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随着新课程改革的推进,近几年不少省市的高考试题以敏感电阻为载体进行命题,很好地考查了学生运用所学知识解决实际问题的能力.敏感电阻是指器件特性对温度、电压、湿度、光照、气体、 磁场、压力等作用敏感的电阻器,在试题命制时要特别注意“压敏电阻”与“力敏电阻”的区别,谨防张冠李戴.
题目1(2007年广东卷)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1(a)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1(b)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
本题利用一个敏感电阻将小球所受压力的变化转换成电流的变化,求解的关键是分析出压力变化和电流变化之间的关系,再由受力情况判断物体运动的性质.但题目中的敏感电阻应是“力敏电阻”,而不是“压敏电阻”.
压敏电阻又称“压敏电阻器”(VDR),是一种电压敏感元件.压敏电阻具有下面特性:电压与电流不遵守欧姆定律,而成特殊的非线性关系.压敏电阻的电流为1 mA时,所对应的电压称为压敏电压,把它作为I随U迅速上升的电压大小的标准.当两端所加电压低于压敏电压值时,压敏电阻的电阻值接近无穷大,内部几乎无电流流过;当两端所加电压略高于压敏电压值时,压敏电阻将迅速击穿导通,并由高阻状态变为低阻状态,工作电流也急剧增大;当两端所加电压低于压敏电压值时,压敏电阻又恢复为高阻状态;当两端所加电压超过最大限制电压值时,压敏电阻将完全击穿损坏,无法再自行恢复.
压敏电阻的电阻体材料是半导体,它属于半导体电阻器的一个品种.如现在大量使用的“氧化锌”(ZnO)压敏电阻器,它的主体材料有二价元素(Zn)和六价元素氧(O)所构成.氧化锌压敏电阻器是一种“Ⅱ-Ⅵ”族氧化物半导体,它包含由氧化锌颗粒与少量其他金属氧化物或聚合物间隔构成的陶瓷块,夹于两金属片间.颗粒与邻近氧化物交界处会形成二极管效应,由于有大量杂乱颗粒,使得它等同于一大堆背向相连的二极管,低电压时只有很小的逆向漏电电流,当遇到高电压时,二极管因热电子与隧道效应而发生逆向崩溃,流通大电流.因此,压敏电阻的电流——电压特性曲线具有高度的非线性: 低电压时电阻高、高电压时电阻低.图2为典型的压敏电阻特性曲线.
对于压敏电阻特性曲线及其应用的考察,早在2007年江苏高考物理及2006年第十六届全国初中应用物理知识竞赛中就已出现.
题目2(2007年江苏卷12题)要描绘某电学元件(最大电流不超过6 mA,最大电压不超过7 V)的伏安特性曲线,设计电路如图.图3中定值电阻R为1 kΩ,用于限流;电流表A量程为10 mA,内阻约为5 Ω;电压表(未画出)量程为10 V,内阻约为10 kΩ;电源电动势E为12 V,内阻不计.
(1)实验时有两个滑动变阻器可供选择:
a.阻值0~200 Ω,额定电流0~3 A
b.阻值0~20 Ω,额定电流0~5 A
本实验应选用的滑动变阻器是(填“a”或“b”).
(3)画出待测元件两端电压UMO随MN间电压UMN变化的示意图(无需数值).
该元件的伏安特性曲线如图4所示,为典型的压敏电阻特性曲线,其压敏电压为6.32 V.压敏电阻在电路中相当于“安全阀”:当加在它上面的电压低于它的“阀值”UN时,流过它的电流极小,相当于一只关死的阀门;当电压超过UN时,流过它的电流激增,相当于阀门打开.利用这一功能,可以抑制电路中经常出现的异常过电压,保护电路免受过电压的损害.五光十色的节日小彩灯中就应用了压敏电阻的这一功能.
题目3(2006年第十六届全国初中应用物理知识竞赛)小志家买了一种点缀节日用的小彩灯,他发现当其中一个小彩灯的灯丝烧断了以后,其余的小彩灯还能继续发光.于是小志对小彩灯之间的连接关系产生了兴趣,为此他请教了科技人员,得到以下信息.
他用的小彩灯规格是“2.5 V, 0.25 A”,通过串联一定数量的小彩灯,使单个小彩灯两端所加的电压比它的额定电压稍低,每个小彩灯都能基本正常发光.
小彩灯的构造如图5所示,在灯丝导电支架上除了有灯丝和起固定作用的小玻璃珠以外,还绕有约4圈细金属丝.灯丝电阻冷时约为2.5 Ω,热时约为15 Ω.
细金属丝的电阻为1 Ω,正常(低压)情况下,由于支架表面有一层氧化铜的缘故,它与灯丝支架是不导通的,没有电流流过.若加上较高的电压(如220 V)时氧化层可被击穿,细金属丝与灯丝支架导通.
根据以上介绍的资料,请你说明为什么一个小彩灯的灯丝烧毁后,其他的小彩灯还能继续发光.
题目中的氧化铜就是压敏电阻,成串小彩灯正常工作时,金属丝的阻值接近绝缘.当某个小彩灯L的灯丝烧毁时,AB间形成断路,220 V电压就直接加到细金属丝与灯丝导电支架AB之间;氧化层瞬间被击穿,细金属丝与灯丝导电支架导通,此时这个灯只相当于一段导线,起到连接作用,如图6所示,这样其他小彩灯就能继续工作.但是每个灯上的电压有一点升高,不过还不至于烧毁灯丝.当然,烧毁的小彩灯太多时,其余小彩灯也会因为电压过高而全部烧毁.
综上分析,压敏电阻并非对外界压力变化敏感,真正对压力作用敏感的电阻器应为力敏电阻.力敏电阻是一种能将机械力转换为电信号的特殊元件,它是利用半导体材料的压力电阻效应制成的,即电阻值随外加力大小而改变,国外称为压电电阻器.主要应用于各种张力计、转矩计、加速度计、半导体传声器及各种压力传感器中.所以中学物理教学中应正确区分“压敏电阻”与“力敏电阻”,还他们本来的“庐山真面目”.
题目1(2007年广东卷)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1(a)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1(b)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
本题利用一个敏感电阻将小球所受压力的变化转换成电流的变化,求解的关键是分析出压力变化和电流变化之间的关系,再由受力情况判断物体运动的性质.但题目中的敏感电阻应是“力敏电阻”,而不是“压敏电阻”.
压敏电阻又称“压敏电阻器”(VDR),是一种电压敏感元件.压敏电阻具有下面特性:电压与电流不遵守欧姆定律,而成特殊的非线性关系.压敏电阻的电流为1 mA时,所对应的电压称为压敏电压,把它作为I随U迅速上升的电压大小的标准.当两端所加电压低于压敏电压值时,压敏电阻的电阻值接近无穷大,内部几乎无电流流过;当两端所加电压略高于压敏电压值时,压敏电阻将迅速击穿导通,并由高阻状态变为低阻状态,工作电流也急剧增大;当两端所加电压低于压敏电压值时,压敏电阻又恢复为高阻状态;当两端所加电压超过最大限制电压值时,压敏电阻将完全击穿损坏,无法再自行恢复.
压敏电阻的电阻体材料是半导体,它属于半导体电阻器的一个品种.如现在大量使用的“氧化锌”(ZnO)压敏电阻器,它的主体材料有二价元素(Zn)和六价元素氧(O)所构成.氧化锌压敏电阻器是一种“Ⅱ-Ⅵ”族氧化物半导体,它包含由氧化锌颗粒与少量其他金属氧化物或聚合物间隔构成的陶瓷块,夹于两金属片间.颗粒与邻近氧化物交界处会形成二极管效应,由于有大量杂乱颗粒,使得它等同于一大堆背向相连的二极管,低电压时只有很小的逆向漏电电流,当遇到高电压时,二极管因热电子与隧道效应而发生逆向崩溃,流通大电流.因此,压敏电阻的电流——电压特性曲线具有高度的非线性: 低电压时电阻高、高电压时电阻低.图2为典型的压敏电阻特性曲线.
对于压敏电阻特性曲线及其应用的考察,早在2007年江苏高考物理及2006年第十六届全国初中应用物理知识竞赛中就已出现.
题目2(2007年江苏卷12题)要描绘某电学元件(最大电流不超过6 mA,最大电压不超过7 V)的伏安特性曲线,设计电路如图.图3中定值电阻R为1 kΩ,用于限流;电流表A量程为10 mA,内阻约为5 Ω;电压表(未画出)量程为10 V,内阻约为10 kΩ;电源电动势E为12 V,内阻不计.
(1)实验时有两个滑动变阻器可供选择:
a.阻值0~200 Ω,额定电流0~3 A
b.阻值0~20 Ω,额定电流0~5 A
本实验应选用的滑动变阻器是(填“a”或“b”).
(3)画出待测元件两端电压UMO随MN间电压UMN变化的示意图(无需数值).
该元件的伏安特性曲线如图4所示,为典型的压敏电阻特性曲线,其压敏电压为6.32 V.压敏电阻在电路中相当于“安全阀”:当加在它上面的电压低于它的“阀值”UN时,流过它的电流极小,相当于一只关死的阀门;当电压超过UN时,流过它的电流激增,相当于阀门打开.利用这一功能,可以抑制电路中经常出现的异常过电压,保护电路免受过电压的损害.五光十色的节日小彩灯中就应用了压敏电阻的这一功能.
题目3(2006年第十六届全国初中应用物理知识竞赛)小志家买了一种点缀节日用的小彩灯,他发现当其中一个小彩灯的灯丝烧断了以后,其余的小彩灯还能继续发光.于是小志对小彩灯之间的连接关系产生了兴趣,为此他请教了科技人员,得到以下信息.
他用的小彩灯规格是“2.5 V, 0.25 A”,通过串联一定数量的小彩灯,使单个小彩灯两端所加的电压比它的额定电压稍低,每个小彩灯都能基本正常发光.
小彩灯的构造如图5所示,在灯丝导电支架上除了有灯丝和起固定作用的小玻璃珠以外,还绕有约4圈细金属丝.灯丝电阻冷时约为2.5 Ω,热时约为15 Ω.
细金属丝的电阻为1 Ω,正常(低压)情况下,由于支架表面有一层氧化铜的缘故,它与灯丝支架是不导通的,没有电流流过.若加上较高的电压(如220 V)时氧化层可被击穿,细金属丝与灯丝支架导通.
根据以上介绍的资料,请你说明为什么一个小彩灯的灯丝烧毁后,其他的小彩灯还能继续发光.
题目中的氧化铜就是压敏电阻,成串小彩灯正常工作时,金属丝的阻值接近绝缘.当某个小彩灯L的灯丝烧毁时,AB间形成断路,220 V电压就直接加到细金属丝与灯丝导电支架AB之间;氧化层瞬间被击穿,细金属丝与灯丝导电支架导通,此时这个灯只相当于一段导线,起到连接作用,如图6所示,这样其他小彩灯就能继续工作.但是每个灯上的电压有一点升高,不过还不至于烧毁灯丝.当然,烧毁的小彩灯太多时,其余小彩灯也会因为电压过高而全部烧毁.
综上分析,压敏电阻并非对外界压力变化敏感,真正对压力作用敏感的电阻器应为力敏电阻.力敏电阻是一种能将机械力转换为电信号的特殊元件,它是利用半导体材料的压力电阻效应制成的,即电阻值随外加力大小而改变,国外称为压电电阻器.主要应用于各种张力计、转矩计、加速度计、半导体传声器及各种压力传感器中.所以中学物理教学中应正确区分“压敏电阻”与“力敏电阻”,还他们本来的“庐山真面目”.