與半導體有關的非線性圖像電學試題例析

夏兆省

（朝暉中學 浙江 杭州 310014）

1 壓敏性的非線性圖像

【例1】傳感器是現代自動控制系統的重要器件之一，傳感器通常是將感應到的物理量信號轉換成電流（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，從實驗測得R與F的一組數據如表1所示.

表1 實驗測得的數據

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

（2）利用表中的數據或R－F的圖像，可得到的結論是____________.

分析：本題通過學生對表格中的數據的理解，再描繪圖像，通過圖像來得出結論，并通過壓力傳感器受到的壓力和電阻的關系.

解析：（1）根據表中的數據，描繪出的圖像如圖2所示.

（2）從描點繪圖可以得出的結論是：隨著壓力的增大，電阻逐漸減小（或隨著壓力的增大，電阻先減小得快，后減小得慢.）

圖2

點評：主要考查學生畫圖能力和利用圖像進行分析歸納總結得出結論的能力.

2 熱敏性的非線性圖像

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

圖3

（1）定值電阻R0的作用是什么？

（2）當環境溫度為20℃時，電流表的讀數為0.2A，求電源的電壓.

（3）電流表的讀數為0.4A時，求當時環境溫度和半導體電阻的電功率分別是多少.

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

解析：（1）保護電路作用；

（2）由電路圖R和R0串聯，當t＝20℃時，半導體電阻R＝50Ω.

從圖像知環境溫度是40℃，則

點評：主要考查了學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弱而改變.“光強”表示光的強弱程度的物理量，照射光越強，光強越大，光強符號用E表示，國際單位為坎德拉（cd）.實驗測得光敏電阻的阻值R與光強E間的關系如圖4所示，根據圖像解答下列問題：

圖4

（1）光敏電阻隨光強的增大而______，隨光強的減小而______.

（2）當光強為E1時，光敏電阻的阻值為R1；當光強為E2時，光敏電阻的阻值為R2，那么它們之間的關系式為（用E1和E2表示）.

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

A.電流表的讀數增大，光敏電阻兩端的電壓也增大

B.電流表的讀數增大，但光敏電阻兩端的電壓減小

C.電流表的讀數減小，但光敏電阻兩端的電壓增大

D.電流表的讀數減小，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，當光照強度為4.5cd時，電流表的讀數為0.5A.試求定值電阻R0的阻值.

圖5

分析：本題通過學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的增大而減小，隨光強的減小而增大；光敏電阻的阻值與光強成反比，所以；將光敏電阻R、定值電阻R0、電流表、開關和電源連接成如圖5所示電路.閉合開關，逐漸增大光敏電阻的光照強度，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小；當光照強度為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

點評：主要考查了學生讀圖能力和利用物理知識解決問題的能力.

綜上分析，學生對電阻與壓力、溫度、光強的非線性圖像接觸較少，遇到該類試題會產生心理恐慌.實際上，這些試題所涉及的知識仍然是圖像和文字、表格等信息的結合，解題時只要能夠讀懂題中提供的信息、圖像中橫坐標和縱坐標以及圖像中對應各點的含義，將題中信息和圖像信息結合起來，運用所學的電學等知識就能很好的解決問題，同時培養學生利用圖像進行分析歸納總結得出結論的能力和利用物理知識解決問題的能力.