2. 常见传感器的工作原理及应用（教学设计）物理人教版选择性必修第二册

2.常见传感器的工作原理及应用 一、教学目标 物理观念 · 掌握光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻、电阻应变片的核心特性，明确其“光学量/热学量/力学量→电阻”的转换规律。 · 理解电容式位移传感器、霍尔传感器的工作机制，深化“非电学量→电学量”的转换观念，建立“特性—原理—应用”的逻辑关联。 · 能辨识不同传感器的适用场景，知晓其在生产生活中的核心作用，形成对传感器技术的完整认知。 科学思维 · 通过分析实验数据，归纳各类传感器的特性规律，培养数据处理与归纳推理能力。 · 拆解电子秤、电动车调速等设备的工作流程，构建“非电学量→中间物理量→电学量”的转换模型，提升逻辑分析与模型建构能力。 · 对比金属热电阻与热敏电阻的优缺点，学会辩证分析不同传感器的特性差异，培养科学比较与评价思维。 科学探究 · 参与光敏电阻、温度传感器的特性探究实验，规范操作实验器材，准确记录实验现象与数据，提升实验操作与分析能力。 · 结合所学知识设计简易液位报警装置、水杯水位报警装置等，激发创新意识与实践设计能力。 · 针对霍尔效应、应变效应的微观机制提出疑问，通过查阅资料、小组讨论寻求答案，培养质疑与探究精神。 科学态度与责任 · 认识传感器在自动控制、精密测量等领域的广泛应用，体会物理知识对技术革新和生活质量提升的推动作用，增强学习兴趣。 · 感受传感器技术在提高生产效率、节约能源等方面的价值，培养热爱科学、勇于探索的科学态度。 · 树立正确的科技应用观，了解传感器技术的发展趋势，培养主动运用科技服务社会的责任意识。 二、教学重难点 重点 · 光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻、电阻应变片的工作原理及核心特性。 · 各类传感器的典型应用场景，能结合特性分析其应用逻辑。 · “非电学量→电学量”的转换过程分析，建立传感器工作的核心逻辑链条。 难点 · 半导体材料的导电机理（载流子变化）对光敏电阻、热敏电阻特性的影响。 · 电阻应变片的应变效应、霍尔效应的微观机制理解，突破抽象认知障碍。 · 复杂应用场景中传感器工作流程的拆解与分析（如电子秤、电动车加速器）。 三、教学过程 （一）教学引入 1. 情境展示：自动感应水龙头出水、电子秤称重、电动车转把调速等短视频，结合图片呈现智能温控、液位监测等场景。 2. 互动提问：“自动感应水龙头如何感知手的靠近？电子秤怎样将重量转换为数字？电动车转把的调速原理是什么？” 3. 引出课题：引导学生结合上节课知识讨论，总结并引出课题——常见传感器的工作原理及应用，明确本节课将深入探究各类传感器的“特性—原理—应用”。 （二）新课教学 1. 光敏电阻——光学量→电阻 （1）结构与实物：介绍光敏电阻的制作工艺（硫化镉涂敷绝缘板，银浆制作栅状电极），展示实物，让学生直观认知。 特定材料与材料特征：硫化镉，它有光，电阻率小；无光、电阻率大。 制作：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，这就制成一个光敏电阻。 （2）实验探究：将光敏电阻与多用电表（欧姆挡）连接，分别在暗环境、弱光、强光下测量电阻，记录数据。现象：光照越强，电阻越小。 结论： ①光敏电阻在暗环境下电阻值很大，随着光强的变化阻值不断减小，强光照射下电阻值很小; 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。 （3）原理分析：结合半导体导电机理，讲解光照增强时，载流子（自由电子和空穴）浓度增加，电阻率减小，电阻变小，实现“光照强度→电阻”的转换。 （4）应用实例：分析计数器、自动感应水龙头、路灯自动控制、相机曝光调节的工作逻辑，强调光敏电阻对光照变化的响应特性。 A是发光仪器，B是接收光信号的仪器。 无物品→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。 2. 温度传感器——热学量→电阻 （1）原理与特性 特性：金属的电阻率随温度的升高而增大 应用——电阻温度计 原理：把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。 （2）金属热电阻（铂电阻）： ① 实验演示：观察视频电阻测温。或将铂电阻与多用电表连接，用酒精灯加热，观察电阻变化。现象：温度升高，电阻增大。 ② 特性总结：化学稳定性好、测温范围广，但灵敏度较低，适用于精密测温（如电阻温度计）。 （3）NTC型热敏电阻： ① 实验演示：分别在冷水、温水、热水中测量热敏电阻的电阻值，对比金属热电阻。现象：温度升高，电阻显著减小。 ② 特性总结：灵敏度高，但化学稳定性差、测温范围窄，适用于快速温控、液位报警等场景。 总结比较： 传感器类型 电阻-温度关系 优点 缺点 典型应用 金属热电阻 ______（温度升高，电阻增大） ______（化学稳定性好、测温范围大） ______（灵敏度差） ______（精密测温、电阻温度计） 热敏电阻（NTC） ______（温度升高，电阻显著减小） ______（灵敏度高） ______（化学稳定性差、范围小） ______（液位报警、温控电路） （4）应用————油位报警装置 油位高→电阻大→灯不亮 油位低→电阻小→灯亮→报警 3. 电阻应变片——力学量→电阻 （1）原理与特性 根据电阻的决定式，拉力→L变长→S变小→电阻变大，压力→L变短→S变大→电阻变小。这就是金属的电阻应变效应。实现“形变→电阻”的转换；半导体应变片利用压阻效应，灵敏度更高。 原理：能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。 （2）应用——电子秤（力传感器） 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。 工作流程：物体称重→金属梁弯曲→上表面应变片拉伸（电阻变大）、下表面压缩（电阻变小）→电阻变化转化为电信号→处理器处理后显示重量 原理：应变片是把形变这个力学量转换为电压这个电学量。 力传感器除了可以测量重力外，应变式力传感器也用来测量其他各种力，如汽车和卷扬机的牵引力等。 4. 拓展传感器 （1）电容式位移传感器：讲解其工作原理，通过改变电容器极板正对面积、间距或电介质，将“位移”转换为“电容”，应用于角度、液面高度测量。 （2）霍尔传感器： 洛伦兹力等于电场力： 电流微观表达式： 联立得： 令 所以 结合动画简化讲解霍尔效应——匀强磁场中，载流导体的带电粒子在洛伦兹力作用下偏转，形成霍尔电压，实现“磁场强度→电压”的转换。 分析电动车转把的工作逻辑：转把转动改变磁铁与霍尔元件的相对位置→磁场变化→霍尔电压变化→控制器调节车速。 （三）课堂练习 1. 下列关于光敏电阻的说法正确的是（ ） A. 光照越强，电阻越大 B. 其特性由半导体载流子变化决定 C. 适用于高温精密测温 D. 属于力学量传感器 答案：B。 解析：光敏电阻光照越强电阻越小，A错误；特性由半导体载流子变化决定，B正确；不适用于高温测温，C错误；属于光学量传感器，D错误。 2. 金属热电阻与NTC型热敏电阻的共同特性是（ ） A. 温度升高，电阻增大 B. 适用于宽范围测温 C. 实现“温度→电阻”的转换 D. 灵敏度极高 答案：C。 解析：NTC型热敏电阻温度升高电阻减小，A错误；热敏电阻测温范围窄，B错误；二者均实现“温度→电阻”转换，C正确；金属热电阻灵敏度低，D错误。 3.(多选)电阻R随温度T变化的图像如图所示。下列说法正确的是(　　) 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、灵敏度高 答案　BD 解析　金属热电阻的阻值随温度升高而增大，半导体材料制成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，但灵敏度差，图线2对应的材料化学稳定性差，但灵敏度高，所以C错误，D正确。 4．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到t1时间内，升降机一定静止 B．t1到t2时间内，升降机可能做匀加速直线运动 C．t1到t2时间内，升降机运动时的加速度在变化 D．t2到t3时间内，升降机可能向下匀速运动 答案　C 解析　从0～t1时间内，电流不变，根据闭合电路的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，电流增大，则电阻减小，因为压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，所以压力增大，由牛顿第三定律得物块受到的支持力逐渐增大，根据牛顿第二定律有FN－mg＝ma，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，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′，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。 四、课题小结 五、板书设计 5.2 常见传感器的工作原理及应用 1. 光敏电阻 特性：光照↑→电阻↓（半导体载流子变化） 应用：感应水龙头、路灯控制 2. 温度传感器 金属热电阻：温度↑→电阻↑（稳、范围广）→电阻温度计 热敏电阻（NTC）：温度↑→电阻显著↓（灵敏）→液位报警 3. 电阻应变片 特性：形变→电阻变化（应变效应） 应用：电子秤 4. 拓展传感器 电容式位移传感器：位移→电容变化→测量角度/高度 霍尔传感器：磁场→电压变化→电动车调速 5. 核心逻辑：非电学量→电学量→应用控制 六、作业布置 1. 完成课本“练习与应用”相关习题； 2. 完成分层作业。 七、教学反思 本节课通过实验探究、实例分析和动画辅助，有效突破了重难点，基本达成教学目标。实验探究让学生直观感受传感器特性，生活实例增强了知识的实用性。但半导体导电机理、霍尔效应的微观机制仍较抽象，部分学生理解不透彻。后续可补充更多具象化教具，拆解复杂应用的分步示意图，设计分层任务满足不同学生需求，进一步强化“特性—原理—应用”的逻辑关联，提升学生的科学思维与应用能力。 学科网（北京）股份有限公司 2 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $