大学物理实验教案
实验名称：应用计算机测定热敏电阻的温度特性
1 实验目的
1. 熟悉Pasco 科学工作室软件环境。
2. 掌握非线性特性传感器的科学工作室数据采集方法。
3. 掌握曲线拟合方法确定待定系数。
4.
了解热敏电阻的温度特性。
2 实验仪器
计算机 500型科学工作室接口 恒流源 温度传感器 电压传感器 加热装置
3 实验原理
3.1 热敏器件
大多数材料的电阻率都与温度有关系，有的随温度的变化不明显，有的却非常敏感。对温度变化敏感的材料通常用来制作温度传感器的热敏器件。常见的热敏器件有用半导体材料做成的半导体热敏电阻和用金属材料（铂或铜）做成的热电阻。半导体热敏电阻其电阻率随温度的升高而急剧下降。金属材料做成的热电阻的电阻率随温度升高而缓慢地升高。图28-1表示热敏电阻与普通金属电阻的不同温度特性。热敏电阻对于温度变化的反应要比金属电阻
灵敏的多，热敏电阻的体积也可以做的很小，用它来制成的半导体温度计，已广泛地使用在工业控制和科学仪器中，并在物理、化学和生物学研究等方面得到广泛应用。
3.2 热敏器件的特性
3.2.1 半导体热敏电阻特性
在一定的温度范围内，对于负温度型的半导体热敏电阻的电阻率ρ和温度T 之间有如下关系：
T
B e A /1=ρ (1)
式中1A 和B 是材料物理性质有关的常数，T 为绝对温度。 对于粗细均匀的热敏电阻材料， 由于
T l
R S
ρ
= (2)
T R 的单位为Ω；ρ单位为 m ⋅Ω；l 为材料的长度，单位为m ；S 为横截面积，单位为2m 。
将式（1）代入式（2），令
S l
A A 1
=，于是可得 T
B T Ae R /= （3）
对一定的电阻而言，A 和B 均为常数。对式（3）两边取对数，则有
A T B
R T ln 1
ln += （4）
可见T R ln 与T 1
成线性关系。在实验上通过测出器件的电阻T R 随温度T 的变化特性来确定系数A 值，可得到T R 的特性表达式。
3.2.2 金属热电阻特性
大部分金属热电阻的特性在小温度范围内是线性的。如果温度范围进一步扩大时为非
线性关系，（5）式给出铂电阻在0—600C 0
范围内的特性，即
)1(20T T βαρρ++= （5）
式中α、β称温度系数。
3.3 实验方法
本实验通过电加热的方法提供一个温度可以变化的热源，利用精确的温度传感器测量温度。把待测电阻置于热源中，并利用恒流源给待测电阻维持一个恒定的电流，通过自定义电阻传感器来测量电阻。温度传感器以及电阻传感器感测到的信号分别输入到500型科学工作室接口上，通过串行口与计算机连接，对电阻随温度变化的数值进行实时采集。计算机软件对数据进行处理，显示测量结果。
图 28-2 温度特性测定示意图
3.3.1 温度测量方法
温度测量采用美国PASCO 公司提供的温度传感器，其温度输入与电压输出的关系式为
15.273)36000(ln 10144.136000ln 10045.210253.81
3
744
-⨯+⨯+⨯=
---V V T （5）
根据（5）式，利用科学工作室的“实验计算机”功能，可以获得温度的实时测量。
3.3.2 电阻测量方法
电阻测量的方法是，利用恒流源给电阻通上一个不随电阻变化的恒定电流I ，这样如果电阻随温度变化时，电阻两端的电压随之变化，即
IR V = 或
I V
R =
（6）
根据（6）式，便可以应用科学工作室的“用户自订传感器”的功能进行电阻测量。 4 教学内容
1．简要讲解实验原理（半导体热敏电阻与铂电阻随温度的升高而体现出不同的性质）。 2．介绍有关仪器及其使用方法（温度传感器与电压传感器的使用），在讲解科学工作室的使用时结合提问题检查学生的预习情况，让学生学会用实验计算机来设定非线性输入输出的用户自定义传感器的各项参数。
3．讲解实验操作要领及操作难点。
①恒流源的恒定电流I =2.5mA ，不宜太大太小，恒流源不宜空载，在更换电阻时，一定要关闭电源开关。加热过程中要保证传感器探头、电阻与加热器接触良好。
②用投影仪边演示边让学生学习使用500型科学工作室，操作上要注意软件的接口连接及设置。以及在采集衍射光强图案时，应做到动作均匀、缓慢。
4．检查学生实验状况及测量结果，并给出相应的评定结果。 5．根据标准评分批改实验报告并给出成绩。
5 实验教学组织及教学要求
1． 教学组织
1） 检查学生的预习实验报告，同时给学生5-10分钟时间熟悉仪器，对本实验有
一定的感性认识。
2） 讲解实验要点及注意事项，同时以提问的方式检查学生的预习情况，加深学生
对实验原理的理解。
表一 铂电阻温度特性数据测量I=2.5mA
3） 随时注意学生的实验操作过程，及时指导解决学生实验中出现的突发情况。 4） 检查每个学生的实验数据，记录实验情况。 2． 教学要求
1） 了解半导体热敏电阻与铂电阻随温度的升高而体现出不同的性质。 2） 培养学生运用计算机进行综合物理实验的能力。
3） 培养学生会使用500型科学工作室，会用实验计算机来设定非线性输入输出的
用户自定义传感器的各项参数。
6 实验教学重点及难点
1． 重点：半导体热敏电阻与铂电阻的温度特性。
2． 难点：熟练使用500型科学工作室，会用实验计算机来设定非线性输入输出的用户
自定义传感器的各项参数。
7 实验中容易出现的问题
1） 实验计算机中的公式输入。 2） 传感器的各项设置。
3） 与加热器的各接触点不够紧密。
8 实验参考数据
.
649.3416.48671
.176448.29864.77911.1101582.1278==--=∆∆=
T R k (Ω/℃)
3
101.43005
.02322-⨯=⨯=∆==m B R U U （Ω）
3
101.43
005
.023
22-⨯=⨯=
∆=
=m T T U U （℃）
5
2
32
32
2
109.8416.48101.4671.176101.4---⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=⎪⎭⎫
⎝⎛∆+⎪⎭⎫ ⎝⎛∆=T U R U E T R k
4
5104109.8649.3--⨯=⨯⨯==k k kE U (Ω/℃)
%009.0)(001.0649.3=︒Ω
±=±=k k E C U k k (P=0.683)
9 实验结果检查方法
检查采集到的半导体热敏电阻值与铂电阻值随温度变化分布图是否合理。
10 课堂实验预习检查题目
1） 学生预习报告是否完整（实验项目、实验目的、实验原理、实验步骤、记录表格等）； 2） PASCO 科学工作室的有关设置及使用。
3） 实验注意事项；如：加热后的铜柱不能用手直接接触,避免烫伤手等。
11 思考题
1） 半导体热敏电阻与铂电阻有什么不同？
T （℃） R （Ω） a 1(Ω/℃) 2a (Ω/℃) 29.448 1101.911 995.01892 3.65577 77.864 1278.582 {
