资源简介 第4讲 传感器 实验：利用传感器制作简单的自动控制装置目标要求 1.掌握制作传感器常用元件：光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、电阻应变片、霍尔元件的基本特性及工作原理.2.探究传感器的工作原理及传感器应用的一般模式.3.能利用传感器制作简单的自动控制装置．考点一 常见的传感器一、传感器及其工作原理1．传感器的工作原理：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出．通常转换成的可用信号是电压、电流等______量，或转换为电路的________．把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、________、处理和________．传感器应用的一般模式如图所示：2．传感器的核心元件(1)敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分．(2)转换元件：能将敏感元件输出的信号直接转换成____________的部分．(3)信号调整与转换电路：能把输出的微弱的电信号放大的部分．3．传感器的分类工作原理 举例物理传感器 利用物质的物理特性或物理效应感知并检测出待测对象信息 力传感器、磁传感器、声传感器等化学传感器 利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度转换为电信号 离子传感器、气体传感器等生物传感器 利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质 酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等二、常见敏感元件1．光敏电阻(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，无光照时，载流子极少，导电性能________；随着光照的______，载流子增多，导电性______．(3)作用：把________________这个光学量转换为________这个电学量．2．热敏电阻和金属热电阻(1)热敏电阻热敏电阻一般由半导体材料制成，其电阻随温度的变化明显，温度升高电阻________，如图甲所示为某一热敏电阻的阻值随温度变化的特性曲线．(2)金属热电阻有些金属的电阻率随温度的升高而________，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线．(3)作用：热敏电阻和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．注意：在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器．3．电阻应变片(1)电阻应变片的作用：电阻应变片能够把物体________这个力学量转换为________这个电学量．(2)电子秤的组成及敏感元件：由__________和电阻__________组成，敏感元件是__________．(3)电子秤的工作原理 1．传感器是把非电学量转换为电学量的元件．( )2．传感器只能感受温度和光两个物理量．( )3．随着光照的增强，光敏电阻的电阻值逐渐增大．( )4．电子秤所使用的测力装置是力传感器，它是把力信号转换为电压信号．( )霍尔元件的应用霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的一种磁敏元件．一般用于电机中测定转子的转速，如录像机的磁鼓、电脑中的散热风扇等．(1)霍尔元件的工作原理：E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B时，薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M、N间出现电压(如图所示)．(2)霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受静电力和洛伦兹力二力平衡．(3)霍尔电压：UH＝k(d为薄片的厚度，k为霍尔系数)．其中UH与B成正比，所以霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量．例1 (2022·重庆卷·11)某兴趣小组研究热敏电阻在通以恒定电流时，其阻值随温度的变化关系．实验电路如图所示，实验设定恒定电流为50.0 μA，主要实验器材有：恒压直流电源E、加热器、测温仪、热敏电阻RT、可变电阻R1、电流表A、电压表V.(1)用加热器调节RT的温度后，为使电流表的示数仍为50.0 μA，须调节________________(选填一种给定的实验器材)．当RT两端未连接电压表时，电流表示数为50.0 μA；连接电压表后，电流表示数显著增大，须将原电压表更换为内阻____________(选填“远大于”“接近”或“远小于”)RT阻值的电压表．(2)测得RT两端的电压随温度的变化如图所示，由图可得温度从35.0 ℃变化到40.0 ℃的过程中，RT的阻值随温度的平均变化率是________ kΩ·℃－1(保留2位有效数字)．例2 为了节能和环保，一些公共场所用光控开关控制照明系统，光控开关可用光敏电阻控制，如图甲所示是某光敏电阻阻值随光的照度变化曲线，照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为：勒克斯(lx)．(1)如图乙所示，电源电动势为3 V，内阻不计，当控制开关两端电压上升至2 V时，控制开关自动启动照明系统．要求当天色渐暗照度降至1.0 lx时控制开关接通照明系统，则R1＝________ kΩ.(2)某同学为了测量光敏电阻在不同照度下的阻值，设计了如图丙所示的电路进行测量，电源(E＝3 V，内阻未知)，电阻箱(0～99 999 Ω)．实验时将电阻箱阻值置于最大，闭合S1，将S2与1相连，减小电阻箱阻值，使灵敏电流计的示数为I，图丁为实验时电阻箱的阻值，其读数为________ kΩ；然后将S2与2相连，调节电阻箱的阻值如图戊所示，此时电流表的示数恰好为I，则光敏电阻的阻值为________ kΩ(结果均保留3位有效数字)．例3 如图是霍尔元件的工作原理示意图，如果用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持I恒定，则可以验证UH随B的变化情况．以下说法不正确的是(工作面是指较大的平面)( )A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，UH将变大B．在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平C．在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平D．改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH将发生变化听课记录：_______________________________________________________________________考点二 实验：利用传感器制作简单的自动控制装置一、门窗防盗报警装置1．实验目的：了解门窗防盗报警装置，会组装门窗防盗报警装置．2．电路如图所示．3．工作原理：闭合电路开关S，系统处于防盗状态．当门窗紧闭时，磁体M靠近干簧管SA，干簧管两个簧片被磁化相吸而接通继电器线圈K，使继电器工作．继电器的动触点c与常开触点a接通，发光二极管LED发光，显示电路处于正常工作状态．当门窗开启时，磁体离开干簧管，干簧管失磁断开，继电器被断电．继电器的动触点c与常闭触点b接通，蜂鸣器H发声报警．干簧管在电路中起传感器和控制开关的作用，继电器则相当于一个自动的双向开关．4．实验器材干簧管SA、继电器、发光二极管LED、蜂鸣器H、电源、导线若干、开关、电阻R、小磁体．5．实验步骤(1)连接电路前，要先判断一下干簧管是否可以正常工作．用磁体直接靠近干簧管，观察簧片能否正常工作．(2)确定各元件可以正常工作后，按照电路图连接电路．(3)接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，分别观察实验现象．二、光控开关1．实验目的：了解光控开关电路及控制原理，会组装光控开关．2．电路如图所示．3．工作原理：当环境光比较强时，光敏电阻RG的阻值很小，三极管不导通，发光二极管或继电器所在的回路相当于断路，即发光二极管不工作；继电器处于常开状态，小灯泡L不亮．当环境光比较弱时，光敏电阻RG的阻值变大，三极管导通，且获得足够的基极电流，产生较大的集电极电流， 点亮发光二极管或驱动继电器吸合而点亮小灯泡L.4．实验器材发光二极管LED、晶体三极管VT、可调电阻R1、限流电阻R2、光敏电阻RG、集成电路实验板、直流电源、导线若干、黑纸、小灯泡L.5．实验步骤(1)按照电路图连接电路，检查无误后，接通电源．(2)让光敏电阻RG受到白天较强的自然光照射，调节电阻R1使发光二极管LED或小灯泡L刚好不发光．(3)遮挡RG，当光照减弱到某种程度时，就会看到发光二极管LED或小灯泡L发光．(4)让光照加强，当光照强到某种程度时，则发光二极管LED或小灯泡L熄灭．6．注意事项(1)安装前，对实验器材进行测试，确保各元件性能良好后，再进行安装．(2)光控开关实验中，二极管连入电路的极性不能反接．(3)如果实验现象不明显，可用手电筒加强光照，或遮盖光敏电阻，再进行观察．例4 在实际应用中有多种自动控温装置，以下是其中两种控温装置：(1)图(a)为某自动恒温箱原理图，箱内的电阻R1＝2 kΩ，R2＝1.5 kΩ，R3＝4 kΩ，Rt为热敏电阻，其电阻随温度变化的图像如图(b)所示．当a、b两点电势φa<φb时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当φa≥φb时，电压鉴别器会使S断开，停止加热，则恒温箱内的稳定温度为______ ℃，恒温箱内的电热丝加热时Rt的取值范围为______．(2)有一种由PTC元件做成的加热器，它产生的焦耳热功率PR随温度t变化的图像如图(c)所示．该加热器向周围散热的功率为PQ＝k(t－t0)，其中t为加热器的温度，t0为室温(本题中取20 ℃)，k＝0.1 W/℃.当PR＝PQ时加热器的温度即可保持稳定，则该加热器工作的稳定温度为________ ℃；某次工作中，该加热器从室温升高至稳定温度的过程中，下列温度变化过程用时最短的是________(填选项前的字母序号)．A．20～24 ℃ B．32～36 ℃C．48～52 ℃ D．60～64 ℃例5 为了建设安全校园，某校物理教师带领兴趣小组的学生，利用光敏电阻和电磁继电器，为学校教学楼内所有楼梯口的照明灯安装了亮度自动控制装置．如图甲所示为他们设计的原理图，R0为光敏电阻(阻值随亮度的增加而减小)，R1为滑动变阻器，电磁继电器的衔铁由软铁(容易磁化和消磁)制成，R2为电磁铁的线圈电阻，K为单刀双掷开关．(1)为使楼内亮度降低到一定程度照明灯自动点亮，亮度升高到一定程度照明灯自动熄灭，单刀双掷开关应置于________(选填“a”或“b”)．(2)为了提升校园安全系数，使照明灯在不太暗的时候就点亮，滑动变阻器接入电路的电阻应________(选填“调大”或“调小”)．(3)已知直流电路中的电流达到10 mA时电磁继电器的衔铁正好会被吸下，R0从正午最亮到夜晚最暗的阻值变化范围为50～200 Ω，R2约为5 Ω，直流电源电动势E＝3 V，内阻r约为1 Ω，现有三个最大电阻阻值分别为100 Ω、300 Ω、3 000 Ω的滑动变阻器，为实现调控目标R1最好应选择最大阻值为________ Ω的滑动变阻器．(4)兴趣小组同学想要对原设计进行改进，使亮度降低到一定程度触发衔铁吸下，请你在图乙的虚线框中用笔画线代替导线重新连接直流电路中c、d、e、f、g、h各点，以实现这一改进目标．第4讲 传感器 实验：利用传感器制作简单的自动控制装置目标要求 1.掌握制作传感器常用元件：光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、电阻应变片、霍尔元件的基本特性及工作原理.2.探究传感器的工作原理及传感器应用的一般模式.3.能利用传感器制作简单的自动控制装置．考点一 常见的传感器一、传感器及其工作原理1．传感器的工作原理：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出．通常转换成的可用信号是电压、电流等电学量，或转换为电路的通断．把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制．传感器应用的一般模式如图所示：2．传感器的核心元件(1)敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分．(2)转换元件：能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分．(3)信号调整与转换电路：能把输出的微弱的电信号放大的部分．3．传感器的分类工作原理 举例物理传感器 利用物质的物理特性或物理效应感知并检测出待测对象信息 力传感器、磁传感器、声传感器等化学传感器 利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度转换为电信号 离子传感器、气体传感器等生物传感器 利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质 酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等二、常见敏感元件1．光敏电阻(1)特点：光照越强，电阻越小．(2)原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能差；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好．(3)作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量．2．热敏电阻和金属热电阻(1)热敏电阻热敏电阻一般由半导体材料制成，其电阻随温度的变化明显，温度升高电阻减小，如图甲所示为某一热敏电阻的阻值随温度变化的特性曲线．(2)金属热电阻有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线．(3)作用：热敏电阻和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．注意：在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器．3．电阻应变片(1)电阻应变片的作用：电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量．(2)电子秤的组成及敏感元件：由金属梁和电阻应变片组成，敏感元件是应变片．(3)电子秤的工作原理 1．传感器是把非电学量转换为电学量的元件．( √ )2．传感器只能感受温度和光两个物理量．( × )3．随着光照的增强，光敏电阻的电阻值逐渐增大．( × )4．电子秤所使用的测力装置是力传感器，它是把力信号转换为电压信号．( √ )霍尔元件的应用霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的一种磁敏元件．一般用于电机中测定转子的转速，如录像机的磁鼓、电脑中的散热风扇等．(1)霍尔元件的工作原理：E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B时，薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M、N间出现电压(如图所示)．(2)霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受静电力和洛伦兹力二力平衡．(3)霍尔电压：UH＝k(d为薄片的厚度，k为霍尔系数)．其中UH与B成正比，所以霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量．例1 (2022·重庆卷·11)某兴趣小组研究热敏电阻在通以恒定电流时，其阻值随温度的变化关系．实验电路如图所示，实验设定恒定电流为50.0 μA，主要实验器材有：恒压直流电源E、加热器、测温仪、热敏电阻RT、可变电阻R1、电流表A、电压表V.(1)用加热器调节RT的温度后，为使电流表的示数仍为50.0 μA，须调节________________(选填一种给定的实验器材)．当RT两端未连接电压表时，电流表示数为50.0 μA；连接电压表后，电流表示数显著增大，须将原电压表更换为内阻____________(选填“远大于”“接近”或“远小于”)RT阻值的电压表．(2)测得RT两端的电压随温度的变化如图所示，由图可得温度从35.0 ℃变化到40.0 ℃的过程中，RT的阻值随温度的平均变化率是____________ kΩ·℃－1(保留2位有效数字)．答案 (1)可变电阻R1 远大于 (2)－1.2解析 (1)由题知恒压直流电源E的电动势不变，而用加热器调节RT的温度后，导致整个回路的总电阻改变．而要确保电流表的示数仍为50.0 μA，则需控制整个回路的总电阻不变，故须调节可变电阻R1.连接电压表后，电流表示数显著增大，则说明电压表与RT并联后R总减小，则根据并联电阻的关系有R总＝＝，则要保证R总不变，须将原电压表更换为内阻远大于RT阻值的电压表．(2)实验设定恒定电流为50.0 μA，由题图可得温度为35.0 ℃时电压表的电压为1.6 V，则根据欧姆定律可知此时热敏电阻RT1＝32 kΩ；温度为40.0 ℃时电压表的电压为1.3 V，则根据欧姆定律可知此时热敏电阻RT2＝26 kΩ，则温度从35.0 ℃变化到40.0 ℃的过程中，RT的阻值随温度的平均变化率是k＝＝－1.2 kΩ·℃－1，负号表示随着温度升高RT的阻值减小．例2 为了节能和环保，一些公共场所用光控开关控制照明系统，光控开关可用光敏电阻控制，如图甲所示是某光敏电阻阻值随光的照度变化曲线，照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为：勒克斯(lx)．(1)如图乙所示，电源电动势为3 V，内阻不计，当控制开关两端电压上升至2 V时，控制开关自动启动照明系统．要求当天色渐暗照度降至1.0 lx时控制开关接通照明系统，则R1＝________ kΩ.(2)某同学为了测量光敏电阻在不同照度下的阻值，设计了如图丙所示的电路进行测量，电源(E＝3 V，内阻未知)，电阻箱(0～99 999 Ω)．实验时将电阻箱阻值置于最大，闭合S1，将S2与1相连，减小电阻箱阻值，使灵敏电流计的示数为I，图丁为实验时电阻箱的阻值，其读数为________ kΩ；然后将S2与2相连，调节电阻箱的阻值如图戊所示，此时电流表的示数恰好为I，则光敏电阻的阻值为________ kΩ(结果均保留3位有效数字)．答案 (1)10 (2)62.5 40.0解析 (1)电阻R1和R0串联，有＝，U0＝2 V，U1＝3 V－2 V＝1 V，当照度为1.0 lx时，电阻R0＝20 kΩ，则R1＝10 kΩ.(2)题图丁所示电阻箱读数为R2＝62.5 kΩ，题图戊所示电阻箱读数R2′＝22.5 kΩ，本题采用等效替代法测电阻，前后两次电路中的电流相等，则电路中的总电阻相等，则有R2＝R0′＋R2′，所以R0′＝40.0 kΩ.例3 如图是霍尔元件的工作原理示意图，如果用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持I恒定，则可以验证UH随B的变化情况．以下说法不正确的是(工作面是指较大的平面)( )A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，UH将变大B．在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平C．在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平D．改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH将发生变化答案 C解析 将永磁体的磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，B增大，I恒定，由公式UH＝知UH将变大，选项A正确；地球两极的磁场方向在竖直方向上，所以霍尔元件的工作面应保持水平，使B与工作面垂直，选项B正确；地球赤道上的磁场沿水平方向，只有霍尔元件的工作面在竖直方向且垂直于南北方向时，B才与工作面垂直，选项C错误；改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，B垂直工作面分量的大小发生变化，UH将发生变化，选项D正确．考点二 实验：利用传感器制作简单的自动控制装置一、门窗防盗报警装置1．实验目的：了解门窗防盗报警装置，会组装门窗防盗报警装置．2．电路如图所示．3．工作原理：闭合电路开关S，系统处于防盗状态．当门窗紧闭时，磁体M靠近干簧管SA，干簧管两个簧片被磁化相吸而接通继电器线圈K，使继电器工作．继电器的动触点c与常开触点a接通，发光二极管LED发光，显示电路处于正常工作状态．当门窗开启时，磁体离开干簧管，干簧管失磁断开，继电器被断电．继电器的动触点c与常闭触点b接通，蜂鸣器H发声报警．干簧管在电路中起传感器和控制开关的作用，继电器则相当于一个自动的双向开关．4．实验器材干簧管SA、继电器、发光二极管LED、蜂鸣器H、电源、导线若干、开关、电阻R、小磁体．5．实验步骤(1)连接电路前，要先判断一下干簧管是否可以正常工作．用磁体直接靠近干簧管，观察簧片能否正常工作．(2)确定各元件可以正常工作后，按照电路图连接电路．(3)接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，分别观察实验现象．二、光控开关1．实验目的：了解光控开关电路及控制原理，会组装光控开关．2．电路如图所示．3．工作原理：当环境光比较强时，光敏电阻RG的阻值很小，三极管不导通，发光二极管或继电器所在的回路相当于断路，即发光二极管不工作；继电器处于常开状态，小灯泡L不亮．当环境光比较弱时，光敏电阻RG的阻值变大，三极管导通，且获得足够的基极电流，产生较大的集电极电流， 点亮发光二极管或驱动继电器吸合而点亮小灯泡L.4．实验器材发光二极管LED、晶体三极管VT、可调电阻R1、限流电阻R2、光敏电阻RG、集成电路实验板、直流电源、导线若干、黑纸、小灯泡L.5．实验步骤(1)按照电路图连接电路，检查无误后，接通电源．(2)让光敏电阻RG受到白天较强的自然光照射，调节电阻R1使发光二极管LED或小灯泡L刚好不发光．(3)遮挡RG，当光照减弱到某种程度时，就会看到发光二极管LED或小灯泡L发光．(4)让光照加强，当光照强到某种程度时，则发光二极管LED或小灯泡L熄灭．6．注意事项(1)安装前，对实验器材进行测试，确保各元件性能良好后，再进行安装．(2)光控开关实验中，二极管连入电路的极性不能反接．(3)如果实验现象不明显，可用手电筒加强光照，或遮盖光敏电阻，再进行观察．例4 在实际应用中有多种自动控温装置，以下是其中两种控温装置：(1)图(a)为某自动恒温箱原理图，箱内的电阻R1＝2 kΩ，R2＝1.5 kΩ，R3＝4 kΩ，Rt为热敏电阻，其电阻随温度变化的图像如图(b)所示．当a、b两点电势φa<φb时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当φa≥φb时，电压鉴别器会使S断开，停止加热，则恒温箱内的稳定温度为______ ℃，恒温箱内的电热丝加热时Rt的取值范围为______．(2)有一种由PTC元件做成的加热器，它产生的焦耳热功率PR随温度t变化的图像如图(c)所示．该加热器向周围散热的功率为PQ＝k(t－t0)，其中t为加热器的温度，t0为室温(本题中取20 ℃)，k＝0.1 W/℃.当PR＝PQ时加热器的温度即可保持稳定，则该加热器工作的稳定温度为________ ℃；某次工作中，该加热器从室温升高至稳定温度的过程中，下列温度变化过程用时最短的是________(填选项前的字母序号)．A．20～24 ℃ B．32～36 ℃C．48～52 ℃ D．60～64 ℃答案 (1)25 Rt>3 kΩ (2)70(68～72均可) B解析 (1)由电路图可知，当满足＝时，即Rt＝3 kΩ时φa＝φb ，此时由题图(b)可知温度为25 ℃，即恒温箱内的稳定温度为25 ℃；恒温箱内的电热丝加热时，Rt的取值范围为Rt>3 kΩ；(2)PQ＝0.1(t－t0) (W)，PQ与温度t之间关系的图像如图；由图可知，当温度为70 ℃左右时，发热功率和散热功率相等，即此时物体的温度不再变化；由图可知，四个选项中，32～36 ℃时PR－PQ最大，即该过程用时最短，故选B.例5 为了建设安全校园，某校物理教师带领兴趣小组的学生，利用光敏电阻和电磁继电器，为学校教学楼内所有楼梯口的照明灯安装了亮度自动控制装置．如图甲所示为他们设计的原理图，R0为光敏电阻(阻值随亮度的增加而减小)，R1为滑动变阻器，电磁继电器的衔铁由软铁(容易磁化和消磁)制成，R2为电磁铁的线圈电阻，K为单刀双掷开关．(1)为使楼内亮度降低到一定程度照明灯自动点亮，亮度升高到一定程度照明灯自动熄灭，单刀双掷开关应置于________(选填“a”或“b”)．(2)为了提升校园安全系数，使照明灯在不太暗的时候就点亮，滑动变阻器接入电路的电阻应____________(选填“调大”或“调小”)．(3)已知直流电路中的电流达到10 mA时电磁继电器的衔铁正好会被吸下，R0从正午最亮到夜晚最暗的阻值变化范围为50～200 Ω，R2约为5 Ω，直流电源电动势E＝3 V，内阻r约为1 Ω，现有三个最大电阻阻值分别为100 Ω、300 Ω、3 000 Ω的滑动变阻器，为实现调控目标R1最好应选择最大阻值为________ Ω的滑动变阻器．(4)兴趣小组同学想要对原设计进行改进，使亮度降低到一定程度触发衔铁吸下，请你在图乙的虚线框中用笔画线代替导线重新连接直流电路中c、d、e、f、g、h各点，以实现这一改进目标．答案 (1)b (2)调大 (3)300 (4)见解析图解析 (1)亮度降低R0变大，电流减小，电磁继电器力减小，衔铁被放开，此时照明灯应被点亮，所以单刀双掷开关应接b.(2)电磁继电器的衔铁被吸下或放开有一个电流的临界值，对应一个总电阻的临界值，所以滑动变阻器调得越大，对应R0的触发值越小，能使照明灯在不太暗的时候就点亮．(3)电动势为3 V，触发电流为10 mA，可得对应总电阻为300 Ω.滑动变阻器选100 Ω，R0可触发的阻值范围约为194～200 Ω，范围太小，对应亮度太低；300 Ω的阻值足够调控，对应R0触发值范围足够大；3 000 Ω阻值太大，对于某一亮度对应阻值的调节不精准．(4)为了实现“亮度降低到一定程度触发衔铁吸下”可让R0与电磁继电器并联，这样亮度降低时R0增大，电磁继电器中的电流增大，可触发衔铁被吸下，电路图如图．第十三章 交变电流 电磁波 传感器考情分析 交流电及四值 2022·浙江1月选考·T9 2022·广东卷·T4 2022·河北卷·T3 2021·辽宁卷·T5 2021·江苏卷·T12 2021·天津卷·T3 2021·北京卷·T5 2021·浙江1月选考·T16 2021·浙江6月选考·T5变压器综合问题 2022·山东卷·T4 2022·湖北卷·T9 2022·湖南卷·T6 2022·北京卷·T4 2022·重庆卷·T3 2021·广东卷·T7 2021·河北卷·T8 2021·湖南卷·T6 2021·湖北卷·T6 2021·福建卷·T3 2020·江苏卷·T2 2020·山东卷·T5远距离输电 2020·浙江7月选考·T11电磁波 2021·浙江6月选考·T8 2021·福建卷·T5 2020·北京卷·T3 2020·江苏卷·T13B(1)传感器 2022·河北卷·T12 2022·北京卷·T13 2022·重庆卷·T11试题情境 生活实践类 发电机、变压器、远距离输电、无线充电、家用和工业电路、家用电器、雷达、射电望远镜、X射线管、电子秤、烟雾报警器等学习探究类 探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系，探究家用小型发电机的原理，探究负载增加对供电系统的影响、电磁振荡、利用传感器制作简单的自动控制装置第1讲 交变电流的产生和描述目标要求 1.理解正弦式交变电流的产生过程，能正确书写交变电流的函数表达式.2.理解并掌握交变电流图像的意义.3.理解描述交变电流的几个物理量，会计算交变电流的有效值.4.知道交流电“四值”在具体情况下的应用．考点一 正弦式交变电流的产生及变化规律1．产生在匀强磁场中线圈绕__________磁场方向的轴匀速转动．2．两个特殊位置的特点(1)线圈平面转到中性面时，S⊥B，Φ______，＝0，e＝0，i＝0，电流方向将________．(2)线圈平面与中性面垂直时，S∥B，Φ＝0，________，e最大，i最大，电流方向________．3．一个周期内线圈中电流的方向改变______次．4．描述交变电流的物理量(1)最大值Em＝________，与转轴位置________，与线圈形状________(均选填“有关”或“无关”)．(2)周期和频率①周期(T)：交变电流完成________________变化所需的时间．单位是秒(s)，公式T＝.②频率(f)：交变电流在单位时间内完成周期性变化的________．单位是赫兹(Hz)．③周期和频率的关系：T＝______或f＝________.5．交变电流的变化规律(线圈从中性面开始计时)函数表达式 图像磁通量 Φ＝__________＝____________电动势 e＝____________＝____________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．线圈在磁场中转动的过程中穿过线圈的磁通量最大时，产生的感应电动势也最大．( )3．线圈经过中性面时，感应电动势为零，感应电流方向发生改变．( )4．当线圈从垂直中性面开始计时，产生的电动势按正弦规律变化，即e＝Emsin ωt.( )书写交变电流瞬时值表达式的技巧(1)确定正弦交变电流的峰值：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：①若线圈从中性面位置开始计时，则i－t图像为正弦函数图像，函数表达式为i＝Imsin ωt.②若线圈从垂直中性面位置开始计时，则i－t图像为余弦函数图像，函数表达式为i＝Imcos ωt.例1 (2023·广西柳州市模拟)为研究交变电流产生的规律，某研究小组把长60 m导线绕制成N＝100匝的矩形闭合线圈，如图所示．现把线圈放到磁感应强度大小B＝0.1 T、方向水平向右的匀强磁场中，线圈可以绕其对称轴OO′转动．现让线圈从图示位置开始(t＝0)以恒定的角速度ω＝10π rad/s转动．下列说法正确的有( )A．t＝0时，线圈位于中性面位置B．t＝0.05 s时，感应电流达到最大值C．当bc＝2ab时，感应电动势的表达式为e＝2πsin 10πt (V)D．当ab＝ad时，感应电动势的有效值最大听课记录：_______________________________________________________________________________________________________________________________________________例2 (2023·江苏省高三月考)两人在赤道上站立，各自手握金属绳OPO′的一端，绕东西方向的水平轴沿顺时针方向匀速摇动，周期为T，将金属绳连入电路，闭合回路如图所示，取金属绳在图示的最高位置时为t＝0时刻，则下列说法正确的是( )A．电路中存在周期为T的变化电流B．t＝0时刻，回路中磁通量最大，电路中电流最大C．t＝时刻，电流向左通过灵敏电流计D．t＝时刻，回路磁通量最大，电路中电流最大听课记录：_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________例3 一手摇交流发电机线圈在匀强磁场中匀速转动，内阻不计．转轴位于线圈平面内，并与磁场方向垂直．产生的电动势随时间变化的规律如图所示，则( )A．该交变电流的频率是0.4 HzB．t＝0时刻，线圈恰好与中性面重合C．t＝0.1 s时，穿过线圈的磁通量最大D．该交变电动势瞬时值表达式是e＝10cos 5πt (V)听课记录：_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________考点二 交变电流有效值的求解1．有效值让交变电流与恒定电流分别通过大小相同的电阻，如果在交变电流的一个周期内它们________________相等，则这个恒定电流的电流I与电压U就是这个交变电流的有效值．2．正弦式交变电流的有效值与峰值之间的关系I＝__________，U＝__________，E＝______.1．有效值等于峰值的，这一关系适用于所有交变电流．( )2．交变电流的有效值就是一个周期内的平均值．( )例4 阻值为R的电阻上通以如图所示的交变电流，则此交变电流的有效值为( )A．1 A B. AC．2 A D．3 A听课记录：_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________例5 (2023·江苏南京市高三检测)如图所示为一交流电压随时间变化的图像．每个周期内，前三分之一周期电压按正弦规律变化，后三分之二周期电压恒定．根据图中数据可得此交流电压的有效值为( )A．7.5 V B．2 VC．8 V D．3 V听课记录：_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 有效值的计算1．计算有效值时要根据电流的热效应，抓住“三同”：“相同时间”内“相同电阻”上产生“相同热量”，先分段计算热量，求和得出一个周期内产生的总热量，然后根据Q总＝I2RT或Q总＝T列式求解．2．若图像部分是正弦(或余弦)式交变电流，其中的周期(必须是从零至最大值或从最大值至零)和周期部分可直接应用正弦式交变电流的有效值与最大值之间的关系I＝、U＝求解．考点三 交变电流“四值”的理解和计算物理量 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＝Emsin ωt i＝Imsin ωt 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________电压有效值 跟交变电流的热效应等效的恒定电流的值 E＝ U＝ I＝ 适用于正(余)弦式交变电流 (1)交流电流表、交流电压表的示数 (2)电气设备“铭牌”上所标的值(如额定电压、额定电流等) (3)计算与电流的热效应有关的量(如电功、电功率、电热、保险丝的熔断电流等) (4)没有特别加以说明的平均值 交变电流图像中图线与时间轴所围的面积与时间的比值 ＝N ＝ 计算通过导线横截面的________________________________________________________________________1．交流电压表和电流表测量的是交流电的峰值．( )2．可以用平均值计算交变电流产生的热量．( )3．求通过导体横截面的电荷量q＝It，其中的I指的是有效值．( )例6 如图甲所示，标有“220 V 40 W”的灯泡和标有“20 μF 220 V”的电容器并联接到交流电源上，为交流电压表，交流电源的输出电压如图乙所示，闭合开关．下列判断正确的是( )A．t＝时刻，的示数为零B．灯泡恰好正常发光C．电容器不可能被击穿D.的示数保持110 V不变听课记录：_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________例7 (2023·江苏无锡市模拟)如图所示，电阻为r的金属直角线框abcd放置在磁感应强度为B的匀强磁场中，a、d两点连线与磁场垂直，ab、cd长均为l，bc长为2l，定值电阻阻值为R.线框绕ad连线以角速度ω匀速转动，从图示位置开始计时，则( )A．线框每转一圈，回路电流方向改变一次B．a、d两点间的电压为Bl2ωC．电流瞬时值的表达式为i＝D．半个周期内通过R的电荷量为听课记录：______________________________________________________________________________________________________________________________________________________例8 (2023·江苏省常熟中学模拟)图甲是某发电机的示意图，正方形金属框边长为L，其两端与两个半圆环相连，在磁感应强度为B的匀强磁场中以恒定角速度绕OO′轴转动．阻值为R的电阻两端的电压如图乙所示，Um为已知，其他电阻不计，则金属框转动一周( )A．框内电流方向不变B．电动势的有效值大于UmC．流过电阻的电荷量为D．电阻产生的焦耳热为听课记录：______________________________________________________________________________________________________________________________________________________第十三章 交变电流 电磁波 传感器考情分析 交流电及四值 2022·浙江1月选考·T9 2022·广东卷·T4 2022·河北卷·T3 2021·辽宁卷·T5 2021·江苏卷·T12 2021·天津卷·T3 2021·北京卷·T5 2021·浙江1月选考·T16 2021·浙江6月选考·T5变压器综合问题 2022·山东卷·T4 2022·湖北卷·T9 2022·湖南卷·T6 2022·北京卷·T4 2022·重庆卷·T3 2021·广东卷·T7 2021·河北卷·T8 2021·湖南卷·T6 2021·湖北卷·T6 2021·福建卷·T3 2020·江苏卷·T2 2020·山东卷·T5远距离输电 2020·浙江7月选考·T11电磁波 2021·浙江6月选考·T8 2021·福建卷·T5 2020·北京卷·T3 2020·江苏卷·T13B(1)传感器 2022·河北卷·T12 2022·北京卷·T13 2022·重庆卷·T11试题情境 生活实践类 发电机、变压器、远距离输电、无线充电、家用和工业电路、家用电器、雷达、射电望远镜、X射线管、电子秤、烟雾报警器等学习探究类 探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系，探究家用小型发电机的原理，探究负载增加对供电系统的影响、电磁振荡、利用传感器制作简单的自动控制装置第1讲 交变电流的产生和描述目标要求 1.理解正弦式交变电流的产生过程，能正确书写交变电流的函数表达式.2.理解并掌握交变电流图像的意义.3.理解描述交变电流的几个物理量，会计算交变电流的有效值.4.知道交流电“四值”在具体情况下的应用．考点一 正弦式交变电流的产生及变化规律 1．产生在匀强磁场中线圈绕垂直于磁场方向的轴匀速转动．2．两个特殊位置的特点(1)线圈平面转到中性面时，S⊥B，Φ最大，＝0，e＝0，i＝0，电流方向将发生改变．(2)线圈平面与中性面垂直时，S∥B，Φ＝0，最大，e最大，i最大，电流方向不改变．3．一个周期内线圈中电流的方向改变两次．4．描述交变电流的物理量(1)最大值Em＝NBSω，与转轴位置无关，与线圈形状无关(均选填“有关”或“无关”)．(2)周期和频率①周期(T)：交变电流完成一次周期性变化所需的时间．单位是秒(s)，公式T＝.②频率(f)：交变电流在单位时间内完成周期性变化的次数．单位是赫兹(Hz)．③周期和频率的关系：T＝或f＝.5．交变电流的变化规律(线圈从中性面开始计时)函数表达式 图像磁通量 Φ＝Φmcos_ωt＝BScos_ωt电动势 e＝Emsin_ωt＝NBSωsin_ωt1．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．线圈在磁场中转动的过程中穿过线圈的磁通量最大时，产生的感应电动势也最大．( × )3．线圈经过中性面时，感应电动势为零，感应电流方向发生改变．( √ )4．当线圈从垂直中性面开始计时，产生的电动势按正弦规律变化，即e＝Emsin ωt.( × )书写交变电流瞬时值表达式的技巧(1)确定正弦交变电流的峰值：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：①若线圈从中性面位置开始计时，则i－t图像为正弦函数图像，函数表达式为i＝Imsin ωt.②若线圈从垂直中性面位置开始计时，则i－t图像为余弦函数图像，函数表达式为i＝Imcos ωt.例1 (2023·广西柳州市模拟)为研究交变电流产生的规律，某研究小组把长60 m导线绕制成N＝100匝的矩形闭合线圈，如图所示．现把线圈放到磁感应强度大小B＝0.1 T、方向水平向右的匀强磁场中，线圈可以绕其对称轴OO′转动．现让线圈从图示位置开始(t＝0)以恒定的角速度ω＝10π rad/s转动．下列说法正确的有( )A．t＝0时，线圈位于中性面位置B．t＝0.05 s时，感应电流达到最大值C．当bc＝2ab时，感应电动势的表达式为e＝2πsin 10πt (V)D．当ab＝ad时，感应电动势的有效值最大答案 D解析 t＝0时，线圈位于与中性面垂直的位置，故A错误；线圈的周期为T＝＝0.2 s，t＝0.05 s时，线圈转过90°，到达中性面位置，此时磁通量最大，感应电流为零，故B错误；电动势最大值为Em0＝NBS0ω，S0＝ab·bc，N(ab＋bc)×2＝60 m,2ab＝bc，联立可得Em0＝2π V，线圈从题中图示位置(平行于磁场方向)开始转动，因此感应电动势的表达式为e＝2πcos 10πt (V)，故C错误；线圈周长为0.6 m，当ab＝ad时，边长相等，此时线圈面积最大，又Em＝NBSω，则感应电动势最大，即感应电动势的有效值最大，故D正确．例2 (2023·江苏省高三月考)两人在赤道上站立，各自手握金属绳OPO′的一端，绕东西方向的水平轴沿顺时针方向匀速摇动，周期为T，将金属绳连入电路，闭合回路如图所示，取金属绳在图示的最高位置时为t＝0时刻，则下列说法正确的是( )A．电路中存在周期为T的变化电流B．t＝0时刻，回路中磁通量最大，电路中电流最大C．t＝时刻，电流向左通过灵敏电流计D．t＝时刻，回路磁通量最大，电路中电流最大答案 A解析 金属绳在匀强磁场中匀速摇动时，产生周期性变化的电流，所以这个电路中存在周期为T的变化电流，故A正确；在t＝时刻，金属绳向下运动，由右手定则可知，电流向右通过灵敏电流计，故C错误；在t＝0时刻和t＝时刻，磁通量的变化率最小，则电路中电流最小，故B、D错误．例3 一手摇交流发电机线圈在匀强磁场中匀速转动，内阻不计．转轴位于线圈平面内，并与磁场方向垂直．产生的电动势随时间变化的规律如图所示，则( )A．该交变电流的频率是0.4 HzB．t＝0时刻，线圈恰好与中性面重合C．t＝0.1 s时，穿过线圈的磁通量最大D．该交变电动势瞬时值表达式是e＝10cos 5πt (V)答案 C解析 由题图可知电动势随着时间变化的周期为T＝0.4 s，故频率为f＝＝ Hz＝2.5 Hz，故A错误；在t＝0时刻，电动势最大，所以此时穿过线圈的磁通量为0，线圈和中性面垂直，故B错误；在t＝0.1 s时，电动势为0，穿过线圈的磁通量最大，故C正确；该交变电动势最大值为Um＝10 V，ω＝＝ rad/s＝5π rad/s，因从垂直中性面开始计时，所以电动势瞬时值表达式是 e＝Emcos ωt＝10cos 5πt (V)，故D错误．考点二 交变电流有效值的求解1．有效值让交变电流与恒定电流分别通过大小相同的电阻，如果在交变电流的一个周期内它们产生的热量相等，则这个恒定电流的电流I与电压U就是这个交变电流的有效值．2．正弦式交变电流的有效值与峰值之间的关系I＝，U＝，E＝.1．有效值等于峰值的，这一关系适用于所有交变电流．( × )2．交变电流的有效值就是一个周期内的平均值．( × )例4 阻值为R的电阻上通以如图所示的交变电流，则此交变电流的有效值为( )A．1 A B. AC．2 A D．3 A答案 B解析 根据焦耳定律以及有效值的概念得I2RT＝(2 A)2×R×＋(1 A)2×R×，解得I＝ A，B正确．例5 (2023·江苏南京市高三检测)如图所示为一交流电压随时间变化的图像．每个周期内，前三分之一周期电压按正弦规律变化，后三分之二周期电压恒定．根据图中数据可得此交流电压的有效值为( )A．7.5 V B．2 VC．8 V D．3 V答案 B解析 在0～1 s内是正弦式电流，则电压的有效值等于3 V．在1～3 s内是恒定电流，则有效值等于9 V．则在0～3 s内，产生的热量为×1 s＋×2 s＝×3 s，解得U＝2 V，故选B. 有效值的计算1．计算有效值时要根据电流的热效应，抓住“三同”：“相同时间”内“相同电阻”上产生“相同热量”，先分段计算热量，求和得出一个周期内产生的总热量，然后根据Q总＝I2RT或Q总＝T列式求解．2．若图像部分是正弦(或余弦)式交变电流，其中的周期(必须是从零至最大值或从最大值至零)和周期部分可直接应用正弦式交变电流的有效值与最大值之间的关系I＝、U＝求解．考点三 交变电流“四值”的理解和计算物理量 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＝Emsin ωt i＝Imsin ωt 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的值 E＝ U＝ I＝ 适用于正(余)弦式交变电流 (1)交流电流表、交流电压表的示数 (2)电气设备“铭牌”上所标的值(如额定电压、额定电流等) (3)计算与电流的热效应有关的量(如电功、电功率、电热、保险丝的熔断电流等) (4)没有特别加以说明的平均值 交变电流图像中图线与时间轴所围的面积与时间的比值 ＝N ＝ 计算通过导线横截面的电荷量1．交流电压表和电流表测量的是交流电的峰值．( × )2．可以用平均值计算交变电流产生的热量．( × )3．求通过导体横截面的电荷量q＝It，其中的I指的是有效值．( × )例6 如图甲所示，标有“220 V 40 W”的灯泡和标有“20 μF 220 V”的电容器并联接到交流电源上，为交流电压表，交流电源的输出电压如图乙所示，闭合开关．下列判断正确的是( )A．t＝时刻，的示数为零B．灯泡恰好正常发光C．电容器不可能被击穿D.的示数保持110 V不变答案 B解析 的示数应是交流电压的有效值，即为220 V，选项A、D错误；交流电压的有效值恰好等于灯泡的额定电压，灯泡正常发光，选项B正确；交流电压的峰值Um＝220 V≈311 V，大于电容器的耐压值，故电容器将被击穿，选项C错误．例7 (2023·江苏无锡市模拟)如图所示，电阻为r的金属直角线框abcd放置在磁感应强度为B的匀强磁场中，a、d两点连线与磁场垂直，ab、cd长均为l，bc长为2l，定值电阻阻值为R.线框绕ad连线以角速度ω匀速转动，从图示位置开始计时，则( )A．线框每转一圈，回路电流方向改变一次B．a、d两点间的电压为Bl2ωC．电流瞬时值的表达式为i＝D．半个周期内通过R的电荷量为答案 D解析 线框产生的是正弦式交流电，正弦式交流电在一个周期内电流方向改变2次，故 A错误；回路中产生的感应电动势有效值为E＝＝＝Bl2ω，a、d两点间的电压为路端电压U＝E＝，故B错误；线框从中性面开始转动，电流瞬时值表达式i＝sin ωt＝sin ωt，C错误；半个周期内通过R的电荷量q＝Δt＝＝，故D正确．例8 (2023·江苏省常熟中学模拟)图甲是某发电机的示意图，正方形金属框边长为L，其两端与两个半圆环相连，在磁感应强度为B的匀强磁场中以恒定角速度绕OO′轴转动．阻值为R的电阻两端的电压如图乙所示，Um为已知，其他电阻不计，则金属框转动一周( )A．框内电流方向不变B．电动势的有效值大于UmC．流过电阻的电荷量为D．电阻产生的焦耳热为答案 D解析 金属框每次经过中性面时框内电流方向都会改变，故A错误；由题图乙可知，金属框产生感应电动势的图像应为完整的正弦曲线，所以电动势的有效值等于Um，故B错误；金属框转动一周的过程中，流过电阻的电荷量为q＝××4＝××4＝×4＝，故C错误；设金属框转动的角速度为ω，则有Um＝BL2ω，金属框转动的周期为T＝，根据焦耳定律可得电阻产生的焦耳热为Q＝2，联立上述三式解得Q＝，故D正确．第3讲 电磁振荡与电磁波目标要求 1.了解LC振荡电路中振荡电流的产生过程及电磁振荡过程中能量转化情况.2.掌握电磁振荡的周期公式和频率公式.3.理解麦克斯韦电磁场理论，了解电磁波的产生、发射、传播和接收过程．考点一 电磁振荡1．振荡电路：产生大小和方向都做____________迅速变化的电流(即________________)的电路．由电感线圈L和电容C组成最简单的振荡电路，称为________振荡电路．2．电磁振荡：在LC振荡电路中，电容器不断地________和________，就会使电容器极板上的电荷量q、电路中的________、电容器内的电场强度E、线圈内的________________发生周期性的变化，这种现象就是电磁振荡．3．电磁振荡中的能量变化(1)放电过程中电容器储存的________能逐渐转化为线圈的________能．(2)充电过程中线圈中的________能逐渐转化为电容器的________能．(3)在电磁振荡过程中，电场能和磁场能会发生________的转化．4．电磁振荡的周期和频率(1)周期T＝________.(2)频率f＝.1．LC振荡电路中，电容器放电完毕时，回路中电流最小．( )2．LC振荡电路中，回路中的电流最大时回路中的磁场能最大．( )3．电磁振荡的固有周期与电流的变化快慢有关．( )1．振荡电流、极板带电荷量随时间的变化图像2．LC振荡电路充、放电过程的判断方法根据电流流向判断 当电流流向带正电的极板时，电容器的电荷量增加，磁场能向电场能转化，处于充电过程；反之，当电流流出带正电的极板时，电荷量减少，电场能向磁场能转化，处于放电过程根据物理量的变化趋势判断 当电容器的带电荷量q(电压U、电场强度E)增大或电流i(磁感应强度B)减小时，处于充电过程；反之，处于放电过程根据能量判断 电场能增加时充电，磁场能增加时放电例1 (2023·北京八十中模拟)如图甲所示为某一LC振荡电路，图乙i－t图像为LC振荡电路的电流随时间变化的关系图像．在t＝0时刻，回路中电容器的M板带正电，下列说法中正确的是( )A．O～a阶段，电容器正在充电，电场能正在向磁场能转化B．a～b阶段，电容器正在放电，磁场能正在向电场能转化C．b～c阶段，电容器正在放电，回路中电流沿顺时针方向D．c～d阶段，电容器正在充电，回路中电流沿逆时针方向听课记录：_______________________________________________________________________例2 如图所示，表示LC振荡电路某时刻的情况，以下说法正确的是( )A．电容器正在充电B．电感线圈中的磁场能正在减小C．电感线圈中的电流正在减小D．此时自感电动势正在阻碍电流的增大听课记录：_______________________________________________________________________例3 某LC电路的振荡频率为520 kHz，为能提高到1 040 kHz，以下说法正确的是( )A．调节可变电容，使电容增大为原来的4倍B．调节可变电容，使电容减小为原来的C．调节电感线圈，使线圈匝数增加到原来的4倍D．调节电感线圈，使线圈电感变为原来的听课记录：_______________________________________________________________________例4 (2023·江苏南京市模拟)如图所示，一平行金属板AB与一线圈组成理想的LC振荡电路，E为电源，当开关S从1掷向2的同时，有一电子恰从极板中央飞入AB间，电子重力可忽略，射入方向与极板平行．则电子( )A．可能从上极板边缘飞出，飞出时动能一定增大B．可能从下极板边缘飞出，飞出时动能可能不变C．可能从上极板边缘飞出，飞出时动能可能不变D．可能从下极板边缘飞出，飞出时动能一定减小听课记录：_______________________________________________________________________考点二 电磁波的特点及应用1．麦克斯韦电磁场理论2．电磁波(1)电磁场在空间由近及远地向周围传播，形成__________．(2)电磁波的传播不需要________，可在真空中传播，在真空中不同频率的电磁波传播速度________(都等于光速)．(3)不同频率的电磁波，在同一介质中传播，其速度是不同的，频率越高，波速________．(4)v＝________，f是电磁波的频率．3．电磁波的发射(1)发射条件：________电路和______________信号，所以要对传输信号进行调制．(2)调制方式①调幅：使高频电磁波的________随信号的强弱而改变．②调频：使高频电磁波的________随信号的强弱而改变．4．无线电波的接收(1)当接收电路的固有频率跟收到的无线电波的频率________时，接收电路中产生的振荡电流________，这就是电谐振现象．(2)使接收电路产生电谐振的过程叫作______，能够调谐的接收电路叫作________电路．(3)从经过调制的高频振荡信号中“检”出调制信号的过程，叫作________．检波是________的逆过程，也叫作________．5．电磁波谱：按照电磁波的______大小或______高低的顺序把它们排列成谱叫作电磁波谱．按波长由长到短排列的电磁波谱为：无线电波、红外线、__________、紫外线、X射线、γ射线．1．振荡电路的频率越高，发射电磁波的本领越大．( )2．要将传递的声音信号向远距离发射，必须以高频电磁波作为载波．( )3．只有接收电路发生电谐振时，接收电路中才有振荡电流．( )4．解调是调制的逆过程．( )1．电磁波谱分析及应用电磁波谱 频率/ Hz 真空中波长/m 特性 应用 递变规律无线电波 ＜3×1011 ＞10－3 波动性强，易发生衍射 无线电技术 衍射能力减弱，直线传播能力增强红外线 1011～1015 10－7～10－3 热效应 红外遥感可见光 1015 10－7 引起视觉 照明、摄影紫外线 1015～1016 10－8～10－7 化学效应、荧光效应、灭菌消毒 医用消毒、防伪X射线 1016～1019 10－11～10－8 穿透本领强 检查、医用透视γ射线 ＞1019 ＜10－11 穿透本领更强 工业探伤、医用治疗2.各种电磁波产生机理无线电波 振荡电路中电子周期性运动产生红外线、可见光和紫外线 原子的外层电子受激发后产生X射线 原子的内层电子受激发后产生γ射线 原子核受激发后产生3.对电磁波的两点说明(1)不同电磁波的频率或波长不同，表现出不同的特性，波长越长，越容易产生干涉、衍射现象，波长越短，穿透能力越强．(2)同频率的电磁波在不同介质中传播速度不同，不同频率的电磁波在同一种介质中传播时，频率越高，折射率越大，速度越小．例5 某电路中电场强度随时间变化的关系图像如图所示，能发射电磁波的是( )例6 (2023·上海市模拟)以下关于电磁场和电磁波的说法中正确的是( )A．电场和磁场总是同时存在的，统称为电磁场B．电磁波是机械波，传播需要介质C．电磁波的传播速度是3×108 m/sD．电磁波是一种物质，可在真空中传播听课记录：_______________________________________________________________________例7 关于电磁波谱，下列说法正确的是( )A．在真空中各种电磁波的传播速度不同B．γ射线是波长最短的电磁波，它比X射线的频率还要高C．紫外线比紫光更容易发生干涉和衍射D．在电磁波谱中，最容易发生衍射现象的是γ射线听课记录：_______________________________________________________________________例8 (2020·江苏卷·13B(1)改编)电磁波广泛应用在现代医疗中．下列不属于电磁波应用的医用器械有( )A．杀菌用的紫外灯B．拍胸片的X光机C．测量体温的红外线测温枪D．检查血流情况的“彩超”机听课记录：_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________第3讲 电磁振荡与电磁波目标要求 1.了解LC振荡电路中振荡电流的产生过程及电磁振荡过程中能量转化情况.2.掌握电磁振荡的周期公式和频率公式.3.理解麦克斯韦电磁场理论，了解电磁波的产生、发射、传播和接收过程．考点一 电磁振荡1．振荡电路：产生大小和方向都做周期性迅速变化的电流(即振荡电流)的电路．由电感线圈L和电容C组成最简单的振荡电路，称为LC振荡电路．2．电磁振荡：在LC振荡电路中，电容器不断地充电和放电，就会使电容器极板上的电荷量q、电路中的电流i、电容器内的电场强度E、线圈内的磁感应强度B发生周期性的变化，这种现象就是电磁振荡．3．电磁振荡中的能量变化(1)放电过程中电容器储存的电场能逐渐转化为线圈的磁场能．(2)充电过程中线圈中的磁场能逐渐转化为电容器的电场能．(3)在电磁振荡过程中，电场能和磁场能会发生周期性的转化．4．电磁振荡的周期和频率(1)周期T＝2π.(2)频率f＝.1．LC振荡电路中，电容器放电完毕时，回路中电流最小．( × )2．LC振荡电路中，回路中的电流最大时回路中的磁场能最大．( √ )3．电磁振荡的固有周期与电流的变化快慢有关．( × )1．振荡电流、极板带电荷量随时间的变化图像2．LC振荡电路充、放电过程的判断方法根据电流流向判断 当电流流向带正电的极板时，电容器的电荷量增加，磁场能向电场能转化，处于充电过程；反之，当电流流出带正电的极板时，电荷量减少，电场能向磁场能转化，处于放电过程根据物理量的变化趋势判断 当电容器的带电荷量q(电压U、电场强度E)增大或电流i(磁感应强度B)减小时，处于充电过程；反之，处于放电过程根据能量判断 电场能增加时充电，磁场能增加时放电例1 (2023·北京八十中模拟)如图甲所示为某一LC振荡电路，图乙i－t图像为LC振荡电路的电流随时间变化的关系图像．在t＝0时刻，回路中电容器的M板带正电，下列说法中正确的是( )A．O～a阶段，电容器正在充电，电场能正在向磁场能转化B．a～b阶段，电容器正在放电，磁场能正在向电场能转化C．b～c阶段，电容器正在放电，回路中电流沿顺时针方向D．c～d阶段，电容器正在充电，回路中电流沿逆时针方向答案 C解析 O～a阶段，电容器正在放电，电流不断增加，电场能正在向磁场能转化，选项A错误；a～b阶段，电容器正在充电，电流逐渐减小，磁场能正在向电场能转化，选项B错误；b～c阶段，电容器正在放电，回路中电流沿顺时针方向，选项C正确；c～d阶段，电容器正在充电，回路中电流沿顺时针方向，选项D错误．例2 如图所示，表示LC振荡电路某时刻的情况，以下说法正确的是( )A．电容器正在充电B．电感线圈中的磁场能正在减小C．电感线圈中的电流正在减小D．此时自感电动势正在阻碍电流的增大答案 D解析 根据磁感线的方向可以判断电流方向是逆时针，再根据电容器极板上带电的性质可以判断电容器在放电，A错误；电容器在放电，所以电流在增大，磁场能在增大，自感电动势正在阻碍电流的增大，B、C错误，D正确．例3 某LC电路的振荡频率为520 kHz，为能提高到1 040 kHz，以下说法正确的是( )A．调节可变电容，使电容增大为原来的4倍B．调节可变电容，使电容减小为原来的C．调节电感线圈，使线圈匝数增加到原来的4倍D．调节电感线圈，使线圈电感变为原来的答案 B解析 由振荡频率公式f＝可知，要使频率提高到原来的2倍，则可以减小电容使之变为原来的，或减小电感使之变为原来的，故B正确，A、C、D错误．例4 (2023·江苏南京市模拟)如图所示，一平行金属板AB与一线圈组成理想的LC振荡电路，E为电源，当开关S从1掷向2的同时，有一电子恰从极板中央飞入AB间，电子重力可忽略，射入方向与极板平行．则电子( )A．可能从上极板边缘飞出，飞出时动能一定增大B．可能从下极板边缘飞出，飞出时动能可能不变C．可能从上极板边缘飞出，飞出时动能可能不变D．可能从下极板边缘飞出，飞出时动能一定减小答案 C解析 当开关S从1掷向2后，两板间将产生交变电场(设周期为T)，根据两板间电压的周期性可知，若电子在板间的运动时间为的奇数倍，则电子在板间加速和减速的时间相等，根据对称性可知电子从两板间射出时的竖直分速度为零，此时电子的动能不变，且电子的竖直分位移方向向上．因为电子一定先向上加速，其竖直位移一定向上或等于零，所以电子不可能从两板间中轴线的下方射出．综上所述可知A、B、D错误，C正确．考点二 电磁波的特点及应用1．麦克斯韦电磁场理论2．电磁波(1)电磁场在空间由近及远地向周围传播，形成电磁波．(2)电磁波的传播不需要介质，可在真空中传播，在真空中不同频率的电磁波传播速度相同(都等于光速)．(3)不同频率的电磁波，在同一介质中传播，其速度是不同的，频率越高，波速越小．(4)v＝λf，f是电磁波的频率．3．电磁波的发射(1)发射条件：开放电路和高频振荡信号，所以要对传输信号进行调制．(2)调制方式①调幅：使高频电磁波的振幅随信号的强弱而改变．②调频：使高频电磁波的频率随信号的强弱而改变．4．无线电波的接收(1)当接收电路的固有频率跟收到的无线电波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，这就是电谐振现象．(2)使接收电路产生电谐振的过程叫作调谐，能够调谐的接收电路叫作调谐电路．(3)从经过调制的高频振荡信号中“检”出调制信号的过程，叫作检波．检波是调制的逆过程，也叫作解调．5．电磁波谱：按照电磁波的波长大小或频率高低的顺序把它们排列成谱叫作电磁波谱．按波长由长到短排列的电磁波谱为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线．1．振荡电路的频率越高，发射电磁波的本领越大．( √ )2．要将传递的声音信号向远距离发射，必须以高频电磁波作为载波．( √ )3．只有接收电路发生电谐振时，接收电路中才有振荡电流．( × )4．解调是调制的逆过程．( √ )1．电磁波谱分析及应用电磁波谱 频率/ Hz 真空中波长/m 特性 应用 递变规律无线电波 ＜3×1011 ＞10－3 波动性强，易发生衍射 无线电技术 衍射能力减弱，直线传播能力增强红外线 1011～1015 10－7～10－3 热效应 红外遥感可见光 1015 10－7 引起视觉 照明、摄影紫外线 1015～1016 10－8～10－7 化学效应、荧光效应、灭菌消毒 医用消毒、防伪X射线 1016～1019 10－11～10－8 穿透本领强 检查、医用透视γ射线 ＞1019 ＜10－11 穿透本领更强 工业探伤、医用治疗2.各种电磁波产生机理无线电波 振荡电路中电子周期性运动产生红外线、可见光和紫外线 原子的外层电子受激发后产生X射线 原子的内层电子受激发后产生γ射线 原子核受激发后产生3.对电磁波的两点说明(1)不同电磁波的频率或波长不同，表现出不同的特性，波长越长，越容易产生干涉、衍射现象，波长越短，穿透能力越强．(2)同频率的电磁波在不同介质中传播速度不同，不同频率的电磁波在同一种介质中传播时，频率越高，折射率越大，速度越小．例5 某电路中电场强度随时间变化的关系图像如图所示，能发射电磁波的是( )答案 D解析 由麦克斯韦电磁场理论知，当空间出现恒定的电场时(如题图A)，由于它不激发磁场，故无电磁波产生；当出现均匀变化的电场时(如题图B、C)，会激发出磁场，但磁场恒定，不会在较远处激发出电场，故也不会产生电磁波；周期性变化的电场(如题图D)，会激发出周期性变化的磁场，它又激发出周期性变化的电场……如此交替的产生磁场和电场，便会形成电磁波，故D正确．例6 (2023·上海市模拟)以下关于电磁场和电磁波的说法中正确的是( )A．电场和磁场总是同时存在的，统称为电磁场B．电磁波是机械波，传播需要介质C．电磁波的传播速度是3×108 m/sD．电磁波是一种物质，可在真空中传播答案 D解析 变化的电场与变化的磁场相互联系，它们统称为电磁场，选项A错误；电磁波不是机械波，传播不需要介质，选项B错误；电磁波在真空中的传播速度是3×108 m/s，选项C错误；电磁波是一种物质，可在真空中传播，选项D正确．例7 关于电磁波谱，下列说法正确的是( )A．在真空中各种电磁波的传播速度不同B．γ射线是波长最短的电磁波，它比X射线的频率还要高C．紫外线比紫光更容易发生干涉和衍射D．在电磁波谱中，最容易发生衍射现象的是γ射线答案 B解析 电磁波在真空中的传播速度都为3.0×108 m/s，故A错误；γ射线是波长最短的电磁波，它比X射线的频率还要高，故B正确；在电磁波谱中从无线电波到γ射线，波长逐渐变短，频率逐渐升高，而波长越长，波动性越强，越容易发生干涉、衍射现象，因此紫光比紫外线更容易发生干涉和衍射现象，电磁波谱中无线电波最容易发生衍射现象，故C、D错误．例8 (2020·江苏卷·13B(1)改编)电磁波广泛应用在现代医疗中．下列不属于电磁波应用的医用器械有( )A．杀菌用的紫外灯B．拍胸片的X光机C．测量体温的红外线测温枪D．检查血流情况的“彩超”机答案 D第2讲 变压器 远距离输电实验：探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系目标要求 1.会用实验探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系，体会控制变量法，了解实验误差.2.知道变压器的工作原理，掌握变压器的特点，并能分析、解决实际问题.3.理解远距离输电的原理并会计算线路损失的电压和功率．考点一 实验：探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系1．实验原理(1)实验电路图(如图所示)：(2)实验方法采用控制变量法①n1、U1一定，研究n2和U2的关系．②n2、U1一定，研究n1和U2的关系．2．实验器材学生电源(低压交流电源，小于12 V)1个、可拆变压器1个、多用电表1个、导线若干．3．实验过程(1)保持原线圈的匝数n1和电压U1不变，改变副线圈的匝数n2，研究n2对副线圈电压U2的影响．①估计被测电压的大致范围，选择多用电表交流电压挡适当量程，若不知道被测电压的大致范围，则应选择交流电压挡的最大量程进行测量．②组装可拆变压器：把两个线圈穿在铁芯上，闭合铁芯，用交流电压挡测量输入、输出电压．(2)保持副线圈的匝数n2和原线圈两端的电压U1不变，研究原线圈的匝数对副线圈电压的影响．重复(1)中步骤．4．数据处理由数据分析变压器原、副线圈两端电压U1、U2之比与原、副线圈的匝数n1、n2之比的关系．5．注意事项(1)在改变学生电源电压、线圈匝数前均要先断开电源开关，再进行操作．(2)为了人身安全，学生电源的电压不能超过12 V，通电时不能用手接触裸露的导线和接线柱．(3)为了多用电表的安全，使用交流电压挡测电压时，先用最大量程挡试测，大致确定被测电压后再选用适当的挡位进行测量．例1 在“探究变压器原、副线圈电压和匝数的关系”实验中，可拆变压器如图所示．(1)本实验要通过改变原、副线圈匝数，探究原、副线圈的电压比与匝数比的关系，实验中需要运用的科学方法是________；A．控制变量法B．等效替代法C．整体隔离法(2)为了减少涡流的影响，铁芯应该选择________；A．整块硅钢铁芯 B．整块不锈钢铁芯C．绝缘的硅钢片叠成 D．绝缘的铜片叠成(3)以下给出的器材中，本实验需要用到的有哪些________；(4)下列做法正确的是________；A．为了人身安全，只能使用低压直流电源，所用电压不要超过12 VB．为了多用电表的安全，使用交流电压挡测电压时，先用最大量程挡试测C．观察两个线圈的导线，发现粗细不同，导线粗的线圈匝数多D．变压器开始正常工作后，铁芯导电，把电能由原线圈输送到副线圈(5)在实际实验中将电源接在原线圈的“0”和“800”两个接线柱上，用电表测得副线圈的“0”和“400”两个接线柱之间的电压为3.0 V，则原线圈的输入电压可能为________．(填选项前字母)A．1.5 V B．3.0 VC．6.0 V D．7.0 V考点二 理想变压器的原理及应用1．构造和原理(1)构造：如图所示，变压器是由____________和绕在铁芯上的________________组成的．(2)原理：电磁感应的互感现象．2．基本关系式(1)功率关系：________________.(2)电压关系：________________.(3)电流关系：只有一个副线圈时＝.(4)频率关系：________________.1．变压器只对交变电流起作用，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．在任何情况下，理想变压器均满足＝、＝、P入＝P出．( )1．理想变压器的制约关系电压 原线圈电压U1和匝数比决定副线圈电压U2，U2＝U1功率 副线圈的输出功率P出决定原线圈的输入功率P入，P入＝P出电流 副线圈电流I2和匝数比决定原线圈电流I1，I1＝I22.含有多个副线圈的变压器计算具有两个或两个以上副线圈的变压器问题时，需注意三个关系：电压关系：＝＝＝…＝功率关系：P1＝P2＋P3＋P4＋…＋Pn电流关系：n1I1＝n2I2＋n3I3＋n4I4＋…＋nnIn考向1 变压器基本物理量的分析与计算例2 (2022·山东卷·4)如图所示的变压器，输入电压为220 V，可输出12 V、18 V、30 V电压，匝数为n1的原线圈中电压随时间变化为u＝Umcos (100πt)．单匝线圈绕过铁芯连接交流电压表，电压表的示数为0.1 V．将阻值为12 Ω的电阻R接在BC两端时，功率为12 W．下列说法正确的是( )A．n1为1 100匝，Um为220 VB．BC间线圈匝数为120匝，流过R的电流为1.4 AC．若将R接在AB两端，R两端的电压为18 V，频率为100 HzD．若将R接在AC两端，流过R的电流为2.5 A，周期为0.02 s听课记录：______________________________________________________________________________________________________________________________________________________例3 (2022·北京卷·4)某理想变压器的原线圈接在220 V的正弦交流电源上，副线圈输出电压为22 000 V，输出电流为300 mA.该变压器( )A．原、副线圈的匝数之比为100∶1B．输入电流为30 AC．输入电流的最大值为15 AD．原、副线圈交流电的频率之比为1∶100听课记录：_______________________________________________________________________考向2 原线圈接入用电器的变压器问题分析例4 (2023·江苏省名校联考)如图，一理想变压器ab端接交流电源，原线圈匝数为100匝，R1、R2、R3阻值相等．则当开关S断开时R1的功率为P1，当S闭合时R1的功率为P2，且P1∶P2＝9∶25，则副线圈匝数为( )A．25 B．50 C．200 D．400听课记录：_____________________________________________________________________考点三 理想变压器的动态分析1．匝数比不变的分析思路(1)U1不变，根据＝，输入电压U1决定输出电压U2，不论负载电阻R如何变化，U2________.(2)当负载电阻发生变化时，I2变化，输出电流I2决定输入电流I1，故I1发生变化．(3)I2变化引起P2变化，而P1＝P2，故P1发生变化．2．负载电阻不变的分析思路(1)U1不变，发生变化时，U2变化．(2)R不变，U2变化时，I2发生变化．(3)根据P2＝，P2发生变化，再根据P1＝________，故P1变化，P1＝U1I1，U1不变，故I1发生变化．1．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．( )2．原线圈所加电压恒定，当原线圈的匝数增加时，副线圈两端电压增大．( )3．变压器副线圈接入负载越多，原线圈的输入电流越小．( )考向1 理想变压器匝数不变问题的分析和计算例5 (2023·江苏南京市高三检测)如图，理想变压器原线圈接有效值保持不变的正弦交流电压，电压表和电流表均为理想交流电表，RT为热敏电阻(温度升高，电阻减小)，R0、R1为定值电阻，C为电容器，通电后随着RT温度升高，下列说法正确的是( )A．V1表的示数和V2表的示数都不变B．理想变压器的输入功率减小C．通过R1的电流始终为零，R1不消耗电能D．若电容器电容减小，则A2表的示数增大听课记录：_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________考向2 理想变压器负载不变问题的分析和计算例6 自耦变压器在高铁技术中被广泛应用．如图所示，一理想自耦变压器接在u＝Umsin 100πt的正弦交流电压上，P为滑动触头，初始位置位于线圈CD的中点G, A1和A2为理想交流电表，R为定值电阻，下列说法正确的是( )A．将P向下滑动，A1的示数将变小B．将P向上滑动，A2的示数将变大C．将P下滑到GD的中点，电阻R的功率将变为原来的4倍D．将P上滑到CG的中点，电阻R的功率将变为原来的听课记录：_______________________________________________________________________考点四 远距离输电如图所示，若发电站输出电功率为P，输电电压为U，用户得到的电功率为P′，用户端的电压为U′，输电电流为I，输电线总电阻为R.1．输电电流I＝________＝________.2．电压损失(1)ΔU＝________；(2)ΔU＝IR.3．功率损失(1)ΔP＝________＝ΔU·I；(2)ΔP＝________＝()2R4．降低输电损耗的两个途径(1)减小输电线的电阻R.由R＝ρ知，可加大导线的______________、采用______________的材料做导线．(2)减小输电导线中的电流．在输电功率一定的情况下，根据P＝UI，要减小电流，必须____________________．1．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．( )2．高压输电是通过减小输电电流来减少电路的热损耗．( )3．若发电站输出功率为P，输电电压为U，输电线总电阻为R，如图所示，则输电线上损失的功率为P损＝.( )1．理清输电电路图的三个回路(如图)(1)在电源回路中，P发电机＝U1I1＝P1.(2)在输送回路中，I2＝I线＝I3，U2＝ΔU＋U3，ΔU＝I2R线，ΔP＝I22R线．(3)在用户回路中，P4＝U4I4＝P用户．2．抓住两组关联式(1)理想的升压变压器联系着电源回路和输送回路，由理想变压器原理可得：＝，＝，P1＝P2.(2)理想的降压变压器联系着输送回路和用户回路，由理想变压器原理可得：＝，＝，P3＝P4.3．掌握一个守恒观念功率关系：P2＝ΔP＋P3，其中ΔP＝ΔU·I线＝I线2R线＝.例7 如图所示为远距离交流输电的简化电路图．发电厂的输出电压为U，用等效总电阻是r的两条输电线输电，输电线路中的电流是I1，其末端间的电压为U1，在输电线与用户间连有一理想变压器，流入用户端的电流为I2，则( )A．用户端的电压为B．输电线上损失的电压为UC．理想变压器的输入功率为I12rD．输电线路上损失的电功率为I1U听课记录：______________________________________________________________________________________________________________________________________________________例8 (2021·山东卷·9改编)输电能耗演示电路如图所示．左侧变压器原、副线圈匝数比为1∶3，输入电压为7.5 V的正弦交流电．连接两理想变压器的导线总电阻为r，负载R的阻值为10 Ω.开关S接1时，右侧变压器原、副线圈匝数比为2∶1，R上的功率为10 W；接2时，匝数比为1∶2，R上的功率为P.以下判断正确的是( )A．r＝10 Ω B．r＝5 ΩC．P＝45 W D．P＝25 W听课记录：_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________第2讲 变压器 远距离输电实验：探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系目标要求 1.会用实验探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系，体会控制变量法，了解实验误差.2.知道变压器的工作原理，掌握变压器的特点，并能分析、解决实际问题.3.理解远距离输电的原理并会计算线路损失的电压和功率．考点一 实验：探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系1．实验原理(1)实验电路图(如图所示)：(2)实验方法采用控制变量法①n1、U1一定，研究n2和U2的关系．②n2、U1一定，研究n1和U2的关系．2．实验器材学生电源(低压交流电源，小于12 V)1个、可拆变压器1个、多用电表1个、导线若干．3．实验过程(1)保持原线圈的匝数n1和电压U1不变，改变副线圈的匝数n2，研究n2对副线圈电压U2的影响．①估计被测电压的大致范围，选择多用电表交流电压挡适当量程，若不知道被测电压的大致范围，则应选择交流电压挡的最大量程进行测量．②组装可拆变压器：把两个线圈穿在铁芯上，闭合铁芯，用交流电压挡测量输入、输出电压．(2)保持副线圈的匝数n2和原线圈两端的电压U1不变，研究原线圈的匝数对副线圈电压的影响．重复(1)中步骤．4．数据处理由数据分析变压器原、副线圈两端电压U1、U2之比与原、副线圈的匝数n1、n2之比的关系．5．注意事项(1)在改变学生电源电压、线圈匝数前均要先断开电源开关，再进行操作．(2)为了人身安全，学生电源的电压不能超过12 V，通电时不能用手接触裸露的导线和接线柱．(3)为了多用电表的安全，使用交流电压挡测电压时，先用最大量程挡试测，大致确定被测电压后再选用适当的挡位进行测量．例1 在“探究变压器原、副线圈电压和匝数的关系”实验中，可拆变压器如图所示．(1)本实验要通过改变原、副线圈匝数，探究原、副线圈的电压比与匝数比的关系，实验中需要运用的科学方法是________；A．控制变量法B．等效替代法C．整体隔离法(2)为了减少涡流的影响，铁芯应该选择________；A．整块硅钢铁芯 B．整块不锈钢铁芯C．绝缘的硅钢片叠成 D．绝缘的铜片叠成(3)以下给出的器材中，本实验需要用到的有哪些________；(4)下列做法正确的是________；A．为了人身安全，只能使用低压直流电源，所用电压不要超过12 VB．为了多用电表的安全，使用交流电压挡测电压时，先用最大量程挡试测C．观察两个线圈的导线，发现粗细不同，导线粗的线圈匝数多D．变压器开始正常工作后，铁芯导电，把电能由原线圈输送到副线圈(5)在实际实验中将电源接在原线圈的“0”和“800”两个接线柱上，用电表测得副线圈的“0”和“400”两个接线柱之间的电压为3.0 V，则原线圈的输入电压可能为________．(填选项前字母)A．1.5 V B．3.0 VC．6.0 V D．7.0 V答案 (1)A (2)C (3)BD (4)B (5)D解析 (1)本实验要通过改变原、副线圈匝数，探究原、副线圈的电压比与匝数比的关系，实验中需要运用的科学方法是控制变量法，故选A.(2)变压器铁芯的材料要选择磁性材料，为防止出现涡流，选择用绝缘的硅钢片叠成的铁芯，故C正确，A、B、D错误．(3)实验中需要交流电源和交流电压表，不需要干电池和直流电压表，故选B、D.(4)变压器改变的是交流电压，因此为了人身安全，只能使用低压交流电源，所用电压不能超过12 V，若用直流电源，变压器不能工作，故A错误；使用多用电表测电压时，先用最大量程挡试测，再选用恰当的挡位进行测量，故B正确；观察两个线圈的导线，发现粗细不同，由变压器工作原理知＝，可知匝数少的电流大，则导线越粗，即导线粗的线圈匝数少，故C错误；变压器的工作原理是电磁感应现象，若不计各种损耗，在原线圈上将电能转化成磁场能，在副线圈上将磁场能转化成电能，铁芯起到“传递”磁场能的作用，不是铁芯导电，传输电能，故D错误．(5)若是理想变压器，则由变压器原、副线圈电压与匝数的关系有＝，若变压器的原线圈接“0”和“800”两个接线柱，副线圈接“0”和“400”两个接线柱，可知原、副线圈的匝数比为2∶1，副线圈的电压为3 V，则原线圈的电压为U1＝2×3 V＝6 V，考虑到不是理想变压器，有漏磁等现象，则原线圈所接的电源电压大于6 V，可能为7 V，故D正确．考点二 理想变压器的原理及应用1．构造和原理(1)构造：如图所示，变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成的．(2)原理：电磁感应的互感现象．2．基本关系式(1)功率关系：P入＝P出．(2)电压关系：＝.(3)电流关系：只有一个副线圈时＝.(4)频率关系：f出＝f入．1．变压器只对交变电流起作用，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．在任何情况下，理想变压器均满足＝、＝、P入＝P出．( × )1．理想变压器的制约关系电压 原线圈电压U1和匝数比决定副线圈电压U2，U2＝U1功率 副线圈的输出功率P出决定原线圈的输入功率P入，P入＝P出电流 副线圈电流I2和匝数比决定原线圈电流I1，I1＝I22.含有多个副线圈的变压器计算具有两个或两个以上副线圈的变压器问题时，需注意三个关系：电压关系：＝＝＝…＝功率关系：P1＝P2＋P3＋P4＋…＋Pn电流关系：n1I1＝n2I2＋n3I3＋n4I4＋…＋nnIn考向1 变压器基本物理量的分析与计算例2 (2022·山东卷·4)如图所示的变压器，输入电压为220 V，可输出12 V、18 V、30 V电压，匝数为n1的原线圈中电压随时间变化为u＝Umcos (100πt)．单匝线圈绕过铁芯连接交流电压表，电压表的示数为0.1 V．将阻值为12 Ω的电阻R接在BC两端时，功率为12 W．下列说法正确的是( )A．n1为1 100匝，Um为220 VB．BC间线圈匝数为120匝，流过R的电流为1.4 AC．若将R接在AB两端，R两端的电压为18 V，频率为100 HzD．若将R接在AC两端，流过R的电流为2.5 A，周期为0.02 s答案 D解析 变压器的输入电压为220 V，原线圈的交流电的电压与时间成余弦函数关系，故输入交流电压的最大值为220 V，根据理想变压器原线圈与单匝线圈的匝数比为＝，解得原线圈为2 200匝，A错误；根据题图可知，当原线圈输入电压为220 V时，BC间的电压为UBC＝＝12 V，故BC间的线圈与单匝线圈匝数关系有＝，则BC间的线圈匝数为120匝，流过R的电流为IBC＝＝＝1 A，B错误；若将R接在AB两端，根据题图可知，当原线圈输入电压为220 V时，AB间的电压应该为18 V，根据交流电原线圈电压的表达式可知，交流电的角速度为100π rad/s，故交流电的频率为f＝＝＝50 Hz，C错误；若将R接在AC两端，根据题图可知，当原线圈输入电压为220 V时，AC间的电压应该为30 V，根据欧姆定律可知，流过电阻R的电流为IAC＝＝ A＝2.5 A，交流电的周期为T＝＝0.02 s，D正确．例3 (2022·北京卷·4)某理想变压器的原线圈接在220 V的正弦交流电源上，副线圈输出电压为22 000 V，输出电流为300 mA.该变压器( )A．原、副线圈的匝数之比为100∶1B．输入电流为30 AC．输入电流的最大值为15 AD．原、副线圈交流电的频率之比为1∶100答案 B解析 原、副线圈的匝数之比为＝＝＝，故A错误；根据＝可得输入电流为I1＝I2＝100×300×10－3 A＝30 A，故B正确；输入电流的最大值为Im＝I1＝30 A，故C错误；变压器不会改变交流电的频率，故原、副线圈交流电的频率之比为1∶1，故D错误．考向2 原线圈接入用电器的变压器问题分析例4 (2023·江苏省名校联考)如图，一理想变压器ab端接交流电源，原线圈匝数为100匝，R1、R2、R3阻值相等．则当开关S断开时R1的功率为P1，当S闭合时R1的功率为P2，且P1∶P2＝9∶25，则副线圈匝数为( )A．25 B．50 C．200 D．400答案 B解析 设原、副线圈的匝数比为n，开关断开时原线圈电流为I1，开关闭合时原线圈电流为I2，由P1∶P2＝9∶25、P＝I2R可知I1∶I2＝3∶5；设开关断开时副线圈电流为I1′，开关闭合时副线圈电流为I2′，设R1＝R2＝R3＝R，则开关断开时副线圈电压为U1′＝I1′R＝nI1R，此时原线圈输出电压为U1＝nU1′＝n2I1R，总电压为U＝U1＋I1R＝n2I1R＋I1R，由欧姆定律可知开关闭合时副线圈电阻为R′＝0.5R，此时副线圈电压为U2′＝I2′·0.5R＝0.5nI2R，此时原线圈输出电压为U2＝nU2′＝0.5n2I2R，总电压为U＝U2＋I2R＝0.5n2I2R＋I2R，联立解得n＝2，则副线圈的匝数为n′＝×100＝50，故B正确，A、C、D错误．考点三 理想变压器的动态分析1．匝数比不变的分析思路(1)U1不变，根据＝，输入电压U1决定输出电压U2，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，I2变化，输出电流I2决定输入电流I1，故I1发生变化．(3)I2变化引起P2变化，而P1＝P2，故P1发生变化．2．负载电阻不变的分析思路(1)U1不变，发生变化时，U2变化．(2)R不变，U2变化时，I2发生变化．(3)根据P2＝，P2发生变化，再根据P1＝P2，故P1变化，P1＝U1I1，U1不变，故I1发生变化．1．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．( × )2．原线圈所加电压恒定，当原线圈的匝数增加时，副线圈两端电压增大．( × )3．变压器副线圈接入负载越多，原线圈的输入电流越小．( × )考向1 理想变压器匝数不变问题的分析和计算例5 (2023·江苏南京市高三检测)如图，理想变压器原线圈接有效值保持不变的正弦交流电压，电压表和电流表均为理想交流电表，RT为热敏电阻(温度升高，电阻减小)，R0、R1为定值电阻，C为电容器，通电后随着RT温度升高，下列说法正确的是( )A．V1表的示数和V2表的示数都不变B．理想变压器的输入功率减小C．通过R1的电流始终为零，R1不消耗电能D．若电容器电容减小，则A2表的示数增大答案 A解析 理想变压器原线圈接有效值保持不变的正弦交流电压，则V1表的示数和V2表的示数都不变，故 A正确；随着RT温度升高，电阻减小，输出电流变大，输入电流也变大，理想变压器的输入功率和输出功率均增大，故B错误；电容器电势差等于RT两端电压，输出电流变化的过程中，RT两端电压会发生变化，根据C＝可知，电容器的电荷量改变，说明有电流通过R1，R1消耗电能，故C错误；电容器的电容与 A2表的示数无关，故D错误．考向2 理想变压器负载不变问题的分析和计算例6 自耦变压器在高铁技术中被广泛应用．如图所示，一理想自耦变压器接在u＝Umsin 100πt的正弦交流电压上，P为滑动触头，初始位置位于线圈CD的中点G, A1和A2为理想交流电表，R为定值电阻，下列说法正确的是( )A．将P向下滑动，A1的示数将变小B．将P向上滑动，A2的示数将变大C．将P下滑到GD的中点，电阻R的功率将变为原来的4倍D．将P上滑到CG的中点，电阻R的功率将变为原来的答案 C解析 将P下滑时，电阻R两端电压变大， A1示数将变大，同理，将P向上滑动，电阻R两端电压变小，A2的示数将变小，A、B错误；若将P向下滑动到GD的中点，原、副线圈的电压比将由1∶2变为1∶4，电阻R两端的电压将变为原来的2倍，由P＝可知，功率将变为原来的4倍，C正确；若将P向上滑动到CG的中点，原、副线圈的电压比将从1∶2变为3∶4，电阻R两端的电压将变为原来的，电阻R的功率将变为原来的，D错误．考点四 远距离输电如图所示，若发电站输出电功率为P，输电电压为U，用户得到的电功率为P′，用户端的电压为U′，输电电流为I，输电线总电阻为R.1．输电电流I＝＝.2．电压损失(1)ΔU＝U－U′；(2)ΔU＝IR.3．功率损失(1)ΔP＝P－P′＝ΔU·I；(2)ΔP＝I2R＝()2R4．降低输电损耗的两个途径(1)减小输电线的电阻R.由R＝ρ知，可加大导线的横截面积、采用电阻率小的材料做导线．(2)减小输电导线中的电流．在输电功率一定的情况下，根据P＝UI，要减小电流，必须提高输电电压．1．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．( √ )2．高压输电是通过减小输电电流来减少电路的热损耗．( √ )3．若发电站输出功率为P，输电电压为U，输电线总电阻为R，如图所示，则输电线上损失的功率为P损＝.( × )1．理清输电电路图的三个回路(如图)(1)在电源回路中，P发电机＝U1I1＝P1.(2)在输送回路中，I2＝I线＝I3，U2＝ΔU＋U3，ΔU＝I2R线，ΔP＝I22R线．(3)在用户回路中，P4＝U4I4＝P用户．2．抓住两组关联式(1)理想的升压变压器联系着电源回路和输送回路，由理想变压器原理可得：＝，＝，P1＝P2.(2)理想的降压变压器联系着输送回路和用户回路，由理想变压器原理可得：＝，＝，P3＝P4.3．掌握一个守恒观念功率关系：P2＝ΔP＋P3，其中ΔP＝ΔU·I线＝I线2R线＝.例7 如图所示为远距离交流输电的简化电路图．发电厂的输出电压为U，用等效总电阻是r的两条输电线输电，输电线路中的电流是I1，其末端间的电压为U1，在输电线与用户间连有一理想变压器，流入用户端的电流为I2，则( )A．用户端的电压为B．输电线上损失的电压为UC．理想变压器的输入功率为I12rD．输电线路上损失的电功率为I1U答案 A解析 因为P入＝P出，所以U1I1＝U2I2，即U2＝，选项A正确；输电线上损失的电压为U线＝U－U1，选项B错误；理想变压器的输入功率P入＝I1U1，输电线路上损失的电功率P损＝I12r＝I1(U－U1)，选项C、D错误．例8 (2021·山东卷·9改编)输电能耗演示电路如图所示．左侧变压器原、副线圈匝数比为1∶3，输入电压为7.5 V的正弦交流电．连接两理想变压器的导线总电阻为r，负载R的阻值为10 Ω.开关S接1时，右侧变压器原、副线圈匝数比为2∶1，R上的功率为10 W；接2时，匝数比为1∶2，R上的功率为P.以下判断正确的是( )A．r＝10 Ω B．r＝5 ΩC．P＝45 W D．P＝25 W答案 B解析 左侧变压器副线圈两端电压U2＝3×7.5 V＝22.5 V，当开关S接1时，电阻R上的电压，即右侧变压器副线圈两端电压U4＝ V＝10 V，电流I4＝＝1 A，则右侧变压器原线圈两端电压U3＝×10 V＝20 V，电流I3＝×1 A＝0.5 A，则r＝＝5 Ω；当开关S接2时，设输电电流为I，则右侧变压器副线圈中的电流为0.5I；根据右侧变压器两边电压与匝数的关系可知＝，解得I＝3 A，则R上的功率P＝(0.5I)2R＝22.5 W，故选B. 展开更多...... 收起↑ 资源列表 第十三章 第1讲 交变电流的产生和描述.docx 第十三章 第2讲 变压器 远距离输电实验：探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系.docx 第十三章 第3讲 电磁振荡与电磁波.docx 第十三章 第4讲 传感器 实验：利用传感器制作简单的自动控制装置.docx
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