高考物理一轮复习教案交变电流传感器 7页

第30讲 交变电流 理想电压器 远距离输电 教学目标 ‎1. 知道交变电流，能用函数表达式和图像描述交变电流 ‎2. 理解变压器原理，了解变压器的构造、变压器的变压比、变压器的变流比。‎ ‎3. 知道远距离输电的方式，会进行简单的计算。‎ 重点：对描述交变电流四个值的理解和应用以及远距离输电的运用 难点：远距离输电在现实生活中的运用 知识梳理 一、交变电流 ‎1. 交变电流定义 ‎（1）大小和方向均随时间而作周期性变化的电流叫做交变电流。‎ ‎（2）随时间按正弦规律变化的交变电流叫正弦交流电。这里需要注意的问题就是，正弦交流电的图象也并非一定是正弦曲线，余弦曲线反映的也是正弦交流电的变化规律，也叫正弦交流电。其实，正弦曲线和余弦曲线只是坐标原点选取的不同而已。‎ ‎2. 交变电流的产生：‎ ‎（1）线圈在匀强磁场中匀速转动时产生按正弦规律变化的交变电流。‎ ‎（2）线圈处在中性面时，虽然穿过线圈的磁通量最大，但磁通量的变化率最小为零，从而感应电动势的瞬时值也为零；‎ ‎（3）当线圈处在与中性面垂直的位置上时，虽然穿过它的磁通量最小，为零，但磁通量的变化率却是最大的，所以这时感应电动势的瞬时值最大。需要弄清楚的一个问题就是感应电动势是与磁通量的变化率成正比的！‎ ‎3. 描述交变电流的物理量：‎ ‎（1）描述交变电流的物理量有瞬时值、最大值、有效值、平均值，这是描述交变电流强弱的物理量；另外还有角速度、转速、周期和频率等，这几个是描述交变电流变化快慢的物理量。‎ 电动势的瞬时值：‎ 电动势的最大值：‎ 电动势的平均值：（求电量时用）‎ 有效值：由电流的热效应求得。‎ ‎（2）交流电的有效值是根据电流的热效应定义的，解题时要牢牢地记住这一点。列式计算时，时间的选取显得很关键，一般取一个周期为宜。‎ 对于正弦交流电来说，有效值与最大值之间有如下的关系：，，。‎ ‎（3）要弄清楚上述几个物理量之间的关系及各自的用途，瞬时值是随时而变的，最大值就是最大的瞬时值，计算电热、电功等物理量、考虑保险丝的熔断电流时用的都是交变电流的有效值，计算电荷量时用的是平均值，而考虑电容器等的击穿电压时用的则是交变电流的最大值。‎ ‎（4）常识性问题：各种用电器的铭牌上所标的电压、电流值以及交流电表所测量的电压、电流值，还有我们平常所说的交变电流的电压、电流值，以及保险丝的熔断电流值等等，都是指的有效值。‎ 二、变压器 ‎1.变压器的构造:‎ ‎ 变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成的．一个线圈跟电源连接，叫原线圈（也叫初级线圈）；另一个线圈跟负载连接，叫副线圈（也叫次级线圈）．两个线圈都是用绝缘导线绕制成的，铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成．‎ ‎2.原理：电流通过原线圈时在铁芯中激发磁场，由于电流大小方向在不断的变化，铁芯中的磁场也在不断变化。变化的磁场在副线圈中产生感应电动势，所以尽管两个线圈之间没有导线相连，副线圈也能够输出电流。互感现象是变压器工作的基础 ‎3．理想变压器的理想化条件及其规律．‎ 在理想变压器的原线圈两端加交变电压U1后，由于电磁感应的原因，原、副线圈中都将产生感应电动势，根据法拉第电磁感应定律：，‎ 忽略原、副线圈内阻，有：U1＝E1 ，U2＝E2‎ 另外，考虑到铁心的导磁作用而且忽略漏磁，即认为在任意时刻穿过原、副线圈的磁感线条数都相等，于是又有：‎ 由此便可得理想变压器的电压变化规律为：‎ 在此基础上再忽略变压器自身的能量损失（一般包括线圈内能量损失和铁芯内能量损失这两部分，分别俗称为“铜损”和“铁损”) 有：‎ ‎4.理想变压器的物理量之间的规律:‎ ‎（1）电压关系：U1／U2 =n1／n2，U1／n1 = U2／n2= U3／n3 =…‎ ‎①理想变压器原副线圈的端电压跟匝数成正比，输出电压由输入电压决定。‎ ‎②当n2＞n1时，U2＞U1，变压器使电压升高，这种变压器叫做升压变压器．‎ ‎③当n2＜n1时，U2＜U1，变压器使电压降低，这种变压器叫做降压变压器．‎ ‎（2）功率关系：P原=P副，理想变压器的输入功率由输出功率决定 ‎（3）电流关系：‎ ‎①当变压器只有一个副线圈工作时，有：‎ ‎②有多个副线圈时, 有P入=P出，即P1= P2+ P3 +P4+ P5+………‎ 由U1I1=U2I2+U3I3+……，得到n1I1=n2I2+n3I3+……‎ 变压器的高压线圈匝数多而通过的电流小，可用较细的导线绕制 变压器的低压线圈匝数少而通过的电流大，可用较粗的导线绕制 三、电能的输送 ‎1. 降低输电损耗的两个途径：‎ ‎2. 远距离输电示意图 题型讲解 ‎1. 交变电流的产生、“四值”的应用 一台小型发电机产生的电动势随时间变化的正弦规律图象如图甲所示。已知发电机线圈内阻为5.0，则外接一只电阻为95.0的灯泡，如图乙所示，则 A.电压表的示数为220V ‎ B.电路中的电流方向每秒钟改变50次 C.灯泡实际消耗的功率为484W ‎ D.发电机线圈内阻每秒钟产生的焦耳热为24.2J ‎【解析】A选项：电压表示数为灯泡两端电压的有效值,由图像知电动势的最大值Em=V，有效值E=220V，灯泡两端电压，A错 B选项：由图像知T=0.02S，一个周期内电流方向变化两次，可知1s内电流方向变化100次，B错 C选项：灯泡的实际功率,C错 D选项：电流的有效值，发电机线圈内阻每秒钟产生的焦耳热为，D对。‎ ‎【答案】D 点评：此题不仅考查了交流电四值的应用，还考查了交变电流的产生过程，这些都是基本知识同学们一定要夯实基础。‎ ‎2. 变压器的知识 如图所示，理想变压器的原、副线圈匝数比为1：5，原线圈两端的交变电压为 氖泡在两端电压达到100V时开始发光，下列说法中正确的有www.ks5u.com ‎ A．开关接通后，氖泡的发光频率为100Hz ‎ B．开关接通后，电压表的示数为100 V ‎ C．开关断开后，电压表的示数变大 ‎ D．开关断开后，变压器的输出功率不变www.ks5u.com ‎【解析】A选项：交变电压的频率为 Hz，一个周期内电压两次大于100V，即一个周期内氖泡能两次发光，所以其发光频率为100Hz，A选项正确。‎ B选项：由交变电压的瞬时值表达式知，原线圈两端电压的有效值为V=20V，由得副线圈两端的电压为V，电压表的示数为交流电的有效值，B选项正确。C选项：开关断开前后，输入电压不变，变压器的变压比不变，故输出电压不变，C选项错误。D选项：断开后，电路消耗的功率减小，输出功率决定输入功率，D选项错误。‎ ‎【答案】AB 点评：本题主要考查变压器的知识，要能对变压器的最大值、有效值、瞬时值以及变压器变压原理、功率等问题彻底理解。‎ ‎3. 变压器工作原理、远距离输电 某小型水电站的电能输送示意图 。发电机的输出电压为200V，输电线总电阻为r，升压变压器原副线圈匝数分别为n，n2。降压变压器原副线匝数分别为n3、n4（变压器均为理想变压器）。要使额定电压为220V的用电器正常工作，则 A． B．‎ C．升压变压器的输出电压等于降压变压器的输入电压 D．升压变压器的输出功率大于降压变压器的输入功率 ‎【解析】ABC选项：根据变压器工作原理可知，，由于输电线上损失一部分电压，升压变压器的输出电压大于降压变压器的输入电压，有，所以，A选项正确，BC选项不正确。‎ D选项：升压变压器的输出功率等于降压变压器的输入功率加上输电线损失功率，D选项正确。‎ ‎【答案】AD 点评：理想变压器的两个基本公式是：‎ ‎⑴，即对同一变压器的任意两个线圈，都有电压和匝数成正比。‎ ‎⑵，即无论有几个副线圈在工作，变压器的输入功率总等于所有输出功率之和。只有当变压器只有一个副线圈工作时，才有。‎ 远距离输电，从图中应该看出功率之间的关系是：P1=P2，P3=P4，P1/=Pr=P2。电压之间的关系是：‎ ‎。电流之间的关系是：。输电线上的功率损失和电压损失也是需要特别注意的。分析和计算时都必须用，而不能用。特别重要的是要会分析输电线上的功率损失。‎ 第31讲 实验：传感器的简单应用 教学目标 知道传感器的意义，了解制作传感器的常用元件（光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、霍尔元件、干簧管等）的特征，了解常见传感器(电子秤、话筒、电熨斗、测温仪、鼠标、火灾报警器)的工作原理，了解光控开关、温度报警器的原理.‎ 重点：了解各类传感器的工作原理及其应用 难点：传感器的工作原理 知识梳理 一、框架结构 传感器 温 度 传感器 意义：传感器是把非电学物理量（如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等）转换成易于测量、传输、处理的电学量（如电压、电流、电容等）或电路的通断的一种组件。起自动控制作用。‎ 机械鼠标器：‎ 火灾报警器：‎ 光控开关：‎ 光传感器 敏感元件 光敏电阻：是一种能感知光强的传感器，电阻随光照的增强而减小 热敏电阻：是一种能感知温度的传感器，电阻一般随温度升高电阻减小 金属热电阻：是一种能感知温度的传感器，温度升高电阻增大 霍尔元件：是一种能感知磁场强弱的传感器 电容式位移传感器：是一种能感知位移变化的传感器 干簧管：一种能感知磁场存在的传感器 常见传感器及应用 力传感器----电子秤：将应变片的形变量转化为电压差 声传感器----话 筒：将声学量转化为电学量 电熨斗：双金属片温度传感器的作用:控制电路的通断 电饭锅：双金属片温度传感器的作用:控制电路的通断 测温仪：将温度转化为电学量（不同温度发射红外线不同）‎ 温度报警器：‎ 二、应用举例 ‎1．霍尔元件的工作原理：霍尔元件是利用霍尔效应来设计的．一个矩形半导体薄片，在其前、后、左、右分别引出一个电极，如图所示，沿PQ方向通人电流I，垂直于薄片加匀强磁场B，则在MN间会出现电势差U。设薄片厚度为d，PQ方向长度为L1，MN方向长度为L2．薄片中的带电粒子受到磁场力发生偏转，使N侧电势高于M侧，造成半导体内部出现电场．带电粒子同时受电场力作用．当磁场力与电场力平衡时，MN间电势差达到恒定．qU/L2=qvB． 再根据电流的微观解释I＝nqSv，得U=IB/nqd 令k=1/nq U=kIB/d 即U与B成正比，这就是为什么霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因了．‎ ‎2．电饭锅的工作原理：开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态，则触点接通，电热板通电加热，水沸腾后，由于锅内温度保持‎100℃‎不变，故感温磁体仍与永磁体相吸，继续加热，直到饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，当温度升至“居里点‎103℃‎”时，感温磁体失去铁磁性，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源，从而停止加热 ‎3.机械式鼠标器的工作原理：如图所示，鼠标器移动时，滚球运动通过滚轴带动两个码盘转动，红外接收管就收到断续的红外线脉冲，输出相应的电脉冲信号，计算机分别统计x、y两个方向的脉冲信号，处理后使红外接收管屏幕上的光标产生相应的位移．‎ ‎4．光控开关的工作原理：如图所示，白天，光强度较大，光敏电阻RG电阻值较小，加在斯密特触发器A端的电压较低，则输出端Y输出高电平，发光二极管LED不导通；当天色暗到一定程度时，RG的阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端A的电压上升到某个值(1．6 V)，输出端Y突然从高电平跳到低电平，则发光二极管LED导通发光(相当于路灯亮了)，这样就达到了使路灯天明熄灭，天暗自动开启的目的。要想在天更暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大些，这样要使斯密特触发器的输入端A电压达到某个值(如1．6 V)，就需要RG的阻值达到更大，即天色更暗．‎ ‎5．温度报警器的工作原理：如图所示，常温下调整R1的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电平，则输出端Y处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时，热敏电阻RT阻值减小，斯密特触发器输入端A电势升高，当达到某一值(高电平)，其输出端由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声，R1的阻值不同，则报警温度不同．‎ 题型讲解 ‎1. 考查传感器元件的基本常识 ‎2007年度诺贝尔物理学奖授予了法国和德国的两位科学家，以表彰他们发现“巨磁电阻效应”．基于巨磁电阻效应开发的用于读取硬盘数据的技术,被认为是纳米技术的第一次真正应用．在下列有关其它电阻应用的说法中。错误的是： （ ）‎ ‎ A.热敏电阻可应用于温度测控装置中 ‎ ‎ B.光敏电阻是一种光电传感器 ‎ C.电阻丝可应用于电热设备中 ‎ D.电阻在电路中主要起到通过直流、阻碍交流的作用。‎ ‎【解析】A选项：热敏电阻的原理是通过已知某电阻的电阻值与温度的函数关系，测得该热敏电阻的值即可获取温度，从而应用于温度测控装置中，A选项正确。‎ B选项：光敏电阻是将光信号与电信号进行转换的传感器，B选项正确。‎ C选项：电阻丝通过电流会产生热效应，可应用于电热设备中，C选项正确。‎ D选项：电阻对直流和交流均起到阻碍的作用，D选项错误。‎ ‎【答案】D ‎2. 测物体加速度（加速度计） ‎ 加速度计是测定物体加速度的仪器，它已成为导弹、飞机、潜艇后宇宙飞船制导系统的信息源。如图为应变式加速度计示意图，当系统加速时，加速度计中的敏感元件也处于加速状态，敏感元件由弹簧连接并架在光滑支架上，支架与待测系统固定在一起，敏感元件下端的滑动臂可在滑动变阻器R上自由滑动，当系统加速运动时，敏感元件发生位移，并转化为电信号输出，已知：敏感元件的质量为m，两弹簧的劲度系数为k，电源的电动势为E，内电阻不计，滑动变阻器的总电阻为R，有效长度为L，静态时输出电压为U0。试求加速度a与输出电压U的关系式。‎ ‎【解析】假设a向右为正，位置向左△x 由牛顿第二定律：‎ 由分压原理：‎ 由①②得：‎ ‎【答案】‎ ‎3. 传感器在现实生活中应用分析 用如图示的电磁继电器设计一个高温报警器，要求是：正常情况绿灯亮，有险情时电铃报警。可供选择的器材如下：热敏电阻、绿灯泡、小电铃、学生用电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线。 ‎ ‎【解析】热敏电阻正常时电阻值大，ab间电流小，电磁继电器磁性弱，衔铁与上触点接触，绿灯泡亮。受热时电阻值小，ab间电流大，电磁继电器磁性强，衔铁与下触点接触，电铃响。 ‎ ‎①将热敏电阻、小灯泡、学生用电源、滑动变阻器、开关串联接入继电器的a、b端。‎ ‎②将学生用电源与绿灯泡分别接入c、e之间。‎ ‎③将学生用电源与电铃分别接入c、d、之间。‎ 点评：提高灵敏度，应该如何调节滑动变阻器？答：应该把滑动变阻器接入电路的阻值调小。在上图中滑片向右移动。‎ 高考资源网(www.ks5u.com)‎ www.ks5u.com 来源：高考资源网