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2.3 金属热电阻

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 金属热电阻是利用金属导体电阻随温度升高而增大的特性制成的温度传感器。

从哪来 本知识点建立在7.1 交变电流图像所体现的“物理量随时间/状态连续变化”的函数思维之上,将电阻视为随温度变化的动态变量,而非恒定值。

为什么 金属导体中,电阻主要由自由电子定向移动时与晶格离子的碰撞决定。 1. 微观机制:温度升高,金属晶格离子热运动加剧,振幅增大,导致自由电子在定向移动过程中受到的散射(碰撞)频率增加。 2. 宏观表现:电子运动受阻程度加大,宏观上表现为电阻率 $\rho$ 增大,进而导致电阻 $R$ 增大。 3. 线性关系:在较大温度范围内,金属电阻与温度近似呈线性关系 $R_t = R_0(1 + \alpha t)$,其中 $\alpha$ 为温度系数,这使得其读数直观且稳定。

生活类比法
适合形象思维强、抽象逻辑较弱的学生。 将金属导线比作“拥挤的街道”,自由电子是“行人”。温度低时,街道两旁的人(晶格离子)站得稳,行人走得快(电阻小);温度高时,两旁的人乱晃(热运动加剧),行人容易撞到人,走得慢(电阻大)。强调“乱晃”导致“通行难”。
微观机理推导法
适合逻辑严密、喜欢探究本质的学生。 从电阻定律 $R = \rho \frac{L}{S}$ 入手,指出 $L$ 和 $S$ 随温度变化极小(热胀冷缩影响远小于电阻率变化),核心在于 $\rho$。引入能带理论简述:金属中自由电子浓度基本不变,但平均自由程因晶格振动散射而缩短,导致迁移率下降,电阻率上升。
对比辨析法
适合容易混淆概念、需要区分细节的学生。 将金属热电阻与半导体热敏电阻(NTC)对比。 - 金属:温度 $\uparrow$ $\rightarrow$ 晶格振动 $\uparrow$ $\rightarrow$ 散射 $\uparrow$ $\rightarrow$ 电阻 $\uparrow$。 - 半导体:温度 $\uparrow$ $\rightarrow$ 载流子浓度 $\uparrow\uparrow$ $\rightarrow$ 导电能力 $\uparrow$ $\rightarrow$ 电阻 $\downarrow$。 通过对比“主导因素”(散射 vs 载流子浓度),强化对金属热电阻“正温度系数”的理解。
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练一道
基础题
某金属热电阻在 $0^\circ\text{C}$ 时阻值为 $100\,\Omega$,温度系数 $\alpha = 0.004\,^\circ\text{C}^{-1}$。求当温度为 $50^\circ\text{C}$ 时,该电阻的阻值是多少?
变式
将上述金属热电阻接入一个由电源(电动势 $E=6\text{V}$,内阻不计)、定值电阻 $R_0=100\,\Omega$ 和电流表组成的串联电路中。若电流表示数为 $0.025\text{A}$,求此时金属热电阻的温度。(已知 $R_0$ 在 $0^\circ\text{C}$ 时为 $100\,\Omega$,$\alpha = 0.004\,^\circ\text{C}^{-1}$)
试试手自己判
检测题
一个金属热电阻在 $20^\circ\text{C}$ 时阻值为 $100\,\Omega$。已知其温度系数 $\alpha = 0.004\,^\circ\text{C}^{-1}$。若将其放入 $100^\circ\text{C}$ 的水中,其阻值变为多少?
看答案和判分标准
答案:$132\,\Omega$
判对标准:
1. 正确识别参考温度为 $20^\circ\text{C}$,而非默认的 $0^\circ\text{C}$。
2. 正确计算温差 $\Delta t = 100 - 20 = 80^\circ\text{C}$。
3. 正确应用公式 $R_t = R_{20}(1 + \alpha \Delta t) = 100(1 + 0.004 \times 80) = 100(1 + 0.32) = 132\,\Omega$。
若学生直接代入 $t=100$ 算出 $140\,\Omega$,则判定为未掌握参考温度概念。
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