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(共20张PPT)
第十三章　交变电流　电磁振荡与电磁波　传感器
知识网络
考点分布
交变电流的产生及其描述 2021·江苏卷·T12(计算,8分)
实验:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系 2025·江苏卷·T2(选择,4分)
电磁振荡与电磁波 2025·江苏卷·T5(选择,4分)
第64课时　交变电流的产生及其描述
学习目标: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.知道交变电流“四值”在具体情况下的应用。
×
√
×
×
√
×
解析
1.×　交变电流的定义是方向随时间发生周期性变化的电流。
2.√　正弦式交变电流每经过一次中性面方向改变一次,一个周期内两次经过中性面,故方向改变两次。
3.×　经过中性面时,线圈两边速度方向与磁场平行,不切割磁感线,感应电动势为零。
4.×　该公式仅适用于正弦式交变电流。其他波形(如方波、锯齿波)的有效值需按定义计算。
5.√　
6.×　公式 q=It 中的 I 应为电流对时间的平均值。
考点一　正弦式交变电流的产生及变化规律
1.交变电流:电流、电压随时间做　　　　变化。
2.正弦式交变电流的产生和图像
(1)产生:在匀强磁场里,线圈绕　　　　　　方向的轴匀速转动。
(2)正弦式交变电流产生过程中的两个特殊位置
项目 中性面 与中性面垂直
图示
特点 B⊥S B∥S
磁通量 Φ=BS,最大 Φ=0,最小
电动势 e=n=0,最小 e=n=nBSω,最大
电流 电流为零,方向改变 电流最大,方向不变
周期性
垂直于磁场
(3)正弦式交变电流的变化规律(线圈从中性面开始计时)
项目 函数表达式 图像
磁通量 Φ=Φmcos ωt=BScos ωt
电动势 e=Emsin ωt=nBSωsin ωt
电流 i=Imsin ωt=sin ωt
电压 u=Umsin ωt=sin ωt
注意:e、i、u三个量的变化步调总是一致的,且总是与Φ的变化相反。线圈每经过中性面一次,电流的方向就改变一次。
3.交变电流的周期和频率
周期(T) 交变电流完成一次　　　　变化(线圈转动一周)所需的时间,
单位是秒(s),公式T=　　　　
频率(f) 交变电流在　　　 s内完成周期性变化的次数,单位是
　　　　(Hz)
周期和频 率的关系 T=　　　　或f=　　　　
周期性
1
赫兹
典例1　(2025南通一模)如图所示,矩形线圈在磁极间的匀强磁场中匀速转动,外接交流电压表和定值电阻,图示位置线圈平面与磁感线平行。此时
(　　)
A.穿过线圈的磁通量最大 B.通过线圈的电流最大
C.电压表的示数为零 D.流经电阻的电流方向改变
B
典例2　 在匀强磁场中,匝数N=100的矩形线圈绕垂直磁感线的转轴匀速转动,线圈中产生的感应电动势随时间的变化规律如图所示,则下列说法正确的是(　　)
A.t=0.5×10-2 s时,线圈平面与中性面重合
B.t=1×10-2 s时,线圈中磁通量变化率最大
C.穿过每一匝线圈的最大磁通量为1×10-3 Wb
D.线圈转动的角速度为50π rad/s
C
考点二　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= (外电路为纯电阻电路) 讨论电容器的　　　　电压
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 (外电路为纯电阻电路) 计算通过导线横截面的　　　
击穿
电荷量
物理量 物理含义 重要关系 适用情况及说明
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
典例3　下图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 V
C.8 V D.3 V
B
典例4　如图所示,N=50匝的矩形线圈abcd,ab边长l1=20 cm,ad边长l2=25 cm,放在磁感应强度 B=0.4 T的匀强磁场中,外力使线圈绕垂直于磁感线且通过线圈中线的OO'轴以n=3 000 r/min的转速匀速转动,线圈电阻r=1 Ω,外电路电阻R=9 Ω,t=0时线圈平面与磁感线平行,ab边正转出纸外、cd边正转入纸里。求:(π≈3.14)
(1)t=0时感应电流的方向;
(2)感应电动势的瞬时值表达式;
(3)线圈转一圈外力做的功;
(4)从图示位置转过90°的过程中流过电阻R的电荷量。
答案 (1)感应电流方向沿adcba
(2)e=314cos(100πt)V
(3)98.6 J
(4)0.1 C
解析 (1)根据右手定则,线圈感应电流方向为adcba。
(2)线圈的角速度ω=2πn=100π rad/s,题图位置的感应电动势最大,其大小为Em=NBl1l2ω,代入数据得Em=314 V,感应电动势的瞬时值表达式为
e=Emcos ωt=314cos(100πt)V。
(3)电动势的有效值E=,线圈匀速转动的周期T==0.02 s,线圈匀速转动一圈,外力做功大小等于电功的大小,即W=I2(R+r)T=·T,代入数据得W≈98.6 J。
(4)从t=0时起线圈转过90°的过程中,Δt内流过电阻R的电荷量q=·Δt=,代入数据得q=0.1 C。　(共34张PPT)
第65课时　实验十五:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系　理想变压器　 电能的输送
学习目标: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。
×
×
√
×
×
√
解析
1.×　变压器通过电磁感应传递电能,不能改变交变电流的频率。
2.×　理想变压器的电压、电流瞬时值和最大值也满足匝数比关系,并非仅限于有效值。
3.√　副线圈负载功率增大时,原线圈输入功率随之增加,在输入电压不变时,输入电流增大。
4.×　由P=UI可知,输送功率P越大,在U一定时电流I越大,根据P损=I2R线,输电损耗越大。
5.×　增大导线横截面积可减小导线电阻R,根据P损=I2R线,有利于减少输电过程中的电能损失。
6.√
考点一　实验:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
1.实验目的:探究变压器电压与线圈匝数的关系。
2.实验原理:原线圈通过电流时,铁芯中产生磁场,由于交变电流的大小和方向都在不断地变化,铁芯中的磁场也在不断地变化,变化的磁场在副线圈中产生感应电动势,副线圈中就存在输出电压。本实验通过改变原、副线圈匝数,探究原、副线圈的电压与匝数的关系。
3.实验器材:两只多用电表(或两只交直流数字电压表)、学生电源(低压交流电源)、开关、可拆变压器、导线若干。
4.实验步骤
(1)按如图所示连接好电路图,将两个多用电表调到交流电压挡,并记录两个线圈的匝数。
(2)打开学生电源,读出两个电表电压值,并记录在表格中。
(3)保持匝数不变多次改变输入电压,记录下每次的两个电压值。
(4)保持电压、原线圈的匝数不变,多次改变副线圈的匝数,记录下每次的副线圈匝数和对应的电压值。
5.数据记录与处理
次序 n1(匝) n2(匝) n1∶n2 U1(V) U2(V) U1∶U2
1
2
3
4
6.结论:原、副线圈的电压比与原、副线圈的匝数比相等。
7.误差分析
(1)实际变压器存在各种损耗。
(2)交流电表的读数存在误差。
8.注意事项
(1)在改变学生电源电压、线圈匝数前均要先断开开关,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,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。
典例1　在“探究变压器线圈两端的电压和匝数的关系”实验中:
(1)下列说法中正确的是　　　。
A.变压器中铁芯是整块硅钢
B.为保证实验安全,原线圈应接入低压直流电源
C.变压器正常工作时,电能由原线圈通过铁芯导电输送到副线圈
D.保持原线圈电压及匝数不变,改变副线圈的匝数,研究副线圈的匝数对输出电压的影响
(2)可拆变压器的铁芯固定的不是很紧时,变压器发出较响的“嗡嗡”声,其原因是 　。
D
在交变电流产生的磁场作用下,发生电磁感应,铁芯受到安培力作用产生振动,发出声音
考点二　理想变压器的理解和应用
1.构造
如图所示,变压器是由　　　　　和绕在铁芯上的　　 　　组成的。
(1)原线圈:与　　　　　　连接的线圈,也叫　　　　线圈。
(2)副线圈:与　　　　连接的线圈,也叫　　　　线圈。
闭合铁芯
两个线圈
交流电源
初级
负载
次级
必须是交变电流
2.原理:电磁感应的　　　　　　。
3.基本关系式
(1)功率关系:P入=　　　　。
U1I1=U2I2+U3I3+…+UnIn
副线圈与用电器断开时,副线圈中无电流,但存在电压
(2)电压关系:只有一个副线圈时,=　　　　;
有多个副线圈时,=…=。
(3)电流关系:只有一个副线圈时,=　　　;
有多个副线圈时,n1I1=n2I2+n3I3+…+nnIn。
(4)频率关系:f1=f2(变压器不改变交变电流的频率)。
互感现象
P出
典例2　牙医所用的口腔X射线机,需利用变压器将电压从220 V升到96 kV,输出电流为1.0 mA。若将此变压器视为理想变压器,则(　　)
A.该变压器的输入功率为96 kW
B.该变压器的原、副线圈匝数比为11∶4 800
C.该变压器的输入电流约为0.4 mA
D.该变压器功能主要利用自感现象实现
B
典例3　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
A
典例4　学校实验室有一台教学用发电机,输出的交变电压如图甲所示,将其接在如图乙所示的理想变压器的a、b两端,闭合开关S,四只相同灯泡均正常发光,下列说法正确的是(　　)
甲 乙　
A.图甲所示的交变电压瞬时值表达式为u=36sin 2πt　
B.变压器原、副线圈的匝数比为1∶3
C.小灯泡的额定电压为9 V
D.若断开开关S,灯泡L1变亮、L2变暗
C
解析 根据图像可得交变电流的周期为0.02 s,所以可得ω==100π rad/s,根据图像中t=0时,电压为0,可得电压瞬时值表达式为u=36sin 100πt(V),A错误;因为四只相同灯泡均正常发光,所以可得原、副线圈中的电流之比为,所以变压器原、副线圈的匝数比,B错误;根据图像可得交流电压的有效值为E==36 V,设小灯泡的额定电压为U,有,代入解得U=9 V,C正确;断开开关S,负载电阻增大,副线圈电流减小,可知原线圈电流也减小,所以灯泡L1变暗;同时因为L1两端电压变小,可知原线圈两端电压增大,所以副线圈两端电压也增大,可得L2变亮,D错误。
考点三　两类特殊的变压器问题
1.自耦变压器问题
自耦变压器(又称调压器),它只有一个线圈,其中的一部分作为另一个线圈,当交流电源接不同的端点时,它可以降压(如图甲)也可以升压(如图乙),变压器的基本关系对自耦变压器同样适用。
甲 乙
2.互感器问题
两种互感器的比较
项目 电压互感器 电流互感器
原理图
原线圈的连接 并联在高压电路中 串联在交流电路中
副线圈的连接 连接电压表 连接电流表
互感器的作用 将高电压变为低电压 将大电流变成小电流
利用的公式 I1n1=I2n2
典例5　图为理想的可调式自耦变压器与负载连接的电路,原线圈输入交变电流的电压u确定,闭合开关S,电动机M开始工作,此后观察到灯泡L亮度变暗,则以下说法错误的是(　　)
A.S闭合后电流表读数变大
B.S闭合后原线圈输入功率变大
C.S闭合副线圈输出电压没有变化
D.要让L灯达到原来亮度,滑动触头P应向上移动
D
解析 由于原线圈电压确定,原、副线圈匝数确定,因此副线圈两端电压一定,闭合开关S,电动机M开始工作,此后观察到灯泡L亮度变暗,说明灯泡L两端电压减小,因此电阻R两端电压增大,由U=IR可知,通过电阻R的电流增大,电流表读数变大,故A、C正确;由副线圈输出功率P2=U2I2可知,副线圈的输出功率变大,由理想变压器P1=P2可知,S闭合后原线圈输入功率变大,故B正确;要让L灯达到原来亮度,就要增大副线圈的输出电压,由可知,要减小原、副线圈的匝数比,滑动触头P应向下移动,故D错误。
考点四　远距离输电
1.输电损耗
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',用户的电压为U',输电线总电阻为R。
输电电流 电压损失 功率损失
I=　　　　== ΔU=U-U'=　　　 ΔP=P-P'=　　=()2R
IR
I2R
2.减少输电线上电能损失的方法
(1)减小输电线的电阻R。由R=知,可加大导线的　　　　　　、采用
　　　　　　的材料做导线。
(2)减小输电线中的电流。在输电功率一定的情况下,根据P=UI,要减小电流,必须提高　　　　　　。
横截面积
电阻率小
输电电压
3.远距离高压输电的分析
(1)理清三个回路
(2)抓住两个联系
①回路1和回路2的联系——升压变压器基本关系:,P1=P2。
②回路2和回路3的联系——降压变压器基本关系:,P3=P4。
(3)明确三个重要关联式(联系两个变压器的纽带)
①功率关联式:P2=ΔP+P3,其中ΔP=ΔUI线=R线=。
②电压关联式:U2=ΔU+U3。
③电流关联式:I2=I线=I3。
典例6　如图所示为远距离输电原理图,变压器T1、T2为理想变压器,T1原、副线圈的匝数比为1∶10,T2原、副线圈的匝数比为10∶1,发电机的输出功率为P,输出电压为U,用电器R0两端的电压为0.98U,则输电线的电阻R为
(　　)
A B
C D
B
典例7　随着经济发展,加之寒冬来临,用电需求增加,当火力发电供应紧张时,通过远距离调度方式,会及时将其他地区的风力发电、太阳能发电并入电网保障电力供应。如图是远距离输电的原理图,假设发电厂输出电压恒定不变,两个变压器均为理想变压器。当用户用电器增加(假设所有用电器均可视为纯电阻),电网中数据发生变化,
下列说法正确的是(　　)
A.降压变压器的输出电流I4减小
B.输电线上损失的功率减小
C.升压变压器的输出电压U2增大
D.发电厂输出的总功率增大
D(共29张PPT)
第66课时　电磁振荡与电磁波
学习目标: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.了解电磁波的产生、传播、发射和接收,熟记电磁波谱。
×
√
×
√
×
解析
1.×　电容器放电完毕时,电场能全部转化为磁场能,回路中电流达到最大值。
2.√
3.×　电磁振荡的固有周期由线圈电感L和电容C决定,与电流变化快慢无关。
4.√
5.×　无论是否发生电谐振,接收电路中都会产生感应电流。电谐振的作用是使特定频率信号的振荡电流达到最大,相当于机械振动中的共振。
考点一　电磁振荡
1.振荡电流:大小和方向都做　　　　迅速变化的电流。
2.振荡电路:产生　　　　　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,如图所示。
周期性
振荡电流
LC
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=　　　　。
电场
磁场
磁场
电场
周期性
2π
5.振荡电流、极板带电荷量随时间的变化图像
典例1　某种除颤器的简化电路是由低压直流电源经过电压变换器变成高压电,然后整流成几千伏的直流高压电,对电容器充电,如图甲所示。除颤时,经过电感等元件将脉冲电流(如图乙所示)作用于心脏,实施电击治疗,使心脏恢复窦性心律。某次除颤过程中将电容为20 μF的电容器充电至6.0 kV,电容器在时间t0内放电至两极板间的电压为0。
其他条件不变时,下列说法正确的是(　　)
A.线圈的自感系数L越大,放电脉冲电流的峰值越小
B.线圈的自感系数L越小,放电脉冲电流的放电时间越长
C.电容器的电容C越小,电容器的放电时间越长
D.在该次除颤过程中,流经人体的电荷量约为120 C
A
解析 线圈的自感系数L越大,阻碍电流的感抗越大,则放电电流越小,放电脉冲电流的峰值也越小,故A正确;振荡电路的振荡周期为T=2π,电容器在时间t0内放电至两极板间的电压为0,即t0=,则线圈的自感系数L越大,放电脉冲电流的放电时间越长;电容器的电容C越大,放电脉冲电流的放电时间越长,故B、C错误;电容为20 μF的电容器充电至6.0 kV,则电容器储存的电量为Q=CU=20×10-6×6×103 C=0.12 C,故在该次除颤过程中,流经人体的电荷量约为0.12 C,故D错误。
对点演练1　由线圈L和电容器C组成的最简单的LC振荡电路如图所示,先把电容器充满电,t=0时如图甲所示,电容器中的电场强度最大,电容器开始放电,t=0.02 s时如图乙所示,LC振荡电路线圈中的电流第一次达到最大值,则(　　)
甲 乙
A.此LC振荡电路的周期T=0.04 s
B.t=0.05 s时,回路电流方向与图乙中所示电流方向相同
C.t=0.06 s时,线圈中的磁场能最大
D.t=0.10 s时,电容器中的电场能最大
C
考点二　电磁场与电磁波
1.麦克斯韦电磁场理论
2.电磁波的特性
(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　　　　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是　　　　的(都等于　　　　)。
(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)电磁波的频率f、波长λ和波速v的关系:v=　　　　。
(5)电磁波是　　波,具有波的特性,能产生干涉、衍射等现象。
电磁波
不需要
相同
光速
越小
λf
横
3.电磁波的发射
(1)发射条件
①振荡电路要有足够高的　　 　　。
②振荡电路应采用　　　　电路。
(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。
振荡频率
开放
振幅
频率
4.电磁波的接收
(1)原理:电磁波在传播过程中如果遇到导体,会使导体中产生　　　　　,因此,空中的导体可以用来接收电磁波。
(2)电谐振与调谐
①电谐振:当接收电路的　　　　　　跟收到的电磁波的　　　　相同时,接收电路中产生的振荡电流最强,这个现象叫作电谐振。
②调谐:使接收电路产生　　　　的过程。
(3)解调:使声音或图像信号从高频电流中还原出来的过程,它是调制的逆过程。调幅波的解调也叫检波。
感应电流
固有频率
频率
电谐振
典例2　以下关于电磁场和电磁波的说法正确的是(　　)
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/s
D.电磁波是一种物质,可在真空中传播
D
对点演练2　关于电磁波的发射和接收,下列说法中正确的是(　　)
A.音频电流的频率比较低,能直接用来发射电磁波
B.为了使振荡电路有效地向空间辐射能量,电路必须是闭合的
C.当接收电路的固有频率与接收到的电磁波的频率相同时,接收电路产生的振荡电流最弱
D.要使电视机的屏幕上有图像,必须要有解调过程
D
考点三　电磁波谱分析及电磁波的应用
1.电磁波谱:按照电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列成的谱叫作电磁波谱。按波长由长到短排列的电磁波谱:无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。
2.电磁波谱分析及应用
电磁波谱 频率/Hz 特性 应用 递变规律
无线电波 <3×1011 波动性强,易发生衍射 无线电技术 随频率由低到高,衍射能力减弱,直线传播能力增强
红外线 1011~1015 热效应 红外遥感
可见光 1015 引起视觉 照明、摄影
紫外线 1015~1017 化学效应、荧光效应、灭菌消毒 医用消毒、防伪
X射线 1016~1019 贯穿本领强 检查、医用透视
γ射线 >1019 贯穿本领更强 工业探伤、医用治疗
3.各种电磁波的产生机理
无线电波 振荡电路中自由电子周期性运动产生红外线、可见光
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
典例3　(2026扬州期末)太空中的太阳动力学平台可以拍摄到紫外波段的太阳图像,通过图像可以观察到被可见光模糊或者遮挡的日冕等太阳活动,则(　　)
A.日冕辐射紫外线 B.日冕辐射光不含可见光
C.紫外线比可见光速度大 D.紫外线比可见光波长长
A
解析 由题意可知,太空中的太阳动力学平台可以拍摄到紫外波段的太阳图像,所以日冕辐射紫外线,A正确;日冕在日全食时肉眼可见,说明日冕也辐射可见光,平时之所以看不见,是因为太阳光球层发出的可见光太强,淹没了日冕发出的微弱可见光,B错误;紫外线和可见光都属于电磁波,在真空(太空)中的传播速度相同,都等于光速c,C错误;根据电磁波谱,紫外线的频率比可见光高,波长比可见光短,D错误。
典例4　关于电磁波谱,下列说法正确的是(　　)
A.红外体温计的工作原理是人的体温越高,发射的红外线越强,有时物体温度较低,不发射红外线,导致无法使用
B.紫外线的频率比可见光低,医学中常用于杀菌消毒,长时间照射人体可能损害健康
C.X射线、γ射线频率较高,波动性较强,粒子性较弱,较难发生光电效应
D.手机通信使用的是无线电波,其波长较长,更容易观察到衍射现象
D
解析 有温度的物体都会发射红外线,A错误;紫外线的频率比可见光高,医学中常用于杀菌消毒,长时间照射人体可能损害健康,B错误;X射线、γ射线频率较高,波动性较弱,粒子性较强,较易发生光电效应,C错误;手机通信使用的是无线电波,其波长较长,更容易观察到衍射现象,D正确。
对点演练3　某种“冷光灯”如图所示,其后面的反光镜表面涂有一层透明的薄膜,利用干涉原理,可将灯光中具有明显热效应的那部分电磁波叠加相消。被叠加相消的是(　　)
A.红外线 B.红光
C.紫光 D.紫外线
解析 红外线具有明显热效应,被叠加相消的是红外线。故选A。
A(共25张PPT)
第67课时　实验十六:利用传感器制作简单的
自动控制装置
学习目标: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。
一、实验目的
1.了解传感器的工作过程,探究热敏电阻和光敏电阻等敏感元件的特性。
2.学会传感器的简单使用并会制作简单的自动控制装置。
二、实验原理
1.传感器能够将感受到的物理量(力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)。
2.其工作过程如下图所示。
三、实验器材
热敏电阻、光敏电阻、多用电表、铁架台、烧杯、冷水、热水、小灯泡、学生电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线等。
四、实验过程
1.研究热敏电阻的热敏特性
(1)将热敏电阻放入烧杯中的水中,测量水温和热敏电阻的阻值(如图甲所示)。
甲
(2)准备好记录电阻与温度关系的表格。(如下表)
次数 1 2 3 4 5 6
温度/℃
电阻/Ω
(3)改变水的温度,多次测量水的温度和热敏电阻的阻值,记录在表格中,把记录的数据画在R-t图中,得图像如图乙所示。
乙
2.研究光敏电阻的光敏特性
(1)将光电传感器、多用电表、灯泡、滑动变阻器按如图所示电路连接好,其中多用电表置于“×100”挡。
(2)先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)打开电源,让小灯泡发光,调节小灯泡的亮度使之逐渐变亮,观察表盘指针显示电阻阻值的变化情况,并记录。
(4)用手掌(或黑纸)遮光时电阻值又是多少,并记录。
把记录的结果填入下表中,根据记录数据分析光敏电阻的特性。
光照强度 弱 中 强 无光照射
阻值/Ω
结论:光敏电阻的阻值被光照射时发生变化,光照增强时电阻变小,光照减弱时电阻变大。
命题分析
1.考装置:器材选择、装配和电路设计的正误。
2.考运算:由闭合电路欧姆定律或相关图像计算电压、电阻、温度等物理量。
3.考图像:由图像的斜率、截距和某些特殊值来分析电路。
4.考电路设计:根据实现的功能要求来设计电路,从安全、分压、限流、内接、外接、误差分析等各个角度综合考虑。
5.考变化:电路设计、器材选用、实验方法等多个角度进行创新变化。
注意事项
1.在做热敏实验时,加开水后要等一会儿再测其阻值,以使电阻温度与水的温度相同,并同时读出水温。
2.光敏实验中,如果效果不明显,可将光敏电阻部分电路放入带盖的纸盒中,并通过盖上小孔改变射到光敏电阻上的光的多少。
3.欧姆表每次换挡后都要重新欧姆调零。
考点一　教材原型实验
典例1　寒冷的冬季,某农场会用自动控温系统对蔬菜大棚进行控温,要求当蔬菜大棚内的温度低于15 ℃时,加热系统立即启动。实验小组对上述工作系统进行了如下探究:
(1)先用伏安法测量某热敏电阻Rx的阻值(约为几十千欧),实验室提供以下器材:
A.电流表(量程0~6 A,内阻约为15 Ω)
B.电流表(量程0~6 mA,内阻约为100 Ω)
C.电压表(量程0~5 V,内阻约为5 kΩ)
D.电压表(量程0~15 V,内阻约为20 kΩ)
E.滑动变阻器(阻值范围0~200 Ω,允许的最大电流2 A)
F.滑动变阻器(阻值范围0~20 Ω,允许的最大电流1 A)
G.待测热敏电阻Rx
H.蓄电池(电动势E=12 V,内阻不计)
I.开关和导线若干
J.恒温室
①为了使测量结果更准确,采用下列实验电路进行实验,较合理的是　 　。
②实验时滑动变阻器应选用　　　　　,电压表应选用　　　　　,电流表应选用　　　　　。(均填器材前面的字母)
B
F
D
B
(2)经过测量不同温度下热敏电阻Rx的
阻值,得到其阻值与温度的关系如图甲
所示。实验小组用该热敏电阻设计了
如图乙、丙所示的两种温度控制电路,
Rx为热敏电阻,R为电阻箱,控制系统可
视为阻值为48 kΩ的定值电阻,电源的
电动势E0=10 V(内阻不计)。当通过控制系统的电流大于
0.2 mA时,加热系统将开启;当通过控制系统的电流小于
0.2 mA时,加热系统将关闭。若要使得温度低于15 ℃时,加热
系统立即启动,应该选用　　　　　(选填“图乙”或“图丙”)
电路,应将R调为　　　　　Ω;若将R调大,则加热系统的开
启温度将　　　　　(选填“高于”或“低于”)15 ℃。
图丙
800
低于
解析 (1)由题意可知,热敏电阻阻值约为几十千欧,远远大于电流表的内阻,因此使用电流表内接,滑动变阻器最大阻值与热敏电阻阻值相比均比较小,从操作角度考虑,使用分压接法,故选B;
若使用F,则干路的电流约为
I=A=0.6 A<1 A
没有超过滑动变阻器的额定电流,所以为了便于调节,应选用阻值范围较小的F;
电源电动势为12 V,电压表量程选择15 V合理,故选D;
当热敏电阻与电流表两端电压为12 V时,通过热敏电阻的电流小于1 mA,因此电流表选择B。
(2)温度越低,热敏电阻的阻值越大,图丙中控制系统与热敏电阻并联,则通过控制系统的电流越大,故应选图丙;
由图甲可知,当温度为15 ℃时,热敏电阻的阻值为Rx=32 kΩ
控制系统可视为阻值为R控=48 kΩ
根据闭合电路欧姆定律可得R+IR控=E0,其中I=0.2 mA　
代入数据,解得R=0.8 kΩ=800 Ω
若将R调大,要想维持控制系统两端的电压不变,则Rx应变大,温度降低,故加热系统的开启温度将低于15 ℃。
考点二　拓展创新实验
典例2　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。
b
调大
300
(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,请你在下图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。
解析 (1)亮度降低R0变大,电流减小,电磁铁吸力减小,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与电磁铁并联,这样亮度降低时R0增大,电磁铁中的电流增大,可触发衔铁被吸下,电路图如图。
典例3　某同学要把电压表改装成可直接测量压力的仪表,设计的电路如图甲所示。实验器材如下:待改装电压表(量程0~3 V,可视为理想电压表),定值电阻R0,压敏电阻Rx,电源(4 V,内阻不计),开关S,导线。选用的压敏电阻阻值Rx随压力F变化的规律如图乙。
甲
乙
(1)实验中随着压力F的增大,电压表的示数　　　　(选填“变大”“不变”或“变小”) 。
(2)为使改装后仪表的量程为0~160 N,且压力160 N对应电压表3 V刻度,则定值电阻阻值R0=　　　　Ω,压力0对应电压表　　　　 V刻度。
变大
240
1.5

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