5.2 常见传感器的工作原理及应用 课件-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第二 册

该高中物理课件聚焦常见传感器的工作原理及应用，涵盖光敏电阻、金属热电阻等敏感元件，通过“思考与讨论”导入，结合复习回顾的非电学量、传感器组成等旧知，搭建从旧知到新知的学习支架。 其亮点在于注重实验探究（如光敏电阻特性实验）和对比表格（传感器输入输出表），体现科学探究与科学思维。应用实例丰富（烟雾报警器、电子秤），采用任务驱动教学，小结清晰。助力学生提升探究能力，教师教学更高效。

完成一个小目标，需要一个大智慧！ 授课教师：李长青 5.2 常见传感器的工作原理及应用 学习目标 人教版(2019)选必修 第二册 1.认识传感器是把非电学量转换为电学量的装置，其主要元件为敏感元件。2.了解光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻和电阻应变片等材料的物理特性， 知道利用其特性可以制作传感器的敏感元件。 3.利用电容的结构改变影响电容的性质，设计电容式位移传感器。 1 复习回顾 力 温度 光 声 化学成分 非电学量 电学量 电压 电流 电路的通断 传感器 非电学量 敏感元件 转换器件 转换电路 （或电路的通断） 电学量 感 传 作用：从而实现很方便地测量、传输、处理和控制 2 新课导入 问题1：常见的传感器是怎样感知非电学量，并将其转换为电学量的呢？ 问题2：利用不同的敏感元件制成的各种传感器又有哪些应用呢？ 思考与讨论： 学习任务一： 光敏电阻 硫化镉 1、材料：制作光敏电阻的材料一般为半导体。如：硫化镉。 （1）光敏特性：光照强时，电阻较小，光照弱时，电阻较大 （2）原因：光照强时，自由电荷多，电阻率小。 2、作用： 光敏电阻 光照强弱 光敏 电阻 电阻 实 验 观察光敏电阻特性 【实验原理】光敏电阻的阻值会随着光照强度的增加而不断减小，用欧姆表连接电阻，用不同强度的光照射电阻，通过观察欧姆表的示数变化，来研究光敏电阻与光强的关系。 【实验器材】光敏电阻、多用电表、导线、电源。 （1）光敏电阻在暗环境下电阻值很大，随着光强的增加阻值不断减小，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。 【实验结论】 光敏电阻工作原理： 光照增强 半导体材料中的载流子（自由电子和空穴）浓度增加 材料的电阻率减小 3.光敏电阻的应用——计数器 A为发光仪器 B为接收光信号的仪器（光敏电阻为主） 无物品，电阻小——电压低 有物品，电阻大——电压高 高低交替变化的信号经过处理，实现自动计数的功能。 A R1 R2 信号处理系统 B 光敏传感器（光敏半导体）： 光敏电阻的应用——烟雾火警报警器： 光电三极管是烟雾火警报警器中的光传感器； 平时，发光二极管发出的光被不透明挡板挡住。当有烟雾时，烟雾对光有散射作用，光电三极管接收到散射光，电阻变小，使报警电路工作； 学习任务评价一 【例1】如图甲所示,光敏电阻R2上加上如图乙所示的光照,那么R2两端的电压变化是下列图中的(　 　) B 学习任务二：金属热电阻和热敏电阻 材料 特性 金属热电阻 金属 热敏电阻 半导体 1-金属热电阻 2-热敏电阻 1.特性 温度t ↑，电阻R↑ （有些）温度t ↑，电阻R↓ = 2.作用 温度 金属热电阻 热敏电阻 电阻 空穴 自由电子 Si Si Si Si Si Si Si Si Si 温度提高，一些电子挣脱原子核的束缚变为自由电子。 为什么半导体材料对温度更敏感？ 而电子原来的位置就变为空穴，这些空穴相当于带正电荷的粒子 一旦半导体接进电路，形成电场，自由电子沿着空穴前进，相当于正负电荷都在移动形成电流 温度越高，挣脱的自由电子就越多，导电能力越强。 E 金属热电阻特性 热敏电阻特性 实验现象 热敏电阻放温水后，电流表读数明显增大， 温度升高，热敏电阻的阻值显 著减小。 实验结论 用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。 常用的一种热电阻是用铂制作的，可用来做电阻温度计。 用半导体材料制作热敏电阻 3.金属热电阻应用实例 金属热电阻 铂电阻 给热敏电阻通以一定的电流，热敏电阻会发热。 通过判断热敏电阻的阻值变化，就可以知道液面是否低于设定值。 液位报警示意图 油位高→电阻大→灯不亮 油位低→电阻小→ 灯 亮 4.热敏电阻应用实例 报警 1、原理:热胀冷缩： 两种金属膨胀性能不同，温度变化时，双金属片形状发生变化，实现触点自动闭合或分离。 双金属片自动开关原理： 常温时平直，温度升高双金属片弯曲， 膨胀率大的金属片在外侧； 膨胀率小的金属片在内侧。 热传感器——双金属片 双金属片应用——启辉器的动触片 （1）原理：常温触点闭合，温度较高时，双金属片向下弯曲，触点分离。 （2）熨烫棉麻衣物，温度较高才分离，调温旋钮向下旋紧 （3）熨烫丝绸衣物，温度稍高立即分离，调温旋钮应向上旋松。 ＋ 双金属片应用——电熨斗控温开关 学习任务评价二 【例2】温度传感器广泛应用于家用电器中，它是利用金属热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=3.0V，内电阻不计，G为灵敏电流表，其内阻Rg保持不变；R为金属热电阻，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=2.0mA；当电流表的示数I2=1.0mA时，金属热电阻的温度是（　） A．40℃ B．60℃ C．80℃ D．100℃ C 【例3】 已知一热敏电阻当温度从10℃升至60℃时阻值从几千欧姆降至几百欧姆，某同学利用伏安法测量其阻值随温度的变化关系，部分电路如图所示。⑴实验时，将热敏电阻置于温度控制室中，记录不同温度下电压表和毫安表的示数，计算出相应的热敏电阻阻值。若某次测量中电压表和毫安表的示数分别为5.5 V和3.0 mA，则此时热敏电阻的阻值为 kΩ（保留2位有效数字）。 1.8 实验中得到的该热敏电阻阻值R 随温度t 变化的曲线如图（a）所示； ⑵将热敏电阻从温控室取出置于室温下，测得达到热平衡后热敏电阻的阻值为2.2kΩ，由图（a）求得，此时室温为 ℃（保留3位有效数字）； 25.5 ⑶利用实验中的热敏电阻可以制作温控报警器，其电路的一部分如图（b）所示。图中E为直流电源（电动势为10V，内阻可忽略）； 当温度升高时热敏电阻的电压将 （填升高或降低），当图中的输出电压达到或超过6.0 V时，便触发报警器（图中未画出）报警，则图中 （填“R1”或“R2”）应使用热敏电阻，若要求开始报警时环境温度为50℃，另一固定电阻的阻值应为 kΩ（保留2位有效数字）。 1.2 降低 R1 学习任务三： 电阻应变片 1.特性（工作原理） 材料 特性(工作原理) 金属电阻应变片 金属 半导体电阻应变片 半导体 压阻效应 电阻应变效应 拉力→L变长→S变小→电阻变大 压力→L变短→S变大→电阻变小 金属的电阻 应变效应 当单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象，称为压阻效应。 2.作用 形变 电阻 应变片 电阻 3.金属电阻应变片应用 电子秤 卷扬机牵引力测量 实例： 应变式力传感器——测量力 组成： 探究：应变片测力原理 金属梁、电阻应变片 应变式力传感器 应变片 金属梁 原理 F↑ 弯曲形变↑ 拉伸 R↑ 压缩 R↓ 电压差值↑ 电流恒定 某个力引起金属电阻应变片形变量的变化，从而引起两个应变片电压差值的变化，那么通过测定这个电压差，就能确定这个力的大小。 压力传感器 地磅 隔离膜压力传感器 陶瓷压力传感器 电子秤 电阻应变片的应用 学习任务评价三 【例4】(多选）关于电子秤中应变式力传感器说法正确的是(　 　) A.应变片是由导体材料制成 B.当应变片的上表面拉伸时，其电阻变大，反之变小 C.传感器输出的是应变片上的电压 D.外力越大，输出的电压差值也越大 BD 学习任务四： 电容式传感器 定片 动片 θ ⑴目标：测量角度θ、液面高度h 等 电介质 金属芯线 导电液体 思考：下面实例分别改变电容的哪个决定因素？ 改变极板正对面积S 1.原理 改变板间距d ⑵目标：测量压力F 待测压力F 固定电极 可动电极 ⑶目标：测量位移x 改变 εr 2.作用 角度、深度、位移、 压力、声音…… 电容 传感器 电容 学习任务评价四 待测压力F 固定电极 膜片电极 【例5】 (多选)传感器是一种采集信号的重要器件，如图是一种测定压力的电容式传感器，当待测压力F作用于可动膜片产生变形，引起电容的变化，若将电容器、灵敏电流计和电源串联接成闭合电路，那么 （ ） A.当F向上压膜片电极时，电容将减小 B.当F向上压膜片电极时，电容将增大 C.若电流计有示数，则压力F发生变化 D.若电流计有示数，则压力F不发生变化 BC 1.原理：霍尔效应 霍尔电压UH与磁感应强度B的关系 学习任务五： 霍尔元件 洛伦兹力等于电场力： 电流微观表达式： 联立得： 令 霍尔元件的结构 霍尔元件通过半导体材料在垂直于电流方向施加磁场，产生霍尔电压，用于测量磁场强度。 霍尔电压的产生原理 01 霍尔元件通常由高迁移率的半导体材料制成，如砷化镓或硅，以提高灵敏度和响应速度。 霍尔元件的材料选择 02 元件的几何形状和尺寸对霍尔效应的灵敏度有直接影响，设计时需考虑最佳尺寸和形状。 霍尔元件的几何设计 03 霍尔元件的测量功能 磁场强度测量 01 霍尔元件能够准确测量磁场强度，广泛应用于电机、发电机和磁性材料的检测。 电流检测 02 通过霍尔效应，霍尔元件可以非接触式地测量电流，常用于电力系统和电子设备中。 位置和速度传感 03 霍尔传感器可用于测量旋转物体的位置和速度，如汽车的轮速传感器和机床的定位系统。 2.作用 磁感应强度 霍尔 元件 电压 3.霍尔传感器应用实例: 永久磁铁和 霍尔元件 ①电动车加速器 位置→磁场→电压→控制器控制车速 ②霍尔无刷电动机(直流电源) 位置→ → → 三个霍尔 传感器 三个 电压 控制器控制 三 个线圈 中的电流 视频：观察霍尔元件的特性 霍尔元件 【例6】 霍尔元件是实际生活中的重要元件之一，广泛应用于测量和自动控制等领域。如图所示为一长度一定的霍尔元件，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，在元件中通入图示从E 到F 方向的电流I，其中元件中的载流子是带负电的电荷，下列说法中正确的是(　　) 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 面的 C.如果用该元件测赤道处地磁场的磁感应强度， 应保持工作面水平 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 学习任务评价五 D 课堂小结 传感器名称 输入的物理量 输出的物理量 光敏电阻 光照强度 电阻 电阻 电阻 电容 电感 电阻 电压 磁感应强度 温度 位移 位移 压力 温度 热敏电阻 金属热电阻 电容式位移传感器 电感式位移传感器 电阻应变片 霍尔元件 热敏电阻 力敏电阻 磁与位移传感器 光敏电阻 实例： 将光敏、金属热电阻、热敏电阻视为滑动变阻器。 明确被测量与敏感元件阻值之间的关系 如测量温度，R—t关系信息 图像给出 文字给出 注意：R—t 之间 正系数还是负系数 作为闭合电路的动态分析处理 思路 题型1：测量物理量 以光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻等为传感器，测量光照强度或温度等物理量。 关键 题型 已知控制装置，分析信息 已知信息，设计控制装置（局部电路设计为主） 明确敏感元件的特性（工作原理） 明确控制装置实现的目标 明确输入量与目标间得关系 输入量：如光照强度、磁感应强度、温度等非电学量 实例：课本P102 T3电饭煲温度控制系统 实例：课本P109 T2照明控制系统 题型2：控制系统的分析与设计 课堂练习 【1】下列说法不正确的是（　　） A.电熨斗中的双金属片是温度传感器 B.金属热电阻的化学稳定性好，但灵敏度差 C.霍尔元件是能够把磁感应强度这一磁学量转换为电压这一电学量的传感器 D.热敏电阻是把热量这个热学量转换为电阻这个电学量 D 【2】某同学利用压力传感器设计水库水位预警系统。如图所示，电路中的R1和R2，其中一个是定值电阻，另一个是压力传感器（可等效为可变电阻）。水位越高，对压力传感器的压力越大，压力传感器的电阻值越小。当a、b两端的电压大于U1时，控制开关自动开启低水位预警；当a、b两端的电压小于U2（U1、U2为定值）时，控制开关自动开启高水位预警。下列说法正确的是 （　　） A.U1<U2 B.R2为压力传感器 C.若定值电阻的阻值越大，开启高水位预警时的水位越低 D.若定值电阻的阻值越大，开启低水位预警时的水位越高 C 【3】（多选）智能手机屏幕的光线过强会对眼睛有害，因此手机都有一项 可以调节亮度的功能，该功能既可以自动调节，也可以手动调节。某兴趣 小组为了模拟该功能，设计了如图所示的电路。已知光敏电阻在光照增强 时，电阻会减小。闭合开关，下列说法正确的是( ) A.仅光照变强，小灯泡变暗 B.仅光照变弱，小灯泡变暗 C.仅将滑片向 端滑动，小灯泡变亮 D.仅将滑片向 端滑动，小灯泡变亮 BC 【4】某光敏电阻RT没有受到光照射（或光较暗）时，阻值较大，有光照射时，阻值较小。现利用该光敏电阻、低压电源和电磁继电器设计了自动控制电路，如图所示。下列说法正确的是（　　） A．该控制电路利用了电磁感应的原理 B．白天流过R3的电流小于晚上流过R3的电流 C．该电路能实现灯泡白天亮，晚上不亮的功能 D．若将低压电源正负极调换，则该控制电路无法完成自动控制功能 B 【5】(多选)如图甲所示，“火灾警报系统”电路中，理想变压器原、副线圈匝数之比为10∶1，原线圈接入图乙所示的电压，电压表和电流表均为理想电表，R0为半导体热敏电阻，其阻值随温度的升高而减小，R1为滑动变阻器，当通过报警器的电流超过某值时，报警器将报警，下列说法正确的是 （ ） A.电压表V的示数为10 V B.R0处出现火情时，电流表A的 示数减小 C.R0处出现火情时，变压器的输入功率增大 D.要使报警器报警的临界温度升高，可将R1的滑片P适当向下移动 AC 思考：传感器相当于人工智能机器人的什么？ 坚持很酷 传感器就是人工智能机器人的眼睛、鼻子、耳朵舌头、皮肤等五官。 甚至能创造一些人类没有的器官。比如能够感受外界磁场变化的霍尔元件，能够感受红外线的红外仪等。 思考：传感器相当于人工智能机器人的什么？ Lavf58.29.100 Lavf56.15.102 Lavf56.15.102 Lavf58.29.100 Lavf56.15.102 Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) $