原理与应用。通过“小盒子与磁体”现象提问导入，结合干簧管实例引出概念，再按原理、分类、应用递进，以实验和生活案例为学习支架。 其特色是融入大量生活应用（自动路灯、电饭锅）和实验（光敏电阻特性观察），通过“人体感觉器官-传感器对应”建构物理观念，实验分析培养科学探究能力。助力学生联系生活理解知识，为教师提供丰富实例与教学思路，提升教学效率。

第五章 传感器 1 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 认识传感器 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？ 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 干簧管 干簧管的玻璃管内封入两个软磁性材料制成的簧片，有磁体靠近时，两簧片被磁化接通。 干簧管将外界附近有无磁场转换为电路中有无电流 干簧管是一种传感器 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 传感器 它能够感知诸如力、温度、光、声、磁场、化学成分等非电学量，并把它们按照一定的规律转化成电压、电流等电学量，或转化为电路的通断。从而实现很方便地测量、传输、处理和控制。 传感器是指这样一类元件或装置： 力 温度 光 声 化学成分 非电学量 电学量 电压 电流 电路的通断 传感器 电阻 电容 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 传感器的工作原理 转换电路 电 信 号 敏感元件 非电信号 温度 位移 速度 压力 磁场 光照 电流 电阻 电压 电容 转换元件 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 传感器的工作原理 非电学量 需要被测量的物理量 敏感元件 转换元件 转换电路 电学量 能直接感受或响应外界被测非电学量 将敏感元件输出的信号转换成电学量 电学量信号放大 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 神奇的传感器 自动路灯 酒精浓度检测 自动门 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 神奇的传感器 汽车里的传感器 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 神奇的传感器 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 神奇的传感器 传感器作用：代替、补充、延伸人的感觉器官 人体与传感器 光传感器 湿度、气体传感器 声音传感器 味传感器 压力、温度传感器 视觉 嗅觉 听觉 味觉 触觉、温觉 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 神奇的传感器 压敏、温敏传感器——触觉 气敏传感器——嗅觉 光敏传感器——视觉 声敏传感器——听觉 化学传感器——味觉 还有磁敏传感器、湿敏传感器、放射线敏感传感器等等。 明火探测器 温度传感器 光电传感器 超声波传感器 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 传感器的分类 物理传感器 力传感器、磁传感器、声传感器 利用物质的物理特性或物理效应制作而成， 体温计——温度传感器 电子秤——压力传感器 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 传感器的分类 生物传感器 酶传感器、微生物传感器、细胞传感器 血糖仪——酶传感器 利用葡萄糖生物传感器制成的血糖仪 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 传感器的分类 化学传感器 离子传感器、气体传感器 利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号。 报警器—气体传感器 分析仪—离子传感器 利用电化学气体传感器制成的可燃气体报警器 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 传感器的分类 智能手机的传感器与功能 传感器原理各异，分类方法也不同。根据被测量的不同，可分为声、光、压力、位移、加速度、温度等传感器；根据具体工作原理的不同，可分为电阻式、电容式、电感式、光电式、热电式、压电式、磁电式等传感器。 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 传感器的组成与应用模式 传感器的核心部分——敏感元件、转换元件 敏感元件是指能直接感受或响应外界被测非电学量的部分——完成检测。 转换元件是指能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分——完成转换。 如果敏感元件直接输出的是电学量，它就同时兼为转换元件。 这种敏感元件和转换元件二者合一的传感器是很多的。例如，热电偶、压电晶体等都是这种形式的传感器。 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 课堂例题 关于传感器工作的一般流程，下列说法中正确的是( ) A. 非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件 B. 电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量 C. 非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量 D. 非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量 C 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 传感器的组成与应用模式 话筒是一种能够将声音信号转换为电信号的传感器。图乙是电容式话筒的组成结构示意图，话筒的振动膜片涂有薄薄的金属层，膜后相距几十微米有一个全属片（固定电极），它们构成电容器的两个极板。电容式话筒利用电容器的电容与极板间距离的关系来工作。你能根据它的工作过程说说各组成元件的作用吗? 声波使振动膜发生振动，振动膜作为敏感元件，感受声音信号的变化，与固定电极组成的电容器相当于转换元件，将声音信号的强弱转换成电容器的电容变化。把电容器接入含有电阻、电源的转换电路中，由于电容器的电容不断发生变化，电容器产生充、放电电流，加载在电阻R两端的电压也随之变化。 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 新课引入 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？ 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 光敏电阻 把硫化镉涂敷在绝缘板上，在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的栅状电极。 1.光敏电阻的制作 硫化镉 光强——电阻率小 光弱——电阻率大 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 光敏电阻 2. 观察光敏电阻特性 (1) 光敏电阻在暗环境下电阻值很大，随着光强的增加阻值不断减小，强光照射下电阻值很小; 实验结论： (2) 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。 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 光敏电阻 3.光敏电阻的应用 ——计数器 A是发光仪器 B是接收光信号的仪器 无物品、有光照、电阻小、电压低 有物品、挡光、电阻大、电压高 这种高低交替变化的信号经过处理，就会转化为相应的数字，实现自动计数的功能。 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 课堂例题 如图所示，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( 　　) 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 ABC 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 金属热电阻和热敏电阻 1.金属热电阻和热敏电阻性 温度能明显地影响金属导体和半导体材料的导电性能。 用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。 常用的一种热电阻是用铂制作的，可用来做电阻温度计。 金属的电阻率随温度的升高而增大 有些半导体在温度上升时导电能力增强 用半导体材料制作热敏电阻 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 金属热电阻和热敏电阻 2. 观察热敏电阻特性 实验现象 热敏电阻放温水后，电流表读数明显增大， 温度升高，热敏电阻的阻值显著减小。 实验结论 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 金属热电阻和热敏电阻 当液面高于热敏电阻的高度时，热敏电阻发出的热量会被液体带走，温度基本不变，阻值较大，指示灯不亮。 给热敏电阻通以一定的电流，热敏电阻会发热。 当液体减少、热敏电阻露出液面时，发热导致它的温度上升、阻值较小，指示灯亮。 通过判断热敏电阻的阻值变化，就可以知道液面是否低于设定值。 液位报警示意图 油位高→电阻大→灯不亮 油位低→电阻小→灯亮 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 电阻应变片 ①金属电阻应变片 ②半导体电阻应变片 1.原理与特性 拉力→L变长→S变小→电阻变大 压力→L变短→S变大→电阻变小 金属的电阻应变效应 当单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象，称为压阻效应。 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 电阻应变片 金属梁 应变片 应变片 F 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。 应变片是把形变这个力学量转换为电压这个电学量。 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 电阻应变片 2.应用实例——电子秤 电子秤使用的测力装置：力传感器 常见的一种力传感器： 应变式力传感器 应变片 金属梁 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 电阻应变片 2.应用实例——电子秤 汽车称重的地磅 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 电容式传感器 如图所示，当被测物体在左、右方向发生位移时，电介质板随之在电容器两极板之间移动。如果测出了电容的变化，就能知道物体位置的变化。用什么方法可以检测电容的变化？ 电容式位移传感器能把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。 根据电容的定义式 ，可知，给电容器带上一定的电荷，然后用静电计来检测两极板间电势差的变化，就可判断电容的变化。 思考与讨论 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 电容式传感器 （1）改变S：测量角度θ 、液面高度h等 定片 动片 θ 电介质 金属芯线 导电液体 角度、深度 位移、压力 电容 传感器 电容 （2）改变d：测量压力F 待测压力F 固定电极 可动电极 （3）改变ε：测量位移x 电容器极板 电介质板 被测物体 电容式位移传感器 x 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 电容式传感器 隔离膜压力传感器 陶瓷压力传感器 电子秤 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 课堂例题 (多选)如图电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜导体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导体层内形成一个低电压交流电场，在触摸屏幕时，由于人体是导体，手指与内部导体层间会形成一个特殊电容(耦合电容)，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。由以上信息可知，下列说法中正确的是(　 　 ) ABD A．电容式触摸屏的两极板分别是导体层和手指 B．当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容越大 C．当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容越小 D．当用手触摸屏幕时，手指和屏的接触 面积的大小影响电容的大小 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 霍尔元件 洛伦兹力等于电场力： 电流微观表达式： 联立得： 令 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 霍尔元件 1、霍尔元件：用对磁场敏感的材料（导体，半导体）制作的元件 2、原理：利用霍尔效应现象产生霍尔电压可求得磁感应强度的大小。 3、作用：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。 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 霍尔元件 ★霍尔传感器应用实例: 永久磁铁和 霍尔元件 ①电动车加速器 位置→磁场→电压→控制器控制车速 ②霍尔无刷电动机(直流电源) 位置→ → → 三个霍尔 传感器 三个 电压 控制器控制 三个线圈 中的电流 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 课堂例题 (多选)电动自行车是一种使用广泛的交通工具,其速度控制是通过转动右把手实现的,这种转动把手称为“霍尔转把”,属于传感器非接触控制。转把内部有永久磁铁和霍尔器件等,截面如图甲。永久磁铁的左、右两侧分别为N、S极,开启电源时,在霍尔器件的上、下面之间加一定的电压,形成电流,如图乙。随着转把的转动,其内部的永久磁铁也跟着转动,霍尔器件能输出控制车速的霍尔电压,已知电压与车速的关系如图丙。下列关于“霍尔转把”的说法正确的是（ ） A.为提高控制的灵敏度,应使永久磁铁的上、下端分别为N、S极。 B.按图甲顺时针转动电动车的右把手(手柄转套),车速将变快。 C.图乙中从霍尔器件的前、后面输出控制车速的霍尔电压。 D.若霍尔器件的上、下面之间所加电压正、负极性对调,将影响车速控制。 BC 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 双金属片温度传感器 铜的膨胀系数大于铁 常温下两触点分离。温度升高，两种金属膨胀性能不同，双金属片形状发生变化，使触点接触。 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 双金属片温度传感器 电熨斗 （1）常温下，上、下触点应是接触的还是分离的？当温度过高时，双金属片将怎样起作用？ （2）熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，这是如何使用调温旋钮来实现的？ 平常温度低，双金属片都不变，上下触点接触在一起；电热丝通电加热，双金属片温度升高，双金属片膨胀系数上层大下层小，温度升到一定时双金属片向下弯曲使触点断开； 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钢片下移，使双金属片稍向下弯曲，这时使触点断开双金属片向下弯曲程度要大一些温度要更高一些． 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 课堂例题 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？ 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 电饭锅的工作原理 开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸引，手松开后，按钮不再恢复到初始状态，则触点接通，电热板通电加热，水沸腾后，由于锅内保持1000c不变，故感温磁体仍与永磁体相吸，继续加热，直到饭熟后，水份被大米吸收，锅底温度升高，当温度升至“居里点1030c”时感温磁体失去磁性，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源，从而停止加热。 版权所有：徐圣钦 QQ：894665727 Lavf58.29.100 Lavf58.29.100 Lavf58.29.100 $