第5章 第1、2节 认识传感器 常见传感器的工作原理（Word教参）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册（教科版）

本讲义聚焦传感器核心知识点，系统梳理传感器的定义、结构（敏感元件、转换元件、信号调节电路）与分类（物理、化学、生物），详解温度（热敏电阻、热电阻）、光、力传感器的工作原理，结合电路分析与应用实例，构建从基础概念到实际应用的学习支架。 该资料以核心素养为导向，通过任务驱动（如干簧管原理探究）、典例分析（如温度报警系统电路动态分析）培养科学思维与科学探究能力，联系自动门、电子秤等生活实例渗透科学态度与责任。课中辅助教师实验教学，课后通过针对训练帮助学生巩固知识、查漏补缺。

　第五章　传感器 第1、2节　认识传感器　常见传感器的工作原理 核心素养导学 物理观念 (1)感受传感器,知道传感器是把非电学量转换成电学量的器件或装置。 (2)了解温度传感器、光传感器、力传感器的物理特性和用途。 科学思维 (1)体会传感器将非电学量转化为电学量的物理意义。 (2)通过对传感器原理和应用的了解,体会传感器在实际应用中的价值。 科学探究 探究传感器的工作原理及传感器在实际应用中的一般模式。 科学态度与责任 体会传感器在某些方面可以代替甚至超过人类对自然的感知,能够改变人类的生产生活方式。 一、认识传感器 1.传感器的定义:把被测的非电信息,按照一定规律转换成与之对应的电信号的器件或装置。有时又被称为探测器或变换器。 2.传感器的结构 (1)结构: (2)敏感元件:直接感受诸如压力、光照、温度、磁场、气体等非电信息,并将这些信息变换成易于测量的物理量的元件。包括力敏元件、光敏元件、热敏元件、磁敏元件、气敏元件等。 (3)转换元件:又称传感元件,将敏感元件输出的物理量转换成电学量的元件。 (4)信号调节转换电路:对转换元件输出的电信号进行放大、消除干扰,转换成便于显示、记录、处理和控制的电学量的转换电路。 3.传感器的分类 (1)物理传感器:利用力、热、光、电磁和声等物理效应的传感器。 (2)化学传感器:利用化学反应的原理检测物质的种类和浓度的传感器。 (3)生物传感器:利用酶、抗体和激素等分子识别功能进行工作的传感器。 [微点拨] 传感器一般包括敏感元件和转换元件两部分,但简单的传感器可以只有敏感元件。 二、常见传感器的工作原理 1.温度传感器 (1)定义:将温度变化转换成电学量变化的装置。 (2)感温敏感元件 ①热敏电阻 a.负温度系数热敏电阻:阻值随温度升高而减小,用NTC表示。 b.正温度系数热敏电阻:阻值随温度升高而增大,用PTC表示。 ②热电阻:用金属丝制作的感温电阻,其阻值与温度的关系是:R=R0(1+θt)。 ③热双金属片:利用不同金属材料膨胀系数不同来感知温度,控制电路的通断。 2.光传感器 受到光照时,可以产生电流或电压,实现光信号向电信号转化的传感器。 3.力传感器:把力学量转换为电学量的装置。常用的力传感器是由铝合金梁和应变片组成的应变式力传感器。 1.当我们进入宾馆的大门时,门自动开启,当我们通过后,门自动关闭。这是为什么? 提示:红外线传感器探测到有人进入时,将脉冲信号传给主控器,主控器判断后通知马达运行,使门扇开启。门扇开启后由控制器做出判断,如需关门,通知马达做反向运动,关闭门扇。 2.传感器的应用促进了人工智能的发展,无人驾驶汽车就是典型的实例。判断下列流程是否正确。 (1)非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件。 (×) (2)电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量。 (×) (3)非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量。 (√) 3.如图是应变片的原理及力学传感器的应用的图片。 (1)电子秤的敏感元件是什么? (2)电阻应变片是怎样把非电学量转化为电学量的? 提示:(1)电阻应变片。 (2)当电阻应变片长度和横截面积发生变化时,由电阻定律可知电阻发生变化。 4.如图所示,电吉他的弦是软磁性材料,当弦振动时,线圈中产生感应电流,感应电流输送到放大器、喇叭,把声音播放出来。判断以下说法的正误。 (1)电吉他是光电传感器。 (×) (2)电吉他是温度传感器。 (×) (3)电吉他是声音传感器。 (√) 新知学习(一)|传感器的工作原理 [任务驱动] 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,接入图乙所示电路,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? 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。 [重点释解] 　　传感器感受的通常是非电学量,如压力、温度、位移、浓度、酸碱度等,而它输出的通常是电学量,如电压值、电流值、电荷量等,这些输出信号是非常微弱的,通常要经过放大后,再送给控制系统产生各种控制动作。传感器的工作原理如下所示。 [针对训练] 1.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做成的 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.以上说法都不正确 解析:选B　大多数传感器是由半导体材料做成的,某些金属也可以做传感器,如金属热电阻。传感器将非电学信号转换为电学信号,因此传感器感知的应该是“非电学信号”,故B正确。 2.当你走近某些宾馆、酒楼的大门时,门就会自动为你打开;当你走进门之后,门又在你身后自动关上。你觉得这可能是将下列哪种外界信息转换为有用的信息 (　 ) A.温度 B.运动 C.人 D.光线 解析:选D　自动门的自动控制要求灵敏、可靠,若以温度控制,人的体温与夏季气温接近,则在夏季自动门将无法使用。自动门实际使用的是红外线传感器,红外线属于不可见光,人在白天或黑夜均发出红外线,传感器接收到人体发出的红外线后传给自动控制装置的电动机,实现自动开、关门,D正确。 3.(多选)关于传感器,下列说法正确的是 (　 ) A.麦克风工作时,将感受到的声音信号转化成电信号 B.电子秤工作时,将感受到的压力信号转化为电信号 C.烟雾传感器工作时,将感受到的烟雾浓度信号转化为电信号,实现自动报警 D.声控灯工作时,将感受到的声音信号转化为电能给灯泡供电 解析:选ABC　传感器是一种信号转换器,通常将感受到的外界信息按照一定的规律转换成可用输出信号,麦克风工作时将声音信号转化为电信号,电子秤工作时将受到的物体的压力大小的信息转化为电信号,烟雾传感器工作时将感受到的环境中的烟雾浓度信号转化为电信号,实现自动报警,A、B、C正确;声控灯工作时利用声控开关控制电路的通断,将声音信号转化为电信号,并不是给灯泡供电,D错误。 新知学习(二)|电阻式传感器的应用 [重点释解] 热敏电阻 金属热电阻 光敏电阻 电阻应变片 特点 正温度系数的热敏电阻,随温度升高电阻变大;负温度系数的热敏电阻,随温度升高电阻减小 电阻率随温度的升高而增加 在强光下电阻小,在暗光下电阻大 受到拉力时,电阻变大;受到压力时,电阻变小 敏感 材料 半导体 金属 把硫化镉涂敷在绝缘板上,其表面镀银 金属材料 优点 灵敏度好 测温范围大 灵敏度好 灵敏度好 原理 温度影响电阻率 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 R=ρ 应用 空调机 电饭煲 照相机 电子秤 [典例体验] [典例]　药物生产车间需要严格控制室内温度范围,尽量保证较小的温度波动。如图是某监控温度波动的报警系统原理图,热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,当报警器两端的电压变化量超出设定值时,报警器就会自动报警。下列说法正确的是 (　 ) A.温度升高,报警器两端电压减小 B.温度降低,热敏电阻的热功率一定增大 C.滑动变阻器接入电路的阻值越大,报警器越容易报警 D.滑动变阻器接入电路的阻值与报警器是否容易报警无关 [解析]　温度升高,热敏电阻的阻值减小,电路中总电阻减小,总电流增大,内电压增大,路端电压减小,则报警器两端电压减小,A正确;温度降低,热敏电阻的阻值增大,电路中总电阻增大,总电流减小,内电压减小,路端电压增大,则报警器两端电压增大,通过热敏电阻的电流减小,根据热功率表达式P=I2R,可知热敏电阻的热功率不一定增大,B错误;若滑动变阻器接入电路的阻值很大,当热敏电阻的阻值变化时,报警器两端的电压变化量不大,报警器不容易报警,因此滑动变阻器接入电路的阻值与报警器是否容易报警有关,C、D错误。 [答案]　A /方法技巧/ 含传感器的电路动态分析的四点注意 (1)如果涉及光敏电阻,必须明确光照情况怎样变化,从而判断出其阻值的变化。 (2)如果涉及热敏电阻,必须明确是正温度系数还是负温度系数的热敏电阻及温度变化情况,从而判断其阻值的变化。 (3)如果是其他元件引起的电路变化可具体问题具体分析。 (4)结合电路结构特点及局部阻值的变化,根据闭合电路的欧姆定律等规律分析有关物理量的变化。 [针对训练] 1.(多选)光敏电阻被光照射时电阻会变小。如图所示,电源电动势为E,内阻为r,在有光照射光敏电阻R1时,灯泡L正常发光。当无光照射R1时,下列判断中正确的是 (　 ) A.通过光敏电阻R1的电流将变小 B.光敏电阻R1两端的电压不变 C.电源两端的电压变大 D.灯泡消耗的功率变大 解析:选AC　由题知光敏电阻被光照射时电阻会变小,当无光照射R1时电阻增大,根据闭合电路欧姆定律得知,通过光敏电阻R1的电流将变小,故A正确。光敏电阻R1两端的电压U1=E-I(RL+r),I变小,U1增大,故B错误。由于电源两端的电压随外电阻的增大而增大,所以电源两端的电压变大,故C正确。灯泡的电阻不变,电流变小,其消耗的功率变小,故D错误。 2.如图所示是一火警报警器的一部分电路示意图,其中R2为用半导体热敏电阻(阻值随温度的升高而减小)制成的传感器,电流表为值班室的显示器,a、b之间接报警器。当传感器R2所在处出现火情时,显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是 (　 ) A.I变大、U变大 B.I变小、U变小 C.I变小、U变大 D.I变大、U变小 解析:选B　当R2处出现火情时,热敏电阻的阻值将减小,则此时电路中的总电阻减小,由闭合电路欧姆定律可知,路端电压将减小,电路中的总电流增大,所以R1两端的电压增大,由于路端电压减小,则并联部分的电压减小,通过R3的电流I变小,所以显示器的电流I变小,报警器两端的电压U变小,故B正确。 新知学习(三)|传感器综合分析问题 [典例体验] 　　[典例]　如图所示,厚度为h,宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中,实验表明,当磁场不太强时,电势差U、电流I和B的关系为U=k。式中的比例系数k称为霍尔系数。设电流I是由电子的定向移动形成的,电子的平均定向移动速度为v、电荷量为e。 (1)求电子所受的洛伦兹力的大小; (2)证明霍尔系数k=。其中n代表导体板单位体积中电子的个数。 [解析]　(1)电子所受的洛伦兹力F洛=evB。 (2)电子受到静电力与洛伦兹力的作用,两力平衡, 有e=evB 得U=hvB,通过导体的电流I=nevdh, 由U=k, 有hvB=k,解得k=。 [答案]　(1)evB　(2)见解析 [系统归纳] 1.传感器综合问题的分析步骤 物理传感器是将所感受的物理量(如力、热、光等)转换为便于测量的电学量的器件。我们可以把传感器的应用过程分为三个步骤: (1)信息采集。 (2)信息加工、放大、传输。 (3)利用所获得的信息执行某种操作。 2.分析传感器问题要注意三点 感受量分析 要明确传感器所感受的物理量,如力、热、光、磁、声等 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 电路结构分析 认真分析传感器所在的电路结构,在熟悉常用电子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 [针对训练] 1.酒精测试仪用于机动车驾驶人员是否酗酒及其他严禁酒后作业人员的现场检测。它利用的是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器,酒精气体传感器的电阻随酒精气体浓度的变化而变化。在如图所示的电路中,酒精气体的不同浓度对应着传感器的不同电阻。这样,电压表的示数就与酒精气体浓度有了对应关系。如果二氧化锡半导体型酒精气体传感器电阻的倒数与酒精气体的浓度成正比,那么,电压表示数U与酒精气体浓度c之间的对应关系正确的是 (　 ) A.U越大,表示c越大,c与U成正比 B.U越大,表示c越大,但是c与U不成正比 C.U越大,表示c越小,c与U成反比 D.U越大,表示c越小,但是c与U不成反比 解析:选B　设二氧化锡半导体型酒精气体传感器的电阻为Rx,由闭合电路的欧姆定律得,干路的电流I=,电压表示数U=IR0=,而Rxc=k(定值),由以上关系式可见U越大,表示c越大,但是c与U不成正比,故B正确。 2.如图是某同学在科技制作活动中自制的电子秤原理图,利用电压表(内电阻很大)的示数来指示物体的质量。托盘与电阻可忽略的弹簧相连,托盘与弹簧的质量均不计。滑动变阻器的滑动端与弹簧上端连接,当托盘中没有放物体时,电压表的示数为零。设变阻器的总电阻为R,总长度为L,电源电动势为E,内阻为r,限流电阻为R0,弹簧的劲度系数为k,若不计一切摩擦和其他阻力。 (1)求出电压表示数Ux与所称物体质量m的关系式。 (2)由(1)的计算结果可知,电压表示数与待测物体质量不成正比,不便于制作刻度。为使电压表示数与待测物体质量成正比,请利用原有器材进行改进,在如图的基础上完成改进后的电路原理图,并求出电压表示数Ux与待测物体质量m的关系式。 解析:(1)由胡克定律知mg=kx, 滑动变阻器R连入电路中的有效电阻 Rx=x=, 根据闭合电路的欧姆定律可知I=, Ux=IRx=。 (2)改进后的电路图如图所示。 Ux=··=。 答案:(1)Ux= (2)见解析图　Ux= 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 ◉科学思维——传感器的电路分析 1.(选自鲁科版教材课后练习)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升降机运动状态的装置,其工作原理如图所示。将压敏电阻固定在升降机底板上,其上放置一个物块,在升降机运动过程的某一段时间内,发现电流表的示数I不变,且I大于升降机静止时电流表的示数I0,在这段时间内 (　 ) A.升降机可能匀速上升 B.升降机一定匀减速上升 C.升降机一定处于失重状态 D.通过压敏电阻的电流一定比电梯静止时大 解析:选C　I>I0,说明R两端分压变大,电源内阻分压变小,总电流变小,总电阻变大,则压敏电阻的阻值变大了,其所受压力减小,物块所受支持力小于重力,处于失重状态,可能加速下降或减速上升,A、B错误,C正确;由于总电流变小,电流表示数变大,则通过压敏电阻的电流比电梯静止时小,D错误。 ◉科学探究——分辨不同的传感器元件 2.(选自粤教版教材课后练习)有三个失去标记的元件,分别是定值电阻、热敏电阻和光敏电阻。为识别它们,可将这三个元件分别接入如图所示电路中的A、B两点间。用黑纸包住元件或者把元件置入热水中,观察欧姆表的示数变化,这样就可将它们区分开来。请简述其中的原理。 提示:用黑纸包住元件,欧姆表示数变大的是光敏电阻;将元件置入热水中,欧姆表示数变化的是热敏电阻;前两次实验中,欧姆表示数不变的是定值电阻。 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1.(多选)某同学发现他居住的楼房中,楼梯上的过道灯在夜晚天黑时,用力拍掌灯就亮了;而白天无论怎样用力拍掌,灯都不能亮。后来老师告诉他:过道灯是由声音传感器和光传感器同时来控制的,其原理图如图所示,下列关于声传感器和光传感器的说法正确的是 (　 ) A.白天有光照时,光传感器自动闭合 B.夜晚无光照时,光传感器自动闭合 C.有人走动或发出声音时,声音传感器自动闭合 D.无人走动或没有声音时,声音传感器自动闭合 解析:选BC　由题意结合题图可知,白天有光照时,光传感器自动断开,夜晚无光照时,光传感器自动闭合,A错误,B正确;由题意可知,有人走动或发出声音时,声音传感器自动闭合,无人走动或没有声音时,声音传感器自动断开,C正确,D错误。 2.在输液时,药液有时会从针口流出体外,为了及时发现,设计了一种报警装置,电路如图所示。M是贴在针口处的传感器,接触到药液时其电阻RM发生变化,导致S两端电压U增大,装置发出警报,此时 (　 ) A.RM变大,且R越大,U增大越明显 B.RM变大,且R越小,U增大越明显 C.RM变小,且R越大,U增大越明显 D.RM变小,且R越小,U增大越明显 解析:选C　此装置电路中M与R并联后再与S串联。忽略电源内阻,根据欧姆定律得I=,S两端的电压U=IRS增大,则电流I增大,故R并减小,所以并联支路的总电阻减小,RM必减小,A、B错误;由于=+,即R并==,当R远大于RM时,→0,则R并≈RM,此时认为RM变化了多少,R并就变化了多少,所以R越大,RM的变化对U的变化影响就越明显,故C正确,D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $