半导体电学特性考题赏析

发布时间:2014-11-01    编辑:物理学法小组    来源:网络&投稿

现代电子技术的发展在很大程度上是由于半导体电子元件的开发和应用,半导体(如锗、硅、砷化镓等)有着特殊的性能,最基本的有三个:1.压敏性:半导体受到压力后其电阻发生较大的变化,因而人们利用这一特性研制了压敏元件;2.热敏性:半导体受热时电阻随温度的升高而迅速减小,它对微小的温度变化反应快、精确度高,因而人们利用这一特性制成了热敏元件;3.光敏性:半导体在光照下电阻大为减小,因而人们利用半导体这一特性制成了光敏元件。由于半导体的这些电学特性在自动控制方面的广泛应用,所以与之有关的试题便成了近年的中考试题的新宠,现分别举三例供参考。

例1(2003年常州市)近年来,我国汽车工业发展迅猛,各种新型汽车不断投放市场,它们均使用汽油做燃料并符合国际排放标准。

图(甲)所示为某新型汽车自动测定油箱内油面高度的电路原理图,其中电源电压恒为6V,R0为定值电阻,A为油量指示表(实质是一只量程为0—0.6A的电流表),Rx为压敏电阻(其电阻值随电阻表面受到的液体压强增大而减小)。关于压敏电阻Rx的阻值与所受液体压强的对应关系如下表所示:

Rx所受液体压强值/Pa

0

1420

2840

4260

5680

Rx对应的电阻值/Ω

45

27

15

5

2.5

(1)油箱是圆柱形容器,底面积为0.15m2,油箱内汽油高度达到60cm时油箱即装满,问此时油箱内汽油的质量为多少?此时汽油对油箱底部压敏电阻的压强为多大?(汽油密度为0.71×l03kg/m3,取g=10N/kg)

(2)油箱装满时,油量指示表的示数如图(乙)所示,求定值电阻R0的阻值。

(3)当油箱内汽油用空时,油量指示表的指针指向某一位置,求此位置所对应的电流值。

(4)为测试该汽车的油耗,将汽车油箱装满后,沿高速公路行驶300km路程,油量指示表的指针从“满”处向左逐渐偏转到“E”处,如图(丙)所示,问该汽车每行驶100km消耗汽油多少升?

解析:本题设计非常巧妙,将初中物理涉及到的力学与电学的知识融合到了一起,解题的关键是明白表中所给的压强值与电阻值的对应关系,它在解题中起到了将电学量与力学量联系起来的“桥梁”和“纽带”作用!

答案:(1)油箱装满时所盛汽油质量 m=ρV=0.71×103×0.15×0.6kg =63.9kg ;汽油对压敏电阻的压强值 p=ρgh=0.71×103×10×0.6 Pa=4260Pa ;

(2)由图乙看出油箱装满时油量表的示数为I=0.6A,这时电路中的总电阻R=Ω=10Ω,查表可得对应Rx的阻值为5Ω,所以定值电阻R0阻值为R0=R-Rx=10Ω-5Ω=5Ω;

(3)油箱空时,压敏电阻所受液体压强p=0,查表可知对应压敏电阻的阻值为Rx=45Ω,电路电阻R=Rx+ R0=5Ω+45Ω=50Ω,此时电路中的电流值为:I=A=0.12A

(4)当油量表的指针偏转到如图丙所示的位置时,其示数为I=0.3A,这时电路中的电阻Rx的值Rx-R0=(-5)Ω=15Ω ,查表可知对应汽油压强值为2840Pa,此时汽油深度h=m=0.4m ,行驶300km路程消耗汽油的体积为V=0.15m2×(0.6m-0.4m)=0.03m3=30L ,所以每100km消耗汽油的体积:L=10L。

例2(2004年常州)医院、宾馆等公共场所普遍使用高温高压蒸气消毒锅对物品消毒。图(甲)为自动测定锅内温度的电路原理图,其中R0为定值电阻,A为温度指示表(实质是一只量程为0~0.6A的电流表),Rx为热敏电阻(其电阻值随锅内温度变化而变化)。关于热敏电阻的阻值与温度的对应关系如下表所示:

锅内温度值/℃

25

37.5

50

62.5

75

87.5

100

112.5

125

Rx对应的电阻值/Ω

150

80

50

30

20

15

10

7

⑴若锅内温度为75℃时电流表指针指向0.24A;若锅内温度为112.5℃时电流表指针指向0.50A,如图(乙)所示,问电源电压U与定值电阻的阻值R0各是多少?

⑵若锅内温度为125℃时电流表指针指向0.60A,求此时热敏电阻Rx的阻值。

⑶高温高压蒸气消毒锅内温度与锅内气压的关系如下表所示

锅内温度值/℃

87.5

100

112.5

125

锅内气压值/Pa

1.8×105

2.0×105

2.5×105

3.3×105

为使高温高压蒸气消毒锅内温度不超过112.5℃,高压锅盖上有一限压阀,图(丙)为限压阀的原理图,限压阀由一直立圆柱形金属体和滤网形外套组成。当锅内气压超过一定限度,锅内高压气体将圆柱形金属体顶起,并对外排气减压,从而起到限压的作用。已知金属圆柱体的底面积S为0.2cm2,求金属体的质量。(外界大气压P0为1.0×105Pa,g取10N/kg)

解析:本题通过理解自动测定高温高压蒸气消毒锅内温度的电路图,体会温度指示表(实质是一只电流表)的原理。本题涉及的知识点同样非常多,有欧姆定律、电压、电流、电阻、温度、力的平衡、气体压强、压力、质量等。要求学生能认真阅读题意,分析表格数据,提取有用的信息,分析物理过程,比较归纳推理,找出解题方向,将学过的众多物理知识迁移运用到新的情景中去,学生解题的过程也就是一个学习的过程。

答案:(1)据题意可知:U=I1(Rx1+R0),U=I2(Rx2+R0),将I1=0.24A、Rx1=20Ω、I2=0.5A、Rx2=7Ω代入,联立解得电源电压U=6V,定值电阻R0=5Ω;

(2)据题意U=I3(Rx3+R0),此时热敏电阻阻值Rx3=U/I3-R0=5Ω;

(3)对于圆柱形金属体pS-p0S=mg,金属体质量m=(pS-p0S)/g,代入数据得m=0.3kg.

例3(2004年镇江市)如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图,其中A为发光仪器,B为水平传送带,由电动机带动做匀速直线运动。R1为光敏电阻,R2为定值电阻,R1、R2串联在电路中,电源电压保持不变.每当传送带上有易拉罐挡住由A射向R1的光线时,R1的电阻值就增大,计数器就计数一次。则:(1)当传送带上有易拉罐挡住由A射向R1的光线时,定值电阻R2两端的电压将________。(填“变大”、“变小”或“不变”)

(2)已知相邻的两个易拉罐中心之间的距离均为20cm,若计数器从易拉罐第一次挡住光线开始计时,到恰好计数101次共用时间40s,则传送带的速度为多少m/s?

解析:本题运用光敏电阻自动计数器进行易拉罐的自动计数,不仅综合考查了电阻的分压原理、运动学中的速度公式等物理知识,而且把物理知识与生产实际很自然地结合起来,真正体现出物理知识的运用价值,体现了现代科学技术的发展。

答案:(1)由题意可知,当传送带上有易拉罐挡住由A射向R1的光线时,R1的电阻值就增大,由于R1、R2是串联在电路中的,当R1电阻值增大,R1分得的电压就增大,R2两端的电压将变小;(2)由v=s/t=(101-1)×0.2m/40s=0.5m/s。

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