第1节 常见传感器的工作原理-【金版新学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册同步课堂高效讲义教师用书（鲁科版）

本讲义聚焦常见传感器的工作原理这一核心知识点，先从传感器的定义、作用及组成入手，系统梳理其将非电学量转化为电学量的基本原理，再深入分析光敏电阻（光照越强阻值越小）、热敏电阻（NTC/PTC特性）、霍尔元件（磁转电）等敏感元件的特性，构建从基础概念到具体应用的学习支架。 该资料通过实验探究（如光敏电阻特性实验）培养学生科学探究能力，结合火灾探测器等实景案例渗透科学态度与责任，通过电路动态分析例题提升科学思维。课中辅助教师清晰授课，课后学生可借助判断正误、针对练等模块查漏补缺，强化知识理解。

第1节　常见传感器的工作原理 【核心素养目标】 物理观念 认识传感器构造，知道不同敏感元件的特性。能发现生活中各式各样的传感器。 科学思维 能将实际问题的对象和过程转换成物理模型，能分析传感器中非电学量转换成电学量的原理。 科学探究 能通过实验探究光敏电阻及热敏电阻的特性。 科学态度与责任 知道传感器在生产、生活中的应用实例，感受传感技术的应用对社会发展的促进作用。 一、初识传感器 1.定义：能感受外界信息，并将其按照一定的规律转换成可用输出信号(主要是电信号)的器件或装置，我们称之为传感器。 2.作用：把非电学量转化为电学量。 3.组成：传感器主要由敏感元件和转换元件组成。 4.传感器的工作示意图： 非电学量→敏感元件→转换元件→电学量 二、敏感元件 1.光敏电阻特性 (1)光敏元件是利用某些物质在光照射下电学特性随之变化的性质制成的。 (2)光敏电阻是一种典型的光敏元件，用金属硫化物等半导体制成的，光照越强，阻值越小。 2.热敏电阻特性 (1)热敏元件是利用敏感元件的某种电学特性随温度变化而变化的规律制成的。 (2)热敏电阻是一种典型的热敏元件，用半导体材料制成的，NTC热敏电阻的阻值随温度的升高而减小；PTC热敏电阻的阻值随温度的升高而增大。 3.磁敏元件 霍尔元件是根据半导体材料的霍尔效应制成的一种磁敏元件，它可以将磁感应强度的测量转化为电压的测量，广泛应用于磁传感器中。 1.判断正误 (1)所有传感器都是由半导体材料制成的。(×) (2)传感器只能通过感知电压的变化来传递信号。(×) (3)传感器是将被测量的非电学量转换成电学量的器件或装置。(√) (4)热敏电阻一定是随温度的升高其阻值增大。(×) (5)负温度系数的热敏电阻在温度升高时其阻值变大。(×) (6)霍尔元件一共有两个电极，电压这个电学量就通过这两个电极输出。(×) 学生用书⬇第99页 2.链接实景 火灾探测器的核心元件为光敏传感器，当烟雾在空气中的浓度超过设定值时，可以触发报警，并对外发出声光报警信号。此时传感器是将什么量进行转化的？ 提示：　传感器是将烟雾产生的光学量转化为电路的电学量，使电路接通，从而对外发出声光报警信号。 知识点一　初识传感器 　干簧管结构如图甲所示，它是在玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片，接入图乙电路，当磁铁靠近干簧管时。 (1)观察到什么现象？ (2)干簧管的原理是什么？ (3)干簧管的作用是什么？ 提示：(1)磁铁靠近干簧管时，灯泡就会发光；把磁铁移走，灯泡熄灭。 (2)干簧管的两个簧片在外加磁场的作用下被磁化成相反磁性的磁极而连通，没有外加磁场时两簧片失去磁性而分开。 (3)干簧管将盒子周围磁场的有无转化为电路的通断，干簧管在电路中的作用相当于自动开关。 传感器的作用及组成 1.作用 (1)采集信息：采集压力、位移、流量、温度、浓度等非电学量。 (2)转化信息：将信息转化为电压、电流、电阻等电学量或电路的通断。 (3)传感器对信息的采集和转化便于仪表显示和用于自动控制系统中。 2.组成 (1)敏感元件。 (2)转换元件。 关于传感器，下列说法正确的是(　　) A.所有传感器都是由半导体材料制成的 B.金属材料也可以制成传感器 C.传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的 D.水银温度计是一种传感器 答案：B 解析：传感器材料分半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等，所以A错误；金属材料也可以制成传感器，所以B正确；传感器是通过非电学量转换成电学量来传递信号的，所以C错误；水银温度计根据热胀冷缩来测量温度，不是传感器，所以D错误。 针对练1.如图所示器具均应用了传感器，下列说法正确的是(　　) A.话筒应用了热传感器，其作用是将电信号转换为声信号 B.电子秤所使用的测力装置是光敏电阻传感器 C.烟雾散射火灾报警器应用了声传感器 D.电熨斗能够自动控制温度的原因是它装有双金属片温度传感器，这种传感器的作用是控制电路的通断 答案：D 解析：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，故A错误；电子秤所使用的测力装置是压力传感器，故B错误；烟雾散射火灾报警器是应用烟雾对光的散射来工作的，所以该报警器利用的传感器是光传感器，故C错误；电熨斗能够自动控制温度的原因是它装有双金属片温度传感器，这种传感器的作用是控制电路的通断，故D正确。 针对练2.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.压力传感器 答案：A 解析：在电梯门口放置一障碍物，电梯门不停地开关，电梯门口有一个光传感器，故选项A正确。 学生用书⬇第100页 知识点二　常用敏感元件 如图甲所示，在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以准确得知生产产品的数量。光敏电阻自动计数器的示意图如图乙所示，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻。此光电计数器的基本工作原理是什么？ 提示：当光被产品挡住时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个产品就获得一次低电压，并计数一次。 1.光敏元件 (1)光敏元件名称：光敏电阻。 (2)特点：在强光下电阻小，在暗光下电阻大。 (3)原理：无光照时，载流子极少，导电性能差；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。 (4)应用：照相机。 2.热敏元件 (1)热敏元件种类 ①正温度系数热敏电阻(PTC热敏电阻)。 ②负温度系数热敏电阻(NTC热敏电阻)。 (2)特点 ①正温度系数热敏电阻：温度升高，电阻增大。 ②负温度系数热敏电阻：温度升高，电阻减小。 (3)原理 ①正温度系数热敏电阻：温度升高，载流子减少，电阻增加。 ②负温度系数热敏电阻：温度升高，载流子增加，电阻减少。 (4)应用：电子温度计(正温度系数热敏电阻)；空调(负温度系数热敏电阻)。 3.磁敏元件(霍尔元件) (1)原理 ①霍尔效应 在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上会出现电势差(如图所示)。这个现象是美国物理学家霍尔观察到的，因此我们将它称为霍尔效应。 ②霍尔元件 利用霍尔效应，我们在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上，制作四个电极E、F、M、N，这样它就成了一个霍尔元件，如图所示。 ③霍尔电压 如图所示，在E、F间通入恒定电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，则薄片中的载流子同时受到电场力和磁场力的作用。当磁场力与电场力平衡时，M、N间电势差达到恒定。设薄片厚度为d，EF方向长度为l1，MN方向长度为l2，则q＝qvB。 又因为电流的微观表达式为I＝nqSv，所以UH＝。 因为同一材料单位体积内载流子的个数n、单个载流子的电荷量q均为定值，令k＝，所以UH＝k。 (2)应用：磁强计 对于某个确定的霍尔元件，它的厚度d、霍尔系数k为定值，如果保持电流I恒定，则霍尔电压UH就与磁感应强度B成正比，因此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，霍尔元件又称为磁敏元件。 学生用书⬇第101页 如图所示，电源电动势为E，其内阻为r，L为小灯泡(其灯丝电阻可视为不变)，R1、R2为定值电阻，R1＞r，R3为光敏电阻，其阻值随光照强度的增加而减小，闭合开关S后，若照射R3的光照强度减弱，则(　　) A.R1两端的电压变大 B.通过R2的电流变大 C.电源的输出功率变大 D.小灯泡消耗的功率变大 答案：B 解析：将光照强度减弱，光敏电阻的阻值增大，电路中的总电阻增大；由闭合电路欧姆定律可得，电路中干路电流减小，故R1两端的电压减小，故A错误；因干路电流减小，电源的内电压减小，路端电压增大，同时R1两端的电压减小，故并联电路部分电压增大，则流过R2的电流增大，由并联电路的电流规律可知，流过灯泡的电流减小，由P＝I2RL可知，小灯泡消耗的功率变小，故B正确，D错误；由于R1＞r，结合电源的输出功率与外电阻的关系可知，当外电阻增大时，电源的输出功率减小，故C错误。 (多选)霍尔元件是一种应用霍尔效应的磁传感器，有一个沿y轴方向的磁场，磁感应强度B＝B0＋ky(B0、k均为正的常数)，将一传感器固定在霍尔元件上，沿y轴方向元件的厚度为d，保持通过霍尔元件的电流I不变(方向如图中箭头所示)。当元件沿y轴方向移动时，a、b是垂直于z轴方向上元件的前、后两侧面，在这两个侧面产生的电势差为U，则下列说法正确的是(　　) A.若图中霍尔元件是电子导电，则后侧面电势高 B.若I不变，电势差U越大，则该处的磁感应强度B越小 C.若磁感应强度B不变，前、后两侧面的电势差U越小，则电流I越大 D.若I不变，k越大，传感器灵敏度越高 答案：AD 解析：霍尔元件中移动的是自由电子，根据左手定则，电子向前侧面偏转，所以后侧面电势高，故A正确；最终电子在电场力和洛伦兹力的作用下处于平衡状态，设霍尔元件沿z轴方向的长度为l1，有＝qvB，电流的微观表达式为I＝nqvS＝nqvdl1，所以U＝，因此若I不变，电势差U越大，则该处的磁感应强度B越大；若磁感应强度B不变，前、后两侧面的电势差U越小，则电流I越小，故B、C错误；根据磁感应强度B＝B0＋ky知，U＝＝(B0＋ky)，若I不变，k越大，则传感器灵敏度越高，故D正确。 1.含光敏电阻或热敏电阻的电路动态分析方法 解决含有光敏电阻或热敏电阻的直流电路的动态问题分析时应注意两点：一是应明确光敏电阻或热敏电阻的电阻特性；二是根据闭合电路欧姆定律及串、并联电路的特点来分析电路中某一电阻变化而引起的整个电路中各部分电学量的变化情况。即： R局→R总→I总→U端→ 2.霍尔电势高低的判断 由左手定则判断带电粒子的受力方向，如果带电粒子是正电荷，则拇指所指的面为高电势面；如果是负电荷，则拇指所指的面为低电势面，但无论是正电荷还是负电荷，四指所指的方向都是电流的方向，即正电荷定向移动的方向、负电荷定向移动的反方向。 针对练1.(多选)某自动控制照明电路的原理图如图所示，当照射到光敏电阻R0上的光线足够暗时，电磁继电器才会接通照明电路中的灯泡L发光，已知光敏电阻R0的阻值随着光照的增强而减小，照明电路中单刀双掷开关S可以选择不同的触点，则下列说法正确的是(　　) A.开关S应接触点a B.开关S应接触点b C.为使光线不是太暗时就能点亮L，则应增大R2接入电路的电阻 D.为使光线不是太暗时就能点亮L，则应减小R2接入电路的电阻 答案：BC 解析：由题图可知，当照射到光敏电阻R0上的光线足够暗时，光敏电阻R0的阻值变大，控制电路中的电流变小，电磁铁具有的磁性减小，衔铁被放开，此时照明电路中的灯泡被点亮，故开关S应接触点b，故A错误，B正确；为使光线不是太暗时就能点亮L，说明点亮L时光敏电阻R0的阻值比原来小，故需要增大R2接入电路的电阻，故C正确，D错误。故选BC。 针对练2.(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 答案：BCD 解析：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点聚集，M点感应出等量的负电荷，所以M点电势比N点电势低，A错误；根据霍尔元件的特点可知，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，D正确。 学生用书⬇第102页 针对练3.某实验小组探究一种热敏电阻的温度特性。现有器材：直流恒流电源(在正常工作状态下输出的电流恒定)。电压表、待测热敏电阻、保温容器、温度计、开关和导线等。 (1)若用上述器材测量热敏电阻的阻值随温度变化的特性，请你在图甲中的实物图上连线。 (2)实验的主要步骤： ①正确连接电路，在保温容器中注入适量冷水，接通电源，调节并记录电源输出的电流值； ②在保温容器中添加少量热水，待温度稳定后，闭合开关，　　　　　　　　　　　　　　，断开开关； ③重复第②步操作若干次，测得多组数据。 (3)实验小组算得该热敏电阻在不同温度下的阻值，并据此绘得图乙的R-t关系图线，请根据图线写出该热敏电阻的R-t关系式：R＝　　　　＋　　　　t(Ω)(保留3位有效数字)。 答案：(1)见解析图 (2)②记录电压表电压值、温度计数值 (3)100　0.400 解析：(1)直流恒流电源在正常工作状态下输出的电流恒定，故只需要将电压表与电阻并联测量出电压即可，实物图连线如图所示。 (2)本实验要测量电阻值和温度值的关系，电阻要用欧姆定律计算，由于电流恒定且已知，故需测量电压和温度，并记录电压表电压值、温度计数值。 (3)从图中取相距较远的两个特殊点，代入R＝R0＋kt计算， 由图有 120＝R0＋50k 104＝R0＋10k 解得R0＝100 Ω　k＝0.400 故该热敏电阻的R-t关系式：R＝100＋0.400t(Ω)。 1.关于传感器及其作用，下列说法正确的是(　　) A.传感器一定是把非电学量转换为电学量 B.传感器一定是把非电学量转换为电路的通断 C.传感器把非电学量转换为电学量是为了方便地进行测量、传输、处理和控制 D.电磁感应是把磁学的量转换为电学的量，所以电磁感应也是传感器 答案：C 解析：传感器是指一种元件或装置，它能感受力、温度、光、声、磁、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断；其作用和目的是更方便地测量、传输、处理、控制非电学量，找出非电学量和电学量之间的对应关系，选项C正确，A、B错误；电磁感应是原理，不是元件和装置，不能称为传感器，选项D错误。故选C。 2.(多选)下列说法正确的是(　　) A.热敏电阻是把热量这个热学量转换为电阻这个电学量 B.NTC热敏电阻的阻值随温度的升高而减小 C.电熨斗中的双金属片是温度传感器 D.霍尔元件是能够把磁学量(磁感应强度)转换为电压的传感元件 答案：BCD 解析：热敏电阻是把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，A错误；NTC热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，B正确；电熨斗中的双金属片是温度传感器，它将温度的变化转化为电路的通断，C正确；霍尔元件是能够把磁学量(磁感应强度)转换为电压(电学量)的传感元件，D正确。 3.(多选)如图所示是利用硫化镉制成的光敏电阻自动计数的示意图，其中A是发光仪器，B是光敏电阻(光照增强时，电阻变小)，下列说法中正确的是(　　) A.当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变小，电压表读数变小 B.当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大，电压表读数变大 C.当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变小，电压表读数变小 D.当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大，电压表读数变大 答案：AD 解析：光敏电阻的阻值与光照强度有关，光照增强时，光敏电阻的阻值变小。当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变小，电路中电流变大，电源内阻上的电压变大，路端电压变小，所以电压表读数变小，A正确，B错误；当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大，电路中电流变小，电源内阻上的电压变小，路端电压变大，所以电压表读数变大，C错误，D正确。 4.温度传感器广泛应用于家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性来工作的。图甲所示为某装置中的传感器工作原理图，已知电源的电动势E＝3.0 V，内阻不计，G为灵敏电流表，其内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其阻值随温度的变化关系如图乙所示。闭合开关S，当R的温度等于20 ℃时，电流表示数I1＝2 mA；当电流表的示数I2＝1 mA时，热敏电阻的温度是(　　) A.40 ℃ B.60 ℃ C.80 ℃ D.100 ℃ 答案：C 解析：由题图乙可知，当温度为20 ℃时，热敏电阻的阻值为R1＝1 000 Ω，由闭合电路欧姆定律可得E＝I1R1＋I1Rg，当电流示数为I2时，由闭合定律欧姆定律可得E＝I2R2＋I2Rg，解得R2＝2 500 Ω，由题图乙可知2 500 Ω对应的温度是80 ℃。故选C。 学科网（北京）股份有限公司 $