高考物理大一轮复习第11单元交变电流传感器学案.docx
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高考物理大一轮复习第11单元交变电流传感器学案
教学资料范本
【2020】高考物理大一轮复习第11单元交变电流传感器学案
编辑:
__________________
时间:
__________________
第11单元交变电流传感器
高考热点统计
要求
20xx年
20xx年
20xx年
20xx年
高考基础要求及冷点统计
Ⅰ
Ⅱ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
正弦交变电流的函数表达式、峰值和有效值
Ⅰ
21
16
16
19
交变电流、交变电流的图像(Ⅰ)
远距离输电(Ⅰ)
交变电流、交变电流的图像属于基本要求,远距离输电是高考冷点.
理想变压器
Ⅱ
21
16
16
19
考情分析
1.交变电流是电磁感应现象的应用,高考着重考查的知识点有:
交变电流的产生、交变电流的图像及表述(峰值、有效值、瞬时值)、理想变压器原理及远距离输电,理想变压器电路中原、副线圈各物理量之间的制约关系是复习重点.
2.高考对本单元的考查一般以生产、生活实际及近代科技问题为背景,考查理想变压器的应用、含变压器电路动态分析及远距离输电问题.
第28讲 交变电流的产生及描述
一、交变电流
1.定义:
随时间做周期性变化的电流.
2.图像:
如图28-1(a)、(b)、(c)、(d)所示都属于交变电流.其中按正弦规律变化的交变电流叫正弦式交变电流,如图(a)所示.
图28-1
二、描述交变电流的物理量
1.峰值:
Em= (n:
线圈的匝数;S:
线圈处于磁场中的有效面积;ω:
线圈转动的角速度;B:
磁场的磁感应强度).
2.瞬时值:
反映某一时刻交变电流的 和 .
3.有效值:
跟交变电流的热效应等效的恒定电流值,即让交流电和直流电通过相同阻值的电阻,如果在相同时间内产生的 相等,则直流电的数值就是交流电的有效值.
4.平均值:
用法拉第电磁感应定律E= 求解.
5.周期和频率
(1)周期:
完成一次周期性变化所需要的 .
(2)频率:
每秒钟完成周期性变化的 .
(3)周期、角速度和频率的关系:
T=,ω==2πf.
【思维辨析】
(1)矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时,一定会产生正弦式交变电流.( )
(2)矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动经过中性面时,线圈中的感应电动势为零,电流方向发生改变.( )
(3)交流电压表和电流表测量的是交流电的峰值.( )
(4)交变电流的峰值总是有效值的倍.( )
(5)线圈经过垂直于中性面的位置时,磁通量为0,磁通量的变化率为0.( )
(6)可以用平均值计算交变电流产生的热量.( )
考点一 交变电流的产生及规律
正弦式交变电流的变化规律(线圈在中性面位置开始计时)
规律
物理量
函数表达式
图像
磁通量
Φ=Φmcosωt=BScosωt
电动势
e=Emsinωt=nBSωsinωt
电压
u=Umsinωt=sinωt
电流
i=Imsinωt=sinωt
1(多选)[20xx·长沙雅礼中学月考]如图28-2甲所示,一个矩形导线圈abcd在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动.线圈内磁通量随时间t的变化规律如图乙所示,则下列说法中正确的是( )
图28-2
A.t1时刻线圈中的感应电动势最大
B.t2时刻ab的运动方向与磁场方向垂直
C.t3时刻线圈平面与中性面重合
D.t4、t5时刻线圈中感应电流的方向相同
式题一矩形导线圈在匀强磁场中绕垂直于匀强磁场且位于线圈平面内的固定轴转动.线圈中的感应电动势e随时间t的变化关系如图28-3所示.下列说法正确的是( )
图28-3
A.t1时刻穿过线圈的磁通量为零
B.t2时刻穿过线圈的磁通量最大
C.t3时刻穿过线圈的磁通量的变化率最大
D.每当e变换方向时,穿过线圈的磁通量都最大
■要点总结
(1)电流方向的改变:
线圈通过中性面时,电流方向发生改变,一个周期内线圈两次通过中性面,因此电流的方向改变两次.
(2)交变电动势的最大值Em=nBSω,与转轴位置无关,与线圈形状无关.
考点二 交变电流“四值”的理解和应用
物理量
物理含义
重要关系
适用情况及说明
瞬时值
交变电流某一时刻的值
e=Emsinωt
i=Imsinωt
计算线圈某时刻的受力情况
峰值
最大的瞬时值
Em=nBSω
Im=
讨论电容器的击穿电压
有效值
跟交变电流的热效应等效的恒定电流值
用于正(余)弦式电流:
E=
U=
I=
(1)计算与电流的热效应有关的量(如电功、电功率、电热等)
(2)电气设备“铭牌”上所标的一般是有效值
(3)保险丝的熔断电流为有效值
平均值
交变电流图像中图线与时间轴所夹的面积与时间的比值
E=n
I=
计算通过导线截面的电荷量
考向一 交变电流瞬时表达式的书写
2图28-4甲是交流发电机模型示意图.在磁感应强度为B的匀强磁场中,有一矩形线圈abcd可绕线圈平面内垂直于磁感线的轴OO'转动,由线圈引出的导线ae和df分别与两个跟线圈一起绕OO'转动的金属圆环相连接,金属圆环又分别与两个固定的电刷保持滑动接触,这样矩形线圈在转动中就可以保持和外电路电阻R形成闭合电路.图乙是线圈的主视图,导线ab和cd分别用它们的横截面来表示.已知ab长度为L1,bc长度为L2,线圈以恒定角速度ω逆时针转动.(只考虑单匝线圈)
(1)从线圈平面处于中性面位置时开始计时,试推导t时刻整个线圈中的感应电动势e1的表达式;
(2)从线圈平面处于与中性面成φ0角位置时开始计时,如图丙所示,试写出t时刻整个线圈中的感应电动势e2的表达式.
图28-4
■方法技巧
书写交变电流瞬时值表达式的基本思路
(1)确定正弦式交变电流的峰值,根据已知图像读出或由公式Em=nBSω求出相应峰值.
(2)明确线圈的初始位置,找出对应的函数关系式.
①若线圈从中性面位置开始转动,则i-t图像为正弦函数图像,函数式为i=Imsinωt.
②若线圈从垂直中性面位置开始转动,则i-t图像为余弦函数图像,函数式为i=Imcosωt.
考向二 正弦交变电流有效值的计算和应用
3如图28-5所示,实验室一台手摇交流发电机内阻r=1Ω,外接R=9Ω的电阻.闭合开关S,当发电机转子以某一转速匀速转动时,产生的电动势e=10sin10πt(V),则( )
图28-5
A.该交变电流的频率为10Hz
B.该电动势的有效值为10V
C.外接电阻R所消耗的电功率为10W
D.电路中理想交流电流表的示数为1A
考向三 平均值和有效值的比较
4(多选)如图28-6所示,一矩形线圈面积为S,匝数为N,内阻为r,绕其垂直于磁感线的对称轴OO'以角速度ω匀速转动,匀强磁场的磁感应强度为B,从图示位置开始转90°的过程中,下列说法正确的是( )
图28-6
A.通过电阻R的电荷量q=
B.通过电阻R的电荷量q=
C.外力做功平均功率P=
D.从图示位置开始计时,则感应电动势随时间变化的规律为e=NBSωsinωt
■注意事项
(1)明确交变电流的瞬时值、峰值、有效值和平均值的意义,有效值是与交变电流的热效应等效的恒定电流值,一般情况下交流电的电压、电流指的是有效值,电容器的击穿电压应大于交流电的峰值;
(2)计算线圈某时刻的受力情况时应使用电流的瞬时值;计算电功、电功率、电热等与电流的热效应有关的量时应使用有效值,保险丝的熔断电流为有效值;计算通过导线截面的电荷量时应使用电流在一段时间内的平均值.
考点三 特殊交变电流的有效值计算
5图28-7为交变电流随时间变化的图像,则交变电流有效值为( )
图28-7
A.5AB.5A
C.AD.3.5A
■题根分析
本题通过矩形波交流电有效值的计算,考查了对有效值定义的理解和计算方法,交变电流的有效值是根据电流的热效应(电流通过电阻生热)进行定义的,所以进行有效值计算时,要紧扣电流通过电阻生热(或热功率)进行计算.注意“三同”:
即“相同电阻”,“相同时间”内产生“相同热量”.计算时“相同时间”要取周期的整数倍,一般取一个周期.
■变式网络
式题1正弦式交流电是由闭合线圈在匀强磁场中匀速转动产生的.线圈中感应电动势随时间变化的规律如图28-8所示,则此感应电动势的有效值为 V.
图28-8
式题2电压u随时间t的变化情况如图28-9所示,求电压的有效值.
图28-9
式题3家用电子调光灯的调光功能是用电子线路将输入的正弦式交流电压的波形截去一部分来实现的,由截去部分的多少来调节电压,从而实现灯光的可调,比过去用变压器调压方便且体积小.某电子调光灯经调整后电压波形如图28-10所示,求灯泡两端的电压的有效值.
图28-10
第29讲 变压器 远距离输电
一、变压器
1.变压器的构造:
变压器由原线圈、副线圈和闭合 组成.
2.理想变压器:
不考虑铜损(线圈电阻产生的热量)、铁损(涡流产生的热量)和漏磁的变压器,即理想变压器原、副线圈的电阻均为 ,变压器的输入功率和 相等.
3.基本关系
(1)功率关系:
;
(2)电压关系:
;(3)电流关系:
.
二、远距离输电
1.输电导线上的能量损失:
输电线的电阻R发热产生热量,表达式为 .
2.减小输电线电能损失的主要途径:
(1)减小输电线的 ;
(2)采用 输电.
3.高压输电过程:
如图29-1所示.
图29-1
(1)输电线电压损失:
ΔU= = ;
(2)输电线功率损失:
ΔP= = .
【思维辨析】
(1)变压器只对变化的电流起作用,对恒定电流不起作用.( )
(2)变压器不但能改变交变电流的电压,还能改变交变电流的频率.( )
(3)正常工作的变压器,当副线圈与用电器断开时,副线圈两端无电压.( )
(4)变压器副线圈并联更多的用电器时,原线圈输入的电流随之减小.( )
(5)增大输电导线的横截面积有利于减少输电过程中的电能损失.( )
(6)高压输电是通过减小输电电流来减少电路的热损耗.( )
考点一 理想变压器
基本关系
功率关系
P入=P出
电压关系
原、副线圈的电压比等于匝数比:
电流关系
只有一个副线圈时,电流和匝数成反比:
频率关系
原、副线圈中电流的频率相等
制约关系
电压
原线圈电压U1和匝数比决定副线圈电压U2
功率
副线圈的输出功率P出决定原线圈的输入功率P入
电流
副线圈电流I2和匝数比决定原线圈电流I1
1[20xx·北京卷]如图29-2所示,理想变压器的原线圈接在u=220sin100πt(V)的交流电源上,副线圈接有R=55Ω的负载电阻,原、副线圈匝数之比为2∶1,电流表、电压表均为理想电表.下列说法正确的是( )
图29-2
A.原线圈的输入功率为220W
B.电流表的读数为1A
C.电压表的读数为110V
D.副线圈输出交流电的周期为50s
式题[20xx·全国卷Ⅰ]一含有理想变压器的电路如图29-3所示,图中电阻R1、R2和R3的阻值分别为3Ω、1Ω和4Ω,A为理想交流电流表,U为正弦交流电压源,输出电压的有效值恒定.当开关S断开时,电流表的示数为I;当S闭合时,电流表的示数为4I.该变压器原、副线圈匝数比为( )
图29-3
A.2B.3C.4D.5
考点二 变压器电路的动态分析
考向一 匝数比不变,负载变化的情况
2[20xx·天津卷]如图29-4所示,理想变压器原线圈接在交流电源上,图中各电表均为理想电表.下列说法正确的是( )
图29-4
A.当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时,R1消耗的功率变大
B.当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时,电压表V示数变大
C.当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时,电流表A1示数变大
D.若闭合开关S,则电流表A1示数变大,A2示数变大
■规律总结
如图29-5所示.
图29-5
(1)U1不变,根据,输入电压U1决定输出电压U2,可以得出不论负载电阻R如何变化,U2不变.
(2)当负载电阻发生变化时,副线圈的电流I2变化,根据输出电流I2决定输入电流I1,可以判断I1的变化.
(3)I2变化引起输出功率P2变化,输出功率决定输入功率,可以判断输入功率P1的变化.
考向二 匝数比变化,负载电阻不变的情况
3(多选)如图29-6甲所示,理想变压器原、副线圈的匝数比为4∶1,b是原线圈的中心抽头,图中电表均为理想的交流电表,定值电阻R=10Ω,其余电阻均不计,从某时刻开始在原线圈c、d两端加上如图乙所示的交变电压,则下列说法正确的是( )
图29-6
A.当单刀双掷开关与a连接时,电压表的示数为55V
B.当单刀双掷开关与a连接且t=0.01s时,电流表示数为零
C.当单刀双掷开关由a拨向b时,原线圈的输入功率增大
D.当单刀双掷开关由a拨向b时,副线圈输出电压的频率为25Hz
■规律总结
如图29-7所示.
图29-7
(1)U1不变,发生变化,U2变化.
(2)R不变,U2变化,I2发生变化.
(3)根据P2=和P1=P2,可以判断P2变化时,P1发生变化,U1不变时,I1发生变化.
考点三 远距离输电问题
远距离输电问题的“三、二、一”
(1)理清三个回路
图29-8
在回路2中,U2=ΔU+U3,I2=I线=I3.
(2)抓住两个联系
①理想的升压变压器联系着回路1和回路2,由变压器原理可得,线圈1(匝数为n1)和线圈2(匝数为n2)中各个量间的关系是,,P1=P2.
②理想的降压变压器联系着回路2和回路3,由变压器原理可得,线圈3(匝数为n3)和线圈4(匝数为n4)中各个量间的关系是,,P3=P4.
(3)掌握一个守恒
能量守恒关系式P1=P损+P4.
4图29-9为远距离输电示意图,两变压器均为理想变压器,升压变压器T的原、副线圈匝数分别为n1、n2,在T的原线圈两端接入一电压u=Umsinωt的交流电源,若输送电功率为P,输电线的总电阻为2r,不考虑其他因素的影响,则输电线上损失的电功率为( )
图29-9
A.
C.4r
■方法技巧
输电线路功率损失的计算方法
(1)P损=P-P',P为输送的功率,P'为用户得到的功率.
(2)P损=R线,I线为输电线路上的电流,R线为线路电阻.
(3)P损=,ΔU为输电线路上损失的电压,不要与U2、U3相混.
(4)P损=ΔU·I线.
考点四 特殊变压器的问题
考向一 自耦变压器
5自耦变压器铁芯上只绕有一个线圈,原、副线圈都只取该线圈的某部分.一升压式自耦调压变压器的电路如图29-10所示,其副线圈匝数可调.已知变压器线圈总匝数为1900匝,原线圈为1100匝,接在有效值为220V的交流电源上.当变压器输出电压调至最大时,负载R上的功率为2kW.设此时原线圈中电流有效值为I1,负载两端电压的有效值为U2,且变压器是理想变压器,则U2和I1分别约为( )
图29-10
A.380V和5.3AB.380V和9.1A
C.240V和5.3AD.240V和9.1A
考向二 互感器
6[20xx·福建龙岩质检]L1和L2是高压输电的两条输电线,现要通过变压器测量L1和L2之间的电压,图29-11的四种电路连接正确的是( )
图29-11
考向三 副线圈含二极管的变压器
7(多选)[20xx·全国卷Ⅱ]如图29-12所示,一理想变压器原、副线圈的匝数分别为n1、n2.原线圈通过一理想电流表A接正弦交流电源,一个二极管和阻值为R的负载电阻串联后接到副线圈的两端.假设该二极管的正向电阻为零,反向电阻为无穷大.用交流电压表测得a、b端和c、d端的电压分别为Uab和Ucd,则( )
图29-12
A.Uab∶Ucd=n1∶n2
B.增大负载电阻的阻值R,电流表的读数变小
C.负载电阻的阻值越小,c、d间的电压Ucd越大
D.将二极管短路,电流表的读数加倍
传感器的简单应用
一、实验目的
1.认识热敏电阻、光敏电阻的特性.
2.了解传感器在技术上的简单应用.
二、实验器材
热敏电阻、光敏电阻、烧杯、温度计、铁架台(带铁夹)、冷水、热水、多用电表、小灯泡、学生电源、滑动变阻器、开关、导线等.
考点一 实验原理与实验操作
1.研究热敏电阻的特性
(1)如图S12-1所示连接好电路,将热敏电阻绝缘处理.
图S12-1
(2)把多用电表置于“欧姆”挡,并选择适当的倍率测出烧杯中没有热水时热敏电阻的阻值,并记下温度计的示数.
(3)向烧杯中注入少量的冷水,使热敏电阻浸没在冷水中,记下温度计的示数和热敏电阻的阻值.
(4)将热水分几次注入烧杯中,测出不同温度下热敏电阻的阻值,并记录、填表.
(5)画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线.
(6)根据实验数据和R-t图线,分析得到热敏电阻的特性.
2.研究光敏电阻的特性
(1)将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器按图S12-2所示电路连接,其中多用电表置于“欧姆”挡.
图S12-2
(2)测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值,并记录数据.
(3)接通电源,让小灯泡发光,调节滑动变阻器使小灯泡的亮度逐渐增强,观察表盘指针显示电阻阻值的情况,并记录.
(4)用黑纸遮住光,观察并记录光敏电阻的阻值.
(5)分析记录结果,得到光敏电阻的特性:
光敏电阻的阻值被光照射时发生变化,光照增强时电阻减小,光照减弱时电阻增大.
1[20xx·江苏卷]某同学通过实验制作一个简易的温控装置,实验原理电路图如图S12-3所示,继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端,当继电器的电流超过15mA时,衔铁被吸合,加热器停止加热,实现温控.继电器的电阻约20Ω,热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如下表所示.
图S12-3
t/℃
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
Rt/Ω
199.5
145.4
108.1
81.8
62.9
49.1
(1)提供的实验器材有:
电源E1(3V,内阻不计)、电源E2(6V,内阻不计)、滑动变阻器R1(0~200Ω)、滑动变阻器R2(0~500Ω)、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱(0~999.9Ω)、开关S、导线若干.
为使该装置实现对30~80℃之间任一温度的控制,电源E应选用 (选填“E1”或“E2”),滑动变阻器R应选用 (选填“R1”或“R2”).
(2)实验发现电路不工作.某同学为排查电路故障,用多用电表测量各接点间的电压,则应将如图S12-4所示的选择开关旋至 (选填“A”“B”“C”或“D”).
图S12-4
(3)合上开关S,用调节好的多用电表进行排查.在图中,若只有b、c间断路,则应发现表笔接入a、b时指针 (选填“偏转”或“不偏转”),接入a、c时指针 (选填“偏转”或“不偏转”).
(4)排除故障后,欲使衔铁在热敏电阻为50℃时被吸合,下列操作步骤的正确顺序是 (填写各步骤前的序号).
①将热敏电阻接入电路
②观察到继电器的衔铁被吸合
③断开开关,将电阻箱从电路中移除
④合上开关,调节滑动变阻器的阻值
⑤断开开关,用电阻箱替换热敏电阻,将阻值调至108.1Ω
式题为了节能和环保,一些公共场所使用光控开关控制照明系统.光控开关可采用光敏电阻来控制,光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱,光越强照度越大,照度单位为lx).某光敏电阻R在不同照度下的阻值如下表:
照度(lx)
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
电阻(kΩ)
75
40
28
23
20
18
(1)根据表中数据,请在图S12-5的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线,并说明阻值随照度变化的特点.
图S12-5
(2)如图S12-6所示,当1、2两端所加电压上升至2V时,控制开关自动启动照明系统.请利用下列器材设计一个简单电路,给1、2两端提供电压,要求当天色渐暗照度降低至1.0lx时启动照明系统,在虚线框内完成电路原理图.(不考虑控制开关对所设计电路的影响)
提供的器材如下:
光敏电阻R(符号);直流电源E(电动势3V,内阻不计);定值电阻:
R1=10kΩ,R2=20kΩ,R3=40kΩ(限选其中之一并在图中标出);开关S及导线若干.
图S12-6
考点二 力电传感器的实际应用
传感器的一般应用模式:
由敏感元件、转换器件和转换电路三个部分组成,通过敏感元件获取外界信息并转换成电信号,通过输出部分输出,然后经控制器分析处理.(如图S12-7所示)
图S12-7
工作过程:
敏感元件将感受到的物理量按一定规律转换成便于测量的量,如下.
非电学物理量敏感元件转换器件转换电路电学量输出
2某学生为了测量一个物体的质量,找到一个力电转换器,该转换器的输出电压正比于受压面的压力(比例系数为k),如图S12-8所示.测量时先调节输入端的电压,使转换器空载时的输出电压为0;而后在其受压面上放一物体,即可测得与物体的质量成正比的输出电压U.
请完成对该物体质量的测量:
(1)设计一个电路,要求力电转换器的输入电压可调,并且使调节范围尽可能大,在虚线框中画出完整的测量电路图.
(2)简要说明测量步骤,求出比例系数k,并测出待测物体的质量m.
图S12-8
式题传感器担负着信息采集的任务,在自动控制中发挥着重要作用,传感器能够将感受到的物理量(如温度、光、声等)转换成便于测量的量(通常是电学量),例如热传感器,主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻,热敏电阻阻值随温度变化的图线如图S12-9甲所示,图乙是用热敏电阻R1作为传感器制作的简单自动报警器原理图.
图S12-9
(1)为了使温度过高时报警器铃响,开关S应接在 (选填“a”或“b”)处.
(2)若使启动报警器的温度提高些,应将滑动变阻器的滑片P向 (选填“左”或“右”)移动.
1.(多选)下列器件可作为传感器的有( )
A.定值电阻B.热敏电阻
C.霍尔元件D.干电池
2.(多选)如图S12-10所示的电路中,当半导体材料做成的热敏电阻浸泡到热水中时,电流表示数增大,则说明( )
图S12-10
A.热敏电阻在温度越高时,电阻越大
B.热敏电阻在温度越高时,电阻越小
C.半导体材料温度升高时,导电性能变差
D.半导体材料温度升高时,导电性能变好
3.金属铂的电阻值随温度的变化而变化,图S12-11中可能表示金属铂电阻的U-I图线的是( )
图S12-11
4.如图S12-12所示为某电容传声器结构示意图,膜片和极板组成一个电容器,当人对着传声器讲话时,膜片会振动.若某次膜片振动时,膜片与极板距离减小,则在此过程中( )
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- 高考 物理 一轮 复习 11 单元 电流传感器