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5.半导体材料的导电能力介于导体和绝缘体之间,其电阻受温度影响较大,如图甲是某种半导体材料的电阻随温度变化的关系图象,根据这种半导体材料电阻的特性,罗兵和他的同学设计了一个电路(如图乙),可以测得某一空间的温度,使用的器材如下:半导体电阻、电源、电流表(0~0.6A)、开关、定值电阻R0(10Ω)、导线若干.

(1)定值电阻R0的作用是什么?
(2)当环境温度为20℃时,电流表的读数为0.2A,求电源的电压.
(3)电流表的读数为0.4A,求当时环境温度和半导体电阻的电功率分别是多少?
(4)当环境温度为100℃时,半导体电阻在10s内所消耗的电能是多少?

分析 (1)如果没有定值电阻的话,则当半导体电阻越来越小的时候,电路中的电流就会越来越大,可能会烧坏电流表;
(2)由图象找出t=20℃时半导体电阻的阻值,根据电阻的串联和欧姆定律求出电源的电压;
(3)根据欧姆定律求出电流表读数为0.4A时电路中的总电阻,利用电阻的串联求出半导体的电阻,然后由图象读出环境的温度,根据P=I′2 R′求半导体的功率;
(4)由图象可知环境温度为100℃时半导体的电阻,根据电阻的串联和欧姆定律求出电路中的电流,再根据P=I2Rt求出半导体电阻的电功率.

解答 解:(1)由图可知,半导体电阻R与定值电阻R0串联,当半导体电阻越来越小的时候,根据欧姆定律可知,电路中的电流越来越大,应该给电路中串联一个定值电阻,这样就可以防止电路中的电流过大而烧坏仪表;
(2)由图象可知,温度为20℃时,半导体电阻阻值R=50Ω,
因为串联电路中总电阻等于各分电阻之和,
所以由欧姆定律可得,电源的电压:
U=I(R+R0)=0.2A×(50Ω+10Ω)=12V;
(3)当电流表的示数I′=0.4A时,电路总电阻:
R=$\frac{U}{I′}=\frac{12V}{0.4A}$=30Ω,
半导体电阻的阻值:
R′=R-R0=30Ω-10Ω=20Ω,
由R-t图象知,半导体电阻为20Ω时,环境温度是40℃;
半导体电阻的电功率P=I′2 R′=(0.4A)2×20Ω=3.2W;
(4)由图象可知,温度为100℃时,半导体电阻阻值R″=10Ω,根据串联电阻的规律及欧姆定律,
电路中的电流:I″=$\frac{U}{R″{+R}_{0}}=\frac{12V}{10Ω+10Ω}$=0.6A,
半导体在10s内所消耗的电能WR″=(I″)2R″t=(0.6A)2×10Ω×10s=36J.
答:(1)定值电阻R0的作用是保护电路作用;
(2)电源的电压为12V;
(3)电流表的读数为0.4A时,环境温度为40℃;半导体电阻的电功率分别是3.2W;
(4)如果环境温度为100℃,半导体电阻的电功率是36J.

点评 本题结合实际,考查了学生的识图能力与欧姆定律的应用,根据图象获取有效信息是解题的关键.

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