5.3 大显身手的传感器 课件-2025-2026学年高二下学期物理鲁科版选择性必修第二册

该高中物理课件聚焦传感器的种类、应用模式及工作原理，通过自动感应门、洗衣机水位控制等生活实例导入，衔接已学电学知识作为支架，帮助学生构建非电学量与电学量转换的认知脉络。 其亮点在于以生活实例驱动科学探究，通过情境分析、要点归纳培养科学思维，结合汽车传感器等科技应用渗透科学态度与责任。如压力传感器在洗衣机中的信号转换分析，电容传感器在指纹识别中的原理探究，助力学生提升物理观念应用能力，也为教师提供系统的分层教学资源。

第3节　大显身手的传感器 1.了解传感器的种类及一般应用模式,感受传感器的应用技术在信息时代的作用与意义。2.能够结合已学的知识,分析传感器在实际中的应用实例。 [定位·学习目标]　 探究·必备知识 「知识梳理」 知识点一　自动感应门 1.控制自动门开关的是一种 传感器。 2.自动门工作原理 人体发出的红外线,经红外感应器入射窗的滤光片后,聚焦到感应器的热电元件上。热电元件感知温度上升后,会因为热电效应释放电荷,使电路中的电阻、电流、电压等电学量发生变化。在人进入大厅的过程中,自动感应门系统主要经历三个环节: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,执行指令(开、关门)。 红外线 知识点二　洗衣机水位控制 全自动洗衣机的水位控制装置中使用 传感器,当筒中水位到达设定的高度时,凸起的膜片使动触点与控制电路的静触点接触,从而接通控制电路, 进水电磁阀门,同时 洗涤电动机电源。 压力 关闭 接通 知识点三　指纹识别器 指纹识别器是通过 传感器来识别指纹的。手指皮肤与电容传感器绝缘表面组成了电容阵列,由于指纹的脊和谷相对绝缘表面之间的距离不同导致不同位置的电容器的 不同。 电容 电容值 知识点四　机器人 1.机器人传感器的分类 机器人传感器系统分为外部传感器和 传感器。 2.机器人传感器用途 (1)外部传感器用于感知外部 和外界事物对机器人的 ,使机器人拥有类似人的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等感觉,从而使机器人具有拟人化的特点。 (2)内部传感器(如角度传感器、 等)用于检测机器人自身的状态。 内部 工作环境 刺激 关节传感器 1.思考判断 (1)自动门安装的红外线传感器是通过获取人体的影像而自动开、关门的。 (　 　) (2)非接触式体温仪将人体辐射的红外能量转换为温度值通过数字屏显示 出来。(　 　) (3)洗衣机的自动控制装置利用了压力传感器。(　 　) (4)自动门利用了红外线传感器。(　 　) (5)指纹识别器利用了压力传感器。(　 　) √ 「新知检测」 × √ √ × 2.思维探究 (1)生活中需要进行温度控制的家用电器有很多,试举例说明。 【答案】 (1)电饭煲、电冰箱、电冰柜、微波炉、空调、热水器、消毒 柜等。 (2)压力传感器在洗衣机中实现了怎样的信号转换?其作用是什么? 【答案】 (2)传感器的膜盒中的膜片受力大小不同,膜片凸起情况不同,当水位到达设定高度,即压力达到一定程度时凸起的膜片使动触点与控制电路的静触点接触,从而接通控制电路。压力传感器将压力这个力学量转换成电路的通断,相当于电路中的开关。 突破·关键能力 要点一　压力传感器的应用 「情境探究」 如图,观察自动洗衣机水位控制原理。 1是洗衣机的外筒,2是洗衣机的内筒,3是气室,4是传感器的膜盒。 (1)自动洗衣机水位控制系统感受的是哪种非电学量? 【答案】 (1)压力的大小。 (2)自动洗衣机还有哪些传感器? 【答案】 (2)温度传感器、湿度传感器等。 「要点归纳」 处理含压力传感器电路的思路 首先,审清题意,明确题干中力、电的转换方式;其次,理清电路结构,灵活利用闭合电路欧姆定律列式;最后,充分利用数学知识分析物理问题。 [例1] (双选)压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小。某位同学利用压敏电阻设计了一个判断电梯运动状态的装置,其装置示意图如图所示。将压敏电阻平放在电梯内,受压面朝上,在上面放一物体m,电梯静止时电流表示数为I0。电梯在不同的运动过程中,电流表的示数分别如图甲、乙、丙、丁所示,则下列判断正确的是(　 　) A.图甲表示电梯可能做匀速直线运动 B.图乙表示电梯可能做匀加速上升运动 C.图丙表示电梯可能做匀加速下降运动 D.图丁表示电梯可能做变减速下降运动 AD 【解析】 题图甲中,电流恒为I0,压力等于重力,故电梯处于平衡状态,可能做匀速直线运动,选项A正确;题图乙中,电流从I0逐渐变大到2I0,电阻逐渐变小,则压力逐渐变大,且大于重力,所以加速度向上逐渐变大,电梯可能变加速上升,也可能变减速下降,选项B错误;题图丙中,电流保持2I0不变,电阻比原来小且保持不变,则压力不变且大于重力,所以加速度向上且保持不变,电梯可能匀加速上升,也可能匀减速下降,选项C错误;题图丁中,电流从2I0逐渐减小,则电阻逐渐变大,压力逐渐减小,则向上的加速度逐渐减小,则电梯可能变减速下降或变加速上升,选项D正确。 [针对训练1] 图甲虚线框内所示是电子秤测量部分的原理图,压力传感器的电阻R随压力F的变化如图乙所示。开关闭合后,压力传感器两端的电压恒为6.0 V。电流表的量程为0～0.6 A。电流表的内阻、踏板和压杆的质量可以忽略不计。则电子秤(　　) A.最大称量值为1 500 N B.压力传感器的电阻最小为0 C.空载时,电流表的读数为20 mA D.称重为900 N时,电阻R为110 Ω C 要点二　电容传感器的应用 「情境探究」 如图,观察电容式话筒。 【答案】 (1)电容式话筒感受的是声音信号的强弱。 (1)电容式话筒感受的是哪种非电学量? 【答案】 (2)声波使振动膜片发生振动,进而改变了振动膜片和固定电极的间距,从而改变电容器电容的大小使电路中产生充、放电电流,其电流变化与声波变化相对应,从而在电阻两端产生随声波变化的电压信号并输出。 (2)声波是怎样通过电容式话筒发出信号的? 「要点归纳」 1.电容传感器的工作原理 电容传感器感受的通常是非电学量,如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等,而它输出的通常是电学量,如电压、电流、电荷量等,这些输出信号是非常微弱的,通常要经过放大后通过显示器显示或输送给控制系统产生各种控制动作。 2.电容传感器的工作流程 [例2] 传感器是把非电学量(如位移、压力、流量等)转换成电学量的一种元件。如图所示为一种电容传感器,电路可将声音信号转化为电信号。电路中a、b构成一个电容器,b是固定不动的金属板,a是能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜片。若声源S发出频率恒定的声波使a振动,则a在振动过程中(　　) A.a、b板之间的电场强度不变 B.a、b板所带的电荷量不变 C.电路中始终有方向不变的电流 D.向右位移最大时,电容器的电容最大 D ·学习笔记· 传感器问题的分析思路 不同类型的传感器,其工作原理一般不同,但绝大多数的传感器都是把待检测的非电学量转换为电学量。因此我们可以结合电路知识,根据电学量的变化来确定相关量或相关量的变化。 [针对训练2] 某电容式话筒的原理示意图如图所示,E为电源,R为电阻,薄片P和Q为两金属极板,对着话筒说话时,P振动而Q可视为不动。在P、Q间距增大过程中,P、Q构成的电容器的电容　　　　　,P上电荷量　　　　,M点的电势比N点的　　　　。  减小 减少 高 提升·核心素养 「模型·方法·结论·拓展」 传感器的功能与人类感觉的对应关系 人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。而在研究自然现象和规律以及生产活动中就需要大量的传感器。因此可以说,传感器是人类五官的延伸,又称之为电五官。 传感器的功能可与人类五大感觉相比拟: 光敏传感器——视觉 声敏传感器——听觉 气敏传感器——嗅觉 化学传感器——味觉 温度或压力传感器——触觉 传感器具有“超人”的本领,有些传感器不仅可应用于人类不方便接触的高温、高压、辐射等恶劣环境,还可检测出诸如磁、电、离子和射线等人类感官不能感知的信息。 [示例] 机器人通过哪种传感器感知周围环境,从而避开障碍物(　　) A.温度传感器 B.压力传感器 C.味觉传感器 D.视觉传感器 D 【解析】 机器人通过“眼睛”(摄像机),即视觉传感器感知周围环境,从而避开障碍物,故D正确。 「科学·技术·社会·环境」 汽车上的传感器 现在的汽车越来越智能化,汽车上的很多功能都由电脑来控制完成,比如说发动机系统、变速箱系统、悬架系统、制动系统、空调系统、车身控制系统等等。电脑要控制这些系统,必须要得到正确的信息来确认系统的状态,然后发出正确的指令来控制系统动作,从而执行驾驶员的意图,正确地控制汽车。这些反映系统状态的信息是由传感器来转换并传达的,即使是一辆很普通的汽车,上面的传感器也多达几十个,高档车更是高达上百个。 汽车在运行中,各系统会处于不同的工作状态,比如水温、油温、进气压力、车速、节气门位置、挡位等等,汽车的电脑是无法直接读取这些信息的,必须转换为电脑能够识别的电信号。汽车传感器就是执行这样的任务,它把汽车运行中的光、电、温度、压力、时间等信息转换成电信号,然后输入车载电脑系统,然后由电脑内部预先存储的程序进行计算分析,从而判断汽车的运行状态。 [示例] 如图甲所示,在电喷汽车的进气管道中,广泛地使用着一种叫“电热丝式”空气流量传感器的部件,其核心部分是一种用特殊合金材料制作的电热丝。如图乙所示,当进气管道中的冷空气流速越大时,电阻R两端的电压U0就变得越高;反之,电压U0就越低。这样,管道内空气的流量就转变成了可以测量的电压信号U,便于汽车内的电脑系统实现自动控制。如果将这种电热丝放在实验室中测量,得到的U-I曲线可能是(　　) C 检测·学习效果 1.如图所示,商店里使用的电子计价秤可将货物的质量、单价和金额清楚地显示在面板上,既方便了工作人员,又方便了顾客。电子计价秤使用的传感器是(　　) A.红外线传感器 B.压力传感器 C.超声波传感器 D.温度传感器 B 【解析】 传感器将温度、力、光、声音等非电学量转换为电学量,此处电子计价秤使用的传感器是压力传感器,将力学量转换成电学量,故B正确,A、C、D错误。 2.人类发射的绕地球运转的航天器,所需要的电能主要通过太阳能电池板由太阳能转化而来,因此要求太阳能电池板总是对准太阳,为达到这一要求应利用下列哪种传感器来感知太阳的方位(　　) A.温度传感器 B.力传感器 C.生物传感器 D.光传感器 D 【解析】 太阳能电池板是通过光电转换装置把太阳能直接转化为电能供航天器使用的,因此需要使用光传感器,来感知太阳方位。故选D。 3.传感器是一种采集信息的重要器件,如图所示为测定压力的电容式传感器,将电容器、灵敏电流计、电源连接。施加力的作用使电极发生形变,引起电容的变化,导致灵敏电流计指针偏转。在对可动膜片电极开始施加恒定的压力到膜片电极稳定,灵敏电流计指针的偏转情况为(电流从电流计正接线柱流入时指针向右偏)(　　) A.向右偏到某一刻度后不动 B.向左偏到某一刻度后不动 C.向右偏到某一刻度后回到零刻度 D.向左偏到某一刻度后回到零刻度 C 4.传感器已广泛应用于生产和生活中,下列关于传感器的说法正确的是 (　　) A.给货车称重的地磅使用了光传感器 B.夜间自动打开的路灯使用了红外线传感器 C.话筒是一种常用的声波传感器,其作用是将电信号转换为声信号 D.电熨斗能自动控制温度的原因是它装有双金属片,这种双金属片的作用是控制电路的通断 D 【解析】 给货车称重的地磅是利用了压力传感器,A错误;灯要求夜晚亮、白天熄,因白天有光,黑夜没有光,则是由光引起电路的电流变化,所以电路中由光传感器引起电流变化,实现自动控制,即使用的是光传感器,B错误;话筒是一种常用的声波传感器,其作用是将声信号转换为电信号,C错误;电熨斗通过双金属片上下层膨胀系数不同,在同一温度下的伸缩不一,从而实现温度的自动控制,从而实现控制电路的通断,D正确。 感谢观看 【解析】 由题图乙得到R=300-0.2F(Ω),当电阻R=0时,压力Fmax=1 500 N,但回路中的电阻不可能为0,则压力最大值不可能为1 500 N,故A错误;压力传感器的电阻为0时,电源短路,则压力传感器的电阻最小不可能为0,故B错误; 空载时,F=0,此时R=300 Ω,I== A=20 mA,故C正确;当F=900 N,由R= 300-0.2F(Ω),可得R=120 Ω,故D错误。 【解析】 a、b始终跟电源相连,电势差U不变,由于a、b间距离变化,由E=知电场强度变化,A错误;由C=知d变化时C变化,a向右位移最大时,电容最大,D正确;由Q=CU知,a、b所带电荷量变化,则充、放电交替产生,电路中电流方向改变,B、C错误。 【解析】 由平行板电容器的电容C=可知,当P、Q之间的距离d增大时,电容器的电容C减小,而电容器两极板之间的电势差不变,根据Q=CU可知,电容器两极板上的电荷量减少,此时电容器对外放电,故M点的电势高于N点的电势。 A　 B 　C 　D 【解析】 由闭合电路欧姆定律得U0=×R,可知Rt越小,U0越大,则电流越大,即将该电热丝放在实验室中加一电压,电压变大时电流变大且阻值变小,由欧姆定律可知,其U-I图像斜率变大,选项C可能正确。 【解析】 当F向上压膜片电极时,板间距离减小,由电容的决定式C=可知,电容器的电容将增大,又根据电容的定义式C=,电容器两极板的电压U不变,故Q将增大,即电容器充电,所以电流将从电流计正接线柱流入,电流计指针向右偏。当充电完毕后,电路中没有电流,电流计的指针回到零刻度。故C正确。 $