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2.2 热敏电阻

传感器及其在物理实验中的应用 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 热敏电阻是一种利用半导体材料电阻值随温度显著变化而工作的敏感元件。

从哪来 它建立在7.1 交变电流图像之上。 *注:此处需澄清逻辑关联。虽然热敏电阻本身是直流或静态元件,但在高二物理“传感器”章节中,常通过交变电流产生的焦耳热($Q=I^2Rt$)来改变热敏电阻温度,从而利用其阻值变化来检测或控制电流/电压的变化。理解交变电流的有效值及其热效应,是理解热敏电阻在交流电路或加热控制场景中应用的基础。*

为什么 热敏电阻通常由半导体材料(如锰、镍、钴的氧化物)制成。 1. 微观机制:半导体中载流子(电子和空穴)的浓度对温度极其敏感。 2. NTC(负温度系数):最常见类型。温度升高 $\rightarrow$ 晶格振动加剧,但同时激发出更多电子-空穴对 $\rightarrow$ 载流子浓度呈指数级增加 $\rightarrow$ 电阻率急剧下降 $\rightarrow$ 总电阻减小。 3. 对比金属:金属电阻随温度升高而增大(因为晶格散射增强占主导),而半导体中载流子数量增加的影响远大于散射增强,因此表现为电阻减小。

类比法:人群通过狭窄通道** * **适合学生
形象思维强、抽象逻辑稍弱的学生。 * 内容:把电阻比作“阻碍”,把载流子比作“人”。 * 金属导线像一条拥挤的走廊,温度升高(大家出汗、动作变大),互相碰撞更多,通过更困难(电阻变大)。 * 热敏电阻像一座平时锁着的门,温度升高(钥匙加热),门打开,涌出大量新人(载流子),通道瞬间变宽,通过变得极其容易(电阻变小)。
图像分析法:I-U 曲线斜率变化** * **适合学生
擅长数学图像分析、逻辑严密的学生。 * 内容: 1. 画出热敏电阻的 $I-U$ 图像。 2. 指出对于线性电阻,图像是过原点的直线,斜率 $k=1/R$ 恒定。 3. 对于 NTC 热敏电阻,随着电压升高,电流增大,发热功率 $P=UI$ 增大,温度升高。 4. 因为温度升高导致电阻减小,所以 $I-U$ 曲线不再是直线,而是向下弯曲(斜率逐渐增大,意味着 $1/R$ 增大,即 $R$ 减小)。 5. 结合前置知识“交变电流图像”,若接入交流电,有效值决定发热,进而决定平均阻值。
实验探究法:动态平衡思维** * **适合学生
动手能力强、喜欢探究因果关系的学生。 * 内容: 1. 搭建电路:电源、滑动变阻器、热敏电阻、电流表。 2. 操作:用手握住热敏电阻(模拟温度升高)。 3. 观察:电流表示数明显变大。 4. 推理:电源电压不变,电流变大 $\rightarrow$ 总电阻变小 $\rightarrow$ 热敏电阻阻值变小。 5. 结论:温度 $\uparrow$ $\rightarrow$ 电阻 $\downarrow$。 6. 进阶:若用吹风机冷风,电流变小,验证反向关系。
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练一道
基础题
一个 NTC 热敏电阻,在 $20^\circ\text{C}$ 时阻值为 $100\Omega$。当环境温度升高到 $50^\circ\text{C}$ 时,其阻值变为 $20\Omega$。若将其接入一个电压恒定为 $10\text{V}$ 的电路中,求温度升高前后通过热敏电阻的电流变化量。
变式
如图所示,电源电动势 $E=12\text{V}$,内阻 $r=1\Omega$,定值电阻 $R_0=9\Omega$。NTC 热敏电阻 $R_T$ 的阻值随温度升高而减小。当环境温度升高时,下列说法正确的是( ) A. 电压表示数增大 B. 电流表示数减小 C. 电源输出功率一定增大 D. 热敏电阻 $R_T$ 消耗的功率可能增大
试试手自己判
检测题
如图所示,电源电动势为 $E$,内阻为 $r$,$R_1$ 为定值电阻,$R_2$ 为 NTC 热敏电阻。当环境温度升高时,下列说法正确的是( ) A. 通过 $R_1$ 的电流减小 B. 路端电压增大 C. $R_2$ 两端的电压减小 D. 电源的总功率减小
看答案和判分标准
答案:C
判对标准:
1. 学生能正确判断出温度升高导致 $R_2$ 阻值减小。
2. 能推导出总电阻减小,总电流增大。
3. 能分析出 $R_1$ 和电源内阻 $r$ 上的电压降增大。
4. 最终得出 $R_2$ 两端电压 $U_2 = E - I(R_1+r)$ 减小的结论。
5. 若选 A、B、D 均判错,并需指出:A 错在电流应增大;B 错在路端电压 $U=E-Ir$ 应减小;D 错在总功率 $P=EI$ 应增大。
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