第25讲 电学基础知识(一)
命题分析
广东省近五年中考物理命题分析
考点 2023 2022 2021 2020 2019
两种电荷 省题8 省题3 省题9 ___ 省题3
两类电路 省题14 省题12 省题6、19 省题23 省题6、15、20
三大概念 ___ ___ ___ ___ ___
三个元件 ___ ___ ___ 省题16、22 省题16
一个规律 省题14、20 省题20 省题6、19 省题22、23 省题6、20
【课程标准】
2.4.1 观察摩擦起电现象,了解静电现象。了解生产生活中关于静电防止和利用的技术。
例1 举例说明生活中的静电现象。
例2 查阅资料,了解静电防止和利用的常用方法。
3.4.1 从能量转化的角度认识电源和用电器的作用。
例 定性说明电热水壶、电风扇工作时能量转化的情况。
3.4.2 知道电压、电流和电阻。探究电流与电压、电阻的关系,理解欧姆定律。
3.4.3 会使用电流表和电压表。
3.4.4 会看、会画简单的电路图。会连接简单的串联电路和并联电路。能说出生产生活中采用简单串联电路或并联电路的实例。探究并了解串联电路和并联电路中电流、电压的特点。
考点一 两种电荷
认识原子 原子由位于中心的原子核和核外电子构成,原子核带正电,电子带负电;在通常情况下,原子核所带的正电荷与核外所有电子所带负电荷在数量上相等,原子整体不显电性。
两种电荷 用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电荷,用毛皮摩擦过的橡胶棒带负电荷
带电体性质 具有吸引轻小物体的性质
电荷作用 同种电荷互相排斥,异种电荷互相吸引
验电器 根据同种电荷互相排斥的原理制成,用来检验物体是否带电
摩擦起电 原因 不同物质的原子核束缚电子的本领不同,当两个物体摩擦时,失去电子的物体因为缺少电子而带正电,得到电子的物体因为有了多余电子而带等量的负电
本质 摩擦起电并不是创造了电荷,只是电荷从一个物体转移到另一个物体
(1)摩擦起电是利用摩擦的方法创造了电荷。( × )
(2)摩擦起电的本质是电荷的转移。( √ )
(3)一个带正电的物体能吸引另一个物体,则被吸引的物体一定带负电。( × )
例1 (2023·广东)如图是氦的原子模型示意图,原子核是________,核外电子是________,其中带负电的是________。(均选填“A”或“B”)
分析 原子是由原子核及核外电子组成的,原子核由质子和中子组成,质子带正电,核外电子带负电。
答案 B A A
例2 (2022·广州)如图,用绝缘线分别悬吊甲、乙两轻小物体,甲带电。用带电棒丙分别靠近甲、乙,下列能证明乙带电且甲、乙带异种电荷的现象是( )
分析 (1)电荷间的相互作用规律:同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引;(2)带电体的基本性质:吸引轻小物体。图D中,甲、丙相互吸引,则甲带负电;丙与乙相互排斥,则乙带正电。
答案 D
例3 (2022·广东)与毛皮摩擦过的橡胶棒因得到电子而带________电。用带电的橡胶棒接触验电器的金属球,金属箔张开,如图所示,这两片金属箔带________种电荷。
分析 橡胶棒因得到电子带负电;电荷与电荷之间存在相互作用,且同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。带负电的橡胶棒与验电器的金属球接触后,使金属箔带上等量的负电荷而张开,即金属箔带同种电荷。
答案 负 同
考点二 两类电路
项目 串联电路 并联电路
电路图
特点 ①电流只有一条路径;②各用电器互相影响;③开关作用与位置无关 ①电流有两条或多条路径;②各用电器互不影响;③开关作用与位置有关
电流关系 I=I1=I2,电流处处相等 I=I1+I2,总电流等于各支路电流之和
电压关系 U=U1+U2,总电压等于各部分两端电压之和 U=U1=U2,电源电压与各支路两端电压相等
实例 装饰小彩灯、开关和所控制的用电器 家庭电路中各用电器之间
(1)一个开关可以同时控制两盏灯,那么这两盏灯一定是串联的。( × )
(2)马路上的路灯看上去是排成一串串的,所以它们的连接方法是串联。( × )
(3)并联电路中,干路电流总大于分路中的电流。( √ )
(4)串联电路中各电阻上的电压可能相等。( √ )
例4 (2023·汕头澄海区模拟)如图所示的电路中,当开关S闭合后,灯泡L1、L2组成的电路为并联电路的是( )
分析 串联电路,电流只有一条路径,各元件之间相互影响;并联电路,电流有多条路径,各元件之间互不影响。图B中开关闭合时,电流有两条路径,分别经过这两个灯泡,是并联电路。
答案 B
例5 (2023·深圳模拟)如图所示,一个有盖的木盒,盒盖上可看到两只灯泡和一个开关(连接的导线和电源隐藏在盒内),开关闭合,下列说法不正确的是( )
A.如果两灯都亮,两灯可能是串联,也可能是并联
B.若用电压表测得两灯的电压相等,则两灯一定是并联
C.若用电压表测得两灯的电压不相等,则两灯一定是串联
D.若用电流表测量通过两灯的电流不相等,则两灯一定是并联
分析 (1)在串联电路中开关控制所有用电器。在并联电路中有干路和支路之分,干路开关控制所有用电器,各支路开关只控制本支路用电器。(2)根据串联电路的分压作用可知,当两个规格相同的灯泡串联时,两灯泡两端的电压是相等的;并联电路中,各支路两端的电压一定相等。(3)在串联电路中各处电流都相等;在并联电路中,各支路两端的电压相等,根据I=可知,若两支路的电阻相等,则两支路的电流相等。若两支路的电阻不相等,则两支路的电流一定不相等。在并联电路中各灯泡两端的电压一定相等;如果两只灯泡完全相同,在串联电路中分得的电压也相同;所以,若用电压表测得两灯电压相等,则两灯的连接可能是串联,也可能是并联。
答案 B
例6 (2022·广州)两款温控开关K1和K2,当温度低于50 ℃时,K1保持闭合,K2保持断开;当温度高于50 ℃时,K1保持断开,K2保持闭合。某保温水壶用其中一款开关检测水温,其加热电阻R在水温低于50 ℃时工作,在水温高于50 ℃时不工作。下列电路图中符合用电安全且能实现该保温水壶功能的是( )
答案 C
解析 本题根据要求设计电路图,关键是根据要求确定开关及电阻的连接。图A中,当K1保持闭合时,电源会被短路,不符合用电安全,故A错误;图B中当K2保持闭合时,电源会被短路,不符合用电安全,故B错误;图C中,开关K1与R串联在电路中,当温度低于50 ℃时,K1保持闭合,当温度高于50 ℃时,K1保持断开,使得加热电阻R在水温低于50 ℃时工作,在水温高于50 ℃时不工作,故C正确;图D中,开关K2与R串联在电路中,当温度低于50 ℃时,K2保持断开,当温度高于50 ℃时,K2保持闭合,使得加热电阻R在水温高于50 ℃时工作,在水温低于50 ℃时不工作,故D错误。
考点三 三大概念
1.三大概念
项目 电流 电压 电阻
定义或作用 电荷的定向移动形成电流。用字母I表示电流强弱。规定正电荷定向移动的方向为电流的方向 使导体中自由电荷定向移动形成电流。用字母U表示 在物理学中,用电阻来表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大,表示导体对电流的阻碍作用越大。通常用字母R表示
单位及 换算 (1)常用单位是安培(A),其他单位有毫安(mA)、微安(μA)。 (2)单位换算:1 A=103 mA=106 μA。 (3)电冰箱的电流约1 A;空调的电流约5 A (1)常用单位是伏特(V),其他单位有千伏(kV)。 (2)单位换算:1 kV=103 V。 (3)一节新干电池的电压1.5 V,不高于36 V的电压对人体是安全的,我国家庭电路的电压220 V (1)单位:欧姆,简称欧,符号是Ω。其他单位有千欧(kΩ)、兆欧(MΩ)。 (2)单位换算:1 Ω=10-3 kΩ=10-6 MΩ
2.物质的导电性
名称 导体 绝缘体 半导体 超导体
定义 容易导电的物体 不容易导电的物体 导电性介于导体和绝缘体之间的物质 某些物质在很低的温度时,电阻变为0
举例 金属、人体、大地、石墨、食盐水溶液等 橡胶、玻璃、塑料、普通陶瓷等 硅、锗、二极管、三极管等 超导体输电线(减少电能损耗)、发电机线圈(减少热量产生)
联系 导体和绝缘体之间没有绝对的界限,当条件(高温、潮湿)改变时,绝缘体也可以变成导体
(1)金属导体中自由电子定向移动的方向就是电流的方向。( × )
(2)对人体的安全电压为220 V。( × )
(3)导体中有电流,则电路两端必定有电压。( √ )
(4)导体中没有电流通过时,其电阻为零。( × )
(5)内部有很少自由移动电荷的物体是绝缘体。( √ )
例7 (2023·惠州一模)静电喷涂利用了静电现象,其喷涂原理如图所示,被喷涂的工件带正电。工作时,静电喷涂的喷枪接高压电源,雾化后的涂料微粒通过枪口时由于________(选填“失去”或“得到”)电子而带________电,又由于同种电荷相互排斥而均匀散开后吸附在工件上;图中带电微粒移动过程中形成的电流方向是________(选填“向左”或“向右”)。
分析 根据同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引,可判断涂料微粒所带的电荷;正电荷定向移动的方向规定为电流的方向,因此,图中带负电微粒移动的过程中形成的电流方向与其运动方向相反,则电流方向是向右的。
答案 得到 负 向右
例8 (2023·东莞模拟)在学习“电压”时,我们引入“水压”进行对比,如图所示,下列说法错误的是( )
A.我们把电源比作抽水机,电流比作水流
B.只要有水压就有水流,只要有电压就会有电流
C.水压是形成水流的原因,电压是形成电流的原因
D.这一研究方法被称为“类比法”
分析 此实验采用了类比法,电源比作抽水机,电压比作水压,电流比作水流,灯泡比作水轮机,开关比作阀门。电压的作用是使电路中的自由电荷发生定向移动形成电流。水压使水路形成水流。
答案 B
例9 关于导体、半导体和超导体,下列说法正确的是( )
A.中考实行网上阅卷,条形码扫描器中的光敏二极管使用的是半导体材料
B.橡胶、碳棒、塑料都是很好的绝缘材料
C.导体的电阻由导体两端的电压和通过导体的电流共同决定
D.超导体材料因为其电阻特性,可用于制作电热丝
分析 半导体常见的应用有:二极管光敏电阻、热敏电阻、气敏电阻等;电阻是导体本身的性质,由材料、长度、横截面积、温度决定,与电压、电流无关;电热丝是利用电流的热效应来工作的,电热丝工作时电能转化为内能。
答案 A
考点四 三个元件
1.电流表和电压表
元件 电流表 电压表
作用 测量电路中的电流 测量用电器两端的电压
使用规则 与被测用电器串联 与被测用电器并联
不允许将电流表直接接在电源两端 电压表可以直接接在电源两端
电流“+进-出”,电流表、电压表选择合适的量程
表盘
量程 0~0.6 A 0~3 A 0~3 V 0~15 V
分度值 0.02 A 0.1 A 0.1 V 0.5 V
2.滑动变阻器
原理 通过改变接入电路中电阻丝的长度来改变电阻。
铭牌 某滑动变阻器标有“20 Ω 2 A”字样,“20 Ω”表示滑动变阻器的最大阻值是20 Ω,“2 A”表示该滑动变阻器允许通过的最大电流为2 A
连接方法 ①要“一上一下”接入电路;②闭合开关时,滑片应处于阻值最大位置,即要远离下接线柱
作用 ①通过调节其接入电路的阻值来改变电路中的电压或电流;②保护电路
(1)测电流时,必须将电流表和被测的用电器串联,电流必须从正接线柱流进。( √ )
(2)在用电压表测电压时,发现指针向左边没有刻度的一边偏转,原因是量程选小了。( × )
(3)测量较小的电流或电压时,选用哪个量程测量结果准确程度都一样。( × )
(4)闭合开关前,滑动变阻器滑片P应滑到阻值最大处,是为了保护电路。( √ )
例10 (2023·东莞模拟)物理是一门注重实验的自然学科,请同学们根据掌握的实验操作技能,解答下列问题。
小明同学在测量某处的电流时,发现电流表的指针偏转如图甲所示,原因是______________;在排除故障后,电流表的示数如图乙所示,则电流表的示数为________ A。
分析 电流应从电流表的正接线柱流入、负接线柱流出,否则,电流表指针将反向偏转;由题图乙所示电流表确定电流表量程与分度值,读出电流表示数。
答案 电流表正负接线柱接反了 0.24
例11 (2023·肇庆鼎湖区一模)在如图所示的电路图中,闭合开关后,两灯正常发光,请在图中圆圈内填上合适的电压表或电流表符号。
分析 要确定圆圈中的电表符号,首先要弄清电压表和电流表的正确使用方法:电流表要串联在电路中使用,而电压表要与被测用电器并联;首先判断图中各圆圈的位置,以及和用电器的连接方式,再结合仪表的使用方法进行分析。
答案
例12 (2023·深圳模拟)如图所示是某同学设计的模拟可调光台灯电路,其中电位器有a、b、c三个接线柱,请连接电路,使顺时针旋转滑片时灯泡变亮。
分析 顺时针旋转滑片时,灯泡变亮,说明顺时针旋转时,电位器连入电路的电阻变小,故将b和c接线柱接入电路。
答案
名师点拨 滑动变阻器在电路中作用的判断,结合滑动变阻器的使用目的可以确定滑动变阻器此时的作用。如:探究电流与电阻的关系时滑动变阻器的作用是保护电路和保持定值电阻两端电压不变,找出普遍规律;探究电压与电阻的关系时滑动变阻器的作用是保护电路和保持通过定值电阻的电流不变,找出普遍规律;在测量小灯泡的电阻的实验中,滑动变阻器的作用是通过改变小灯泡两端的实际电压与通过小灯泡的电流,根据欧姆定律求出小灯泡的电阻,得出电阻与温度的关系等。
考点五 一个规律
1.内容:导体中的电流,跟导体两端的电压成正比,跟导体的电阻成反比。
2.公式:I=
3.同体性:使用欧姆定律公式I=时,应注意公式中I、U、R应该对应同一段导体或者同一段电路,即满足“同体性”。
4.同时性:公式中I、U、R除满足公式中的“同体性”之外,还应是同一段导体或者同一段电路在同一时刻的电流、电压、电阻,即满足同时性。
5.欧姆定律成立的条件:只能在纯电阻电路中成立,对于含有电动机的电路,欧姆定律就不成立。
例13 (2023·安徽)将一根细金属丝置入柔性塑料中,可以制成用来检测物体形变的器件应变片,其结构如图甲所示。将它接入图乙所示的电路,电源电压不变,R为定值电阻。闭合开关S,当应变片随被检测物体发生拉伸形变时,塑料中的金属丝会被拉长变细,导致电阻变大,则电路中的( )
A.电压表和电流表示数都变大
B.电压表示数变小,电流表示数变大
C.电压表和电流表示数都变小
D.电压表示数变大,电流表示数变小
分析 根据图乙可知,电路为串联电路,电压表测量应变片两端的电压,电流表测量电路中的电流;根据应变片电阻的变化分析总电阻的变化,根据欧姆定律分析电路中电流的变化,根据串联电路的分压规律分析电压表示数的变化。
答案 D
例14 (2023·天津)定值电阻R的U-I关系图象如图所示,当该电阻两端电压为3 V时,通过它的电流为( )
A.1 A B.2 A
C.3 A D.4 A
答案 A
解析 由题图可知通过该电阻的电流为2 A时,电阻两端的电压为6 V,根据欧姆定律可得电阻的阻值R===3 Ω,当该电阻两端电压为3 V时,通过它的电流为I′===1 A。
例15 (2023·自贡)由欧姆定律I=变形可得R=,下列说法正确的是( )
A.导体电阻大小跟它两端的电压成正比
B.导体电阻大小跟通过它的电流成反比
C.导体电阻大小由它两端电压和通过电流决定
D.导体电阻大小等于它两端电压与通过电流的比值
分析 导体的电阻是导体本身所具有的性质,与通过它的电流、它两端的电压无关。但可以用导体两端的电压与通过导体的电流的比值求出其大小。
答案 D
易错提醒 欧姆定律公式变形可得公式R=,它反映了电阻可用导体两端电压和导体中的电流的比值表示,但是因为电阻是导体本身的一种性质,因此它既不和U成正比,也不和I成反比,这一点和欧姆定律有明显区别。
考点一 两种电荷
1.(科学应用)目前,科学家常用高能量的粒子撞击另一微观粒子的方法来研究某种微观粒子的结构,经科学测定,质子、中子、电子的质量分别为1.672 6×10-27 kg、1.674 9×10-27 kg、9.109 6×10-31 kg,若条件允许,将这三种微观粒子的其中一种加速成高能量的粒子,然后分别去撞击另外两种粒子,假设相撞击的两种粒子可以合成为一种粒子,则下列说法中较为合理的是( )
A.中子与电子结合可以形成质子 B.质子与电子结合可以形成中子
C.中子与质子结合可以形成电子 D.中子与质子结合可以形成分子
答案 B
2.(生活应用)(2023·肇庆鼎湖区一模)如图所示,N95口罩对病毒具有良好的拦截作用,其通过中间的熔喷布对空气中较小的颗粒实施静电吸附。N95口罩对病毒的拦截作用主要是由于( )
A.分子间存在相互作用的引力 B.带电体能吸引轻小物体
C.分子间存在间隙 D.同种电荷相互排斥
答案 B
3.(2023·广州)手与硅胶管M均不带电,用手摩擦M后,M与带负电的塑料管互相排斥,则( )
A.M带正电 B.M不带电
C.手摩擦M时,正电荷从手转移到M D.手摩擦M时,电子从手转移到M
答案 D
4.(科学思维)(2023·广州越秀区二模)如表为部分物质的原子核对核外电子束缚能力强弱的情况,束缚能力越弱越容易失去电子。现用餐巾纸摩擦塑料吸管,然后将该带电塑料吸管靠近轻质小球,发现他们相互吸引。下列说法正确的是( )
原子核对核外电子的束缚能力:弱→强
有机玻璃 玻璃 毛皮 丝绸 纸 金属 硬橡胶 石蜡 涤纶 硬塑料 聚乙烯 聚丙烯
A.小球一定带正电
B.小球可能带负电也可能不带电
C.餐巾纸摩擦塑料吸管的过程,塑料吸管因失去电子而带电
D.摩擦过后的塑料吸管和餐巾纸带异种电荷
答案 D
5.(2023·东莞一模)梳过头发的塑料梳子,由于摩擦会带电,摩擦起电的本质是__________(选填“电荷的转移”或“创造了电荷”)。与毛皮摩擦过的橡胶棒带________电,是因为橡胶棒在摩擦过程中________电子。
答案 电荷的转移 负 得到
考点二 两类电路
6.(2023·广州白云区二模)公交车后门左右扶杆上均装有一个红色按钮,每个按钮相当于一个开关,驾驶台上有两个指示灯,当乘客按下任一按钮,相当于开关闭合,两指示灯均会发光,提醒司机有人想要下车,且任一指示灯坏了,另一指示灯仍能发光,符合该要求的电路是( )
答案 B
解析 根据“两个指示灯,当乘客按下任一按钮,相当于开关闭合,两指示灯均会发光”判断两个按钮的连接方式为并联,根据“任一指示灯坏了,另一指示灯仍能发光”判断两个指示灯的连接方式为并联,故B正确。
7.(2023·泰州)为了安全,汽车行驶时驾驶员必须系好安全带。当系好安全带时,相当于闭合开关,指示灯不亮;未系好安全带时,相当于断开开关,指示灯发光。符合上述要求的正确电路图是( )
答案 C
解析 A电路图,无论开关断开还是闭合,灯泡都发光,不符合题意;B电路图,无论开关断开还是闭合,灯泡都发光,不符合题意;C电路图,开关断开,灯泡和保护电阻串联能够发光,开关闭合,灯泡被短路不能发光,符合题意;D电路图,开关断开,灯泡与保护电阻串联,能够发光,开关闭合造成电源短路,不符合题意。
考点三 三大概念
8.(2023·广州越秀区模拟)某家用电器正常工作时的电流约为2 A,则它可能是( )
A.洗衣机 B.白炽灯 C.空调 D.复读机
答案 A
9.(2023·东莞一模)下列对一些数据的估测,最接近实际的是( )
A.对人体的安全电压是72 V B.在实验室中所用导线的电阻约为1 kΩ
C.教室风扇正常工作电流约5 A D.中学生上一层楼做功约1 800 J
答案 D
10.(创新实验)(2023·佛山禅城区模拟)两只水果点亮了一只发光二极管(如图),金属片A是水果电池的________(选填“正极”或“负极”),发光二极管具有________性,现将二极管正负极接线对调,二极管不发光,此时水果电池的正负极之间________(选填“有”或“没有”)电压。
答案 正极 单向导电 有
考点四 三个元件
11.(科学设计)(2023·深圳一模)在图中,将电源、电流表、电压表三个元件符号正确填进电路的空缺处。要求开关S闭合后,向右移动滑动变阻器的滑片P,电流表示数变小,电压表的示数变大。
答案
解析 由题意可知,当滑片P向右移动时,电流表示数变小,说明电路中的总电阻是变大的,则滑动变阻器的接入电路的阻值是变大的;
又因为此时电压表示数变大,根据串联分压可知,滑动变阻器与灯泡应是串联连接,且电压表应并联在滑动变阻器的两端,如答图所示。
12.(综合应用)(2023·汕头金平区一模)如图甲所示,将长度和材料相同、粗细不同的金属棒AB和CD串联在电路中。将电压表分别并联在AB和CD两端,电表指针的位置均如图乙所示,则AB两端的电压为________ V,AD两端电压为________ V,通过AB的电流________(选填“大于”“小于”或“等于”)通过CD的电流。
答案 5 6 等于
解析 长度和材料相同,金属棒AB的横截面积小于金属棒CD的横截面积,所以金属棒AB的电阻大于金属棒CD的电阻,两金属棒串联接入电路,流过两金属棒的电流相同。由U=IR可知,电阻较大的金属棒AB两端电压大于金属棒CD两端电压,将电压表分别并联AB和CD两端,电压表指针的位置均如题图乙所示,则说明电压表并联在AB两端时选择的是0~15 V量程,电压值为5 V。电压表并联在CD两端时选择的是0~3 V量程,电压值为1 V;AD两端电压为5 V+1 V=6 V。
由于两个金属棒串联,由串联电路中的电流处处相等可知,通过AB的电流等于通过CD的电流。
考点五 一个规律
13.(2022·深圳)如图所示为油量表示意图,当油量减少时,下列说法正确的是( )
A.R不断减小 B.R总不断减小
C.I总不断减小 D.R两端电压不断减小
答案 C
解析 由题图可知,滑动变阻器R与定值电阻R0串联,电流表测电路中的电流;当油量减少时,滑杆向上移动,滑动变阻器R接入电路的电阻变大,故A错误;滑动变阻器接入电路的电阻变大时,电路中的总电阻也变大,故B错误;由欧姆定律可知,电源电压一定时,电路中的总电阻变大,电路中的总电流减小,故C正确;由串联电路的分压原理可知,滑动变阻器接入电路的电阻增大时,滑动变阻器两端的电压变大,故D错误。
14.(2020·深圳)电子拉力计的简化原理如图。滑动变阻器的滑片P与弹簧上端固定在一起,同方向升降。在弹性限度内,弹簧所受拉力越大,弹簧伸长量越大。闭合开关后,下列说法正确的是( )
A.滑动变阻器接入电路中的电阻随拉力增大而增大
B.电流表的示数随拉力增大而增大
C.电压表的示数随拉力增大而增大
D.定值电阻R0消耗的电功率随拉力增大而减小
答案 B
解析 由电路图可知,定值电阻R0与滑动变阻器串联,电压表测滑动变阻器两端的电压,电流表测电路中的电流。当拉力增大时,滑片上移,滑动变阻器接入电路中的电阻减小,电路的总电阻减小,由I=可知,电路中的电流增大,即电流表的示数增大,故A错误,B正确;当拉力增大时,滑动变阻器接入电路中的电阻减小,由串联电路的分压特点可知,滑动变阻器两端的电压减小,即电压表的示数减小,故C错误;当拉力增大时,滑动变阻器接入电路中的电阻减小,电路中的电流增大,由P=UI=I2R可知,定值电阻R0消耗的电功率增大,故D错误。
15.(综合能力)(2020·广东)阅读下列短文,回答问题。
热敏电阻温度计
热敏电阻是用半导体材料制成的电阻,其阻值随温度的变化而变化,如图甲所示为某型号热敏电阻的实物图,阻值随温度升高而变小的,称为负温度系数热敏电阻;阻值随温度升高而变大的,称为正温度系数热敏电阻,利用热敏电阻的特性做成的温度计,叫做热敏电阻温度计。
如图乙所示为热敏电阻R1的阻值随温度t变化的图象(为方便计算,已将图线作了近似处理)。图丙是用R1做测温探头的某热敏电阻温度计的电路图,其中电源电压可在0.60~1.20 V之间调节,R2为定值电阻,阻值为100 Ω。该电路工作原理是:当保持通过R1的电流不变时,R1两端的电压随电阻均匀变化(即随温度均匀变化),故只需将电压表V1表盘的刻度改成相应的温度刻度,就可以直接从V1表盘上读出温度值。测量时,将R1放入待测温度处,闭合开关,调节电源电压,使V2表的示数保持0.20 V不变(即电路中的电流保持2 mA不变),再从V1表盘上读出待测温度t。
(1)热敏电阻R1是________(选填“正”或“负”)温度系数热敏电阻。在标准大气压下,将R1放入冰水混合物中时,R1的阻值是________ Ω。
(2)测温时,保持R2两端电压为0.20 V,R1两端的电压随温度升高而________(选填“变大”“变小”或“不变”)。
(3)某次测温时,V1表盘上显示的温度是20 ℃,此时电源电压为________ V。
(4)该热敏电阻温度计测量温度的范围为________ ℃。
答案 (1)负 520 (2)变小 (3)0.92 (4)2.5~40
解析 (1)由题图乙可知,热敏电阻R1的阻值随温度的升高而变小,为负温度系数热敏电阻;在标准大气压下,将R1放入冰水混合物中时,温度为0 ℃,热敏电阻R1的阻值为520 Ω。
(2)测温时,保持R2两端电压为0.20 V时,电路中的电流保持2 mA不变,
因热敏电阻R1的阻值随温度的升高而变小,
所以,由U=IR可知,R1两端的电压变小,即R1两端的电压随温度升高而变小。
(3)由题图乙可知,R1与t的关系为一次函数,设为R1=kt+b,
把t=0 ℃、R1=520 Ω和t=30 ℃、R1=280 Ω代入可得520 Ω=k×0 ℃+b,280 Ω=k×30 ℃+b,
联立等式可得k=-8 Ω/ ℃,b=520 Ω,则R1=-8(Ω/℃)×t+520 Ω,
当V1表盘上显示的温度是20 ℃时,R1=-8(Ω/℃)×20 ℃+520 Ω=360 Ω,
此时V1的示数U1=IR1=2×10-3 A×360 Ω=0.72 V,
因串联电路中总电压等于各分电压之和,
所以,此时电源电压U=U1+U2=0.72 V+0.20 V=0.92 V。
(4)由题意可知,电源电压可在0.60~1.20 V之间调节,
当电源的电压U′=0.60 V时,热敏电阻两端的电压U1′=U′-U2=0.60 V-0.20 V=0.40 V,
此时热敏电阻的阻值R1′===200 Ω,
由R1=-8(Ω/℃)×t+520 Ω可得t′=40 ℃;
当电源的电压U″=1.20 V时,热敏电阻两端的电压U1″=U″-U2=1.20 V-0.20 V=1.00 V,
此时热敏电阻的阻值R1″===500 Ω,
由R1=-8(Ω/℃)×t+520 Ω可得,t″=2.5 ℃,
所以,该热敏电阻温度计测量温度的范围为2.5~40 ℃。