5.1 传感器及其工作原理 教学设计-2026-2027学年高二下学期物理粤教版选择性必修第二册

该高中物理教学设计聚焦“传感器及其工作原理”，通过电饭煲、电子秤等生活情境导入，承接恒定电路、电容、半导体等前置知识，搭建“非电学量→电学量”转化的学习支架，梳理传感器定义及三层结构。 特色在于分组实验探究（电容式话筒电路搭建、光敏电阻测量）与公式联立推导（电容公式与欧姆定律）结合，培养科学思维与探究能力，融入课程思政（国产传感器发展）提升科学态度与责任，为教师提供清晰流程和丰富资源，助学生理解理论联系实际。

教学设计 课程名称 传感器及其工作原理 选用教材 高中物理粤教版选修二 教学章节 第五章第一节 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 本节是第五章传感器整章入门基础课，承接恒定电路、电阻、电容、半导体导电特性等前置电学知识，整体按照 “生活实例引入传感器定义 — 拆解传感器三层结构（敏感元件、转换元件、转换电路）— 电容式话筒实验具象化拆解三层结构 — 传感器三大类别划分（物理、化学、生物传感器）— 两类典型物理传感器原理分层讲解” 逻辑编排。教材以电子秤、电饭煲自动控温生活化场景引出传感器核心功能：将压力、温度、声音等非电学量转化为电压、电阻、电容等电学量；配套传感器组成框图梳理三层结构的信号传递流程，借助电容式话筒分组实验完整演示声波到电压信号的转化全过程，对应匹配三层元件功能；依托汽车搭载多传感器实物图分类介绍物理、化学、生物传感器适用场景，最后选取热敏电阻（温度传感器）、光敏电阻（光电传感器）作为核心案例，结合半导体导电规律推导两类敏感元件阻值随外界条件变化的数理逻辑，配套实物图与观察探究实验，完整建立 “非电信号→中间物理量→电学量” 的转换模型，为后续各类传感器电路应用、自动控制电路搭建底层认知框架，实现电学理论与现代自动化工程技术的衔接。 二、学情分析 1. 知识储备 学生已经熟练掌握直流串联电路规律，理解串联电路分压关系式 (U=IR) ，能够结合欧姆定律完成电压、电阻、电流的换算推导；熟悉平行板电容器电容计算公式 (C=εS/(4πkd)) ，明白极板间距变化会直接改变电容数值；了解半导体材料导电能力受外界光照、温度影响的基础特性；能识别基础串联电路、电压表测量电路的结构；在生活中接触电子秤、声控灯、自动温控空调、汽车自动感应设备，但完全不知道这些设备内部依靠传感器完成信号转换，无法区分非电学量、电学量，不清楚敏感元件、转换元件、转换电路三层结构的分工，没有建立 “非电信号转化电信号实现自动控制” 的系统化认知。 2. 能力现状 学生具备基础电路读图、实物电路搭建能力，能完成简单串联电路连接、电压表读数操作；可以代入欧姆定律、电容公式完成基础变量推导计算；具备基础实验观察能力，能记录光照、温度改变时电表数值的变化；能够根据生活设备现象提出简单疑问，但数理结合工程转化的建模能力薄弱，无法自主把电容公式、欧姆定律推导结论对应到话筒、光敏电阻的信号转换过程；小组实验仅能记录电压、电阻数值变化，不能反向拆解三层元件分别承担的转化功能；容易割裂话筒实验、热敏电阻实验、光敏电阻实验之间的共性逻辑，难以归纳所有传感器统一的转换规律。 3. 思维认知痛点 学生存在多处典型思维误区：一是割裂 “物理量” 与 “电学量”，误认为压力、声音、温度无法转化为电信号，无法理解自动化设备依靠电信号完成识别控制；二是混淆传感器三层元件的分工，分不清敏感元件直接接触被测信号、转换元件完成物理量到电学量转化、转换电路规整电学量的层级逻辑；三是无法结合平行板电容公式自主推导电容式话筒的工作原理，难以理解振动膜片间距变化改变电容，进而改变分压电压的完整逻辑；四是混淆热敏电阻、光敏电阻阻值变化规律，记不清升温、光照增强时电阻增大还是减小；五是无法归纳物理、化学、生物传感器的划分依据，不能根据被测信号类型区分三类传感器；六是无法建立所有传感器统一的转化模型，认为话筒、温度传感器、光电传感器是完全独立、无共性的器件。 三、教学目标 1. 物理观念 建立传感器信号转化统一物理观念，熟记传感器定义：将压力、声音、温度、光照等非电学量按照固定规律转化为电压、电阻、电容等电学量的器件；掌握传感器三层组成结构（敏感元件、转换元件、转换电路）各自功能；理解电容式话筒、热敏电阻温度传感器、光敏电阻光电传感器的信号转化完整流程；区分物理、化学、生物传感器的划分标准，明白物理传感器依靠力学、热学、光学物理量变化实现信号转换，形成 “非电学量→中间物理量→可测电学量” 完整信号转化认知。 2. 科学思维 联立平行板电容公式(C=εS/(4πkd))与串联分压欧姆定律(U=IR)，分步推导电容式话筒声波转电压的完整逻辑，锻炼多公式联立数理推导思维；拆解话筒实验实物电路，分层对应三层传感器元件，建立分层建模思维；对比热敏电阻、光敏电阻阻值随外界条件变化规律，建立分类对比归纳思维；整合电子秤、汽车传感器、家电温控实例，归纳所有传感器统一转换模型，形成系统化通用规律分析思维。 3. 科学探究 动手搭建电容式话筒串联实验电路，观察音量变化对应的电压表示数改变，小组合作分层区分三层元件功能；分组使用多用电表测量光敏电阻在无光、强光环境下的电阻数值，自主归纳光照强度与阻值的变化关系；结合热敏电阻实物，分析温度改变时半导体阻值变化规律，完整走完 “理论公式推导 — 实物电路实验 — 数值记录归纳 — 通用模型总结” 探究流程，提升自动化电磁器件的实验探究与数理推导能力。 4. 科学态度与责任 联立电容、欧姆两套公式分步推导话筒工作原理、分组测量光敏电阻阻值实验过程中规范书写公式、如实记录电压、电阻实验数据，养成严谨规范、理论结合自动化工程设备的科学演算素养；小组合作搭建话筒实验、测量光敏电阻阻值时分工配合，锻炼互助交流协同探究的团队意识；了解传感器广泛应用于家用电子设备、汽车自动驾驶、环境监测、医疗检测、工业自动化领域，认识电路、半导体基础物理理论是现代智能设备的底层支撑；了解我国自主研发工业传感芯片、车载智能传感器、医疗生物传感设备的产业发展成果，引导学生扎实掌握电路、电容、半导体相关推导与实验分析能力，树立运用电磁物理知识研发国产智能传感器、助力智能制造技术自主化发展的家国责任。 四、教学重难点 重点 1. 传感器定义、三层组成结构与各层元件功能； 2. 联立(C=εS/(4πkd))与(U=IR)推导电容式话筒声波转电信号的完整原理； 3. 热敏电阻、光敏电阻两类物理传感器的阻值变化规律与工作原理； 4. 物理、化学、生物传感器的划分依据与典型应用场景。 难点 1. 两套公式联立推导，完整梳理电容式话筒从声波振动到电压改变的信号转化链条； 2. 区分敏感元件、转换元件、转换电路三层结构的层级分工，建立分层信号转化模型； 3. 理解半导体材料阻值随温度、光照变化的微观机理，区分两类敏感电阻变化规律； 4. 归纳所有传感器通用转化逻辑，区分三类传感器的本质差异。 五、教学方法 生活情境导入法：依托电子秤、电饭煲、汽车感应设备等日常智能设备引入传感器核心作用； 公式联立推导法：结合平行板电容公式、欧姆分压公式完整推导电容话筒工作原理； 分层模型图示分析法：利用传感器组成框图，分层讲解三层元件信号传递流程； 分组实验探究法：搭建电容话筒电路、多用电表测光敏电阻阻值，直观记录电学量变化； 分类对比归纳法：对比热敏、光敏电阻变化规律，对比物理、化学、生物传感器应用场景； 实例拓展分析法：结合汽车多传感器实物图拓展自动化工业、车载传感应用。 六、教学资源 传感器组成框图、电容式话筒实验电路示意图、汽车车载各类传感器分布图、热敏电阻实物图、光敏电阻实物图；配套素材：电容与欧姆公式联立推导学案、分层结构填空练习、光敏电阻阻值测量实验记录表、三类传感器分类课堂练习题、国产传感芯片拓展阅读材料。 七、教学设计 教学环节 教师活动 学生活动 环节一 生活情境导入，认识传感器定义（6 分钟）  生活提问引入：大家家里的电饭煲可以自动停止加热保温，超市电子秤放上重物就能直接显示质量，汽车行驶时能够自动检测车速、车内温度，这些智能自动控制功能依靠什么器件实现？今天我们学习传感器，揭开智能设备自动感知信号的底层原理。  给出传感器标准定义：能够感受到被测量的信息，并将其按照一定规律转化为可用电信号的器件。核心转化逻辑是把压力、声音、温度这类不方便电路处理的非电学量，转化为电压、电阻、电容这类容易测量、自动控制的电学量，这是自动化、数字化设备的基础。  出示传感器组成框图 加粗，分层讲解三层信号传递流程：第一层敏感元件，直接接触外界被测信号，把非电学量转化为位移、温度这类中间物理量；第二层转换元件，将中间物理量转化为原始电学量；第三层转换电路，规整原始电学量，输出电压表可直接读取的标准电压、电流信号。带领学生顺着框图箭头完整复述信号传递顺序。  出示基础推导计算题，题目具体如下：平行板电容器极板正对面积固定，电源、定值电阻、电容式话筒串联组成电路，结合平行板电容公式(C=εS/(4πkd))与欧姆分压公式(U=IR)，分析极板间距 d 减小，电容 C 如何变化，定值电阻两端分压电压如何变化。带领学生分步联立两套公式完成变量推导，梳理间距、电容、电压三者变化关联。 结合家里电饭煲、超市电子秤、家用空调温控等生活实例思考问题，产生探究智能设备内部原理的兴趣，完整记录传感器定义，区分非电学量与电学量的概念。 观看传感器组成框图，顺着信号流向分层记录敏感元件、转换元件、转换电路三层各自功能，在草稿纸上手绘三层结构箭头流程，记住信号逐层转化的先后顺序。 在草稿纸上同步书写平行板电容公式、欧姆分压公式，跟随教师分步联立推导极板间距变化带来的电容、分压电压变化，完整梳理变量推导逻辑，理解间距改变会直接改变电路输出电压。 同桌互相交流生活中见过的自动感应设备，互相说出设备对应的被测非电学量，梳理生活里传感器的广泛应用，加深对定义的理解。 环节二 分组实验探究：电容式话筒的工作原理（13 分钟）  过渡衔接：为了直观看懂三层传感器结构如何协同工作，我们利用电容式话筒完成分组实验，声波作为被测非电学量，完整走完三层转化流程，验证传感器信号转化规律。  出示电容式话筒实验电路示意图 讲解电路连接方式：电容话筒与定值电阻串联，电压表并联在定值电阻两端，电路接通稳定后，电压表测量电阻分压电压。同步讲解实验操作要求：闭合开关后，对着话筒用不同音量说话，观察电压表指针偏转幅度变化。  分层匹配三层元件：话筒内部振动膜片直接接触声波，属于敏感元件；振动膜片与固定电极组成平行板电容器，属于转换元件；电源、定值电阻、电压表整体构成转换电路，输出可读取的电压电学量。结合之前联立的两套公式完整拆解工作过程：人说话音量越大，声波推动振动膜片靠近固定电极，极板间距 d 减小，根据电容公式电容 C 增大，串联电路总电容改变，电路中电流数值发生变化，依据欧姆分压公式，定值电阻两端电压同步改变，电压表示数随之变化，声波信号最终转化为电压电信号。  出示实验分析练习题，题目具体如下：对着电容话筒加大说话音量，分析振动膜片极板间距、电容大小、定值电阻分压电压三者分别如何变化，结合两套公式说明推导过程。带领学生完整复述推导逻辑，规范梳理三层元件各自发挥的作用。 观看电容式话筒实验电路示意图，分组领取话筒、电阻、电源、电压表实验器材，按照示意图完成串联电路搭建，检查电路接线无误后闭合开关，做好实验观察准备。 分组开展实验操作，一名同学对着话筒小声、大声交替说话，另一名同学观察电压表指针偏转幅度，记录音量变大时电压表示数同步变大的实验现象，小组内分工记录实验数据。 结合两套联立公式，自主梳理音量变大→极板间距缩小→电容增大→电路电流改变→分压电压变化的完整转化链条，对应匹配振动膜片、电容极板、串联电路三层元件功能，在笔记本上完整记录推导过程。 独立完成实验分析练习题，分步说明间距、电容、电压的变化趋势，同桌互相核对推导逻辑，纠正变量分析颠倒的错误，理清电容话筒完整传感流程。 环节三 传感器分类与两类典型物理传感器原理（14 分钟）  过渡引导：电容话筒属于物理传感器，生活里传感器种类丰富，按照被测信号类型可以划分为物理、化学、生物三大类。物理传感器感知压力、温度、光照、速度等物理量；化学传感器感知气体浓度、液体成分等化学量；生物传感器依靠酶、抗体等生命物质识别生物信号。  出示汽车车载各类传感器分布图 逐一识别图中温度、速度、加速度、碰撞、液位等物理传感器，说明汽车依靠数十种物理传感器完成车速监测、车内温控、安全碰撞预警等自动化控制；简单拓展化学气体传感器用于火灾报警、环境空气检测，生物传感器用于医疗血液成分检测，区分三类传感器划分标准。  讲解第一类典型物理传感器：温度传感器，核心敏感元件为热敏电阻，依靠半导体材料阻值随温度变化实现信号转化。热敏电阻分为三类：正温度系数，升温阻值变大；负温度系数，升温阻值变小；临界温度系数，小幅升温阻值急剧下降。把温度这个热学非电学量转化为电阻电学量，空调、冰箱、电脑温控全部使用热敏电阻。  讲解第二类典型物理传感器：光电传感器，核心敏感元件为光敏电阻，由半导体材料制成，光照强度越大，内部载流子数量增多，电阻阻值显著减小，将光照亮度光学非电学量转化为电阻电学量。组织学生开展小实验：用多用电表电阻挡，分别遮挡、照射光敏电阻，读取两组电阻数值，直观验证阻值变化规律。  出示综合辨析计算题，题目具体如下：室温环境下，将负温度系数热敏电阻放入热水中，同时用强光照射配套光敏电阻，分别分析两类敏感元件电阻阻值变化，结合串联分压公式说明接入电路后分压电压如何改变。带领学生结合半导体导电规律与欧姆公式分步分析作答。 观看汽车车载各类传感器分布图，识别图中标注的全部物理传感器名称，小组内列举家里空调、冰箱、声控灯里的物理传感器，记录物理、化学、生物三类传感器划分依据与典型用途。 认真记录热敏电阻三类温度特性，区分正、负温度系数热敏电阻阻值随升温的变化差异，结合家电温控实例理解温度传感器工作逻辑，记住热敏电阻将温度转化为电阻的核心功能。 分组领取光敏电阻、多用电表，切换至电阻挡位，先用书本完全遮挡光敏电阻读取大电阻数值，再用手电筒强光照射读取变小的电阻数值，对比两组读数，自主归纳光照越强、光敏电阻阻值越小的变化规律。 独立完成综合辨析计算题，分别梳理热水升温、强光照射两种条件下热敏、光敏电阻阻值变化，结合串联分压公式推导电压变化趋势，小组内互相讲解两类敏感元件的半导体微观导电原理。 环节四 课堂小结与分层作业（7 分钟）  系统梳理本节课完整知识脉络：本节课先明确传感器定义，掌握敏感元件、转换元件、转换电路三层结构信号转化流程；联立平行板电容、欧姆分压两套公式推导电容式话筒声波转电压的工作原理；按照被测信号划分物理、化学、生物三类传感器；重点学习热敏电阻温度传感器、光敏电阻光电传感器两类典型物理传感器的阻值变化规律，建立所有传感器统一的 “非电学量→中间物理量→电学量” 转化模型。  分层布置课后作业 基础作业：完整书写平行板电容公式、欧姆分压公式，分步推导电容话筒音量增大时电压变化规律；区分热敏、光敏电阻阻值变化趋势；列举 3 个生活中物理传感器应用设备。 提升作业：设计简易温度感应串联电路，说明负温度系数热敏电阻接入电路后，温度升高时分压电压的变化逻辑，完整书写推导过程。 拓展实践：查阅我国车载智能传感芯片、工业温度传感器相关资料，说明物理传感器在智能制造、自动驾驶领域的应用。  指导学生整理本节课公式推导学案、实验数据记录草稿、三类传感器分类笔记，有序收纳实验记录表，保持桌面整洁。 跟随教师梳理完整知识框架，标记三层传感器结构、两套公式联立推导、两类敏感电阻变化规律三大重难点，查漏补缺，完善自身笔记，形成统一传感转化模型认知。 主动参与课堂整体回顾，按顺序复述电容话筒完整工作流程、三类传感器划分标准、热敏与光敏电阻变化规律，同桌互相抽查背诵核心知识点。 逐条记录分层课后作业要求，结合自身数理推导薄弱点规划作业完成顺序，基础作业巩固两套公式联立推导、传感器分类记忆；提升作业强化电路设计与变量推导能力；拓展实践结合国产传感设备，理解物理传感器对智能产业发展的支撑作用。 整理课堂实验器材、推导草稿，针对话筒实验、光敏电阻测量实验中没弄懂的变量变化疑问，课后主动向教师、同学交流请教。 八、板书设计 c 九、课程思政 本节课依托平行板电容公式与欧姆分压公式联立推导、传感器三层分层模型图示分析、电容话筒分组实验、汽车车载传感设备实例讲解、热敏与光敏电阻探究实验完整教学流程，学生在多公式联立演算、分层电路实验数据记录、三类传感器分类梳理过程中规范书写物理公式，如实记录实验电压、电阻读数，养成严谨求实、理论结合智能制造工程设备分析的科学演算与实验探究素养；小组合作搭建电容话筒电路、测量光敏电阻阻值时分工配合，锻炼沟通互助、协同完成电磁传感定量实验的团队意识；通过认识电子秤、自动驾驶汽车、家用智能家电内部大量物理传感器，认识电容、半导体、串联分压等基础电路物理理论是现代自动化、人工智能设备的底层技术根基；了解我国自主研发车载传感芯片、工业温度检测传感器、医疗生物传感检测设备等国产核心元器件产业突破成果，引导学生扎实掌握多公式联立推导、分层电路建模、半导体器件实验分析的电磁物理能力，树立运用电路与传感相关物理知识研发国产智能传感设备、助力我国智能制造、自动驾驶、智慧医疗技术全面自主化发展的家国责任，同时建立物理理论服务生活、赋能高端科技产业的学习认知。 十、教学反思和修改 教学反思 本节课严格按照教材逻辑完成传感器定义、三层分层结构讲解、两套公式联立推导电容话筒原理、四类教材配图识图教学、三类传感器分类、热敏与光敏电阻原理探究完整教学流程，依托四张教材配图开展框图、话筒电路、车载传感器、热敏元件识图教学，多数学生能够记住传感器三层结构、两套核心公式，分清热敏、光敏电阻基础变化规律，但课堂存在明显短板：一是两套公式联立推导电容话筒变量变化环节，基础薄弱学生跟不上极板间距、电容、分压电压三者连锁变化的推导逻辑，无法自主完整梳理声波到电压的转化链条；二是分层讲解敏感、转换、转换电路三层元件分工时，部分学生混淆话筒内部元件对应的层级，分不清振动膜片、电容极板、串联电路各自归属；三是实验操作时间有限，部分小组没有充分对比不同音量下电压表示数的差异，对信号转化的直观感知不足；四是学生容易混淆正、负温度系数热敏电阻阻值变化趋势，做题时常颠倒升温后电阻的变化方向，无法结合半导体微观机理辅助记忆。 修改措施 课前发放预习学案，提前复习平行板电容公式、欧姆串联分压公式，预留变量推导填空练习，压缩课堂基础公式推导讲解时长；增加三层元件分层对比表格，用话筒实物拆解图直观匹配三层结构，分层提问引导学生区分敏感、转换、转换电路的功能边界；延长分组实验操作时长，增设多次音量梯度测试，让每组学生完整记录多组电压数据，强化声波与电压变化的直观关联；增加两道课堂随堂辨析计算题，专门训练正、负温度系数热敏电阻阻值变化规律，针对学困生单独梳理两套公式联立化简完整步骤；课后布置两套公式完整推导默写、三层元件匹配专项习题，强化多方程联立推演、传感分层结构逻辑梳理能力，增设国产车载传感器、工业温控设备拓展小题，巩固物理传感器在国产智能装备中的应用认知，增加热敏、光敏电阻对比简答题，强化两类敏感元件变化规律的区分记忆。 学科网（北京）股份有限公司 $