5.2 常见传感器的工作原理及应用-【重难点手册】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册（人教版）浙江专用

第五章 传感器出超 第2节 常见传感器的工作原理及应用 重点和难点 课标要求 1.介绍光敏电阻、热敏电阻和电阻应变片三种敏感元件，通 重点：光敏电阻、热敏电阻和电阻应变片的 过实验知道它们的性能，了解其工作原理，感悟基础知识学习和 应用。 应用的重要性。 难点：霍尔元件及其工作原理。 2.了解霍尔元件及其原理。 门01必备知识梳理。 基础梳理 知识点1光敏电阻 光敏电阻是一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器」 (1)特性：当用不同的光照射光敏电阻时会得到不同的电阻， 由实验数据可知一般光照强度越强，电阻越小. (2)本质：一般构成光敏电阻的物质为半导体材料，当无光照 时载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导 电性能变强，电阻就会减小 (3)作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量，就 如同人的眼睛一样，可以感知光线的强弱. 知识点2金属热电阻和热敏电阻 1.热敏电阻 P拓视野7 (1)由半导体材料制成，利用温度变化使半导体的导电性能 氧化锰热敏电阻和金属 发生变化的电子元件.一般热敏电阻的阻值随温度的升高而减小 热电阻的对比 (2)分类：热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同 氧化锰 金属热电阻 热敏电阻 分为正温度系数热敏电阻器(PT℃)、负温度系数热敏电阻器 电阻率随 电阻率随温度 (NTC)和临界温度热敏电阻器(CTR).正温度系数热敏电阻器随 特点 温度的升 的升高而增大 高而减小 温度的升高，其电阻增大；负温度系数热敏电阻器随温度的升高， 制作 其电阻减小；临界温度热敏电阻器具有负电阻突变特性，在某一 材料 半导体 金属 温度下，电阻值随温度的增加而急剧减小，具有很大的负温度系数 化学稳定性好， 优点 灵敏度好 2.金属热电阻 测温范围大 金属的电阻率随温度的升高而增大，利用这一特性，金属丝 将温度这个热学量转换为 作用 电阻这个电学量 也可以制作成热敏传感器，称为热电阻. 137 重滩点手册高中物理选择性必修第二册)（浙江专用） 知识点3电阻应变片 1.问题引入 应变片 刀划重点 在超市购物时，有些商品需要称量，例如售货 电子秤的工作原理 员把水果放在表面平整的电子秤上，电子秤就可 金属梁自由端受力F→ 以显示出所购水果的重量及价格.当然，还有大型 甲 金属梁发生弯曲→应变片的 电阻变化→两应变片上的电 电子秤，例如地磅，可以用来称量货车等.电子秤是一种力传感器 压差值变化. 应用的例子，它的主要元件是应变式力传感器，如图甲所示 2.电子秤 (1)组成：由金属架和应变片组成. (2)应变片测力的原理 如图乙所示，用弹簧钢制成的金属架右端 应变片 固定，在梁形金属架上、下表面各贴一个应变 片（由半导体材料制成），在梁的自由端施力金属架 应变片 F,则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩， 乙 上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小.F越大，弯 曲形变越大，应变片的阻值变化就越大.如果让应变片中通过的 电流保持恒定，那么上面应变片两端的电压变大，下面应变片两 端的电压变小.传感器把这两个电压的差值输出.外力越大，输出 的电压差值也就越大 应变式力传感器可以用来测重力、压力、拉力等各种力. 应变片能够把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量： 重难拓展 重难点1霍尔元件 1.问题引入 习拓视野 霍尔元件是一类将外部磁感应强度这一磁学量转换为电压 霍尔传感器技术在汽车 这一电学量的传感器元件.跟前面已讨论过的光敏电阻、热敏电 工业中有着广泛的应用，包括 动力、车身控制、牵引力控制 阻和金属热电阻一起构成传感器的四类重要元件。 以及防抱死制动系统等.为了 2.霍尔效应 满足不同系统的需要，霍尔传 如图所示，厚度为d的导体板放在垂直于 F 感器有开关式、模拟式和数字 M 它的磁感应强度为B的匀强磁场中.当恒定电 式传感器。 流I通过导体板时，导体板的左右侧面出现电 势差，这种现象称为霍尔效应， U 刀划重点 3.霍尔元件 霍尔效应原理的论证 如上图所示，在一个很小的矩形半导体（例如砷化铟）薄片 外部磁场使运动的载流 138 第五章 传意器么 上，制作四个电极E、F、M、N,就成为一个霍尔元件 子受到洛伦兹力作用，在导体 可以证明霍尔电压一孕。 板的一侧聚集，在导体板的另 一侧会出现多余的另一种电 (1)其中为比例系数，称为霍尔系数，其大小与薄片的材料 荷，从而形成横向电场；横向 电场对电子施加与洛伦兹力 有关 方向相反的静电力，当静电力 (2)一个霍尔元件的厚度d、比例系数k为定值，再保持I恒 与洛伦兹力达到平衡时，导体 定，则UH的变化就与B成正比，因此霍尔元件又称磁敏元件， 板左右两侧会形成稳定的电 例1霍尔元件是实际生活中的重要元件之一，广泛应用于 压，设上页左栏图中MN方 测量和自动化技术等领域.如图所示为一长度一定的霍尔元件， 向长度为l,则g7 =gB,根 磁感应强度为B的匀强磁场垂直于霍尔元件的工作面向下，在元 据电流的微观解释I=ngSv, 件中通入图示从E到F方向的电流I,元件中的载流子带负电， 整理后得UH IB 下列说法中正确的是( ). ngd 令k=】,因为n为材料 ng 单位体积的带电粒子个数，9 为单个带电粒子的电荷量，它 们均为常数，所以U1=6 d A.该元件能把电学量转化为磁学量 B.该元件C面的电势高于D面 C.如果用该元件测赤道处地磁场的磁感应强度，应保持C、 D面竖直 D.如果流过霍尔元件的电流大小不变，则元件C、D面的电 势差与磁场的磁感应强度成正比 解析霍尔元件是能够把磁学量转换为电学量的传感器， A错误；根据左手定则，带负电的电荷向C面偏转，C面带负电， D面带正电，所以D面电势高，B错误；在测定地磁场的磁感应强 度时，让磁场垂直通过元件的工作面，即C、D面保持水平，C错 误；运动电荷最终在电场力和洛伦兹力的作用下处于平衡状态， 设霍尔元件的长，宽、高分别为ab,d,则有q6=gB,电流的微 观表达式为I=nquS=ngubd,所以U=BIngd,如果流过霍尔元 件的电流大小不变，则元件C、D面的电势差与磁场的磁感应强 度成正比，D正确. 答案D 139 重难点手册高中物理选择性必修第二册)（浙江专用） 02一关健能力提升。 题型1温度传感器的应用 的温度可保持在35℃，故C正确，A、B、D错误. 例①(2025·安徽合肥一六八中学高二 答案C 月考)如图甲所示为在温度为10℃左右的环 题型2压力传感器的应用 境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电 例2(2025·湖北武汉 阻R1=20k2、R2=10k2、R3=40k2,Rx为 二中模拟)压敏电阻的阻值 热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙 随所受压力的增大而减小，压敏电阻 物块 所示，a、b端电压Ub≤0时，电压鉴别器会令 有位同学设计了利用压敏电 开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内 阻判断升降机运动状态的装 温度升高；当a、b端电压Ub>0时，电压鉴别 置，其工作原理如图所示.将 器会令开关S断开，停止加热，则恒温箱内的 压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个 温度可保持在( 物块，在升降机运动过程的某一段时间内，发 220V 现电流表的示数I不变，且I大于升降机静止 电压鉴 时电流表的示数I。,在这段时间内( 别器 A.升降机可能匀减速下降 A∧ R 电热丝 B.升降机一定匀减速下降 甲 ↑R/(×10k2) C.升降机可能匀加速下降 D.升降机一定匀加速下降 解析设升降机匀加速下降，则重力mg 大于压力N,即压力N变小，压敏电阻阻值变 0102030405060t/℃ 乙 大，R。增大，由1辰知1s变小，04 A.10℃B.20℃C.35℃ D.45℃ E一I总变大，电流表读数变大，升降机可能匀 解析图甲中电阻R1、R2串联，R3、RT串 加速下降，也可能匀减速上升，故A、B、D错 联两部分电路再并联，形成了电桥式电路，a、b 误，C正确， 间的电压Ub等于电阻R1、R3或R2、RT的电 答案C 压之差，当Ub=0时，设通过R1、R2所在支路 题型3光传感器的应用 的电流为I1,通过R3、RT所在支路的电流为 例③(2025·山东聊城 12,则有1R1=I2R,1R,=I,RT,可得R R R 二中高三开学考试)如图所 示，Rx为金属热电阻，R1为 R R2,由题意有R,=20k0,R,=10kR 光敏电阻，R2和R3均为定 40k2,代入解得Rr=20k2,由图乙可知当 值电阻，电源电动势为E,内阻为，V为理想 RT=20k2时温度为t=35℃，所以恒温箱内电压表.现发现电压表示数增大，可能的原因 140 第五章传感器么超 是(). 理如图所示，有一个沿之轴方向均匀变化的匀 A.金属热电阻温度升高，其他条件不变 强磁场，磁感应强度B=B。十之(B。、k均为常 B.金属热电阻温度降低，光照强度减弱， 数).将霍尔元件固定在物体上，保持通过霍尔 其他条件不变 元件的电流I不变（方向如图所示），当物体沿 C.光照强度增强，其他条件不变 之轴正方向平移时，由于位置不同，霍尔元件在 D.光照强度增强，金属热电阻温度升高， y轴方向的上、下表面的电势差U也不同. 其他条件不变 则(). 解析由电路图可知，R3和RT串联后与 R1并联，再与R2串联，若金属热电阻温度升 M 高，RT增大，并联部分的总电阻增大，分担的 电压增大，通过R,的电流增大，总电阻增大， 则总电流减小，所以通过R3的电流减小，R 的电压减小，所以电压表示数减小，故A错误； A.磁感应强度B越大，上、下表面的电势 当金属热电阻温度降低时，RT减小，光照减弱 差U越大 时，R1增大，并联部分的电阻可能增大，分担 B.k越大，传感器灵敏度 )越高 的电压增大，而RT分担的电压减小，则电压表 C.若图中霍尔元件是电子导电，则下板电 示数增大，故B正确；光照增强时，R1减小，并 势高 联部分的总电阻减小，分担的电压减小，电压 D.电流越大，上、下表面的电势差U越小 表示数减小，故C错误；光照增强时，R1减小， 金属热电阻温度升高时，RT增大，并联部分的 解析设霍尔元件y方向上的长度为d, 电阻可能增大，分担的电压增大，通过R]的电 则有B-9,解得U=dB,所以磁感应强 U 流增大，总电阻增大，总电流减小，则通过R 度B越大，上、下表面的电势差U越大，A正 的电流减小，R3的电压减小，所以电压表示数 确；由选项A可知U=dwB=du(B。十k之)，所 减小，并联部分的电阻也可能减小，分担的电 压减小，通过R3的电流减小，R3的电压减小， 以有器=dk越大，传感器灵放度)越 所以电压表示数减小，故D错误 高，B正确；若图中霍尔元件是电子导电，根据 答案B 左手定则，电子在下极板聚集，所以下极板电 题型4霍尔效应的分析 势低，C错误；由选项A可知，电流越大，电荷移 例④(2025·河南郑州外国语学校高二 动得越快，上、下表面的电势差U越大，D错误 阶段练习)（多选）霍尔式位移传感器的测量原 答案AB 03一核心泰养聚焦。一 考向1压力传感器的应用 导体薄膜压力传感器等元件设计了一个测量 例①(2023·湖南卷)某探究小组利用半 微小压力的装置，其电路如图甲所示，R1、R2、 141 重难点手册高中物理选择性必修第二册)（浙江专用） R3为电阻箱，R为半导体薄膜压力传感器， (5)若在步骤(4)中换用非理想毫伏表测 C、D间连接电压传感器（内阻无穷大）. 量C、D间电压，在半导体薄膜压力传感器上 施加微小压力F1,此时非理想毫伏表读数为 200mV,则F1 F(填“>”、“=”或 “<”). 解析(1)欧姆表读数为10×1002= 甲 10002. (1)先用欧姆表“×100”挡粗测R的阻值， (2)当电压传感器读数为0时，C、D两点 示数如图乙所示，对应的读数是 2 电势相等，即Uas-UDBR,+R UAB-R3, UB。RE-R,十R3 (2)适当调节R1、R2、R3,使电压传感器示 RiR3 数为0，此时，RF的阻值为 (用R1、 解得Rp R2· R2、R3表示). (3)绘出U-m图像如图丁所示. (3)依次将0.5g的标准砝码加载到压力 ↑U/mV 300 传感器上（压力传感器上所受压力大小等于砝 25( 码重力大小)，读出电压传感器示数U,所测数 200 据如下表所示： 150 100 次数 1 2 5 6 50 砝码质量m/g0.00.51.01.52.0 2.5 电压U/mV 057115168220280 00.51.01.52.02.53.07m/g 根据表中数据在图丙上描点，绘制U-m关 了 系图线 (4)由图丁可知，当电压传感器的读数为 U/mV 200mV时，所放物体的质量为1.75g,则Fo 300 =mg=1.75×10-3×9.8N=1.7×10-2N. 250 (5)可将C、D以外的电路等效为新的电 200 150 源，C、D两点电压看作路端电压，因为换用 100 非理想电压传感器，当读数为200mV时，实 50 际C、D间断路（接理想电压传感器时）时的电 00.51.01.52.02.53.0m/g 压大于200mV,则此时压力传感器的读数 丙 F1>Fo. (4)完成前面三步的实验工作后，该测量 答案(1)1000. (2) RR3 (3)见解析 微小压力的装置即可投入使用.在半导体薄膜 R2 压力传感器上施加微小压力F。,电压传感器示 图. (4)1.7×10-2. (5)>. 数为200mV,则F。大小是 N(重力 命题意图 考查压力传感器的应用 加速度取9.8m/s2,保留两位有效数字)】 核心素养 科学探究 素养水平水平4 142