2021-2022学年人教版物理选择性必修第二册学案：第五章 1认识传感器

第五章传感器

1.认识传感器

2.常见传感器的工作原理及应用

课程标准素养目标

1.了解传感器的定义,感受传感器的应用技术在信息时代的作用与意义，了

解光敏电阻「.作原理及作用,了解热敏电阻和金属热电阻工作原理及作

1.知道非电学量转化成电学量的技术意义。

用。（物理观念）

2.通过实验了解常见传感器的工作原理。

2.知道常见传感器的作用,会分析其工作原理。（科学思维）

3.列举传感器在生产、生活中的应用。

3.探究传感器的工作原理及传感器在应用中的一般模式。（科学探究）

1.了解光敏传感器及其在生产、生活中的应用。

4.了解电阻应变片在电子秤卜.的应用•了解电容在传感器中应用。

（科学态度与责任p

<_______________________________________

必备知识•自主学习

一、神奇的传感器

【情境思考】

小盒子A的侧面露出一个小灯泡,盒外没有开关。如果把磁体B放到

盒子上面，灯泡就会发光，把磁体移走，灯泡熄灭。

问题：盒子里有什么样的装置，才能出现这样的现象？

提示：小盒子中有一种叫作"干簧管〃的元件，能起到开关的作用，是

一种能够感知磁场的传感器。

1.传感器：它能够感受诸如力、遍度、光、声、化学成分等物理量，

并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。

2.楼道灯自动开启：这个开关会感知环境的明暄和声音的强弱。只有

环境的亮度低于某一数值，同时声强高于某一数值时，声控一光控开

关才会接通，灯才会亮。

3.自动门：有的自动门装有一种装置，当人走近时，可以检测出人体

向外辐射的缎唆，从而发出使自动门开关启动的命令。这种装置就

是红外线传感器。

4.便携式酒精检测仪：司机对着"便携式酒精检测仪〃呼气，检测仪就

会显示呼出气体中的酒精浓度，这是因为检测仪上装有"乙黯感

器”，它能感知乙醇的浓度。

5.非电学量转化成电学量的意义：

把非电学量转化成电压、电流等电学量，或转化为电路的通断，可以

很方便地进行测量、传输、处理和控制。

二、传感器的种类

1.传感器的种类：力传感器、磁传感器、声传感器等物理传感器。

2.电化学反应原理：把无机或有机化学物质的成分、浓度等转换为电

信号。

3.生物活性物质：利用生物活性物质选择性来识别和测定生物化学物

质，如酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等生物传感器。

三、传感器的组成与应用模式

1.传感器的基本部分由敏感元件、转换元件组成。

2.传感器原理：传感器感受的通常是韭壁量，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,如电压值、电流

值、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再

送给控制系统产生各种控制动作。

3.传感器的两个重要概念：

(1)敏感元件：是指能直接感受或响应外界被测韭曳学量的部分，

执行检测的功能。

(2)转换元件是指能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部

分，完成转换基本功能。

(3)如果敏感元件直接输出的是电学量，它就同时兼为转换元件。

这种敏感元件和转换元件二者合一的传感器是很多的。例如，热电偶、

压电晶体等都是这种形式的传感器。

4.传感器应用的一般模式：

传感器基本部分

执行机构

信号调整与

被测量敏感元件一转换元件显示器

转换电路

计算机系统

四、光敏电阻

1特点：光照越强，电阻越小。

2.原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，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。

3.作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。

五、热敏电阻和金属热电阻

情境思考、

如图所示，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将电表的两支表笔

与负温度系数的热敏电阻RT（温度升高，电阻减小）的两端相连，这

时表针恰好指在刻度盘的正中央。若在RT上擦一些酒精，表针将如

何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，表针将如何偏转？

欧姆表

RT/

提示：由于酒精蒸发，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，指针将

向左偏；用吹风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻RT温度升高，电

阻值减小，指针将向右偏。

1.热敏电阻：热敏电阻由半导体材料制成，其电阻随温度的变化明显,

温度升高电阻减小，如图甲所示为某一热敏电阻的电阻随温度变化的

特性曲线。

2.金属热电阻：有些金属的电阻率随温度的升高而增大,这样的电阻

也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图乙所示为某金属导线电阻

的温度特性曲线。

3.热敏电阻与金属热电阻的区别：

热敏电阻金属热电阻

电阻随温度的变化而变化且非常

特点电阻率随温度的升高而增大

明显

制作材料半导体，如氧化镒金属导体，如粕

优点灵敏度好化学稳定性好，测温范围大

作用能够将温度这个热学量转换为电阻这个电学量

六、力传感器的应用一一电子秤

1.组成及敏感元件：由金属梁和应变片组成,敏感元件是应变片。

2.工作原理：

3.作用：应变片将物体形变这个力学量转换为电压这个电学量。

【易错辨析】

(1)传感器是一种联络传递感知的设备。(x)

(2)传感器是一种感知、探测物理量的工具。(x)

(3)传感器是将被测量的非电学量转换成电学量的器件或装置。(V)

(4)光敏电阻受到的光照越强，电阻越小。(V)

(5)热敏电阻一定是随温度的升高，其阻值增大。(x)

(6)电子秤所使用的测力装置是力传感器，它是把力信号转化为电

压信号。(V)

关键能力•合作学习

知识点一传感器的工作原理及其分类

1.传感器的核心元件：

(1)敏感元件：相当于人的感觉器官，直接感受或外界影响被测量,

并将其变换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量，如温度、位

移等。

(2)转换元件：也称为传感元件，通常不直接感受被测量，而是将

敏感元件输出的信号转换成电信号输出。

(3)转换电路：是将转换元件输出的电信号转换成易于测量的电信

号，如电压、电流等。

2.传感器的工作原理：

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，通常要经过放大后再输送给控制系统产生

各种控制动作。传感器的工作原理如图所示：

非电学量|用敏感元件IT转换元件IT转换电路If电学量

3.分类:

工作原理举例

压电传感器、温度传感器、光电

利用物质的物理性质和物理效

物理传感器传感器、电感传感器、电容传感

应感知并检测出待测对象信息

器等

化学传感器利用化学反应识别和检测信息气敏传感器、湿敏传感器等

利用生物化学反应识别和检测酶传感器、组织传感器、细胞传

生物传感器

信号感器等

问题探究\

声控灯有一种有趣的现象,那就是光线充足时，任你发出多大的声音

都不亮；但在黑夜，轻轻一声它就发出亮光，这是为什么呢？

//

•丁••

提示：声控灯全名应该为一一声光控灯，声控灯中有光控电路，使其

在光线充足的时候不工作，所以声控灯的控制盒实际上是声、光同时

控制的，在光线充足的情况下灯不会亮，起到日熄夜亮的控制作用，

以节约用电。

＞典例示范入

【典例】（多选）（2021•济南高二检测）下列对传感器的工作原理认

识正确的是（）

A.传感器的结构是由敏感元件和处理电路组成

B.敏感元件的功能是把电学量转换成非电学量便于处理电路进行处

理

C.半导体元件光敏电阻阻值随光照增强而增大，半导体元件热敏电

阻阻值随温度升高而减小

D.干簧管属于磁敏元件，是由磁场控制的自动开关

选、传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可

ADo

用信号的器件或装置，一般由敏感元件和处理电路组成，选项A正确；

敏感元件的功能是把非电学量转换成电学量便于处理电路进行处理，

选项B错误；半导体元件光敏电阻阻值随光照增强而减小，正温度系

数半导体元件热敏电阻阻值随温度升高而增大,选项C错误；干簧管

属于磁敏元件，是由磁场控制的自动开关，选项D正确。

规律方法\、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，但所有的传感器都是把非

电学量的变化转换为电学量的变化。因此我们可以根据电学量的变化

来推测相关量的变化。

丁素养训练，

1.如图所示的电容式话筒就是一种电容式传感器，其原理是：导电性

振动膜片与固定电极构成了一个电容器，当振动膜片在声压的作用下

振动时，两个电极之间的电容发生变化，电路中电流随之变化，这样

声信号就变成了电信号，则当振动膜片向左振动时（）

B.电容器带电荷量减少

C.R两端的输出信号电压相对于平衡位置稳定时不变

D.电阻R中的电流方向自右向左

选B。振动膜片向左振动时电容器两极板间的距离变大，由C二出力

可知电容器的电容减小，A错误；由C可知，在U不变的情况下,

C减小则Q减小，电容器处于放电状态,R中电流方向自左向右，B

正确，D错误；因稳定时无电流，R两端输出信号电压为零，有电流

通过电压变大，C错误。

2.（多选）人体含水量约为70%,水中有钠离子、钾离子等离子存在,

因此容易导电，脂肪则不容易导电。当人两手握住脂肪测量仪的两把

手时，就可知道人体脂肪所占的比例，下列说法中正确的是（）

A.脂肪测量仪的工作原理是通过人体电阻不同来判断人体脂肪所占

的比例

B.脂肪测量仪的工作原理是通过人体体重不同来判断人体脂肪所占

的比例

C.激烈运动之后，脂肪测量仪显示人体脂肪所占比例的测量数据会

不准确

D.人在沐浴之后，脂肪测量仪显示人体脂肪所占比例的测量数据会

不准确

选A、C、D。利用脂肪几乎不含水分，其导电性和人体内其他成分不

同，可以用测量人体电阻的办法来计算人体脂肪率，B错误，A正确；

人在激烈运动和沐浴之后，人体内含水量发生变化,人体脂肪所占比

例发生变化，即人体的电阻大小变化，所以测量数据会不准确，C、D

正确。

教师

专用【加固训练】

全面了解汽车的运行状态（速度、水箱温度、油量）是确保汽车安全

行驶和驾驶员安全的举措之一，为模仿汽车油表原理，某同学自制了

一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。如图所示，其中电源电压

保持不变，R是滑动变阻器（R《R'）,它的金属滑片是金属杆的一端。

该同学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，你认为电压表应该接在图中的

两点之间按照你的接法请回答:当油箱中油量减少时,

电压表的示数将（选填"增大域"减小"1

由题图可知，当油箱内液面高度变化时，R的金属滑片将会移动，从

而引起R两端电压的变化，且当R，》R时，UR=IR可视为UR与R成

正比，所以电压表应接在b、c两点之间；当油量减少时，电压表示

数将增大。

答案：b、c增大

知识点二传感器的应用

1.传感器性能的比较:

热敏电阻金属热电阻光敏电阻电阻应笠片

正温度系数的热敏电

在强光卜电阻受到拉力时，

阻，随温度升高电阻电阻率随

小，电阻变小；

特点变大；负温度系数的温度的升高

在暗光卜电阻受到压力时，

热敏电阻，随温度升而增加

大电阻变大

高电阻减小

把硫化镉涂敷

敏感

半导体金属在绝缘板上，金属材料

材料

具表面镀银

优点灵敏度好测温范围大灵敏度好灵敏度好

无光照时，载

流子极少，导

电性能差；随着

S

原理温度影响电阻率R=p]

光照的增强，

载流子增多，

导电性变好

应用空调机电饭煲照相机电子秤

2.光敏电阻的导电特性：光敏电阻一般由半导体材料做成,当半导体

材料受到光照时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也形

成更多的空穴，于是导电性能明显增强。

3.热敏电阻和金属热电阻的特点：

(1)热敏电阻：用半导体材料制成，电阻值随温度变化发生明显变

化的电阻。如图线①所示为某热敏电阻的电阻一温度特性曲线。

(2)金属热电阻：有些金属的电阻率随温度的升高而增大，如图线

②所示，这样的电阻也可以制作温度传感器。

热敏电阻或金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电

学量，但相比而言，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，而热

敏电阻的灵敏度较好。

4.电容式传感器：电容器的电容取决于极板间的正对面积S、极板间

距d、极板间的电介质这几个因素。如果某个物理量(如角度9、位

移X、深度H等)的变化引起上述某个因素的变化，从而引起电容的

变化，通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化，这种电容器称

为电容式传感器。

5.常见电容式传感器：

名称传感器原理

测定角度e的电容当动片与定片之间的角度0发生变化时，弓1

式传感器起极板正对面积S的变化，使电容C发生变

化，知道C的变化，就可以知道0的变化情

况

在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导

电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的

测定液面局）度h的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介

电容式传感器质，液面高度h发生变化时，引起正对面积

发生变化，使电容C发生变化,知道C的变

化，就可以知道h的变化情况

待测压力F作用于可动膜片电极上的时候,

固.电极

测定压力F的电容月臭月及生形工,便欣板1日」距用d及生工化,

可动电极

式传感器m待测'压力下i引起电容C的变化，知道C的变化，就可以

知道F的变化情况

随着电介质进入极板间的长度发生变化，电

极板

测定位移X的电容

电介质容发生变化，知道的变化，就可以知道

■IICC

式传感器T。一赢

X的变化情况

问题探究\

将一只光敏电阻接到多用电表的两端，电表置于倍率为100的欧姆

挡。在室内自然光的照射下，电阻值约有多大？用手掌遮光时电阻值

又是多少？用阳光直接照射呢？

甲光敏电阻在暗环境中,乙强光照射下,

电阻值很大电阻值很小

提示：同一只光敏电阻，用多用电表测量其阻值，用手掌遮光时，电

阻值较大，在室内自然光的照射下电阻值变小，改用阳光直接照射时，

电阻值变得更小。

;典例示范入

【典例】如图所示，Ri为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻（负

温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻），I■为

小灯泡，当温度降低时（电流表内阻不计，电源内阻r不可忽略I）

Ri

A.Ri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

选与灯泡并联后再与串联，与电源构成闭合电路，当温度

CoR2LRi

降低时，热敏电阻电阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数减

R2

小，灯泡L两端的电压增大，灯泡的亮度变强，Ri两端的电压减小，

故只有C正确。

误区警示、传感器问题中的电路动态分析的四点注意

（1）如果涉及光敏电阻，必须明确光照情况怎样变化，从而判断出

其阻值的变化。

（2）如果涉及热敏电阻，必须明确是正温度系数还是负温度系数的

热敏电阻及温度变化情况，从而判断其阻值的变化。

（3）如果是其他元件引起的电路变化，可具体问题具体分析。

（4）结合电路结构特点及局部阻值的变化，根据闭合电路的欧姆定

律等规律分析有关物理量的变化。

E素养训练A

1.（多选）（2021•大连高二检测）陶瓷传感器可以用于分析气体中酒

精蒸气的含量，常用于检查驾驶人员是否饮酒。如果司机饮酒，血液

中的酒精成分会扩散到呼出的气体中，呼出的气体喷向传感器，传感

器的电阻将随酒精蒸气浓度发生相应的变化，从而可以检测血液中的

酒精含量。某种陶瓷气敏传感器的电导（即电阻的倒数）与气体中酒

精蒸气浓度C的关系如图甲所示。现用其组成如图乙所示的检测电路

（电源内阻为r,电流表内阻不计1对此，以下说法正确的是（）

A.此陶瓷气敏传感器的电阻与气体中酒精蒸气的浓度成正比

B.气体中酒精蒸气的浓度越大，则电流表指针偏转的角度越大

C.气体中酒精蒸气的浓度越大，则电池的路端电压越小，电阻R。两

端的电压也越小

D.电源用的时间长了，内阻变大，则会导致测得的酒精浓度偏低

选B、Do由题图甲可知，该传感器的电导与酒精蒸气的浓度成正比,

则传感器的电阻与气体中酒精蒸气的浓度成反比，故A错误；因为酒

精蒸气的浓度C越大，传感器的电阻越小，电路中的电流越大，电流

表指针偏转的角度越大，路端电压越小，R。两端电压越大，故B正确,

C错误；若电源用的时间长了，内阻变大，则所测酒精浓度相同时总

电阻变大，电流变小，测量的C变小，故D正确。

2.如图所示为测定压力的电容式传感器，将平行板电容器、灵敏电流

表（零刻度在中间）和电源串联成闭合回路，当压力F作用于可动膜

片电极上时，膜片发生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流表指针

偏转,在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线

位置并保持固定的过程中，灵敏电流表指针偏转情况为（电流从电流

表正接线柱流入时指针向右偏）（）

A.向右偏到某一刻度后回到零刻度

B.向左偏到某一刻度后回到零刻度

C.向右偏到某一刻度后不动

D.向左偏到某一刻度后不动

cS

选A。压力F作用时，极板间距d变小，由C二熹,电容器电容C

变大，又根据Q=CU,极板带电荷量变大，所以电容器应充电，灵敏

电流计中产生由正接线柱流入的电流，所以指针将右偏。F不变时,

极板保持固定，充电结束，指针回到零刻度。故选Ao

教师

专用【加固训练】

如图所示的电路中,电源两端的电压恒定,L为小灯泡,R为光敏电

阻，LED为发光二极管（电流越大，发出的光越强），且R与LED的

距离不变，下列说法正确的是（）

LED

Hi「—

A.当滑片P向左移动时，灯泡消耗的功率增大

B.当滑片P向左移动时，灯泡消耗的功率减小

C.当滑片P向右移动时，灯泡消耗的功率可能不变

D.无论怎样移动滑片P,灯泡消耗的功率都不变

选Ao当滑片P向左移动时，滑动变阻器接入电路的电阻减小，流过

发光二极管的电流增大，发光二极管发出的光增强,光敏电阻的阻值

减小，流过灯泡的电流增大，灯泡消耗的功率增大，选项A正确，B

错误；当滑片P向右移动时，发光二极管所在支路的电阻增大，电流

减小，发光二极管发出的光减弱，光敏电阻的阻值增大，流过灯泡的

电流减小，灯泡消耗的功率减小，选项C、D错误。

教师

专用【拓展例题】考查内容：霍尔元件的应用

【典例】有一种半导体材料称为“霍尔材料"，用它制成的元件称为“霍

尔元件"，这种材料有可定向移动的电荷，称为"载流子"，每个载流

子的电荷量大小为1个元电荷量，即q=1.6x10-19C,霍尔元件在自

动检测、控制领域得到广泛应用，如录像机中用来测量录像磁鼓的转

速、电梯中用来检测电梯门是否关闭以及自动控制升降电动机的电源

的通断等。在一次实验中，一块霍尔材料制成的薄片宽AB=1.0x10-

2m、长BC=4.0x10-由、厚h=1x10-3m,水平放置在竖直方向上

的磁感应强度B=1.5T的匀强磁场中，BC方向通有I=3.0A的电流,

如图所示，沿宽度产生1.0x10-5V的横向电压。

(1)假定载流子是电子，A、B两端中哪端电势较高？

(2)薄板中形成电流I的载流子定向运动的速率多大？

(1)根据左手定则可确定A端电势高。

(2)当霍尔元件内由于载流子沿电流方向所在的直线定向运动时，

受洛伦兹力作用而产生横向分运动，产生横向电场，横向电场的电场

力与洛伦兹力平衡时，霍尔元件横向电压稳定。设载流子沿电流方向

所在直线定向移动的速率为v,横向电压为UAB,横向电场强度为E,

电场力为Fe=E.e=^f-e,洛伦兹力FB=evB,平衡时器-e=evB得

UAB4，

v=XB^B=6.7x10-4m/s。

答案：（1）A端（2）6.7x10-4m/s

情境•模型•素养

实验情境、

有一种测量压力的电子秤，其原理如图所示。E是内阻不计、电动势

为6V的电源。Ro是一个阻值为300Q的限流电阻。G是由理想电流

表改装成的指针式测力显示器。R是一个压敏电阻，其阻值可随压力

大小的变化而改变，两者关系如表所示。C是一个用来保护显示器的

电容器。秤台的重力忽略不计。

压力F/N050100150200250300

电阻R/Q300280260240220200180

探究：

(1)利用表中的数据，写出电阻R随压力F变化的数学关系式；

(2)若电容器的耐压值为5V,该电子秤的最大称量值为多少？

(3)如果把电流表中电流的刻度变换成压力刻度，则该测力显示器

的刻度是否均匀？

(1)由表中数据可知

△R120Q

k=ZF=-300N=-0/Q/N

所以电阻R随压力F变化的数学关系式为

R=300-0.4F(Q)

(2)R上受到的压力越大，R的阻值越小，电容器两极板间电压越大,

由题意知，电容器两极板间电压不能超过5V,所以乎=~^~,

R。R+Ro

解得R=60Q,又因为R=300-0.4F(Q)得

F=600No

(3)电流表中的电流

I==(A)

Ro+R600-0.4F

电流I与压力F之间不是线性关系，该测力显示器的刻度不均匀。

答案：(1)R=300-0.4F(Q)(2)600N(3)不均匀

实验情境、

在开展研究性学习的过程中，某同学设计了一个利用线圈测量转轮转

速的装置，如图所示，在轮子的边缘贴上一个小磁体，将小线圈靠近

轮边放置，接上数据采集器和电脑(即DIS实验器材1如果小线圈

的面积为S,匝数为N，小磁体附近的磁感应强度的最大值为B，小

线圈所在回路的总电阻为R,实验发现，轮子转过0角，小线圈的磁

通量由最大值变为零。因此，他认为只要测得此过程感应电流的平均

值I,就可以测出转轮转速的大小。

显示器

小线圈簪口电脑

米集器

探究：

请你运用所学的知识，通过计算对该同学的结论进行评价。

该同学的结论正确。

设转轮的角速度和转速分别为5n,轮子转过6角所需时间为At,

通过线圈的磁通量的变化量为△①，线圈中产生的感应电动势的平均

值为E。根据法拉第电磁感应定律有E=N鬻=N1|,由闭合电路欧

姆定律得感应电流的平均值，又忒=巳,n=枭，联立以上各

nCOZ7T

Ion

式可得n二而诉,由此可见，该同学的结论是正确的。

ZRINDD

答案：见解+析

课堂检测•素养达标

1.（多选）如图所示是电饭锅的结构图，如果感温磁体的"居里温度"

为103℃,下列说法中正确的是（）

接线螺钉

A.常温下感温磁体具有较强的磁性

B.当温度超过103℃时，感温磁体的磁性较强

C.饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会超过103℃,这时开关

按钮会自动跳起

D.常压下只要锅内有水，锅内的温度就不可能达到103℃,开关按

钮就不会自动跳起

选A、C、Do常温下感温磁体的磁性较强，当按下开关按钮，永磁体

与感温磁体相互吸引而接通电路，而感温磁体的"居里温度”是

103℃,常压下只要锅内有水，锅内温度就不可能达到103℃,开

关就不会自动断开；饭熟后，水分被吸收，锅底温度就会达到103℃,

感温磁体磁性消失，在弹簧的作用下开关自动跳起。综上所述A、C、

D正确。

2.关于光敏电阻和热敏电阻，下列说法中正确的是（