5.2常见传感器的工作原理 教学设计-2026-2027学年高二下学期物理教科版选择性必修第二册

该高中物理教学设计聚焦常见传感器的工作原理，承接上节传感器基础定义，通过分组实验探究热敏电阻水温与电阻关系，搭建“非电学量→电学量”转换主线，梳理热敏（NTC/PTC）、光电、力传感器分类及应用。 以实验探究法、实物对比图解法等开展教学，分组测量热敏电阻数据培养科学探究能力，对比NTC与PTC特性建立科学思维，解析光电转速和应变式力传感器流程深化物理观念，助力学生构建传感器知识体系，提升教师教学系统性与实操性。

教学设计 课程名称 常见传感器的工作原理 选用教材 高中物理教科版选修二 教学章节 第五章第二节 授课对象 高二学生 授课类型 新授课 授课学时 1课时（45分钟） 一、教学内容分析 本节课承接上一节传感器基础定义，分类讲解四类工业、生活常用传感器，以 “非电学量→电学量” 转换为统一主线。第一板块依托热敏电阻实验装置图，开展分组实验探究，改变水温测量热敏电阻阻值，得出温度与电阻变化规律；第二板块借助两类热敏电阻实物图，区分负温度系数 NTC、正温度系数 PTC 热敏电阻，介绍各自特性与过热保护电路应用；第三板块依靠光电式转速表原理图，以光源、反光纸、光敏二极管为核心，梳理机械转速转化为脉冲电信号的完整流程，拓展光电类传感器应用；第四板块利用应变式力传感器实物与原理示意图，讲解铝合金梁、应变片受力形变改变电阻，输出电压差值反映外力大小，对应电子秤称重场景。整体搭建 “热敏电阻实验装置图探究温度传感特性→两类热敏电阻实物图区分 NTC、PTC 分类→光电式转速表原理图分析光电测速传感器→应变式力传感器实物与原理图拆解力学量转电压的力传感器” 完整探究链条，综合半导体、光电、形变电阻等已学电学知识，构建多类型传感器统一知识体系，为自动控制电路学习铺垫。 二、学情分析 1. 知识基础 学生已经掌握传感器通用定义、光敏电阻、动圈话筒基础原理，熟悉半导体导电特性、电路欧姆定律、电阻随形变变化规律；生活接触电子秤、温度报警器、转速测量设备，但无法区分温度、光电、力三类传感器的转换逻辑；不清楚 NTC、PTC 两类热敏电阻变化趋势相反，不能完整梳理光电转速设备光信号转脉冲电信号的过程，对应变片形变带来的电压差值输出机制理解薄弱。 2. 能力基础 学生具备基础电学实验操作、数据记录能力，但对比多类传感器转换原理的分类归纳能力薄弱；从实验数据提炼温度 - 电阻变化规律的数据分析能力不足；拆解光电、力传感器多层结构、梳理完整信号转换链路的系统推理能力偏弱。 3. 思维基础 学生存在多处顽固认知误区：所有热敏电阻温度升高电阻都减小；光电传感器只能感知有无光线，无法测量转速；外力越大应变片电阻都同步变大；温度、光、力三类传感器转换物理机制完全一致；传感器输出信号只能是电阻，不能是电压、脉冲电流。 三、教学目标 1. 物理观念 建立分层完整多类型传感器观念：热敏电阻分为 NTC（升温电阻减小）、PTC（升温电阻增大），依靠半导体温度敏感特性实现温度转电阻；光电式转速传感器借助光敏二极管，将转动反光脉冲转化为电脉冲信号，实现转速测量；应变式力传感器依靠应变片形变改变电阻，输出电压差值反映外力大小，力学量转化为电压信号；温度、光电、力传感器本质都是把对应非电学量转化为电学量，只是转换依托的物理规律不同。 2. 科学思维 依托热敏电阻实验装置图建立温度变量与电阻数值变化的实验建模思维；借助两类热敏电阻实物图建立 NTC、PTC 对比分类归纳思维；利用光电式转速表原理图建立光脉冲、电脉冲时序转换演绎思维；依靠应变式力传感器实物与原理示意图建立机械形变、电阻、电压多级转换的综合系统思维，四层思维同步开展训练。 3. 科学探究 观察热敏电阻实验装置图，掌握水温、温度计、多用电表配套实验操作，自主测量多组温度、电阻数据总结变化规律；看懂两类热敏电阻实物图，区分 NTC、PTC 外观与阻值随温度变化趋势，了解过热保护开关应用；解读光电式转速表原理图，顺着光源、反光纸、光敏二极管、处理电路梳理转速转脉冲电信号完整流程；分析应变式力传感器实物与原理示意图，理解铝合金梁形变带动应变片电阻变化，电压差值表征外力；完整经历 “热敏电阻实验装置图实验探究温度传感规律→两类热敏电阻实物图区分 NTC、PTC 热敏元件→光电式转速表原理图解析光电测速传感器→应变式力传感器实物与原理图探究力 - 电压转换传感器” 标准化分类探究流程。 4. 科学态度与责任 温度、光电、力传感器广泛应用于家电温控、工业测速、电子称重、设备过热保护，各类感知元件是智能制造、精密检测核心部件，激励学生扎实电学知识助力国产传感元件自主研发；分组探究热敏电阻实验时规范使用酒精灯、多用电表，树立安全实验、规范操作仪器的素养；NTC 热敏电阻过热保护电路可预防设备起火损坏，体现传感器保障生产生活安全的实用价值；应变式力传感器精准称重支撑商超、工业计量，物理技术保障计量公平；多类传感器协同完成复杂自动检测，培养分工配合、分层处理信号的工程系统思维。 四、教学重难点 重点 NTC、PTC 热敏电阻温度 - 电阻变化规律；光电转速传感器工作流程 应变式力传感器形变、电阻、电压多级转换原理 难点 区分 NTC 与 PTC 两类热敏电阻相反的阻值变化趋势 理解应变片双向形变带来正负电压差值、光电脉冲计数反映转速的底层逻辑 五、教学方法 实验探究法：热敏电阻实验装置图，分组水浴加热测量温度、电阻数据； 实物对比图解法：两类热敏电阻实物图，对比 NTC、PTC 特性与用途； 流程图解分析法：光电式转速表原理图，逐层拆解光脉冲转电脉冲测速流程； 结构分层图解法：应变式力传感器实物 + 原理示意图，拆解形变、电阻、电压转换链路； 分类对比抢答法：出示三类传感器特性、应用相关判断题，纠正认知偏差。 六、教学资源 教科版高中物理选择性必修第二册课本；热敏电阻实验装置图、两类热敏电阻实物图、光电式转速表原理图、应变式力传感器实物及原理示意图；分组实验器材：烧杯、温度计、酒精灯、多用电表、NTC/PTC 热敏电阻；电子秤、转速仪、温控设备科普图文素材。 七、教学设计 教学环节 教师活动 学生活动 环节二 两类热敏电阻实物图探究，区分 NTC 与 PTC 热敏电阻特性（10 分钟） · 投影热敏电阻实验装置图 · 介绍整套实验器材：烧杯、水、温度计、热敏电阻、多用电表、酒精灯，讲解实验操作流程：改变水温，记录 10 组温度与对应电阻读数。 · 分层讲解实验变量控制：加热或添加冷水调节温度，稳定后读取温度计数值，多用电表切换电阻挡测量；初步铺垫半导体热敏电阻特性，温度变化会显著改变内部载流子数量，从而改变整体电阻。同步布置分组任务，每组记录数据并总结温度升高时电阻变化趋势。 · 抛出同桌交流任务两分钟：实验过程中升温、降温时热敏电阻阻值变化是否一致，为什么半导体材料对温度敏感，教师巡回倾听各组发言，收集实验初步结论。 · 出示全班辨析思考题：所有热敏电阻升温电阻都会减小、温度不属于可探测的非电学量，判断对错，点名学生作答并完整说明依据。 · 过渡铺垫：热敏电阻分为两类，变化趋势完全相反，下一张实物图区分 NTC、PTC 热敏电阻。 · 认真观察热敏电阻实验装置图，理清水浴测温、电阻测量全套实验操作步骤。 · 分组动手完成实验，记录多组温度、电阻数据，初步归纳本组热敏电阻阻值随温度变化趋势。 · 和身旁同桌相互交流温度敏感思辨问题，分工说出半导体载流子数量随温度改变，直接影响导电能力与电阻大小。 · 独立判断辨析题对错，完整写出纠正对应的实验规律，规避两类基础认知误区。 · 建立温度传感 “温度→电阻” 的基础转换模型。 环节二 两类热敏电阻实物图探究，区分 NTC 与 PTC 热敏电阻特性（10 分钟） · 投影两类热敏电阻实物图 · 左侧 PTC 正温度系数，右侧 NTC 负温度系数，给出两类元件标准定义与缩写含义。 · 分层梳理两类热敏电阻核心差异：NTC 负温度系数，温度升高电阻减小，可制作设备过热保护开关，温度超标电流骤增触发继电器断电；PTC 正温度系数，温度升高电阻增大，用于恒温加热类设备限流保护。同步结合实验说明，课堂分组使用的多为 NTC 热敏电阻，对应实验得出升温电阻变小的规律。 · 布置四人小组简短讨论任务三分钟：家用电器过热保护电路选用 NTC 热敏电阻的物理原理是什么。 · 汇总小组发言，统一得出结论：设备升温后 NTC 电阻大幅减小，电路电流急剧变大，触发继电器切断电源，避免高温损坏设备。 · 抛出同桌交流任务两分钟：对比 NTC、PTC，温度升高时二者电阻变化方向有什么区别，分别适合什么场景。 · 认真观察两类热敏电阻实物图，分清 PTC、NTC 外观，熟记两类元件阻值随温度变化相反的核心特点。 · 完整抄写：NTC（升温电阻减小，过热保护）、PTC（升温电阻增大，恒温限流）。 · 四人小组围绕过热保护电路思辨问题充分交流，小组代表举手完整分享讨论结论。 · 和身旁同桌相互交流两类元件对比思辨问题，分工说出 NTC 升温降阻、PTC 升温升阻，适配保护、恒温两类场景。 · 完整掌握温度传感器完整分类、特性与工程应用。 环节三 光电式转速表原理图拓展，解析光电类脉冲测速传感器（11 分钟） 投影光电式转速表原理图 标注光源、透镜、反光纸、光敏二极管、放大整形电路、频率计、显示器全套结构，分层拆解测速完整流程。 分层分步讲解光信号转脉冲电信号：被测转盘随转轴转动，反光纸间断反射光源光线；光线经透镜射入光敏二极管，每一次反光产生一次电脉冲；转速越快单位时间脉冲数量越多；电路统计脉冲频率，换算为转速数值显示。同步点明光敏二极管属于光电敏感元件，实现 “机械转速→光脉冲→电脉冲” 多级转换。 抛出同桌交流任务两分钟：转盘无反光纸时光敏二极管不会产生脉冲信号，依靠什么物理现象实现间断触发。 出示四道分层辨析判断题：光电传感器只能判断有无光线、NTC 升温电阻变大、应变片受力电阻不变、传感器仅能输出电阻信号，全班集体举手判断对错，逐题纠正误区。 过渡铺垫：除温度、光电传感器外，力的大小也可通过传感器转化为电信号，下一张应变式力传感器实物与原理图学习力学传感。 认真观察光电式转速表原理图，顺着光路、电路走向梳理转速测量全流程，看懂光敏二极管脉冲生成机制。 完整抄写光电测速流程：转盘反光→间断光脉冲→光敏二极管产生电脉冲→计数电路换算转速。 和身旁同桌相互交流反光纸触发思辨问题，分工说出反光纸周期性遮挡、反射光线，间断给光敏元件输入光信号，形成脉冲。 集体判断四道辨析题对错，针对每一道错题结合本节课热敏、光电知识完整说明纠正依据，规避四类顽固认知误区。 拓展光电传感器应用范围，明白光电元件不仅能测光照强弱，还可测量运动转速。 环节四 应变式力传感器实物与原理示意图梳理，探究力学量转电压传感器（12 分钟） 投影应变式力传感器实物及原理示意图 左侧为成品传感器，右侧剖面图标注铝合金梁、上下应变片、自由端、固定端，讲解形变与电阻变化逻辑。 分层分步拆解力 - 电压转换全过程：自由端施加外力，铝合金梁发生弯曲形变；上应变片拉伸电阻变大，下应变片压缩电阻变小；电路恒定电流供电，两片应变片产生反向电压；输出电压差值反映外力大小，受力反向则电压差值正负翻转；成品多用于电子秤称重、工业测力。同步点明力传感器核心转换逻辑：外力（力学量）→应变片电阻变化→电压差值（电学量）。 布置四人小组对比讨论任务三分钟：对比热敏、光电、应变式力传感器，三者输入非电学量、转换依托的物理规律分别有什么不同。 汇总小组发言，统一整理对比要点：热敏输入温度（半导体载流子变化）；光电输入转速 / 光照（光电效应）；力传感器输入压力（导体形变改变电阻），全部输出电学信号。 完整梳理本节课逻辑链：热敏电阻实验装置图实验探究温度传感基础规律→两类热敏电阻实物图区分 NTC、PTC 相反变化特性与保护电路应用→光电式转速表原理图分析光脉冲测速光电传感器→应变式力传感器实物与原理图拆解外力形变转电压的力传感器。 布置课后分层作业，拓展实践思考任务：观察电子秤、温控热水器、电机转速仪，匹配对应的传感器类型。 · 认真观察应变式力传感器实物与原理示意图，看懂铝合金梁弯曲、应变片双向形变，梳理外力到电压差值完整转换链路。 · 完整抄写应变式力传感器核心：外力使梁形变→上下应变片电阻反向变化→输出电压差值表征力大小，用于电子秤。 · 四人小组围绕三类传感器对比思辨问题交流，分条整理输入物理量、转换原理差异，小组代表举手分享。 · 独立完成转换流程简答题，完整口述电子秤称重时力转化为电压信号的全部步骤。 · 和身旁同桌互相口述热敏两类元件、光电测速、应变测力全部核心知识点，整合两类传感器内容形成分类知识框架。 环节五 习题巩固 + 课堂总结（3 分钟） · 出示四道分层思考题：NTC/PTC 特性简答、光电转速流程填空、应变式力传感器原理判断、三类传感器匹配问答。 · 带领学生复盘四张配图对应的核心内容：热敏电阻实验装置图掌握温度 - 电阻实验探究方法；两类热敏电阻实物图分清 NTC 升温降阻、PTC 升温升阻；光电式转速表原理图梳理光脉冲转电脉冲测速流程；应变式力传感器实物与原理图理解形变、电阻、电压多级转换测力机制。 · 集中纠正四类典型认知误区：所有热敏电阻升温电阻减小、光电仅能感知明暗、外力使所有应变片电阻同步变大、传感器只能输出电阻信号。 · 布置课后分层作业：基础题抄写 NTC/PTC 特性、光电测速流程、应变式力传感器工作原理；提升题完成三类传感器对比简答题；实践作业识别家中温控、称重、测速设备对应的传感器。 · 独立完成四道分层思考题，动笔书写完整分析、简答依据，自行对照梳理错题，标记容易混淆的转换规律。 · 跟随教师复盘本节课多类传感器分类探究主线，理清四张配图对应的四大核心知识板块。 · 记录四类典型认知误区，在课本对应位置标注提醒自己规避。 · 完整记录课后三层作业，区分概念识记、对比简答、生活观察三类任务。 环节六 课堂收尾 · 回扣开篇热敏电阻实验装置图进行收尾总结：本节课我们通过水浴实验探究热敏电阻温度传感规律，区分 NTC、PTC 两类相反特性的温度传感器，学习依靠光敏二极管实现转速测量的光电传感器，拆解应变片形变输出电压差值的力传感器，四类传感器分别以温度、光、力为输入信号，依托半导体、光电、形变电阻不同物理规律完成非电学量向电学量转换，下一节学习传感器搭配电路实现自动控制。 · 完整回顾本节课全部核心内容：NTC/PTC 热敏电阻特性、光电转速传感器脉冲转换、应变式力传感器形变测力原理，清晰记住四张配图对应的完整探究主线，整合第五章前两节传感器定义、分类、工作原理构建完整知识体系。 八、板书设计 九、课程思政 本节课依托热敏电阻实验装置图、两类热敏电阻实物图、光电式转速表原理图、应变式力传感器实物及原理示意图四组教材素材，沿着温度传感实验探究、热敏元件分类、光电测速、应变测力的完整脉络落实多维育人目标。第一，热敏、光电、应变力传感器是智能制造、精密计量、设备安全防护的核心基础元器件，我国大力发展自主可控传感芯片与感知元件产业，基础电路、半导体物理知识支撑工业自动化科技强国建设，激励学生扎实电学基础，投身国产智能传感设备研发；第二，NTC 热敏电阻过热保护电路可防止电器起火，应变式电子秤保障市场计量公平，光电转速仪保障工业设备稳定运行，体现传感器兼顾生产安全、民生公平、产业稳定的多元社会价值；第三，分组探究热敏电阻水浴实验时规范使用酒精灯、多用电表，严格遵守加热、电学测量操作规范，树立安全规范开展物理实验的科学素养；第四，四类传感器依托半导体、光电效应、形变电阻不同物理规律实现信号转换，体现基础物理原理多元落地工程应用，引导学生灵活迁移课本理论解决不同工业检测场景问题；第五，一套测速、称重、温控设备需要多种传感器、处理电路协同工作，培养统筹配合、分层处理信号的系统工程思维。 十、教学反思和修改 1. 教学反思 本节课实验、实物、结构示意图贴近工业与家电生活场景，四人小组三类传感器对比讨论、同桌特性辨析交流课堂参与度较高，但学生存在四类顽固认知误区，对热敏电阻两类变化趋势、光电脉冲测速逻辑、应变片双向形变、传感器输出信号类型理解存在薄弱点：第一，大量学生混淆 NTC、PTC 变化规律，一律认为升温电阻减小；第二，仅认为光电传感器只能检测有无光线，无法理解脉冲计数测量转速；第三，不清楚上下应变片形变方向相反、电阻变化反向；第四，误以为传感器只能输出电阻信号，忽略电压、脉冲电流两类输出形式；同时部分学生自主对比温度、光电、力三类传感器转换物理机制的归纳能力偏弱，容易混淆三套转换逻辑。 2. 修改措施 第一，课前印发预习填空单，标注四大核心易错点：NTC 升温降阻 PTC 升温升阻、光电脉冲可测转速、应变片双向形变电阻反向、传感器可输出电阻 / 电压 / 脉冲； 第二，课堂增加四轮抢答互动练习：热敏电阻类型判断、光电测速原理、应变片形变规律、传感器输出信号问答，快速纠正基础认知误区； 第三，延长四人小组三类传感器对比讨论时长，帮扶归纳能力薄弱学生整理清晰输入量、转换物理原理对照表； 第四，课后配套分层作业，基础层抄写 NTC/PTC 特性、光电测速流程、应变测力完整机制；提升题完成三类传感器对比简答题；拓展作业居家寻找温控、称重、测速设备并匹配传感器类型； 第五，下节课课前两分钟快速复盘三类传感器转换原理，为自动控制电路学习铺垫。 学科网（北京）股份有限公司 $