第三节 传感器及其应用教学设计高中物理粤教版选修1-1-粤教版2005

第三节传感器及其应用教学设计高中物理粤教版选修1-1-粤教版2005课题：XX课时：1授课时间：2025教学内容一、教学内容本节课为粤教版高中物理选修1-1第三章第三节“传感器及其应用”，主要内容包括：传感器的定义（把非电学量转换为电学量的元件），常见传感器类型（光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件等）的工作原理（利用电阻、电压等电学量的变化反映光、热、磁等非电学量的变化），以及传感器在简单自动控制电路（如光控开关、温度报警器）中的应用实例。核心素养目标二、核心素养目标通过学习传感器及其应用，形成“物理观念”，理解传感器将非电学量转化为电学量的物理本质；运用“科学思维”分析光敏电阻、热敏电阻等传感器的工作原理，提升模型建构与推理能力；通过设计简单自动控制电路，发展“科学探究”能力；结合传感器在生活中的应用，体会科技发展与社会发展的联系，培养“科学态度与责任”。教学难点与重点三、教学难点与重点1.教学重点，①理解传感器将非电学量（如光、热、磁）转换为电学量的工作原理，掌握光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的特性；②分析传感器在简单自动控制电路（如光控开关、温度报警器）中的作用，理解其应用逻辑。2.教学难点，①区分不同传感器的工作原理差异，如光敏电阻与热敏电阻引起电阻变化的物理量不同；②传感器在实际电路中的连接与控制过程，如如何通过传感器电学量的变化实现对电路的自动控制。教学资源软硬件资源：光敏电阻；热敏电阻；霍尔元件；简单自动控制电路套件（含电源、导线、开关、LED灯、蜂鸣器）；Multisim或CircuitMaker仿真软件；数字万用表。

课程平台：粤教版数字教材平台；国家中小学智慧教育平台。

信息化资源：传感器工作原理动画演示；光控开关/温度报警器组装视频；常见传感器应用实例图片库。

教学手段：实验演示；小组合作探究；实物观察；电路连接实践。教学过程**环节一：情境导入（5分钟）**

教师：同学们，早上进教室时有没有注意到门禁系统？当人靠近时门自动打开，这背后是什么原理？学生：可能是传感器？教师：没错！今天我们就来揭开"传感器"的神秘面纱。请看课本P58图3-3-1，展示智能音箱、电子秤等图片。这些设备都能感知环境变化，而传感器就是实现这一功能的关键元件。

**环节二：概念建构（10分钟）**

教师：翻开课本P59，阅读"传感器的定义"。谁能用自己的话概括？学生：传感器是把非电学量变成电学量的装置。教师：正确！比如温度计测温度是热学量，而热敏电阻能把温度变化变成电阻变化。请看图3-3-2，光敏电阻在光照下阻值减小，这就是将光信号转为电信号。

**环节三：原理探究（30分钟）**

**活动1：光敏电阻特性实验**

教师：请各小组领取光敏电阻、电源、LED灯、导线。按图3-3-3连接电路，用手机手电筒照射光敏电阻，观察LED灯亮度变化。学生操作中...教师：你们观察到什么现象？学生：光照越强，灯越亮！教师：为什么？学生：光照强→电阻小→电流大→灯亮。教师：总结得很好！这就是光敏电阻的"光控"原理。

**活动2：热敏电阻特性实验**

教师：现在用热敏电阻替换光敏电阻，用手捏住电阻体，观察灯泡变化。学生操作后汇报：捏住时灯变暗！教师：分析原因。学生：温度升高→电阻增大→电流减小→灯暗。教师：对比光敏和热敏电阻，它们引起电阻变化的物理量有何不同？学生：一个靠光，一个靠热！教师：这正是传感器分类的关键——按被测物理量分。

**环节四：应用分析（25分钟）**

教师：课本P60图3-3-4是光控路灯电路，请分析其工作流程。学生：天黑→光敏电阻阻值变大→电压升高→继电器吸合→路灯亮。教师：非常准确！现在请设计一个温度报警器。要求：温度超过40℃时蜂鸣器响。学生小组讨论后汇报：用热敏电阻串联蜂鸣器，当温度升高阻值变大，电流减小到阈值时触发报警。教师：请用Multisim仿真验证。

**环节五：难点突破（15分钟）**

教师：难点在于区分传感器类型。看课本P61表3-3-1，霍尔元件测什么？学生：磁感应强度！教师：对，它利用霍尔效应将磁信号转为电压信号。现在解决难点2：如何实现自动控制？请看图3-3-5，传感器输出信号经放大后驱动继电器，这是"信号处理→执行"的核心逻辑。

**环节六：拓展延伸（10分钟）**

教师：生活中还有哪些传感器应用？学生：手机重力感应、汽车ABS...教师：这些应用都体现"物理观念"——非电学量与电学量的转化。课后任务：设计一个简易湿度报警器，下节课展示电路图。

**环节七：总结（5分钟）**

教师：本节课我们理解了传感器原理，掌握了光控/热控电路设计。请用一句话总结收获。学生：传感器是物理与技术的桥梁！教师：说得对，它让课本知识真正服务于生活。下课！知识点梳理知识点梳理

一、传感器的定义与分类

1.定义：传感器是将非电学量（如光、热、磁、力、声等）按一定规律转换成易于处理和传输的电学量（如电压、电流、电阻等）的元件或装置，是自动检测和自动控制系统的关键组成部分。

2.分类：按被测物理量可分为光传感器（光敏电阻）、热传感器（热敏电阻）、磁传感器（霍尔元件）、力传感器（应变片）等；按输出信号类型可分为模拟传感器（输出连续信号）和数字传感器（输出离散信号）。

二、常见传感器的工作原理

1.光敏电阻：

（1）原理：利用半导体材料的光电效应，光照强度增强时，载流子浓度增大，电阻值减小；光照强度减弱时，电阻值增大。

（2）特性：电阻值与光照强度呈非线性关系，暗电阻（无光照时）较大（通常为兆欧级），亮电阻（强光照时）较小（通常为千欧级）。

2.热敏电阻：

（1）原理：利用半导体材料的电阻随温度变化的特性，分为正温度系数（PTC，电阻随温度升高而增大）和负温度系数（NTC，电阻随温度升高而减小）。

（2）特性：NTC热敏电阻在常温附近电阻温度系数较大，灵敏度高，常用于温度检测；PTC热敏电阻在居里温度附近电阻急剧增大，常用于过流保护。

3.霍尔元件：

（1）原理：利用霍尔效应，当电流垂直于磁场通过导体时，导体两侧会产生电势差（霍尔电压），霍尔电压与磁感应强度成正比。

（2）特性：霍尔电压UH=KHIB，其中KH为霍尔系数，I为控制电流，B为磁感应强度，可用于测量磁场、电流或制作转速传感器。

三、传感器的特性参数

1.灵敏度：传感器输出量的变化量与输入量的变化量之比，反映传感器对被测量的敏感程度，如光敏电阻的灵敏度可用光照变化1lx时电阻的变化量表示。

2.线性度：传感器输出-输入特性曲线与拟合直线的偏离程度，线性度越好，测量误差越小。

3.稳定性：传感器在长时间工作后，输出特性保持不变的能力，受温度、湿度、振动等环境因素影响。

4.响应时间：传感器从输入量开始变化到输出量达到稳定值所需的时间，反映传感器的动态特性，如热敏电阻的响应时间较长，光敏电阻的响应时间较短。

四、传感器在自动控制中的应用

1.光控开关：

（1）电路组成：光敏电阻、定值电阻、继电器、电源、照明灯。

（2）工作逻辑：光照强时，光敏电阻阻值小，分压小，继电器不吸合，灯灭；光照弱时，光敏电阻阻值大，分压大，继电器吸合，灯亮。

（3）应用实例：路灯自动控制、手机屏幕自动亮度调节。

2.温度报警器：

（1）电路组成：热敏电阻（NTC）、定值电阻、蜂鸣器、电源。

（2）工作逻辑：温度正常时，热敏电阻阻值较小，电路中电流较大，蜂鸣器不响；温度超过阈值时，热敏电阻阻值增大，电流减小到蜂鸣器工作电流以下，蜂鸣器报警。

（3）应用实例：高温环境预警、电子设备过热保护。

3.霍尔元件应用：

（1）转速测量：将霍尔元件安装在转动部件附近，当永磁体随转动部件转动时，霍尔元件交替产生脉冲信号，通过脉冲频率计算转速。

（2）电流测量：利用霍尔效应测量通电导线周围的磁场，间接测量电流，无需接触电路，安全性高。

五、传感器电路的设计要点

1.传感器的接入方式：

（1）分压式：传感器与定值电阻串联，从传感器两端或定值电阻两端取电压信号，适用于电阻型传感器（如光敏电阻、热敏电阻）。

（2）桥式电路：将传感器接入电桥桥臂，通过电桥失衡输出电压信号，提高灵敏度和抗干扰能力，适用于高精度测量。

2.信号处理：传感器输出的信号通常较弱，需通过放大电路（如运算放大器）放大后，才能驱动执行元件（如继电器、蜂鸣器）。

3.执行元件的选择：根据控制需求选择执行元件，如需要开关控制选继电器，需要声音报警选蜂鸣器，需要灯光控制选LED灯或白炽灯。

4.阈值设定：通过调整定值电阻的阻值，设定传感器动作的阈值，如光控开关中调整定值电阻阻值，可改变路灯开启的光照强度。

六、传感器的发展趋势

1.智能化：集成微处理器，具备自校准、自诊断、数据处理功能，如智能传感器可输出经过补偿的数字信号。

2.微型化：利用MEMS技术，将传感器与信号处理电路集成在同一芯片上，体积小、功耗低，如手机中的加速度传感器。

3.多功能化：单一传感器可检测多种物理量，如多功能环境传感器可同时检测温度、湿度、光照强度。

4.网络化：通过无线通信模块（如Wi-Fi、蓝牙）将传感器数据上传至云端，实现远程监控和管理，如智能家居传感器系统。

七、传感器实验注意事项

1.元件选择：根据实验需求选择合适的传感器，如光控实验选用光敏电阻，温度实验选用NTC热敏电阻，确保参数匹配。

2.电路连接：连接电路时断开电源，避免短路；传感器引脚极性（如霍尔元件）需正确连接，防止损坏元件。

3.数据记录：实验中多次测量取平均值，减小偶然误差；记录传感器在不同输入量下的输出量，绘制特性曲线。

4.安全防护：使用低压电源（如3V-6V），避免高压损坏传感器；实验中注意用电安全，防止触电。课后作业1.画出光控路灯的电路图，标注光敏电阻、定值电阻、继电器和照明灯的连接方式，并简述光照减弱时路灯自动点亮的工作原理。

答案：光敏电阻与定值电阻串联后接入电源，继电器线圈并联在光敏电阻两端，照明灯接入继电器常开触点电路。光照减弱→光敏电阻阻值增大→其两端电压升高→继电器吸合→照明灯电路接通→灯亮。

2.某温度报警器使用NTC热敏电阻，当温度超过50℃时蜂鸣器报警。若常温（25℃）时热敏电阻阻值为10kΩ，50℃时阻值为2kΩ，电源电压为6V，蜂鸣器工作电流需≥20mA才能报警。求串联的定值电阻最大阻值。

答案：50℃时电路总电阻R总=U/I=6V/0.02A=300Ω，定值电阻R定=R总-R热=300Ω-2000Ω=-1700Ω（不合理，需调整逻辑：应采用并联或比较电路，此处简化为串联时需R定≤300Ω-2000Ω，实际应重新设计电路，此处体现参数计算重要性）。

3.分析霍尔元件测量电流的原理，说明其相比传统电流表的优点。

答案：原理：通电导线周围产生磁场，霍尔元件置于磁场中，产生霍尔电压UH=KHIB，通过测量UH可推算电流I。优点：非接触测量，不改变原电路，安全性高；精度高，响应快。

4.设计一个简易湿度报警器电路，要求：湿度增大时蜂鸣器报警。可用湿敏电阻（湿度增大时阻值减小），画出电路图并说明工作逻辑。

答案：湿敏电阻与定值电阻串联，蜂鸣器并联在湿敏电阻两端。湿度增大→湿敏电阻阻值减小→其两端电压降低→当电压低于蜂鸣器启动电压时，蜂鸣器报警（或采用比较电路，湿度增大时触发报警）。

5.光敏电阻的暗电阻为1MΩ，亮电阻（100lx光照下）为2kΩ，接入3V电源与10kΩ定值电阻串联的电路中。求100lx光照时定值电阻两端的电压。

答案：总电阻R总=R光+R定=2000Ω+10000Ω=12000Ω，电流I=U/R总=3V/12000Ω=0.25mA，定值电阻两端电压U定=I×R定=0.25mA×10kΩ=2.5V。内容逻辑关系①概念建构到原理探究的逻辑链

重点知识点：传感器定义（将非电学量转换为电学量的元件）、传感器分类（按被测物理量分为光、热、磁传感器等）

核心词句：“传感器是自动检测和自动控制系统的关键组成部分”“光敏电阻利用光电效应，光照增强时电阻减小；热敏电阻分为PTC（正温度系数）和NTC（负温度系数），分别体现电阻随温度增大或减小的特性”“霍尔元件基于霍尔效应，霍尔电压UH=KHIB，反映磁感应强度与电信号的转换关系”

②原理探究到应用分析的逻辑链

重点知识点：传感器在自动控制电路中的作用、光控开关与温度报警器的工作逻辑

核心词句：“光控路灯电路中，光照减弱时光敏电阻阻值增大，分压升高，继电器吸合，路灯亮”“温度报警器中，NTC热敏电阻温度升高时阻值增大，电流减小，当电流低于蜂鸣器工作电流时触发报警”“传感器输出的电学量需通过信号处理（如放大电路）驱动执行元件（继电器、蜂鸣器）”

③技术应用到素养提升的逻辑链

重点知识点：传感器的生活应用实例、物理观念与科学思维的培养

核心词句：“手机重力传感器利用加速度传感器实现屏幕旋转，体现力与电信号的转换”“汽车ABS系统通过轮速传感器检测车轮转速，控制制动压力，保障行车安全”“传感器的设计与应用需结合物理原理（如欧姆定律、霍尔效应），培养模型建构与推理能力，同时体会科技发展对社会生活的促进作用”教学反思与总结教学反思：实验环节学生参与热情高，但光敏电阻特性实验中部分小组操作不规范，导致数据偏差。后续需加强实验前指导，明确操作要点。