新教材2023~2024学年高中物理 5.1 常见传感器的工作原理课件 (3份打包)鲁科版选择性必修

新教材2023~2024学年高中物理 5.1 常见传感器的工作原理课件（3份打包）鲁科版
选择性必修第二册
(共52张PPT)
第5章
第1节常见传感器的工作原理
学习目标思维导图
1.知道什么是传感器,感受传感器的作用和意义。

(物理观念)
2.知道光敏元件、热敏元件和磁敏元件,了解它们的用途。

(科学思维)
3.知道非电学量转换成电学量的技术意义。

(科学思维)
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
目录索引
学以致用·随堂检测全达标
基础落实·必备知识全过关
一、初识传感器
1.传感器:能够感受,并将其按照一定的规律转换成
(主要是)的器件或装置。

2.传感器功能:传感器通常用在自动测量和自动控制系统中,担负着信息
和任务,把量转化为量。

想一想为什么传感器一般都是将感受到的非电学量转换成电学量呢
外界信息
可用输出信号
电信号
采集
转化
非电学
电学
提示电学量具有易测量,易控制,测量精度和速度较高,易放大、反馈、存储和可远距离传输等特点。

特别是电信号能方便地与计算机连接而进行信息处理,所以传感器一般都是将感受到的非电学量转换成电学量。

二、敏感元件
1.光敏元件
(1)特点:光照越强,电阻。

(2)原因:光敏电阻的构成物质为半导体材料。

当光照射到这些半导体物质上时,会激发半导体内部受束缚的电子,其电阻值就会发生改变。

光照越强,被激发的电子数就,电阻值就。

越小
越多
越小
2.热敏元件
(1)热敏电阻
热敏电阻是利用半导体的电阻会随温度的变化而变化的特性制成的。

(2)两种热敏电阻:在工作温度范围内,电阻值随温度升高而的是正温度系数(PTC)热敏电阻;电阻值随温度升高而的是负温度系数(NTC)热敏电阻。

3.磁敏元件
(1)霍尔元件是根据材料的效应制成的一种磁敏元件。

(2)霍尔元件可将的测量转化为的测量。

增大
减小
半导体
霍尔
磁感应强度
电压
想一想热敏电阻和金属热电阻都能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量吗
提示热敏电阻和金属热电阻都能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。

易错辨析判一判
(1)传感器的作用是将电学量转换为非电学量。

()
(2)监测天气变化的气象卫星用到了传感器。

()
(3)所有传感器的工作原理都一样。

()
(4)传感器内部一定有某种转换元件。

()
×
提示传感器的作用是将非电学量转换为电学量。

√
×
提示不同的传感器的原理不同,但都是通过敏感元件把非电学量的变化转变为电学量的变化。

√
即学即用练一练
1.下列有关传感器的说法正确的是()
A.话筒是一种常用的声传感器,其作用是将电信号转换为声信号
B.楼梯口的电灯开关装的两种传感器是热敏电阻和光敏电阻
C.电子秤所使用的测力装置是力传感器
D.半导体热敏电阻常用作温度传感器,因为温度越高,它的电阻值越大C
解析话筒是一种常用的声传感器,其作用是将声信号转换为电信号,故A错误;楼梯口的电灯开关装的两种传感器是声敏电阻和光敏电阻,故B错误;电子秤所使用的测力装置是压力传感器,故C正确;有些半导体热敏电阻的阻值随温度的升高而降低,故D错误。

2.传感器已广泛应用在生产、生活中,下列关于传感器的说法正确的是
()
A.火警报警器使用了压力传感器
B.冰箱控温系统使用了温度传感器
C.商场里的自动门使用了光传感器
D.夜间自动打开的路灯使用了温度传感器
B
解析火警报警器使用了温度传感器,故A错误;冰箱控温系统使用了温度传感器,故B正确;一般人体都有恒定的体温,所以会发出特定波长的红外线,被动式红外探头就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的,人走向门口时,门会自动打开,是因为安装了红外线传感器,从而能感知红外线,使门打开,故C错误;灯要求夜晚亮、白天熄,而白天有光,黑夜没有光,所以夜间自动打开的路灯是利用光电传感器,故D错误。

重难探究·能力素养全提升
探究一初识传感器
情境探究
为解决楼道里的照明问题,在楼道内安装一个传感器与控制电灯的电路连接。

当楼道内有人走动而发出声响时,电灯即与电源接通而发光。

(1)这种传感器是什么传感器
(2)它的输入信号是什么
(3)它的输出信号是什么
要点提示(1)这种传感器是声电传感器。

(2)它输入的是声信号。

(3)输出的是电信号。

知识归纳
1.传感器感受的通常是非电学量,如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等,而它输出的通常是电学量,如电压、电流、电荷量等,这些输出信号是非常微弱的,通常要经过放大后再输送给控制系统产生各种控制动作。

2.传感器的工作原理如下所示:
非电学量→电学量
闪光语录传感器的发展十分迅速,其品种已达数万种,我们学习了解的只是最基本的几种而已。

应用体验
典例1传感器可以进行信息采集并把采集到的信息转换为易于控制的量,其工作过程可能是()
A.将力学量(如形变量)转换成磁学量
B.将电学量转换成热学量
C.将光学量转换成电学量
D.将电学量转换成力学量
C
解析传感器是指能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量,并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量或转换为控制电路的通断的一类元件,故只有C项正确。

针对训练1
(2023广东东莞东华高级中学模拟)电容式传感器的原理图如图所示,其中某个量的变化能够引起电容的变化,现通过测定电容就可以确定上述物理量的变化。

下列说法正确的是()
A.传感器是通过电容的变化确定液面高度的变化
B.传感器是通过电容的变化确定电介质厚度的变化
C.液面升高,则电容器的介电常数变大
D.液面升高,则电容器的正对面积变小
A
解析由传感器原理图可知,液体高度变化,引起电容器的正对面积变化,从而引起电容的变化,A项正确,B项错误;电容器的介电常数由材料决定,液面升高,电容器的介电常数不变,C项错误;液面升高,电容器的正对面积变大,D项错误。

探究二光敏元件
情境探究
在工厂生产车间的生产线上安装计数器后,就可以准确得知生产产品的数量。

如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图,其中R1为光敏电阻,R2为定值电阻。

(1)当光被产品挡住时,R1电阻怎样变化
(2)当光被产品挡住时,电路中电流怎样变化
(3)当光被产品挡住时,R2两端电压怎样变化
(4)此光电计数器为什么能计数
要点提示(1)增大。

(2)减小。

(3)减小。

(4)R2两端电压减小,信号处理系统得到低电压,每通过一个产品就获得一次低电压,并计数一次。

知识归纳
1.光敏电阻的导电特性:光敏电阻一般由半导体材料做成,当半导体材料受到光照时,会有更多的电子获得能量成为自由电子,于是导电性能明显增强。

2.光敏电阻特性验证实验设计
(1)实验器材:光敏电阻、多用电表、导线、开关。

(2)实验步骤
①用多用电表欧姆挡两表笔与光敏电阻两端连接,测光敏电阻的阻值,如图所示;
②手张开(或用黑纸)放在光敏电阻上,挡住部分光线,再测光敏电阻的阻值;
③全部挡住光线,再测光敏电阻的阻值。

(3)实验结论:光敏电阻的阻值随光照强度的减弱而增大,而且阻值的变化是非线性的。

闪光语录由光敏电阻的特性曲线可以看出,当入射光线增强时,光敏电阻的阻值减小,流过光敏电阻的电流增大。

应用体验
典例2(多选)如图所示是用光敏电阻LDR和灯泡制成的一种简易水
污染指示器,下列说法正确的是()
A.严重污染时,LDR是高电阻
B.轻度污染时,LDR是高电阻
C.无论污染程度如何,LDR的电阻不变,阻值大小由材料本身因素决定
D.该仪器的使用会因为白天和晚上受到影响
AD
解析严重污染时,透过污水照到LDR上的光线较少,LDR电阻较大,A正确,B错误;LDR由半导体材料制成,受光照影响电阻会发生变化,C错误;白天和晚上自然光强弱不同,或多或少会影响LDR的电阻,D正确。

规律方法光敏电阻的特点
1.光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。

2.光敏电阻器是利用半导体的光敏效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器。

入射光增强,电阻减小;入射光减弱,电阻增大。

针对训练2
(多选)如图所示是某居住小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置,R1为光敏电阻、R2为定值电阻,A、B接监控装置,则()
A.当有人通过而遮住光线时,A、B之间电压升高
B.当有人通过而遮住光线时,A、B之间电压降低
C.当仅增大R2的阻值时,可增大A、B之间的电压
D.当仅减小R2的阻值时,可增大A、B之间的电压
BC
解析R1是光敏电阻,当有人通过而遮住光线时,R1的阻值变大,回路中
的电流I减小,A、B间的电压U=IR2减小,故A项错误,B项正确;由闭合电路欧姆定律得U=E-I(R1+r),当仅增大R2的阻值时,电路中的电流减小,A、B间的电压U增大,故C项正确;当减小R2的阻值时,电路中的电流增大,A、B间的电压U减小,故D项错误。

探究三热敏元件
情境探究
如图所示,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT(温度升高,电阻减小)的两端相连,这时表针恰好指在刻度盘的正上都。

(1)若在RT上擦一些酒精,表针将如何偏转
(2)若用吹风机将热风吹向热敏电阻,表针将如何偏转
要点提示(1)由于酒精蒸发,热敏电阻RT温度降低,电阻
值增大,表针将向左偏;
(2)用吹风机将热风吹向热敏电阻,热敏电阻RT温度升高,电阻值减小,表针将向右偏。

知识归纳
1.热敏电阻:指用半导体材料制成,电阻值随温度变化发生明显变化的电阻。

如图线①所示为某热敏电阻的电阻—温度特性曲线。

2.金属热电阻:有些金属的电阻率随温度的升高而增大,如图线②所示,这样的电阻也可以制作温度传感器。

热敏电阻或金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量,但相比而言,金属热电阻的化学稳定性好,测温范围大,而热敏电阻的灵敏度较好。

3.光敏电阻、热敏电阻特点对比
元件特点
光敏电阻半导体材料受到的光照增强时,会有更多的电子获得能量成为自由电子,于是导电性明显地增强,电阻减小
热敏电阻对于负温度系数的热敏电阻,温度升高时,有更多的电子获得能量成为自由电子,于是导电性明显地增强,电阻减小
闪光语录热敏电阻与金属热电阻的区别
元件热敏电阻金属热电阻
特点电阻随温度的变化而变化且非常明显电阻率随温度的升高而增大
制作材料半导体金属导体
优点灵敏度好化学稳定性好,测温范围大
作用能够将温度这个热学量转换为电阻这个电学量
应用体验
典例3如图所示是一火警报警器的一部分电路示意图,其中RT为用半导体热敏电阻(阻值随温度的升高而减小)制成的传感器,电流表为值班室的显示器,a、b之间接报警器。

当传感器RT所在处出现火情时,显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是()
A.I变大、U变大
B.I变小、U变小
C.I变小、U变大
D.I变大、U变小
B
解析当RT处出现火情时,热敏电阻的阻值将减小,则此时电路中的总
电阻减小,由闭合电路欧姆定律可知,电路中的总电流增大,路端电压将减小,所以R1两端的电压增大,并联部分的电压减小,通过R2的电流I变小,所以显示器的电流I变小,报警器的电压U变小,故选B。

规律方法含有热敏电阻的电路的动态分析顺序
针对训练3
如图所示,R为定值电阻,RT为负温度系数的热敏电阻,L为小灯泡,当温度降低时()
A.R两端的电压增大
B.电流表的示数增大
C.小灯泡的亮度变亮
D.小灯泡的亮度变暗
C
解析RT与小灯泡并联后再与R串联,和电源构成闭合电路,当温度降低时,热敏电阻RT的阻值增大,外电路电阻增大,电流表示数变小,R两端电压减小,小灯泡两端电压增大,小灯泡亮度变亮,故C正确,A、B、D 错误。

探究四磁敏元件
情境探究
霍尔效应是电磁效应的一种,这一现象是米国物理学家霍尔于1879年在研究金属的导电机制时发现的。

霍尔元件是磁传感器,是实际生活中的重要元件之一。

如图所示为长度一定的霍尔元件,在该元件中通有方向从E到F的恒定电流I,现在空间加一竖直向下的匀强磁场,磁感
应强度大小为B,其中元件中的载流子为带负电的电荷。

(1)霍尔元件能够把磁学量转换为什么量
(2)左、右表面的电势哪个表面高
(3)如果用该元件测赤道处的磁场,保持平面呈水平状态有电压产生吗
(4)如果在霍尔元件中的电流大小不变,则左右表面的电势差与磁场的磁感应强度成正比吗
要点提示(1)霍尔元件能够把磁学量转换为电学量。

(2)由于元件中的载流子为带负电的电荷,则负电荷的运动方向由F到E,由左手定则可知负电荷向左表面偏转,则右表面的电势高。

(3)如果用该元件测赤道处的磁场,由于地磁场与水平面平行,因此如果霍尔元件的平面保持水平,则无电压产生。

知识归纳
1.霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。

2.霍尔元件是根据半导体材料的霍尔效应制成的一种磁敏元件。

一般用于电机中测定转子转速,如录像机的磁鼓,电脑中的散热风扇等,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族,并已得到广泛的应用。

闪光语录霍尔元件具有许多优点,它们的结构牢固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高(可达1 MHz),耐震动,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。

应用体验
典例4(多选)某霍尔元件的工作原理示意图如图所示,该元件中电流I由正电荷的定向运动形成。

下列说法正确的是()
A.M点电势比N点电势高
B.用霍尔元件可以测量地磁场的磁感应强度
C.用霍尔元件能够把磁学量转换为电学量
D.若保持电流I恒定,则霍尔电压UH与B成正比
BCD
解析当正电荷定向运动形成电流时,正电荷在洛伦兹力作用下向N极聚集,M极感应出等量的负电荷,所以M点电势比N点电势低,选项A 错误;根据霍尔元件的特点可知,选项B、C正确;因霍尔电压,保持电流I恒定时,霍尔电压UH与B成正比,选项D 正确。

规律方法霍尔元件的应用
1.将霍尔元件放在磁场中,外部磁场就会使运动的载流子受到洛伦兹力的作用,在导体板的一侧聚集一种电荷,在导体板的另一侧相应出现多余的另一种电荷,从而形成横向电场。

2.横向电场对载流子施加与洛伦兹力方向相反的静电力,当静电力与洛伦兹力达到平衡时,导体板的左右两侧形成稳定的电压,即qE=qvB,此方程是解决涉及霍尔效应问题的重要依据。

3.明确载流子是带正电还是带负电,并利用左手定则判断载流子的受力方向。

针对训练4
(多选)霍尔元件的示意图如图所示,一块通电的铜板放在磁场中,铜板的前、后板面垂直于磁场,板内通有如图方向的电流,a、b是铜板上、
下边缘的两点,则()
A.电势φa>φb
B.电势φb>φa
C.B一定,电流增大时,|φa-φb|增大
D.其他条件不变,将铜板改为NaCl溶液时,电势结果仍然一样
AC
解析铜板中的自由电荷是电子,电子定向移动的方向与电流的方向相反,由左手定则可判断出电子因受洛伦兹力作用向b侧偏转,所以φa>φb,A正确,B错误;因,所以B一定,电流增大时,|φa-φb|增大,C正确;若将铜板改为NaCl溶液,溶液中的正、负离子均向b侧偏转,|φa-φb|=0,即不产生霍尔效应,故D选项错误。

学以致用·随堂检测全达标
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1.会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图如图所示。

罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板。

平时光电三极管接收不到LED发出的光,呈现高电阻状态,发生火灾时,下列说法正确的是()
A.进入罩内的烟雾遮挡了光线,使光电三极管电阻更大,检测电路检测出变化发出警报
B.发生火灾时,光电三极管温度升高,电阻变小,检测电路检测出变化发出警报
C.发生火灾时,进入罩内的烟雾对光有散射作用,
部分光线照到光电三极管上,电阻变小,发出警报
D.以上说法均不正确
C
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解析由报警器的原理可知,发生火灾时烟雾进入罩内,使光发生散射,部分光线照在三极管上,电阻变小,与传感器相连的电路检测出这种变化,发出警报,C正确。

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2.(多选)电容式话筒的工作原理如图所示。

D是绝缘支架,薄金属膜M 和固定电极N形成一个电容器,被直流电源充电,当声波使膜片振动时,电容发生变化,电路中形成变化的电流。

当膜片向右运动的过程中有()
A.电容变大
B.电容变小
C.导线AB中有向左的电流
D.导线AB中有向右的电流
AC
解析当膜片向右运动的过程中,相当于电容器两板间距d变小,由可知,选项A正确,B错误;由Q=CU知,电容器充电,选项C正确,D错误。

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3.如图所示,实线是某同学利用力传感器悬挂一钩码在竖直方向运动时,数据采集器记录下的力传感器中拉力的大小变化情况。

从图中可知道该钩码的重力约为N,A、B、C、D四段图线中钩码处于超重状态的为,处于失重状态的为。

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A、D
B、C
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解析当拉力的大小不变时,压力传感器悬挂的钩码在竖直方向是匀速运动,此时压力传感器的读数就是钩码的重力,约10 N。

当压力传感器读数大于重力时,钩码处于超重状态,即A、D状态。

当压力传感器读数小于重力时,钩码处于失重状态,即B、C状态。

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4.一般的电熨斗用合金丝作发热元件,合金丝电阻随温度T变化的关系如图中实线①所示。

由于环境温度以及熨烫的衣物厚度、干湿等情况不同,熨斗的散热功率不同,因而熨斗的温度可能会在较大的范围内波动,易损坏衣物。

有一种用“PTC”特殊材料(主要成分为BaTiO3)作发热元件的电熨斗,具有升温快、能自动控制温度的特点。

PTC材料的电阻随温度变化的关系如图中实线②所示。

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根据图线解答:
(1)为什么原处于冷态的PTC熨斗刚通电时比普遍电熨斗升温快
(2)通电一段时间后电熨斗温度T自动地稳定在θ D.不能确
定
B
解析光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小,用手掌挡住部分光线,阻值变大,指针自左向右偏转角度变小,B正确。

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4.如图所示为测定压力的电容式传感器,将平行板电容器、灵敏电流表(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路,当压力F作用于可动膜片电极上时,膜片发生形变,引起电容的变化,导致灵敏电流表指针偏转,在开始对膜片施加压力把膜片电极从图中的虚线位置推到图中实线位置并保持固定的过程中,灵敏电流表指针偏转情况为(电流从灵敏电流表右接线柱流入时指针向右偏)()
A.向右偏到某一刻度后回到零刻度
B.向左偏到某一刻度后回到零刻度
C.向右偏到某一刻度后不动
D.向左偏到某一刻度后不动
A
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解析压力F作用时,极板间距d变小,由知,电容器电容C变大,又电压U不变,根据Q=CU知,极板所带电荷量变大,所以电容器充电,电流由右接线柱流入灵敏电流表,所以指针将右偏,F不变时,极板保持固定后,充电结束,指针回到零刻度,故选A。

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5.利用光敏电阻制作的光传感器,记录了传送带上工件的输送情况,如图甲所示为某工厂成品包装车间的光传感记录器,光传感器B能接收到发光元件A发出的光,每当工件挡住A发出的光时,光传感器就输出一个电信号,并在屏幕上显示出电信号与时间的关系,如图乙所示。

若传送带始终匀速运动,每两个工件间的距离为0.2 m,则传送带运动的速度大小是m/s;该传送带每小时输送个工件。

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解析从乙图可知,每间隔1 s的时间光传感器就输出一个电信号,而在这一段时间内传送带运动了两个工件之间的距离,所以传送带运动的速度是
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6.如图所示,是自动控制电路的原理图,a、b间电压恒定,R1为光敏电阻,R2为定值电阻。

当电路中的光敏电阻不受光的照射时用电器可以正常工作。

(1)当光敏电阻受光的照射时,其阻值和电流表的示数如何变化
(2)当光敏电阻受光的照射时,用电器工作状态怎样
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解析(1)受光照射时,光敏电阻的阻值会减小,所以当光照射时电路总阻值变小,干路电流增大,R2两端电压增大,并联部分的电压变小,电流表的示数变小。

(2)当光敏电阻受光的照射时,用电器两端的电压变得很小,通过的电流也变得很小,故用电器停止工作。

答案(1)变小变小(2)停止工作
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B 级关键能力提升练
7.(2023北京昌平期末)利用热敏电阻在通以恒定电流(实验设定恒定电流为50.0 μA)时,其阻值随温度的变化关系(如图甲所示)可以制作电子温度计。

把恒压直流电源E、热敏电阻RT、可变电阻R1、电流表A、电压表V连成如图乙所示的电路。

用热敏电阻作测温探头,把电压表的电压刻度改为相应的温度刻度,就得到了一个简易的电子温度计。

下列说法正确的是()
A.电压较高时表示温度也较高
B.该电子温度计表盘上温度的刻度是均匀的
C.当热敏电阻的温度升高时,应将R1的阻值调大
D.每升高相同的温度,热敏电阻的阻值变化均相等
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甲
乙
答案C 1
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解析根据题意可知,电路通有恒定的电流,温度越高,由图甲可知,RT阻值越小,由U=IRT可知,热敏电阻两端的电压越小,故A错误;由上述分析可知,电压表的示数为U=IRT,由图甲可知,RT阻值与温度不是线性关系,则电子温度计表盘上温度的刻度不是均匀的,故B错误;当热敏电阻的温度升高时,阻值减小,要保证电路中电流恒定,则应增大R1,即将R1的阻值调大,故C正确;由图甲可知,RT阻值与温度不是线性关系,每升高相同的温度,热敏电阻的阻值变化不相等,故D错误。

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8.(多选)有一种测量人体重的电子秤,其原理如图中虚线内所示,它主要由三部分构成:踏板、压力传感器R(是一个阻值可随压力大小而变化的电阻器)、显示体重的仪表G(实质是理想电流表)。

设踏板的质量可忽略不计,已知理想电流表的量程为3 A,电源电动势为12 V,内阻为。