题目内容

16.如图甲所示为某型号光照变阻器的结构图,AB为一条长10cm、阻值为50Ω且阻值均匀的薄膜电阻,EF为一条导电电极(相当于导线,不计其电阻),在AB、EF之间铺设一层光导电层(无激光照射时为绝缘体),当激光束照射到薄膜电阻和导电电极之间某点时,被照射处的光导电层导电,将该点处的薄膜电阻和导电电极接通,A、B、C为接线柱,由于温室效应导致全球气候变暖,两级冰雪加速熔化,小明想利用该光照变阻器设计一个检测冰山高度的装置,设计电路如图乙所示:在冰山顶上放置一激光源,由其射出的激光束水平照射到光照变阻器上,已知电源电压为4.5V,电压表的量程为0~3V.

(1)闭合开关,当冰山高度下降时,电压表示数将如何变化?为了保护电压表,定值电阻R0的阻值至少多大?
(2)若R0=40Ω,当冰山下降4cm时,电压表的示数是多少?R0消耗的功率多大?
(3)若将电压表改成冰山下降高度显示仪,该高度显示装置的不足之处是能显示的冰山变化的高度太小,只有10cm(请说出其中一点).

分析 (1)当冰山高度下降时,接入电路中的光敏电阻阻值变大,电路电流变小,定值电阻R0电压变小,与之串联的光敏电阻电压变大,电压表示数变大.当光敏电阻电压为3V时,定值电阻的阻值最小,由欧姆定律求出定值电阻的最小值.
(2)先求出冰山下降4cm时光敏电阻接入电路的电阻值,然后由欧姆定律I=$\frac{U}{R}$求出电路电流I,电压表测量光照变阻器两端的电压,利用公式U=IR求出电压表示数,最后由P=I2R求R0消耗的功率.
(3)光敏电阻AB总长为10cm,如果按小明的设计,则它的测量范围太小,所能测的冰山消融的高度太小,实际应用价值不大.

解答 解:(1)由题意知,电源电压U不变.由图知当冰山高度下降时,接入电路中的光敏电阻阻值R变大,所以电路的总电阻R总变大,由I=$\frac{U}{R}$知电路电流I变小,则R0的电压UR0=IR0变小,光敏电阻电压,即电压表示数UR=U-UR0变大.
当激光照射在光敏电阻最下端,光敏电阻接入电路阻值R=50Ω时,电表示数最大,为不损毁电压表则最大电压为3V,此时电路电流I=$\frac{{U}_{V}}{R}$=$\frac{3V}{50Ω}$=0.06A,定值电阻的电压UR0=4.5V-3.0V=1.5V,由欧姆定律得定值电阻阻值R0=$\frac{{U}_{R0}}{I}$=$\frac{1.5V}{0.06A}$=25Ω.
(2)当冰山下降4cm时,光敏电阻接入电路的阻值R'=$\frac{50Ω}{10cm}$×4cm=20Ω,此时电路电流I'=$\frac{U}{{R}^{′}{+R}_{0}}$=$\frac{4.5V}{20Ω+40Ω}$=0.075A.电压表示数为U′=I′R′=0.075A×20Ω=1.5V;此时R0消耗的功率P=I'2R0=(0.1A)2×40Ω=0.4W.
(3)由题意知光敏电阻的长度为10cm,如果按小明的设计测冰山下降的高度,它能显示的冰山变化的高度太小,只有10cm.
答:(1)闭合开关,当冰山高度下降时,电压表示数将变大,为了保护电压表,定值电阻R0的阻值至为25Ω.
(2)若R0=40Ω,当冰山下降4cm时,电压表的示数是1.5V;R0消耗的功率为0.4W;
(3)能显示的冰山变化的高度太小,只有10cm.

点评 本题是一道应用性的创新题,难度较大.本题把课堂所学的电路分析、欧姆定律、电功率的公式用来解决现实问题,学以致用,符合新课标要求,是一道好题.

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