(完整版)高中物理传感器及其工作原理

高中物理3-2 第六章 第1节 传感器及其工作原理

【教学目标】：

1、知识目标：

1) 初步形成传感器的概念，了解传感器的工作原理。

2) 知道什么是光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻以及霍尔效应；会使用霍尔电压公式

d

IB k U H 。 3) 了解非电学量转换成电学量的重要性。

2、能力目标：

1) 通过实验的方法获得对传感器的感性认识。

2) 运用所学知识分析新问题，解决新问题，使学生对传感器的认识由感性认识上升到理性

认识。

3、情感态度与价值观目标：

1) 体验科学探究的乐趣，体验成功的快乐。

2) 通过对实际生活中实例的分析与研究，感受物理与生活、生产的密切联系，体会物理学

的重要性。

【教学重难点】：

教学重点是认识各种常见的传感器元器件，了解光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。教学难点是认识非电学量转换为电学量，从而进行控制的过程。

【设计特色】：

1) 传感器这一章并不是高考的重点内容，但对于发展学生的创造性思维和应用能力的培养

却是比较重要的内容。因此，对该部分的教学应集中在实践应用和原理掌握上，而不是做题上。

2) 传感器元件对于学生来说是一种全新的事物，所以不仅仅要注重理论的讲解，对于实物

的介绍可以加深学生的认识。

3) 该课教学旨在培养学生的创新与应用思维，因此，对于比较复杂的实例应用，使用多媒

体视频教学要比课堂演示方便快捷，且不会出现实验失败的现象，并且更加有利于教师解说。

一、导入新课：

在日常生活中，我们通过自身的感官来感知周围的世界，通过感官获得周围的环境的信息。然而有些地方，譬如：我们人类身体条件不适应的地方，或者是需要进行长时间监控的地方，或者是我们的感官无法辨别的地方，更或者是危险的地方，就需要一些特殊的仪器来帮助我们完成采集信息的任务；这就是传感器。我们平时所见的感应门、感应路灯、火灾报警器都是传感器的应用，常用的遥控器、数码照相机也都运用了传感器。

二、传感器概念：

传感器是能够将非电学量转换为电学量的这样一类元器件。电学量可以方便地进行测量、传输、处理和控制。

三、传感器元器件：

1.光敏电阻：

【演示实验】比较光敏电阻在不同光照条件下的电阻之不同

使用示教欧姆表测量的光敏电阻阻值，

a)测定无光照下，光敏电阻的阻值：让学生使用手指遮住光敏电阻表面，测出此时阻值。

（此时阻值应该为最大值）

b)自然光照射下，光敏电阻的阻值：松开手指，用欧姆表测定此时阻值。

c)一定光照强度下，光敏电阻的阻值：调节发光的强度，发现随着光照强度的增加，欧姆

表指针不断向电阻减小方向偏转。

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。

半导体导电机理：金属载流子是自由电子，半导体载流子是空穴和自由电子。由于热运动等原因极少数电子挣脱原子束缚，变成自由电子，并且原来的地方留下空位形成空穴。加热和光照可以使更多的电子获得能量挣脱原子的束缚变成自由电子。载流子一增多，那么物质的导电能力也就相应提高。

2.热敏电阻：

金属热电阻：正向热敏电阻。

由于金属的导电率随温度的升高而增大已经在之前学习过，这里并不作为重点教学内容，简单解释电子由于温度升高而热运动加剧，增多了与晶格的碰撞导致电阻增大。

热敏电阻：负向热敏电阻。

【演示实验】描绘负向热敏电阻曲线

使用热水和温度计测定温度，约每10℃测定一下热敏电阻阻值，并记录在表格里，最后用平滑的曲线连接这些点，描绘出负向热敏电阻曲线。

（书上虽然已经给出了特性曲线，但通过实验让学生能够留下深刻印象。）

这里通过Excel画出曲线。

（在天气寒冷时，实验可以不采用传统的用酒精灯加热升温来测定数据，而采用降温的方法，即用将热水降温到冷水的过程来测定数据。）

热敏电阻或金属热电阻能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。

3. 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U H 。这个电压叫霍尔电压，其决定式为H IB U k d

=。式中d 为薄片的厚度，k 为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。

设载流子的电荷量为q ，沿电流方向定向运动的平均速率为v ，单位体积内自由移动的载流子数为n ，垂直电流方向导体板的横向宽度为a ，则电流的微观表达式为：

①

载流子在磁场中受到的洛伦兹力：

载流子在洛伦兹力作用下侧移，两个侧面出现电势差，载流子受到的电场力为：

当达到稳定状态时，洛伦兹力与电场力平衡，即：

② 由①②式得： ③

式中的nq 与导体的材料有关，对于确定的导体，nq 是常数。令 ，则上式可写为 ④

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。

四、应用实例：

1. 传感器工作示例

观看模拟温控装置的实验视频，认真思考以下问题：

1) 该装置是将什么物理量转换为电学量？

2) 白灯和红灯分别代表了什么意义？

a U q F H =nqadv I =qvB f =a U q qvB H =nqd IB U H =nq k 1=d IB k U H

=

3)该装置是如何进行电路的切换的？

2.课后习题：

微小的位移影响了铁芯的位置，注意到铁芯在之前教学中所提到的作用是使磁感线尽量束缚在铁芯内部。通过该传感器的字面名称，可以看出该传感器通过电感工作，并且注意到在自感互感的教学中铁芯对电感的巨大影响。因此可以得知，软铁芯的位移必将影响到线圈的自感系数，从而拥有将非电学量转换为电学量的可能性。注意到这里所用的电感是只对交流电有用，故在设计线圈所连通路时均需要使用交流电。至于是将非电学量转换为电压还是电流信号，这个可以让学生自行发挥来选择。

【教学设计评析】：

《传感器原理及其工作原理》是高中物理3-2第六章第一节的内容，虽然并不是高考的重点内容，但该内容对于培养学生的创造能力和应用能力有着重大的影响。传感器是物理应用领域中比较前沿的领域，对于学生来说是比较陌生的部分，但也因此可以激发起学生的好奇心，在课堂上保持学习兴趣。在学习过程中，学生会发现，之前学习的电磁学知识可以有巧妙的应用，可以使学生对物理的认识并不只是停留在做题目上，而是认识到物理是一门可以广泛应用的实践学科，物理就在人们身边。下面是笔者根据上述教学设计实际上过课后对该教学设计和教学效果进行的简要分析：

一、设计线索

这节课由四个板块构成，创造情景，引入课题；观察生活，建立概念；介绍元件，讲解原理；实践应用，培养能力。首先，通过与学生一起观察小铁球水平抛出后，沿磁性板留下的痕迹引入课题，激发学生的求知欲；接着师生共同探讨，采用运动的分解方法对运动轨迹进行分析和理论探究；然后，分组实验让学生体验感知两个分运动，描点划线并进行简单计算，与前面的理论推导相呼应；之后，回到教科书中的频闪照片，播放视频，进一步体会更加精确的测量方法。最后，师生共同找到平抛物体的运动规律。

二、设计特色明显

第一，实验探究：这节课在实验上的设计有多处突破，例如：开始的磁性材料留迹试验，演示效果明显，使用的器材是儿童习字的磁性写字板，实验材料来源于身边，通过这样的演示实验，学生可以清晰地看到，小球运动的径迹不是直线，而是一条曲线，激发了学生的求知欲，有助于学生的观察思考能力的培养。又如，教师自制的学生分组实验器材，设计巧妙、取材简单、易操作、便于测量，有助于学生对平抛物体两个分运动的进一步理解。同时在分组实验中，学生之间的沟通与交流，是潜移默化的情感教育，学生在交流中逐渐学会如何与同伴沟通与交流，对学生动手动脑学物理的学习习惯养成也是一种渗透，更重要的是学生对科学探究的七要素加深了理解。

第二，方法渗透：物理学教育的根本在于方法教育。等效方法是物理学研究的重要方法之一，对于平抛物体运动的情景，采用怎样的方法进行分析与研究，是这节课隐性教育的重要内容，教师通过细致的设计，师生共同运用前一节课刚刚学习的《运动的合成和分解》研究方法，润物细无声的对平抛物体的运动进行研究分析，等效的思想，化复杂为简单的思想，点点雨露，滋润着学生的心田。同时也营造了宽松民主的课堂氛围。真正体现了以学生为主体的新课改理念。突出了学生的主体地位，在最大程度上激发了学生的兴趣，引发学生思考，达到了学习的目的。在整节课中，教师始终是以服务学生为中心，没有生硬的说教，只有生动传神启发和引导。

思维方法是解决物理问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与体验知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。