5.2 常见传感器的工作原理及应用 教学设计 -2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

5.2 常见传感器的工作原理及应用 一、教学目标 1.物理观念 知道光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、电阻应变片、电容式传感器、霍尔元件的工作特性。 理解各类传感器的核心作用：将非电学量转换为电学量，并能说出对应的转换关系。 了解常见传感器在自动控制、检测、测量中的实际应用。 2.科学思维 通过分析敏感元件的特性，建立 “外界变化→材料特性改变→电学量变化” 的物理思维。 能结合电路规律，分析传感器在实际装置中的工作过程，提高综合分析能力。 3.科学探究 通过观察光敏电阻、热敏电阻的特性实验，归纳传感器的响应规律。 能根据电容的决定式，分析电容式传感器的工作原理。 4.科学态度与责任 感受传感器在现代工业、智能家居、航天设备中的广泛应用，体会物理对科技发展的推动作用。 认识我国在高端传感器领域的成就，增强科技自信与爱国情怀。 二、教学重难点 （一）教学重点 1.光敏电阻、热敏电阻、电阻应变片的工作原理及特性。 2.电容式位移传感器的工作原理。 3.各类传感器对应的 “非电学量→电学量” 转换关系。 （二）教学难点 1.理解热敏电阻与金属热电阻的特性区别。 2.电阻应变片的应变效应与压阻效应。 3.电容式传感器测量位移、高度、压力的工作过程分析 三、教学过程 （一）导入新课 教师播放智能路灯、自动测温、电子秤、位移检测的视频，展示光敏电阻、热敏电阻实物图片。 提问：上节课我们认识了传感器，它的核心是敏感元件。生活中这些自动控制装置，分别用了什么敏感元件？它们是怎样把光、温度、力、位移变成电信号的？ 从生活自动控制场景入手，激发探究欲，自然进入常见传感器原理的学习。 （二）新课讲授 一、光敏电阻 1.光敏电阻是用金属硫化物等半导体材料制成的。当光照射到这些半导体物质上时，会激发半导体内部受束缚的电子，其电阻值就会发生改变。光照越强，被激发的电子数就越多，电阻值就越小。 2.实验：观察光敏电阻特性 教师活动 演示实验：用强光、弱光、遮光分别照射光敏电阻，观察电阻变化。 讲解原理：硫化镉是一种半导体材料，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。 实验结论：（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。 应用：自动计数装置：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。 二、金属热电阻和热敏电阻 教师提问∶金属导体的导电性能与温度有关吗？关系如何？ 生答∶（金属导体的电阻随温度的升高而增大，如白炽灯钨丝的电阻在正常工作情况下比常温下的电阻大得多） 师生总结∶用金属丝可以制作温度传感器，称为金属热电阻。 金属的电阻率随温度的升高而增大。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。（展示常见的铂温度计） 那我们家里的微波炉使用的传感器是这种热电阻吗？为什么呢？ 学生：不是，因为金属材料对微波辐射具有较强的反射作用，另外用金属材料制作的测温探头在高频电磁场下产生感应电流，使其自身温度升高，对温度测量造成严重干扰。 师：没错，这时候就出现了一种半导体来满足这种测温需求。（引出热敏电阻） 师：热敏电阻具有怎样的特性呢？下面通过实验探究热敏电阻随温度变化阻值变化情况。 1.演示实验：加热热敏电阻，观察电阻随温度的变化。 分别讲解： ① 金属热电阻：金属材料，温度升高，电阻率增大，电阻增大；稳定性好、测温范围大。 ② 热敏电阻：半导体材料，温度升高，电阻减小；灵敏度高。 2.介绍应用：热敏电阻用于低油位报警、电子体温计、电子温度计、电脑、电冰箱、空调温控；金属热电阻用于精密测温。 低油位报警装置原理：给热敏电阻通以一定的电流，热敏电阻会发热。当液面高于热敏电阻的高度时，热敏电阻发出的热量会被液体带走，温度基本不变，阻值较大，指示灯不亮。当液体减少、热敏电阻露出液面时，发热导致它的温度上升、阻值较小，指示灯亮。 三、电阻应变片 教师提问： 问题1：为什么金属丝被拉长后，它的电阻会变大？ 问题2：当力作用在传感器的金属梁上时，上下表面的应变片电阻为何一个变大、一个变小？ 问题3：如何将电阻的变化转化为可以测量的电压信号？ 问题4：为什么传感器要同时使用两个应变片并输出它们的电压差值？ 教师展示应变片与力传感器结构图片，讲解： 1.金属导体在外力作用下发生机械形变（伸长或缩短）时，其电阻随着它所受机械形变的变化而发生变化。 2.电阻应变效应： ①金属导体在外力作用下发生机械形变（伸长或缩短）时，其电阻随着它所受机械形变的变化而发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。金属电阻应变片就是利用这一原理制成的。 ②压阻效应： 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。 ③电阻应变片的功能： 能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。 3.工作原理： 受力时梁发生弯曲，上表面应变片电阻变大，下表面电阻变小；在恒流条件下，电压变化反映力的大小。 4.应用：电子秤、压力传感器、称重装置。 四、其他传感器 1.电容式位移传感器： 原理：电容器的电容 C 决定于极板的正对面积 S 、极板间的距离 d 以及极板间的电介质这三个因素，如果某个物理量的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化。 2.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， 广泛应用于磁传感器中。 在其垂直方向施加磁感应强度为 B 的匀强磁场，将在垂直于电流和磁场的方向上产生电势差为UH 的霍尔电压 （三）课堂小结 教师引导学生自主梳理本节所学知识，组织学生分组交流、相互补充： 1.回顾本节课学习的光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、电阻应变片、电容传感器、霍尔元件，说出各自的敏感对象。 2.用自己的话总结每种传感器把什么非电学量转换成什么电学量。 3.对比热敏电阻和金属热电阻的不同特点，明确二者的适用场景。 4.结合生活实例，说明这些传感器在自动控制与检测中的具体用途。最后由教师进行总结提炼，强化核心知识点，帮助学生形成完整的知识结构。 （四）板书 （五）教学反思 本节课严格按照课件与教学设计展开，从光敏、温度、应变、电容到霍尔传感器，结构清晰、内容完整，配合演示实验与实物图，抽象原理直观易懂，学生接受度高。 光敏电阻与热敏电阻的实验演示效果好，能有效帮助学生理解特性；但金属热电阻与热敏电阻的区别仍有部分学生易混淆，后续可用对比表格强化记忆。 电阻应变效应与电容传感器原理结合旧知讲解，学生理解较顺畅，但对压阻效应的微观机理可适当简化，避免增加负担。 学科网（北京）股份有限公司 $