高中物理新教材同步备课人教版选择性必修第二册(教案)常见传感器的工作原理及应用

常见传感器的工作原理及应用

【教学目标】

一、知识与技能

1．知道传感器中常见的四种敏感元件：光敏电阻、热敏电阻、电阻应变片和霍尔

元件。

2．通过实验，知道常见传感器的工作原理及应用。

二、过程与方法

通过对实验的观察、思考和探究，让学生在了解传感器、熟悉传感器工作原理的同

时，经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的观察能力、实践能力和创新思

维能力。

三、情感、态度与价值观

体会传感器在生活、生产、科技领域的种种益处，激发学生的学习兴趣，拓展学生

的知识视野，并加强物理与STS的联系。通过动手实验，培养学生实事求是的科学态

度、团队合作精神和创新意识。

【教学重点】

知道传感器中常见的四种敏感元件：光敏电阻、热敏电阻、电阻应变片和霍尔元件。

【教学难点】

知道常见传感器的工作原理及应用。

【教学过程】

一、复习旧知

1．传感器：能像人的感觉器官那样感受外界信息，并能按照一定的规律和要求把

这些信息转换成可用输出信息的器件或装置。

2．传感器的种类：

①物理传感器：力传感器、磁传感器、声传感器等

②化学传感器：离子传感器、气体传感器等

③生物传感器：酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等

3．传感器的基本部分：敏感元件、转换元件

敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。

转换元件：能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。

4．传感器应用的一般模式

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那么，常见的传感器是怎样感知非电学量，并将其转换为电学量的呢？利用不同的

敏感元件制成的各种传感器又有哪些应用呢？

二、学习新知

（一）光敏电阻

学生实验1：学生两人一组，用万用电表的欧姆挡测量一只光敏电阻的阻值，实验

分别在暗环境和强光照射下进行。

学生总结实验结果：光敏电阻在暗环境下电阻值很大，强光照射下电阻值很小。

师生总结：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。

教师简单介绍：光敏电阻在光照射下电阻变化的原因。有些物质，例如硫化镉，是

一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增

多，导电性变好。

应用：自动计数装置

没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值较小；有物品挡住由A射

向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大。

（二）金属热电阻和热敏电阻

1．金属热电阻：

教师提问：金属导体的导电性能与温度有关吗？关系如何？

学生回答：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。

学生探究：钨丝的电阻随温度的升高而增大。

师生总结：用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。如前面已经学过的用金属

铂可制作精密的电阻温度计。

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2．热敏电阻：

学生实验2：学生两人一组，用万用电表的欧姆挡测一只热敏电阻的阻值。第一次

直接测量，第二次用手心捂住热敏电阻再测量，记录两次测得的电阻值。

学生探究：热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，且阻值随温度变化非常明显。

师生总结：半导体热敏电阻也可以用作温度传感器。

师生总结比较：金属热电阻与热敏电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电

学量，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。

[例题1]有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件分别接入如图所示电路中A、

B两点后，用黑纸包住元件置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法正确的是（）

A．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，

这只元件一定是热敏电阻

B．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，

这只元件一定是定值电阻

C．用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化

较大，这只元件一定是光敏电阻

D．用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件一定是定值

电阻

（三）电阻应变片

原理：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。

[例题2]如图是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。其中电源电压保持不变，

R是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端。在装置中使用了一只电压表（图中没

有画出），通过观察电压表示数，可以了解油量情况。

将电压表分别接在b、c之间与c、d之间，当油量变化时，电压表的示数变化有何

不同？

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（四）电容式位移传感器（位移传感器）

传感器是把非电学量转换为电学量的元件，它使得某些非电学量容易测量或者能实

现电路的自动通断。传感器的应用丰富了我们的生活，使我们的生活更舒适、更安全。

但从科技进步的角度来说，传感器的应用还只是浅层次的，更重要的是传感器的开发。

那么，传感器如何进行开发呢？这还得从传感器的工作原理入手。例如，电容器电容的

决定式为，如何利用电容的电学量与非电学量的关系设计一个电容式传感器？

𝜀

�=4𝜋�

[例题3]电容式传感器是用来将各种非电信号转变为电信号的装置，由于电容器的

电容C取决于极板正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素，当某一

物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化，从而又可推出另一物理量的值．如图

所示是四种电容式传感器的示意图，关于这四种传感器的作用，下列说法不正确的是

（）

A．甲图的传感器可以用来测量角度

B．乙图的传感器可以用来测量液面高度

C．丙图的传感器可以用来测量压力

D．丁图的传感器可以用来测量速度

（五）霍尔元件

1879年美国物理学家霍尔观察到，在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，

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当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差。

人们把这样的现象称为霍尔效应，所产生的电势差叫霍尔电压。人们利用霍尔效应做成

了霍尔元件。

如图，霍尔元件是在一个很小的矩形半导体（例如砷化铟）薄片上，制作4个电极

E、F、M、N而成。若在E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的匀强磁场B，

薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下发生偏转，使M、N间出现电压UH。这个电压

IB

叫霍尔电压，其决定式为Uk。式中d为薄片的厚度，k为霍尔系数，它的大小与

Hd

薄片的材料有关。

师生共析：由上式看，一个霍尔元件的厚度d、k为定值，若保持I恒定，则UH

的变化就与B成正比。也就是说：霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压

这个电学量。因此，我们可以把霍尔元件放置在某一未知的磁场中，通过测定霍尔电压

U的变化得知该磁场磁感应强度的变化。

三、小结

传感器名称输入的物理量输出的物理量

光敏电阻光学量电学量

热敏电阻热学量电学量

金属热电阻热学量电学量

电阻应变片力学量电学量

电容式位移传感器力学量电学量

霍尔元件磁学量电学量

四、巩固练习

1．下列关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是（）

A．应变片是由导体材料制成

B．当应变片的表面拉伸时，其电阻变大；反之，变小

C．传感器输出的是应变片上的电压

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D．外力越大，输出的电压值也越大

2．如图所示为大型电子地磅电路图，电源电动势为E，内阻不计，不称物体时，

滑动头P在A端，滑动变阻器接入电路中有效电阻最大，电流较小；称重物时，在压

力作用下使滑动头下移，滑动变阻器有效电阻变小，电流变大。这样把电流对应的质量

值刻在刻度盘上，就可以读出被称物体的质量。若滑动变阻器上A、B间长度为l，最

大阻值为R0，已知两弹簧的总弹力与形变量成正比，比例系数为k，试导出所称重物重

力G与电路中电流I的函数关系。

3．温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用电器中，它是利用热

敏电阻的阻值随温度变化而变化的特性工作的。在图甲中，电源的电动势E＝9.0V，内

阻可忽略不计；G为灵敏电流表，内阻r保持不变；R0为保护电阻，R为热敏电阻，其

电阻值与温度变化的关系如图乙所示。试写出热敏电阻的阻值随温度变化的关系式。闭

合开关S，当R的温度等于40℃时，电流表示数I1＝2.25mA。则当电流表的示数I2＝

3.6mA时，热敏电阻R的温度是多少摄氏度？

4．如图所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻，L为小灯泡，当温度

降低时（）

A．R1两端的电压增大

B．电流表的示数增大

C．小灯泡的亮度变强

D．小灯泡的亮度变弱

5．将万用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将万用表的两支表笔与负温度系数的

热敏电阻RT（阻值随温度升高而降低）的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中

间。若往R上擦一些酒精，表针将向________（填“左”或“右”）移动；若用吹风机

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将热风吹向电阻，表针将向________（填“左”或“右”）移动。

6．如图所示，是一个测定液面高度的传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，

放在导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两极。把这两极接入外电路，当外电