常见传感器的工作原理及应用-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

第五章传感器2．常见传感器的工作原理及应用课前预习反馈

知识点

11．组成：把_________涂敷在绝缘板上，在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的梳状电极，这样就制成了一个光敏电阻。2．特点电阻值随光照增强而_______。3．原理硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能_____；随着光照的增强，载流子_______，导电性_______。光敏电阻硫化镉减小差增多变好4．作用光敏电阻能够把___________这个光学量转换为_______这个电学量。『判一判』(1)光敏电阻的阻值随光线的强弱而变化，光照越强电阻越大。()×光照强弱电阻知识点

21．常见的感知温度的敏感元件(1)金属的电阻率随温度的_______而增大，用金属丝可以制作温度传感器，称为_________。(2)有些半导体在温度升高时，电阻_______，用半导体材料制作_______电阻。热敏电阻和金属热电阻升高热电阻减小热敏2．热敏电阻和金属热电阻的比较(1)金属热电阻和热敏电阻都能够把温度这个热学量转换为_______这个电学量。(2)金属热电阻化学稳定性好，测温范围_____，但灵敏度较_____；热敏电阻灵敏度较_____。电阻大差好『判一判』(2)热敏电阻一般用半导体材料制作，导电能力随温度的升高而增强，但灵敏度低。()(3)金属热电阻随温度的升高导电能力增强，它的化学稳定性好，测量范围大。(

)(4)热敏电阻和金属热电阻都能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。()××√『选一选』如图所示，R是光敏电阻，当它受到的光照度增强时(

)A．灯泡L变暗B．光敏电阻R两端的电压增大C．电容器所带电荷量减小D．电压表的读数减小答案：D知识点

31．电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生___________(伸长或缩短)时，其_______随着它所受机械形变的变化而发生变化的现象。电阻应变片是一种_______元件。2．电阻应变片的原理：当金属丝受到拉力时，长度变_____、横截面积变_____，导致电阻变_____；当金属丝受到压力时，长度变_____、横截面积变_____，导致电阻变_____。3．电阻应变片的作用：电阻应变片能够把___________这个力学量转换为_______这个电学量。应用有_________等。电阻应变片机械形变电阻力敏长小大短大小物体形变电阻电子秤『判一判』(5)半导体电阻应变片工作原理是基于半导体材料的压阻效应。()(6)当电子秤中的应变片的上表面拉伸时，其电阻变大。()√√『想一想』电子警察(又称电子眼)利用自动化检测与测量技术捕获交通违法或交通事故，利用网络将采集的信息传回相关部门进行分析处理，并以此为证据对肇事者进行处罚，以减少事故发生。与交警监管相比，电子警察对事故的判断更准确，捕捉更迅速。请思考：电子眼最基本的工作原理是什么呢？答案：见解析解析：电子眼采用感应线圈来感应路面上的汽车传来的压力，通过传感器将信号采集到中央处理器，送寄存器暂存(该数据在一个红灯周期内有效)。在同一个时间间隔内(红灯周期内)，如果同时产生两个脉冲信号，即视为“有效”，也就是汽车闯红灯被“电子警察”抓到了，只得接受处罚。课内互动探究探究

光敏电阻1．光敏电阻的作用光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，这样光敏电阻可以把光照强弱这个光学量转换为电阻大小这个电学量。2．光敏电阻的阻值随光照的增强而减小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。要|点|提|炼1．(2024·河南周口高二阶段练习)用如图所示的装置检测环境的光线强度，R1、R2、R3是定值电阻，R4是光敏电阻(光照强度变强时光敏电阻阻值变小)。在A、B两点连接一个检流计，检流计的电流由A点流入时指针向左偏，由B点流入时指针向右偏，开关S闭合后当光照合适时，检流计的指针指向中间的零刻度，(电源内阻不计)，以下说法正确的是(

)典|例|剖|析A．若检流计指针向左偏，说明室内光照强度过高B．若检流计指针向左偏，说明室内光照强度过低C．若检流计指针向左偏，可把电阻R1调大，检流计指针再次指中间D．若检流计指针向左偏，可把电阻R2调小，检流计指针再次指中间答案：B(2024·广西昭平高二期中)图示是利用LDR(光敏电阻，其阻值随光照强度的增加而减小)传感器和灯泡(始终正常发光)制成的一种简易水污染指示器(未将闭合电路全部画出)，把手上的显示器显示的数据大表示流过LDR的电流较小，可以用来监测河水的污染情况，下列说法中正确的是(

)A．河水严重污染时，显示器数据大B．河水严重污染时，显示器数据小C．无论污染程度如何，光敏电阻的阻值都恒定D．该仪器不会受到白天光照的影响对点训练❶答案：A解析：河水严重污染时，透过污水照到LDR的光线较少，则LDR的电阻较大，电流较小，则显示器数据较大，故A正确，B、C错误；因为显示器的示数与光照有关，所以会受到白天光照的影响，故D错误。探究

热敏电阻和金属热电阻热敏电阻和金属热电阻的比较要|点|提|炼分类热敏电阻金属热电阻特点负温度系数的热敏电阻，电阻率随温度的升高而减小电阻率随温度的升高而增大分类热敏电阻金属热电阻R－T图像(负温度系数的热敏电阻)制作材料半导体金属导电原理自由电子和空穴等载流子自由电子的定向移动优点灵敏度较好化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差作用将温度这个热学量转换为电阻这个电学量2．药物生产车间需要严格控制室内温度范围，尽量保证较小的温度波动。如图是某监控温度波动的报警系统原理图，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，当报警器两端的电压变化量超出设定值时，报警器就会自动报警。下列说法正确的是(

)A．温度升高，报警器两端电压减小B．温度降低，热敏电阻的热功率一定增大C．滑动变阻器接入电路的阻值越大，报警器越容易报警D．滑动变阻器接入电路的阻值与报警器是否容易报警无关典|例|剖|析答案：A解析：温度升高，热敏电阻的阻值减小，电路中总电阻减小，总电流增大，内电压增大，路端电压减小，滑动变阻器两端电压增大，则报警器两端电压减小，故A正确；温度降低，热敏电阻的阻值增大，电路中总电阻增大，总电流减小，滑动变阻器两端电压减小，则报警器两端电压增大，通过热敏电阻的电流减小，根据热功率表达式P＝I2R，可知热敏电阻的热功率不一定增大，故B错误；若滑动变阻器接入电路的阻值很大，当热敏电阻的阻值变化时，报警器两端的电压变化量不大，报警器不容易报警，因此滑动变阻器接入电路的阻值与报警器是否容易报警有关，故C、D错误。含有热敏电阻、光敏电阻电路的动态分析步骤(1)明确热敏电阻(或光敏电阻)的阻值随温度(或光照强弱)变化是增大还是减小。(2)分析整个回路的电阻的增减，电流的增减。(3)分析部分电路的电压、电流如何变化。(2024·山东淄博高二开学考试)如图甲所示是家用燃气报警器的部分电路示意图，其中控制电路中的R1是由气敏电阻制成的传感器，R1的阻值与燃气浓度的关系如图乙所示。出厂预设当燃气浓度达到6%时报警。闭合开关S1、S2，下列说法正确的是(

)对点训练❷A．电磁铁的上端是S极B．燃气浓度升高时，电磁铁磁性减弱C．按出厂预设，当燃气浓度达到6%时报警，此时工作电路的灯L1亮D．将R2的滑片下移，可以使工作电路在燃气浓度值比出厂预设值低一些时报警答案：D解析：由图可知电流从电磁铁的下端流入，根据右手螺旋定则可知电磁铁的上端是N极，故A错误；由图乙可知燃气浓度升高时，R1的阻值减小，通过电磁铁的电流增大，电磁铁磁性增强，故B错误；报警器报警时，电磁铁能将衔铁吸下，由电路图可知，L2灯亮，故C错误；将R2的滑片下移，R2的电阻降低，而工作电路不变，报警时需要的电流不变，则报警时气敏电阻的阻值需增大，由图乙可知燃气浓度将降低，即工作电路会在燃气浓度值比出厂预设值低一些时报警，故D正确。探究

电阻应变片及其应用1．电阻应变片(1)类型常用的电阻应变片有金属电阻应变片和半导体电阻应变片。金属电阻应变片是利用金属的电阻应变效应制成的。半导体电阻应变片是基于半导体材料的压阻效应制成的。(2)作用电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。要|点|提|炼2．力传感器的应用——电子秤(1)电子秤的组成电子秤所使用的测力器件是力传感器，常用的力传感器是由金属梁和电阻应变片组成的，称为应变式力传感器。(2)电子秤工作原理3．常见的一种力传感器由弹簧钢和应变片组成，其结构示意图如图甲所示。弹簧钢右端固定，在其上、下表面各贴一个相同的应变片。若在弹簧钢的自由端施加向下的作用力F，则弹簧钢发生弯曲，上应变片被拉伸，下应变片被压缩。应变片采用半导体材料制成，其阻值与长度成正比。给上、下应变片提供相等且恒定不变的电流，上应变片两端电压为U1，下应变片两端电压为U2，传感器把这两个电压的差值U(U＝U1－U2)输出，用来反映力F的大小。半导体应变片的阻值随温度会发生变化，其变化情况如图乙所示。为消除气温变化对测量精度的影响，需分别给上、下应变片串联一合适的电阻，进行温度补偿。串联合适的电阻后，测量结果不再受温度影响。典|例|剖|析(1)力F越大，弹簧钢的弯曲程度越_________(填“大”或“小”)，传感器输出的电压U越_________(填“大”或“小”)。(2)外力为F1时，上、下应变片的电阻分别是R1、R2；外力为F2时，上、下应变片的电阻分别是R1′、R2′。若F1>F2，则R1、R2、R1′、R2′从大到小的排列顺序是_________。(填字母)A．R1>R2>R1′>R2′ B．R1>R1′>R2>R2′C．R1>R2>R2′>R1′ D．R1>R1′>R2′>R2答案：(1)大大(2)D解析：(1)力F越大，弹簧钢的弯曲程度越大，上、下两应变片的长度差越大，则传感器输出的电压U越大。(2)外力为F1时，上、下应变片的电阻分别是R1、R2，此时R1>R2；外力为F2时，上、下应变片的电阻分别是R1′、R2′，此时R1′>R2′。若F1>F2，则R1、R2、R1′、R2′从大到小的排列顺序是R1>R1′>R2′>R2，故D正确。(2024·山东聊城高二期中)压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图甲所示，将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球。小车向右做直线运动过程中，电流表示数如图乙所示，下列判断正确的是(

)A．从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动B．从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动C．从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动D．从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动对点训练❸答案：D解析：在0～t1内，I恒定，压敏电阻的阻值不变，压敏电阻受力不变，小车可能做匀速直线运动或匀变速直线运动；在t1～t2内，I变大，阻值变小，压敏电阻所受的压力不断变大，小车做变加速直线运动，A、B错误；在t2～t3内，I达到最大值且不变，即压力达到最大值且不变，小车做匀加速直线运动，C错误，D正确。课堂小结核心素养提升霍尔元件1．霍尔元件的工作原理：E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B时，薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M、N间出现电压(如图所示)。2．受力特点：霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受电场力和洛伦兹力二力平衡。

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q＝1.6×10－19C。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lab＝1.0×10－2m，长lbc＝4.0×10－2m，厚h＝1.0×10－3m，水平放置在竖直向上的磁感应强度B＝2.0T的匀强磁场中，bc方向通有I＝3.0A的电流，如图所示，由于磁场的作用，稳定后，在沿宽度方向上产生1.0×10－5V的横向电压。案例(1)假定载流子是电子，ad、bc两端面中哪端电势较高？(2)薄片中形成电流I的载流子定向运动的速率多大？(3)这块“霍尔材料”中单位体积内的载流子个数为多少？答案：(1)ad

(2)5×10－4m/s

(3)3.75×1027个解析：(1)由于假定“霍尔材料”内的载流子是电子，所以当电流方向沿bc方向时，载流子沿cb方向做定向移动，由左手定则可以判定载流子所受的洛伦兹力方向由ad面指向bc面，因而电子聚集到bc面，使bc面带上负电，ad面由于失去电子而带上正电，故ad面电势比bc面电势高。分析求解霍尔元件问题时的注意点(1)将霍尔元件放在磁场中，外部磁场就会使运动的载流子受到洛伦兹力的作用，在元件的一侧聚集一种电荷，在元件的另一侧相应出现另一种电荷，从而形成横向电场。(2)横向电场对载流子施加与洛伦兹力方向相反的电场力，当电场力与洛伦兹力达到平衡时，元件的两侧形成稳定的电压，此时有qE＝qvB，此等式是解决涉及霍尔效应问题的重要依据。(3)明确载流子是带正电还是带负电，并利用左手定则判断载流子的受力方向。课堂达标检测一、光敏电阻1．(多选)计算机光驱的主要部分是激光头，它可以发射脉冲激光信号，激光扫描光盘时，激光头利用光敏电阻自动计数器将反射回来的脉冲信号传输给信号处理系统，再通过计算机显示出相应信息。光敏电阻自动计数器的示意图如图所示，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是(

)A．当有光照射R1时，处理系统获得低电压B．当有光照射R1时，处理系统获得高电压C．信号处理系统每获得一次低电压就计数一次D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次答案：BD解析：R1、R2和电源组成一个闭合电路，当激光照到光敏电阻时，R1的阻值变小，总电流变大，则R2两端获得高电压，只有R2两端获得高电压时，处理系统才能进行信号处理。2．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，R和L之间用挡板(未画出)隔开，LED为发光二极管(电流越大，发出的光越强)，且R与LED间距不变，下列说法中正确的是(

)A．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率增大B．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率减小C．当滑动触头P向右移动时，L消耗的功率可能不变D．无论怎样移动滑动触头P，L消耗的功率都不变答案：A解析：滑动触头P左移，滑动变阻器接入电路的电阻减小，流过二极管的电流增大，从而发光增强，使光