第3节 大显身手的传感器-【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）

本讲义聚焦传感器的工作原理及应用这一核心知识点，系统梳理红外线传感器（如自动感应门、额温枪）、电容传感器（如指纹识别器、洗衣机水位控制）等常见类型的原理，结合机器人传感器分类，构建从原理到生产生活应用的学习支架。 该资料以额温枪、电容式话筒等真实情境为载体，通过电路分析例题（如防盗门报警器）培养科学思维中的推理与论证能力，结合防疫、智能家居实例渗透科学态度与责任，课中助力教师引导学生联系生活，课后通过针对练和综合题帮助学生巩固知识、查漏补缺。

第3节　大显身手的传感器 【核心素养目标】 物理观念 了解常见传感器的工作原理，解释传感器在生产、生活中的应用。 科学思维 具有与传感器相关的知识，能综合自然科学知识进行推理、论证。能对一些传感器提出改进措施。 科学态度与责任 能体会传感技术的应用给人类社会带来的挑战；有较强的将所学内容应用于日常生活实际的热情。认同物理的技术应用应考虑道德与规范的要求，能认识传感技术应用与人类社会发展的关系。 一、自动感应门 1.控制自动门的开关是一种红外线传感器。 2.自动感应门系统经历的三个环节 首先，检测门前是否有人； 其次，判断检测结果，发出相关指令； 最后，执行命令(开、关门)。 二、洗衣机水位控制 如图所示，筒中水位到达设定的高度时，凸起的膜片使动触点a与静触点b脱离，并与静触点c接触，从而接通控制电路，关闭进水电磁阀门，同时接通洗涤电动机电源，开始洗涤衣物。 三、指纹识别器 当手指放在绝缘表面上时，皮肤就组成了电容阵列极板的另一面。由于指纹的脊和谷相对于另一极之间的距离不同，使电容阵列中不同位置的电容器的电容值也不同。通过读取这些电容的差异，就能够获取指纹信息，转换成电信号。 四、机器人 1.机器人的组成：机械系统、传感器系统、信息处理和控制系统。 2.机器人传感器的分类 (1)外部传感器：感知外部工作环境和外界事物对机器人的刺激。 (2)内部传感器：用于检测机器人自身的状态。 　判断正误 (1)自动门利用了红外线传感器。(√) (2)洗衣机的自动控制装置利用了压力传感器。 (√) (3)指纹识别器是利用压力传感器。(×) (4)无人管理的自动灌溉系统，用到了温度传感器。(×) 知识点一　红外线传感器与自动控制 额温枪因为其快速测温(1秒测温)、无接触测温的特点而成了名副其实的防疫物质，其核心部件为一个传感器，外部还有几个按键，小型液晶屏，电池等构成。你知道额温枪的工作原理吗？它的核心部件是什么？ 提示：任何物体在高于绝对零度以上时都会向外发出红外线，额温枪通过红外温度传感器接收红外线，计算出温度数据，所以额温枪的核心部件是红外温度传感器。 学生用书⬇第108页 　　红外线传感器接收携带着信息的红外线，转换成电信号，从而得知辐射源的相关参数或信息。自然界几乎所有的物体都能辐射波长在0.76～1 000 μm的电磁波，即红外线，因此红外线传感器不仅被广泛应用于航空摄影、卫星遥感、遥测等高科技领域，也被广泛应用于日常生活中，自动门、生命探测器、非接触式红外测温仪、家电遥控系统以及防盗、防火报警器等均使用了红外线传感器。 一位同学设计的防盗门报警器的简化电路示意图如图所示。门打开时，红外光敏电阻R3受到红外线照射，电阻减小；门关闭会遮蔽红外线源(红外线源没有画出)。经实际试验，灯的亮、灭能反映门的开、关状态。门打开时两灯的发光情况以及R2两端电压UR2与门关闭时相比(　　) A.红灯亮，UR2变大　　　　　 B.绿灯亮，UR2变大 C.绿灯亮，UR2变小 D.红灯亮，UR2变小 答案：D 解析：门打开时R3阻值减小，导致R总减小和I总增加，Ur和UR1变大，UR2＝E－(UR1＋Ur)减小，IR3＝I总－增加，电磁继电器磁性增强把衔铁拉下，红灯亮，绿灯灭，选项A、B、C错误，选项D正确。 传感器的电路设计与分析方法 1.感受的物理量分析：明确传感器所感受的物理量，如力、热、光、磁、声等。 2.输出信号分析：明确传感器的敏感元件，分析它的输入信号及输出信号，以及输入信号与输出信号间的变化规律。 3.电路结构分析：认真分析传感器所在的电路结构，在熟悉常用元件工作特点的基础上，分析电路输出信号与输入信号间的规律。 针对练1.下列和电视机遥控器中使用同一类传感器的是 (　　) A.红外报警装置 B.火灾报警装置 C.自动洗衣机中的水位控制装置 D.电饭煲中控制加热和保温的温控器 答案：A 解析：红外报警装置接收物体发出的红外线，和电视机遥控器中使用的是同一类传感器，故A正确；火灾报警装置采用的是光敏电阻做成的光电传感器，电饭煲中控制加热和保温的温控器是热敏电阻做成的温度传感器，自动洗衣机中水位控制装置使用的是压力传感器，故B、C、D错误。 针对练2.小明仔细研究了家里的额温枪及其技术参数(如图所示)，发现它以2节干电池为电源，工作电流为5 mA。能通过传感器检测人体向外辐射的红外线，根据红外线能量的强弱快速、准确且无接触的测量体温，那么关于该额温枪的说法中正确的是(　　) A.额温枪工作时，电池组两极间的电压为3 V B.额温枪工作时，电路中每通过1 C电荷，每节干电池都能把1.5 J化学能转化为电能 C.额温枪工作时，电源的输出功率为15 mW D.若换用两节充满电的800 mA·h充电电池，则最多可测温约105次 答案：B 解析：2节干电池的电动势为3 V，则额温枪工作时，电池组两极间的电压小于3 V，A错误；每节干电池的电动势为1.5 V，根据电动势的概念可知，额温枪工作时，电路中每通过1 C电荷，每节干电池都能把1.5 J化学能转化为电能，B正确；额温枪工作时，工作电流为5 mA，则电源消耗的总功率为P＝EI＝15 mW，则电源输出功率小于15 mW，C错误；若换用两节充满电的800 mA·h充电电池，则最多可测温约n＝×3 600＝1.152×106次，D错误。故选B。 知识点二　电容传感器与自动控制 如图所示的电容式话筒就是一种电容式传感器，其原理是：导电性振动膜片与固定电极构成了一个电容器，当振动膜片在声音的作用下振动时，两个电极之间的电容发生变化，电路中电流随之变化，这样声信号就变成了电信号，则当振动膜片向左振动时，电容器所带电荷量怎样变化？ 提示：振动膜片向左振动时电容器两极板的距离变大，由C＝知C减小，由Q＝CU知，在U不变时Q减小。 学生用书⬇第109页 1.用来测定角度θ的电容传感器如图甲所示。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。知道电容C的变化，就可以知道角度θ的变化情况。 2.测定液面高度h的电容传感器如图乙所示。在金属芯线的外面涂上一层绝缘物质，放入导电溶液中。金属芯线和导电溶液构成电容器的两个极，金属芯线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S发生变化，使电容C发生变化。知道电容C的变化，就可以知道液面高度h的变化情况。 3.测定压力F的电容传感器如图丙所示。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。知道电容C的变化，就可以知道压力F的变化情况。 4.测定位移s的电容传感器如图丁所示。随着电介质进入极板间的长度发生变化，电容C发生变化。知道电容C的变化，就可以知道位移s的变化情况。 如图所示为测定压力的电容式传感器，将平行板电容器、灵敏电流表(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路，当压力F作用于可动膜片电极上时，膜片发生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流表指针偏转。在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中，灵敏电流表指针偏转情况为(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏)(　　) A.向右偏到某一刻度后回到零刻度 B.向左偏到某一刻度后回到零刻度 C.向右偏到某一刻度后不动 D.向左偏到某一刻度后不动 答案：A 解析：压力F作用时，极板间距d变小，由C＝，电容器电容C变大，又根据Q＝CU，极板带电荷量变大，所以电容器应充电，灵敏电流计中通过由正接线柱流入的电流，所以灵敏电流表指针将右偏，F不变，极板保持固定后，充电结束，指针回到零刻度，故A正确。 　　电容式传感器是应用了电容器的电容跟板间距离、正对面积、电介质及引起它们改变的因素(如力、位移、压强、声音等)的关系，将这些非电学量转化为电容器的电容这个电学量。 针对练1.某同学制成了一种电容式加速度仪，结构如图所示。A、B两板间连接有劲度系数为k的用绝缘材料制成的轻弹簧，A板固定在运动的绝缘物体上，B板可自由运动，B板质量为m，电容器的带电量保持恒定，两板与电压传感器连接。物体不动时，弹簧长度为d，电压传感器的示数为U；当物体向右做匀加速直线运动，稳定时，电压传感器的示数为0.8U，不计一切摩擦，则物体运动的加速度大小为(　　) A. B. C. D. 答案：A 解析：根据C＝，C＝，E＝，可得E＝，由于电容器的带电量恒定，因此当两板间的距离改变时，板间的电场强度恒定，则＝，解得d'＝0.8d，根据牛顿第二定律有k(d－d')＝ma，解得a＝。故选A。 针对练2.一测液面高低的传感器示意图如图所示，A为固定的导体芯，B为导体芯外面的一层绝缘物质，C为导电液体，把传感器接到图示的电路中，已知灵敏电流计指针偏转方向与电流方向相同，如果发现指针正向右偏转，则导电液体的深度h变化为(　　) A.h正在增大　　　　　　　 B.h正在减小 C.h不变 D.无法确定 答案：B 解析：由电源极性及电流方向可知，A、B、C构成的电容器上的电荷量正在减小，由Q＝CU可知C减小，则正对面积减小，即h在减小，故B正确。 学生用书⬇第110页 1.如图所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图：罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板。平时光电三极管接收不到LED发出的光，呈现高阻状态。发生火灾时，下列说法正确的是(　　) A.进入罩内的烟雾遮挡住了光线，使光电三极管电阻更大，检测电路检测出变化发出警报 B.进入罩内的烟雾对光有散射作用，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，发出警报 C.光电三极管温度升高，电阻变小，检测电路检测出变化发出警报 D.以上说法均不正确 答案：B 解析：挡板不透明，平时光电三极管接收不到LED发出的光，呈现高阻状态。发生火灾时，进入罩内的烟雾对光有散射作用，部分光线照到光电三极管上，光电三极管电阻变小，检测电路检测出变化发出警报。该传感器是用光传感器实现报警的，故B项正确，A、C、D三项错误。 2.(多选)呼吸机是重症及危重症新冠患者最需要的医疗设备，改善呼吸是治疗新冠的重要手段，为保持患者获得持续、舒适的呼吸功能，需要呼吸机中设计安装多个传感器，用于实时、持续、稳定、精确地监测和控制气流、压力和温湿度等参数指标，下列哪些传感器是呼吸机必须搭载的(　　) A.气体质量流量传感器 B.压力传感器 C.光传感器 D.温度传感器 答案：ABD 解析：呼吸机需要实时、持续、稳定、精确地监测和控制气流、压力和温湿度等参数指标，因此需要安装气体质量流量、压力、湿度、温度等传感器，故A、B、D都正确，C错误。 3.有一种在有光照或温度升高时排气扇都能启动的自动控制装置，下列说法正确的是(　　) A.两个传感器都是光电传感器 B.两个传感器分别是光电传感器和温度传感器 C.两个传感器可能分别是温度传感器、电容式传感器 D.只有光照和温度都适合时排气扇才能工作 答案：B 解析：题中提到有光照或温度升高时排气扇都能启动，由此可见两个传感器一个是光电传感器，一个是温度传感器，而且排气扇自动工作只需光照或温度满足一个条件即可，A、C、D错误，B正确。 4.某同学用光敏电阻和电磁继电器等器材设计自动光控照明电路。 (1)光强(I)是表示光强弱程度的物理量，单位为坎德拉(cd)。如图a所示是光敏电阻阻值随光强变化的图像，由此可得到的结论是：　　　　　　　　　　　　　。 (2)如图b所示为电磁继电器的构造示意图，其中L为含有铁芯的线圈，P为可绕O点转动的衔铁，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线柱。工作时，应将　　　(选填“A、B”或“C、D”)接照明电路。 (3)请在图c中用笔画线代替导线，完成实物电路的连接。 (4)已知电源电动势为3 V，内阻很小，电磁铁线圈电阻R0＝20.0 Ω，电流超过50 mA时可吸合衔铁。如果要求光强达到2 cd时，照明电路恰好接通，则图c中定值电阻R＝　　　　 Ω。 答案：(1)随着光照强度的增加，光敏电阻阻值减小　(2)C、D　 (3)见解析图　(4)22 解析：(1)由图a所示图像可知：随着光照强度的增加，光敏电阻阻值减小。 (2)当较小的电流经过接线柱A、B流入线圈时，电磁铁把衔铁吸下，使C、D两个接线柱所连的触点接通，较大的电流就可以通过C、D带动机器工作了。可知A、B间接控制电路，C、D间接被控电路，即：工作时，应将C、D接照明电路。 (3)光敏电阻、定值电阻、电源与L组成控制电路，C、D与灯泡组成工作电路，电路图如图所示： (4)由图a所示图线可知，2 cd对应的光敏电阻阻值：R光敏＝18 Ω，由闭合电路欧姆定律可知：I＝，代入数据解得：R＝22 Ω。 学科网（北京）股份有限公司 $