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随着现代电子技术的发展,以温度传感器为背景的试题备受中考命题者的青睐,这些试题不仅能引导学生关注科技、关注社会、关注生活,还能培养学生理论联系实际,积极参与社会活动和科技活动的意识,体现了“从生活走向科学,从科学走向社会”的新课程理念。
温度传感器,是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器,初中物理教学中主要涉及电阻传感和热电偶传感两类。中考试题中出现的基本上都属于电阻传感,这类试题主要考查我们灵活运用欧姆定律解决实际问题的能力,笔者选择了近几年来部分中考试题进行归类评析,希望能帮助大家更好地认识温度传感器。
1热电阻
热电阻是指当温度升高时,金属导体中自由电子的无规则热运动就会越剧烈,对电流的阻碍作用越强,使导体电阻变大。我们熟知的小灯泡就是这种类型的热电阻。
例1(2014年临沂)如图1为一只“6 V 1。5 W”小灯泡的电流随电压变化的关系图像。若把这样的三只灯泡串联[TP6CW51。TIF,Y#]起来,接在12 V的电源两端,则此时每只灯泡的电阻及实际功率为
A。24 Ω 0。67 W
B。20 Ω 0。8 W
C。24 Ω 0。96 W
D。20 Ω 0。67 W
评析此题考查了欧姆定律的应用及灯丝电阻与温度的关系,因为三只灯泡串联且规格相同,所以它们的电流和电阻都相同,即这三只灯泡两端分得的电压都为4 V,由图象可知,当U=4 V时,对应电流I=0。2 A,
则小灯泡的电阻U=[SX(]U[]I[SX)]=[SX(]4 V[]0。2 A[SX)]=20 Ω,
小灯泡的实际电功率
[JZ]P=UI=4 V×0。2 A=0。8 W,
故选B。
2正温度系数热敏电阻(PTC)
PTC是指在某一温度(居里点温度)下电阻急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻现象或材料。居里点温度一般比较高, 所以PTC主要用于电器设备的过热保护、火灾报警等。
例2(2008年佛山)阅读短文,回答问题:新型发热材料PTC是一种新型半导体陶瓷材料,它以钛酸钡为主,加以多种物质后加工而成,目前家用陶瓷暖风器、陶瓷电热水壶等就是用这种材料做成的。PTC有一个根据需要设定的温度,低于这个温度时,其电阻随温度的升高而减小,高于这个温度时,电阻值则随温度的升高而增大,我们把这个设定的温度叫“居里点温度”,用PTC材料制成的电热器具有发热、控温双重功能,应用十分广泛。
(1)家用固体电热灭蚊器就使用PTC陶瓷电热元件,图2为其电阻随温度变化的图象,由图2可知,该材料的居里点温度为[CD#3]℃。
(2)家用固体电热灭蚊器工作时基本恒定在165 ℃左右,若它高于165 ℃,电阻[CD#3],功率[CD#3],使其温度[CD#3](以上均填变化情况) ;反之,也能自动调节。因此用PTC材料制成电热器具自动调节功能。
(3)某同学利用PTC电阻设计了“过热自动报警电路”:将PTC电阻安装在需要探测温度的地方,当环境温度正常时,指示灯亮;当环境温度超过PTC电阻居里点温度时,由于电阻变化,导致电磁铁磁性减弱,使警铃响。请帮他将如图3所示电路连接完整。
[TP6CW52。TIF,BP#]
评析此题关键是读懂题意、看懂图象,PTC有一个根据需要设定的温度,低于这个温度时,其电阻随温度的升高而减小,高于这个温度时,电阻值则随温度的升高而增大,我们把这个设定的温度叫“居里点温度”,根据图2可知居里点温度为 100 ℃。当温度高于165 ℃,电阻增大,在电压 不变的情况下,易得功率减小,导致温度降低。在过热自动报警电路中,当电磁铁磁性变化时,要使不同的用电器工作,则连接电路如图4所示。
[TP6CW53。TIF,BP#]
3负温度系数热敏电阻(NTC)
NTC是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料。利用该特点可以通过测量阻值的变化来间接获得温度值,所以NTC热敏电阻器广泛用于测温,它的测量范围一般为-10 ℃~ 300 ℃。
例3(2013年南充)某负温度系数(NTC)的温敏电阻R,其阻值与温度的关系如图5丙所示。现用该电阻测量环境的温度,实验电路如图5甲所示。
[TP6CW54A。TIF,Y#]
(1)根据图5甲,将图5乙连接完整,且使滑片向右滑动[HJ]时,电流表的示数增大;
(2)该温敏电阻的阻值随温度的降低而[CD#3]。
(3)当温敏电阻在某环境中放置足够长时间后,电压表读数为2 V,电流表读数为0。5 mA,此时温敏电阻的阻值为[CD#3]Ω,该环境温度是[CD#3]℃。
[TP6CW54。TIF,BP#]
评析根据电路图连接实物电路时,需注意连接的方式及顺序,从电源的正极出发连接好串联电路,最后将电压表并联在电路中。在连接过程中注意电流表、电压表的量程和正负接线柱的接法及滑动变阻器的接法;由图5丙容易分析得出电阻随温度的降低而升高;另外由欧姆定律计算出热敏电阻的阻值4000 Ω,然后根据图丙查出对应的温度30 ℃。
4临界温度热敏电阻(CTR)
CTR是指在某一温度范围内电阻值急剧减小,具有很大的[LL]负温度系数,由于其阻值的跃变,所以CTR多用于触发开关作为电子线路保护、控温报警等。
例4(2007年乌兰察布)热敏电阻的阻值随温度的改变而改变,且对温度很敏感。热敏电阻的阻值在特定温度时会发生急剧变化,它在笔记本电脑、自动控制系统等方面有多种用途。电路图如图6甲所示,电源电压是7 V,当闭合开关S,电压表示数如图6乙所示。热敏电阻的电流随电压变化I-U关系如图6丙所示。求:(1)热敏电阻两端的电压;(2)电阻R的值。
[TP6CW55。TIF,BP#]
评析本题先要明确电压表的读数方法以及串联电路的电压分配关系,再结合欧姆定律就能方便解答出热敏电阻两端的电压为3 V,电阻R的值为300 Ω。
在以上的各种实例分析中,我们不但可以帮助学生了解温度传感器的基本原理,还可以巩固电学知识的应用,从而激发他们更大的学习物理的兴趣和热忱。
温度传感器,是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器,初中物理教学中主要涉及电阻传感和热电偶传感两类。中考试题中出现的基本上都属于电阻传感,这类试题主要考查我们灵活运用欧姆定律解决实际问题的能力,笔者选择了近几年来部分中考试题进行归类评析,希望能帮助大家更好地认识温度传感器。
1热电阻
热电阻是指当温度升高时,金属导体中自由电子的无规则热运动就会越剧烈,对电流的阻碍作用越强,使导体电阻变大。我们熟知的小灯泡就是这种类型的热电阻。
例1(2014年临沂)如图1为一只“6 V 1。5 W”小灯泡的电流随电压变化的关系图像。若把这样的三只灯泡串联[TP6CW51。TIF,Y#]起来,接在12 V的电源两端,则此时每只灯泡的电阻及实际功率为
A。24 Ω 0。67 W
B。20 Ω 0。8 W
C。24 Ω 0。96 W
D。20 Ω 0。67 W
评析此题考查了欧姆定律的应用及灯丝电阻与温度的关系,因为三只灯泡串联且规格相同,所以它们的电流和电阻都相同,即这三只灯泡两端分得的电压都为4 V,由图象可知,当U=4 V时,对应电流I=0。2 A,
则小灯泡的电阻U=[SX(]U[]I[SX)]=[SX(]4 V[]0。2 A[SX)]=20 Ω,
小灯泡的实际电功率
[JZ]P=UI=4 V×0。2 A=0。8 W,
故选B。
2正温度系数热敏电阻(PTC)
PTC是指在某一温度(居里点温度)下电阻急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻现象或材料。居里点温度一般比较高, 所以PTC主要用于电器设备的过热保护、火灾报警等。
例2(2008年佛山)阅读短文,回答问题:新型发热材料PTC是一种新型半导体陶瓷材料,它以钛酸钡为主,加以多种物质后加工而成,目前家用陶瓷暖风器、陶瓷电热水壶等就是用这种材料做成的。PTC有一个根据需要设定的温度,低于这个温度时,其电阻随温度的升高而减小,高于这个温度时,电阻值则随温度的升高而增大,我们把这个设定的温度叫“居里点温度”,用PTC材料制成的电热器具有发热、控温双重功能,应用十分广泛。
(1)家用固体电热灭蚊器就使用PTC陶瓷电热元件,图2为其电阻随温度变化的图象,由图2可知,该材料的居里点温度为[CD#3]℃。
(2)家用固体电热灭蚊器工作时基本恒定在165 ℃左右,若它高于165 ℃,电阻[CD#3],功率[CD#3],使其温度[CD#3](以上均填变化情况) ;反之,也能自动调节。因此用PTC材料制成电热器具自动调节功能。
(3)某同学利用PTC电阻设计了“过热自动报警电路”:将PTC电阻安装在需要探测温度的地方,当环境温度正常时,指示灯亮;当环境温度超过PTC电阻居里点温度时,由于电阻变化,导致电磁铁磁性减弱,使警铃响。请帮他将如图3所示电路连接完整。
[TP6CW52。TIF,BP#]
评析此题关键是读懂题意、看懂图象,PTC有一个根据需要设定的温度,低于这个温度时,其电阻随温度的升高而减小,高于这个温度时,电阻值则随温度的升高而增大,我们把这个设定的温度叫“居里点温度”,根据图2可知居里点温度为 100 ℃。当温度高于165 ℃,电阻增大,在电压 不变的情况下,易得功率减小,导致温度降低。在过热自动报警电路中,当电磁铁磁性变化时,要使不同的用电器工作,则连接电路如图4所示。
[TP6CW53。TIF,BP#]
3负温度系数热敏电阻(NTC)
NTC是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料。利用该特点可以通过测量阻值的变化来间接获得温度值,所以NTC热敏电阻器广泛用于测温,它的测量范围一般为-10 ℃~ 300 ℃。
例3(2013年南充)某负温度系数(NTC)的温敏电阻R,其阻值与温度的关系如图5丙所示。现用该电阻测量环境的温度,实验电路如图5甲所示。
[TP6CW54A。TIF,Y#]
(1)根据图5甲,将图5乙连接完整,且使滑片向右滑动[HJ]时,电流表的示数增大;
(2)该温敏电阻的阻值随温度的降低而[CD#3]。
(3)当温敏电阻在某环境中放置足够长时间后,电压表读数为2 V,电流表读数为0。5 mA,此时温敏电阻的阻值为[CD#3]Ω,该环境温度是[CD#3]℃。
[TP6CW54。TIF,BP#]
评析根据电路图连接实物电路时,需注意连接的方式及顺序,从电源的正极出发连接好串联电路,最后将电压表并联在电路中。在连接过程中注意电流表、电压表的量程和正负接线柱的接法及滑动变阻器的接法;由图5丙容易分析得出电阻随温度的降低而升高;另外由欧姆定律计算出热敏电阻的阻值4000 Ω,然后根据图丙查出对应的温度30 ℃。
4临界温度热敏电阻(CTR)
CTR是指在某一温度范围内电阻值急剧减小,具有很大的[LL]负温度系数,由于其阻值的跃变,所以CTR多用于触发开关作为电子线路保护、控温报警等。
例4(2007年乌兰察布)热敏电阻的阻值随温度的改变而改变,且对温度很敏感。热敏电阻的阻值在特定温度时会发生急剧变化,它在笔记本电脑、自动控制系统等方面有多种用途。电路图如图6甲所示,电源电压是7 V,当闭合开关S,电压表示数如图6乙所示。热敏电阻的电流随电压变化I-U关系如图6丙所示。求:(1)热敏电阻两端的电压;(2)电阻R的值。
[TP6CW55。TIF,BP#]
评析本题先要明确电压表的读数方法以及串联电路的电压分配关系,再结合欧姆定律就能方便解答出热敏电阻两端的电压为3 V,电阻R的值为300 Ω。
在以上的各种实例分析中,我们不但可以帮助学生了解温度传感器的基本原理,还可以巩固电学知识的应用,从而激发他们更大的学习物理的兴趣和热忱。