與半導(dǎo)體有關(guān)的非線性圖像電學(xué)試題例析

夏兆省

（朝暉中學(xué) 浙江 杭州 310014）

1 壓敏性的非線性圖像

【例1】傳感器是現(xiàn)代自動控制系統(tǒng)的重要器件之一，傳感器通常是將感應(yīng)到的物理量信號轉(zhuǎn)換成電流（或電壓）信號，如：溫度傳感器、聲傳感器、光傳感器等.現(xiàn)有一壓力傳感器（可視為一個電阻）.其電阻R隨壓力F大小的變化而變化，從實(shí)驗(yàn)測得R與F的一組數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)

（1）根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在如圖1所示的R－F坐標(biāo)系中畫出電阻R隨壓力F變化的圖像.

（2）利用表中的數(shù)據(jù)或R－F的圖像，可得到的結(jié)論是____________.

分析：本題通過學(xué)生對表格中的數(shù)據(jù)的理解，再描繪圖像，通過圖像來得出結(jié)論，并通過壓力傳感器受到的壓力和電阻的關(guān)系.

解析：（1）根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，描繪出的圖像如圖2所示.

（2）從描點(diǎn)繪圖可以得出的結(jié)論是：隨著壓力的增大，電阻逐漸減?。ɑ螂S著壓力的增大，電阻先減小得快，后減小得慢.）

圖2

點(diǎn)評：主要考查學(xué)生畫圖能力和利用圖像進(jìn)行分析歸納總結(jié)得出結(jié)論的能力.

2 熱敏性的非線性圖像

【例2】半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，其電阻受溫度影響較大.如圖3（a）是某種半導(dǎo)體材料的電阻隨溫度變化的關(guān)系圖像.根據(jù)這種半導(dǎo)體材料電阻的特性，小明和他的同學(xué)設(shè)計了一個電路［如圖3（b）］，可以測定某一空間的溫度，使用的器材如下：半導(dǎo)體電阻、電源、電流表（0～0.6A）、開關(guān)、定值電阻R0（10Ω）、導(dǎo)線若干.

圖3

（1）定值電阻R0的作用是什么？

（2）當(dāng)環(huán)境溫度為20℃時，電流表的讀數(shù)為0.2A，求電源的電壓.

（3）電流表的讀數(shù)為0.4A時，求當(dāng)時環(huán)境溫度和半導(dǎo)體電阻的電功率分別是多少.

分析：本題考查學(xué)生對電阻與溫度的圖像的理解.第（2）問當(dāng)環(huán)境溫度為20℃ 時，從圖中可以找到對應(yīng)的電阻為50Ω，利用串聯(lián)電路電壓的特點(diǎn)算出電源的電壓.第（3）問電流表的讀數(shù)為0.4A時，利用串聯(lián)電路的特點(diǎn)和歐姆定律算出半導(dǎo)體電阻，從圖像中找到對應(yīng)的溫度.

解析：（1）保護(hù)電路作用；

（2）由電路圖R和R0串聯(lián)，當(dāng)t＝20℃時，半導(dǎo)體電阻R＝50Ω.

從圖像知環(huán)境溫度是40℃，則

點(diǎn)評：主要考查了學(xué)生讀圖能力和利用物理知識解決問題的能力.

3 光敏性的非線性圖像

【例3】光敏電阻的阻值隨光照射的強(qiáng)弱而改變.“光強(qiáng)”表示光的強(qiáng)弱程度的物理量，照射光越強(qiáng)，光強(qiáng)越大，光強(qiáng)符號用E表示，國際單位為坎德拉（cd）.實(shí)驗(yàn)測得光敏電阻的阻值R與光強(qiáng)E間的關(guān)系如圖4所示，根據(jù)圖像解答下列問題：

圖4

（1）光敏電阻隨光強(qiáng)的增大而______，隨光強(qiáng)的減小而______.

（2）當(dāng)光強(qiáng)為E1時，光敏電阻的阻值為R1；當(dāng)光強(qiáng)為E2時，光敏電阻的阻值為R2，那么它們之間的關(guān)系式為（用E1和E2表示）.

（3）將光敏電阻R、定值電阻R0、電流表、開關(guān)和電源連接成圖5所示電路.閉合開關(guān)，逐漸增大光敏電阻的光照強(qiáng)度，那么______.（填正確答案的序號）

A.電流表的讀數(shù)增大，光敏電阻兩端的電壓也增大

B.電流表的讀數(shù)增大，但光敏電阻兩端的電壓減小

C.電流表的讀數(shù)減小，但光敏電阻兩端的電壓增大

D.電流表的讀數(shù)減小，光敏電阻兩端的電壓也減小

（4）在圖5電路所示電路中，電源電壓為6V，當(dāng)光照強(qiáng)度為4.5cd時，電流表的讀數(shù)為0.5A.試求定值電阻R0的阻值.

圖5

分析：本題通過學(xué)生對電阻與光照的圖像的理解.由圖像可知光敏電阻隨光強(qiáng)的增大而減小，隨光強(qiáng)的減小而增大；光敏電阻的阻值與光強(qiáng)成反比，所以；將光敏電阻R、定值電阻R0、電流表、開關(guān)和電源連接成如圖5所示電路.閉合開關(guān)，逐漸增大光敏電阻的光照強(qiáng)度，那么光敏電阻的阻值將減小，電路中的電流增大，電流表的讀數(shù)增大，定值電阻R0兩端的電壓增大，電源電壓不變，所以光敏電阻兩端的電壓減??；當(dāng)光照強(qiáng)度為4.5cd時，光敏電阻R光＝4Ω，兩端電壓

定值電阻兩端電壓

定值電阻

定值電阻兩端電壓

定值電阻

點(diǎn)評：主要考查了學(xué)生讀圖能力和利用物理知識解決問題的能力.

綜上分析，學(xué)生對電阻與壓力、溫度、光強(qiáng)的非線性圖像接觸較少，遇到該類試題會產(chǎn)生心理恐慌.實(shí)際上，這些試題所涉及的知識仍然是圖像和文字、表格等信息的結(jié)合，解題時只要能夠讀懂題中提供的信息、圖像中橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)以及圖像中對應(yīng)各點(diǎn)的含義，將題中信息和圖像信息結(jié)合起來，運(yùn)用所學(xué)的電學(xué)等知識就能很好的解決問題，同時培養(yǎng)學(xué)生利用圖像進(jìn)行分析歸納總結(jié)得出結(jié)論的能力和利用物理知識解決問題的能力.