5.2 常见传感器的工作原理及应用 教学设计 -2026-2027学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

该高中物理教学设计聚焦常见传感器的工作原理及应用，通过光敏电阻接入电路的对比实验导入，让学生直观观察光照强弱对电流的影响，衔接已学的传感器组成知识，以“被测量—物理特性—输出量”框架展开，构建学习支架。 资料亮点在于实验驱动与微观推理结合，如设计光敏电阻、热敏电阻实验培养科学探究能力，霍尔效应从载流子洛伦兹力偏转入手，用受力平衡推理霍尔电压，发展科学思维，帮助学生形成结构化技术观念，教师可借对比归纳突破重难点，提升教学效率。

教学设计 课程名称 常见传感器的工作原理及应用 教师姓名 授课时长 40分钟 知识点来源 学科：物理　　年级：高二　　教材版本：人教版（2019）选择性必修第二册 课题：第五章　传感器　第2节　常见传感器的工作原理及应用 知识点描述 光敏电阻：由半导体材料制成，光照增强时电阻迅速减小，可把光照的强弱转换成电阻的变化；常用于光控开关、光电计数、照相机自动曝光等。 金属热电阻与热敏电阻：金属热电阻的阻值随温度的升高而增大，热敏电阻（NTC）的阻值随温度的升高而明显减小。它们把温度转换成电阻的变化，广泛用于温度测量与自动温控。 电阻应变片：把应变片贴在弹性元件上，当弹性元件受力发生形变时，应变片的阻值随之改变，从而把力（压力、拉力）转换成电阻的变化，常用于力传感器、电子秤和加速度计。 电容式位移传感器：通过改变电容器极板的正对面积或极板间的距离，使电容发生变化，从而把位移转换成电容的变化；电容式话筒也利用了这一原理。 霍尔效应与霍尔元件：把通有电流的半导体薄片放在磁场中，运动电荷受洛伦兹力而发生偏转，在薄片两侧形成电势差，这种现象叫霍尔效应。霍尔元件把磁感应强度转换成电压，可用于测量磁场、电流，广泛用于汽车转速表和无刷电动机。 教学目标（指向核心素养） 一、物理观念 1.知道光敏电阻、热敏电阻、电阻应变片、电容式位移传感器和霍尔元件的工作原理，理解它们分别把什么量转换成什么量。 2.理解“利用敏感元件的某种物理特性实现转换”这一共同思路，形成结构化的技术观念。 二、科学思维 1.通过分析各类传感器的工作过程，体会“物理特性—转换关系—实际应用”的分析思路。 2.能根据传感器所体现的物理规律，判断被测量变化时输出量如何变化，发展因果推理能力。 三、科学探究 1.通过测量光敏电阻或热敏电阻在不同条件下的阻值，能提出“阻值随什么因素变化”的可探究问题。 2.能设计记录数据的表格，用图像法处理数据并归纳出阻值变化的规律。 四、科学态度与责任 1.通过传感器在光控开关、电子秤、汽车等领域的应用，体会物理学对自动控制技术的支撑作用。 2.在实验测量中养成如实记录数据、尊重客观事实的科学态度。 教学重点 光敏电阻、热敏电阻、电阻应变片、电容式位移传感器与霍尔元件的工作原理及被测量与输出量的对应关系。 教学难点 热敏电阻阻值随温度变化曲线的分析；霍尔效应中洛伦兹力使载流子偏转从而形成电势差的推理过程。 适用对象 高二年级学生（人教版2019·选择性必修第二册） 课型 （注：可选择如下选项，也可以补充填写） √新授课　□复习课　□习题课　□实验课　□其他 教学用途 （注：可选择如下选项，也可以补充填写） √课堂教学　□课前预习　□课后复习　□其他 设计思路 教材与学情：学生已知道传感器的组成与作用，本节要研究几种传感器“为什么能转换”，难点在于霍尔效应的微观分析。 设计主线：光敏电阻→热敏电阻→电阻应变片→电容式位移传感器→霍尔元件，按“被测量—物理特性—输出量”的框架逐一分析，全程40分钟。 难点突破：霍尔效应从“载流子在磁场中受洛伦兹力偏转、使薄片两侧积累电荷”这一微观过程讲起，再用“两侧电荷积累到一定程度后电场力与洛伦兹力平衡”推出霍尔电压。 反馈矫正：用“光照增强时光敏电阻的阻值如何变化”“温度升高时热敏电阻的阻值如何变化”等快速问答检验学生是否记住了各类元件的特性方向。 教 学 过 程 环节 内 容 设计意图 一、导入新课 （约4分钟） 【情境引入】把光敏电阻接入电路，用手电筒照射时电流明显增大，遮住光线时电流又明显减小。 【设问】光敏电阻为什么能“感知”光照的强弱？它把光照转换成了什么？还有哪些元件能把温度、力、位移、磁场转换成电信号？ 用一个可当场观察的对比实验引入，让学生直接看到“光照—阻值—电流”的因果关系，为归纳光敏电阻的特性做准备。 二、新课教学（一） （约14分钟） 1. 光敏电阻：由半导体材料制成，光照增强时电阻迅速减小；把光照的强弱转换成电阻的变化（图5.2-1）。 图5.2-1 光敏电阻 2. 光敏电阻的应用：光电计数装置中，被产品遮挡光线时电流发生变化，经电路处理后即可计数（图5.2-2）；照相机自动曝光、路灯自动开关也都用到光敏电阻。 图5.2-2光电计数的基本原理 3. 金属热电阻与热敏电阻：金属热电阻的阻值随温度升高而增大；热敏电阻（NTC）的阻值随温度升高而明显减小（图5.2-3）。 图5.2-3 电阻随温度的变化关系 4.温度传感器的应用：把热敏电阻接入电路，通过测量电流或电压就可以推知温度，用于温度计、温控箱、电饭锅等。 5.方法归纳：分析这类传感器要抓住“被测量变化→元件阻值变化→电路中电流或电压变化”这条链条。 把光敏电阻和热敏电阻放在一起讲，它们的共同点是“阻值随被测量变化”，便于学生形成统一的认识。 三、新课教学（二） （约12分钟） 1. 电阻应变片：把应变片贴在弹性元件上，弹性元件受力发生形变时应变片的阻值改变，从而把力转换成电阻的变化；用于力传感器、电子秤和加速度计（图5.2-4）。 图5.2-4 应变片测力原理 2.电容式位移传感器：电容器极板的正对面积或极板间距改变时电容发生变化，据此把位移转换成电容的变化；电容式话筒也是利用这一原理把声音的振动转换成电信号。 3.霍尔效应：把通有电流的半导体薄片放入磁场，定向移动的载流子在洛伦兹力作用下发生偏转，在薄片两侧积累电荷并形成电势差，这一现象叫作霍尔效应（图5.2-5）。 图5.2-5 霍尔效应 4.霍尔电压：当电场力与洛伦兹力平衡时，两侧的电势差达到稳定值，其中为霍尔系数、为电流、为磁感应强度、为薄片的厚度。 5.霍尔元件的应用：把磁感应强度转换成电压，可用于测量磁场和电流，广泛用于汽车转速传感器、无刷电动机和手机的电子罗盘。 从宏观的“形变—阻值”到微观的“载流子偏转—电势差”，逐步提升抽象程度；霍尔效应配合受力平衡的分析，使微观推理变得可把握。 四、巩固练习 （约6分钟） 1.特性判断：光照增强时光敏电阻的阻值如何变化？温度升高时热敏电阻的阻值如何变化？ 【答】光照增强时，光敏电阻的阻值迅速减小；温度升高时，热敏电阻（NTC）的阻值明显减小。 2.图像分析：根据热敏电阻的图像，说明在什么温度范围内阻值变化最快，并解释它对温度测量灵敏度的意义。 【答】在阻值随温度变化的曲线最陡的那一段温度范围内，阻值变化最快，说明温度稍有变化阻值就有明显改变，此时测量温度的灵敏度最高、误差最小；而在曲线平坦的温度范围内测量时灵敏度较低。 3.电路分析：把光敏电阻与一个定值电阻串联接在电源上，光照增强时定值电阻两端的电压如何变化？ 【答】光照增强时光敏电阻的阻值减小，串联回路的总电阻减小、电流增大，因此定值电阻两端的电压增大（此时光敏电阻分得的电压减小）。 4.综合应用：汽车转速传感器常采用霍尔元件，它是把什么量转换成什么量的？说说它比机械式转速表有哪些优点。 【答】霍尔元件把磁感应强度（磁场）转换成电压。用它制作转速传感器属于非接触式测量，没有机械磨损，响应快、精度高、寿命长，能在灰尘、油污等恶劣环境中可靠工作。 第1、2题检验特性与图像的对应，第3题把传感器接入电路作动态分析，第4题联系实际应用，形成完整的检验链条。 五、课堂小结与作业 （约4分钟） 1.知识主线：光敏电阻（光照→电阻）→热敏电阻（温度→电阻）→电阻应变片（力→电阻）→电容式位移传感器（位移→电容）→霍尔元件（磁场→电压）。 2.方法提炼：分析任何传感器都要先明确“被测量”，再找到“敏感元件的物理特性”，最后写出“输出的电学量”。 3.作业布置：完成教材“练习与应用”1～4题。 以一张“被测量—敏感元件—输出量”的对照表小结本节，帮助学生把五类传感器放在同一个框架中比较记忆。 课堂作业（典型题3道） 题1．用如图a所示的电路测量铂热敏电阻的阻值与温度的关系。 (1)开关闭合前，滑动变阻器的滑片应移至________(选填“A”或“B”)端。 (2)实验测得不同温度下的阻值，并绘得如图b的-t关系图线，根据图线写出该热敏电阻的-t关系式：＝______(Ω)。 (3)铂的电阻对温度变化很灵敏，可以制成电阻温度计。请利用开关、导线、铂热敏电阻、图a中某一电表和图c所示的恒流源(调节旋钮时可以选择不同的输出电流，且输出电流不随外部条件的变化而变化)，设计一个简易电阻温度计并在图d的虚线框内画出电路原理图。 (4)结合图b的关系图线，选择恒流源的输出电流为0.15 A，当选用的电表达到满偏时，电阻温度计所测温度为________℃。如果要提高该温度计所能测量的最高温度值，请提出一种可行的方法：_________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 题2．如图所示，图甲为热敏电阻的R－t图象，图乙为用此热敏电阻R和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路，继电器的电阻为100 Ω.当线圈的电流大于或等于20 mA时，继电器的衔铁被吸合．为继电器线圈供电的电池的电动势E＝9.0 V，内阻不计．图中的“电源”是恒温箱加热器的电源． (1)应该把恒温箱内的加热器接在________(填“A、B端”或“C、D端”)． (2)如果要使恒温箱内的温度保持在50 ℃，可变电阻R′的阻值应调节为________Ω. 题3．（多选）如图所示，载流子为电子的霍尔元件样品置于磁场中，表面与磁场方向垂直，图中的1、2、3、4是霍尔元件上的四个接线端。当开关、闭合后，三个电表都有明显示数，下列说法正确的是（　　） A． 通过霍尔元件的磁场方向向下 B．接线端2的电势低于接线端4的电势 C. 同时将电源、反向，电压表的示数将不变 D．若减小、增大，则电压表示数一定增大 参考答案 题1．(1)开关闭合前，为了保护电路，滑动变阻器的滑片应位于阻值最大处，故滑片应移至B端。 (2)由图像可知，铂丝电阻的阻值与温度的关系式：＝50＋t(Ω)。 (3)直流恒流电源正常工作时，其输出电流不随外部条件的变化而变化，并且可读出其大小，电压表并联在铂丝电阻的两端，如图所示。 (4)恒流源的输出电流为0.15 A，所以当电压表示数最大时，即两端的电压U＝15 V时，铂丝电阻的阻值最大，由b图中所画的-t图像可知，此时温度计所能测量的温度最高；由I＝得铂丝电阻的阻值为：′＝ Ω＝100 Ω，则温度计所能测量的最高温度为：t＝－50＝50 ℃。如图所示要提高该温度计所能测量的最高温度值，应使铂丝电阻的阻值增大，电压表的最大量程已确定，由欧姆定律U＝IR知，可以将恒流源的输出电流调小。 答案：(1)B　(2)50＋t　(3)见解析图　(4)50　将恒流源的输出电流调小 题2．答案：(1)A、B端　(2)260 恒温箱内的加热器应接在A、B端．当线圈中的电流较小时，继电器的衔铁在上方，恒温箱的加热器处于工作状态，恒温箱内温度升高． 随着恒温箱内温度升高，热敏电阻R的阻值变小，则线圈中的电流变大，当线圈的电流大于或等于20 mA时，继电器的衔铁被吸到下方来，则恒温箱加热器与电源断开，加热器停止工作，恒温箱内温度降低．随着恒温箱内温度降低，热敏电阻R的阻值变大，则线圈中的电流变小，当线圈的电流小于20 mA时，继电器的衔铁又被释放到上方，则恒温箱加热器又开始工作，这样就可以使恒温箱内保持在某一温度．要使恒温箱内的温度保持在50 °C，即50 °C时线圈内的电流为20 mA.由闭合电路欧姆定律I＝，r为继电器的电阻．由题图甲可知，50 °C时热敏电阻的阻值为90 Ω，所以R′＝－(r＋R)＝260 Ω. 题3．ABC 由安培定则可判断出左侧线圈产生的磁场方向向上，经铁芯后在霍尔元件处的磁场方向向下，A正确；通过霍尔元件的磁场方向向下，由左手定则可知，霍尔元件中载流子受到的磁场力向右，载流子偏向接线端2，载流子为电子，则接线端2的电势低于接线端4的电势，B正确；仅将电源、反向接入电路，磁场反向，电流反向，霍尔元件中载流子受到的磁场力不变，电压表的示数不变，C正确；若减小，电流产生的磁场增强，通过霍尔元件的磁场增强，增大，流过霍尔元件的电流减弱，霍尔元件产生的电压 可能减小，电压表示数可能减小，D错误。 教学反思 1.五类传感器容易记混，宜用统一的“被测量—特性—输出量”表格帮助学生归类比较。 2.霍尔效应的微观分析较抽象，教学时应画好载流子偏转的示意图，并说明“平衡后电势差稳定”的道理。 3.光敏电阻和热敏电阻的阻值变化方向相反，可用对比记忆的方式强化。 8 学科网（北京）股份有限公司 $