實驗12傳感器的簡單使用第十一章內容索引0102必備知識預案自診關鍵能力學案突破03對應演練遷移應用04核心素養專項提升必備知識預案自診一、實驗目的1.知道干簧管、光敏電阻、三極管、二極管、電磁繼電器的功能。2.會利用傳感器制作簡單的自動控制裝置。了解門窗防盜報警裝置,會組裝門窗防盜報警裝置。了解光控開關電路及控制原理,會組裝光控開關。二、實驗器材實驗一:干簧管、繼電器、發光二極管LED、蜂鳴器H、電源、導線若干、開關、電阻。實驗二:發光二極管、三極管、可變電阻R1、電阻R2、光敏電阻、集成電路實驗板、直流電源、導線若干、黑紙。三、實驗思路(一)門窗防盜報警裝置1.電路如圖所示。2.原理:閉合電路開關S,系統處于防盜狀態。當門窗緊閉時,磁體M靠近干簧管SA,干簧管兩個簧片被磁化相吸而接通繼電器線圈K,使繼電器工作。繼電器的動觸點c與常開觸點a接通,發光二極管LED發光,顯示電路處于正常工作狀態。當門窗開啟時,磁體離開干簧管,干簧管失磁斷開,繼電器被斷電。繼電器的動觸點c與常閉觸點b接通,蜂鳴器H發聲報警。干簧管在電路中起傳感器和控制開關的作用,繼電器則相當于一個自動的雙向開關。(二)光控開關1.電路如圖所示。2.工作原理:當環境光比較強時,光敏電阻RG的阻值很小,三極管不導通,發光二極管或繼電器所在的回路相當于斷路,即發光二極管不工作;繼電器處于常開狀態,小燈泡L不亮。當環境光比較弱時,光敏電阻RG的阻值變大,三極管導通,且獲得足夠的基極電流,產生較大的集電極電流,點亮發光二極管或驅動繼電器吸合而點亮小燈泡L。四、進行實驗(一)門窗防盜報警裝置(1)連接電路前,要先判斷一下干簧管是否可以正常工作。用磁體直接靠近干簧管,觀察簧片能否正常動作。(2)確定各元件可以正常工作后,按照電路圖連接電路。(3)接通電源后,將磁體靠近和離開干簧管,分別觀察實驗現象。(二)光控開關(1)按照圖所示連接電路,檢查無誤后,接通電源。(2)讓光敏電阻RG受到白天較強的自然光照射,調節電阻R1使發光二極管LED或小燈泡L剛好不發光。(3)遮擋RG,當光照減弱到某種程度時,就會看到發光二極管LED或小燈泡L發光。(4)讓光照加強,當光照強到某種程度時,則發光二極管LED或小燈泡L熄滅。五、注意事項(1)安裝前,對實驗器材進行測試,確保各元件性能良好后,再進行安裝。(2)光控開關實驗中,二極管連入電路的極性不能反接。(3)如果實驗現象不明顯,可用手電筒加強光照,或遮蓋光敏電阻,再進行觀察。關鍵能力學案突破傳感器問題一般有兩大類問題:一是通過實驗探究傳感器特性,比如研究某元件的光敏特性或熱敏特性或磁敏特性等;二是用傳感器控制電路。不管哪類問題,明確考查角度,搞清其工作原理是求解問題的關鍵。對于用傳感器控制電路問題,要結合題目提供的信息,認真分析傳感器所在的電路結構,并注意以下兩個方面:(1)確定傳感器所感受到的物理量(如力、熱、光、聲、磁等);(2)經轉換電路轉換成電學量信號,最后借助于轉換電路把電學量信號轉換成便于處理顯示、記錄或控制的量。【典例1】

現要組裝一個由熱敏電阻控制的報警系統,要求當熱敏電阻的溫度達到或超過120℃時,系統報警。提供的器材有:熱敏電阻(該熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小,在120℃時阻值為700.0Ω);報警器(內阻很小,流過的電流超過Ic時就會報警,Ic約為10mA;流過報警器的電流超過20mA時,報警器可能損壞);電阻箱(最大阻值為999.9Ω);直流電源(輸出電壓為U約為18V,內阻不計);滑動變阻器R1(最大阻值為1000Ω);滑動變阻器R2(最大阻值為2000Ω);單刀雙擲開關一個,導線若干。在室溫下對系統進行調節,調節的報警系統原理電路圖如圖所示。

(1)電路中應選用滑動變阻器

(選填“R1”或“R2”)。

(2)按照下列步驟調節此報警系統:①電路接通前,需將電阻箱調到一固定的阻值,根據實驗要求,這一阻值為

Ω;滑動變阻器的滑片應置于

(選填“a”或“b”)端附近,不能置于另一端的原因是

。

②將開關向

(選填“c”或“d”)端閉合,緩慢移動滑動變阻器的滑片,直至

。

(3)滑動變阻器滑片的位置

(選填“不變”“向左滑動”或“向右滑動”),將開關向另一端閉合,報警系統即可正常使用。

(4)若要將此系統改為光敏電阻控制的報警系統,要求當光敏電阻的光照達到或超過某一特定值時,系統報警,且光敏電阻在這一特定值時的電阻為650Ω,則需將上述電路中的

換成光敏電阻,并將電阻箱的阻值調到

Ω,然后重復上述操作即可。

答案(1)R2

(2)①700.0

b

接通電源后,流過報警器的電流會超過20mA,報警器可能損壞

②c

報警器開始報警(3)不變

(4)熱敏電阻

650解析(1)電壓為18

V,而報警時的電流為10

mA;此時電阻約為:

Ω=1

800

Ω;而熱敏電阻的阻值約為650

Ω,故滑動變阻器接入電阻約為1

150

Ω,故應選擇R2。(2)①因要求熱敏電阻達到120

℃時報警,此時電阻為700

Ω,故應將電阻箱調節至700

Ω,然后由最大調節滑動變阻器,直至報警器報警,故開始時滑片應在b端,目的是避免接通電源后,流過報警器的電流會超過20

mA,報警器可能損壞;②將開關接到c端與電阻箱連接,調節滑動變阻器直至報警器開始報警即可,然后再接入熱敏電阻,電路即可正常工作。(3)滑動變阻器滑片的位置不變,將開關向另一端閉合,報警系統即可正常使用。(4)需將上述電路中的熱敏電阻換成光敏電阻,并將電阻箱的阻值調到650

Ω,然后重復上述操作即可。【典例2】

電子體溫計利用某些物質的物理參數,如電阻、電壓、電流等,與環境溫度之間存在的確定關系,將體溫以數字的形式顯示出來。甲圖為某同學設計的電路圖,用以測量25.0~80.0℃范圍內環境的溫度。所用器材有:熱敏電阻RT,其標稱值(25.0℃時的阻值為900.0Ω);電源20V,內阻可忽略;滑動變阻器(最大阻值為10Ω);電阻箱R2(阻值范圍0~999.9Ω);單刀開關S1,單刀雙擲開關S2,圖中

為電表。實驗時,按電路圖連好電路,將熱敏電阻放在溫控箱內,先將溫度調為80.0℃,將S2與1端接通,閉合S1,調節R1的滑片位置,電路中電表示數為某一定值X;保持R1的滑片位置不變,將R2置于最大值,將S2與2端接通,調節R2,使電表讀數仍為X;斷開S1,記下此時R2的讀數,逐步降低溫控室的溫度t,得到相應溫度下R2的阻值,直至溫度降到25.0℃實驗得到R2-t的數據見表。甲

乙

丙

t/℃25.030.040.050.060.070.080.0R2/Ω900.0680.0500.0390.0320.0270.0240.0回答下列問題:(1)實驗室中有以下規格電表:①電流表A1(0~0.6A,0.2Ω),②電流表A2(0~3A,0.04Ω),③電壓表V(10V,1000Ω)。實驗中應選擇的電表為

(選填器材前的數字編號);

(2)在閉合S1前,圖甲中R1的滑片應移動到

(選填“左”或“右”)端;

(3)在圖乙的坐標紙上補齊數據表中所給數據點,并作出R2-t的曲線;(4)將RT握于手心,手心溫度下R2的相應讀數如圖丙所示,該讀數為

Ω,則手心溫度為

℃。

答案(1)③

(2)左

(3)見解析

(4)580.0

34(或35)比兩電流表的量程小得多,不易準確測量,故不選①②;電壓表V內阻與熱敏電阻的阻值相差不多,而量程為電源一半,可以準確測量,故選③;(2)為了安全,在閉合S1前,分壓電路的電壓應該為0,所以圖甲中R1的滑片應移動到左端;(3)在圖乙的坐標紙上補齊數據表中所給數據點,并作出R2-t的曲線,如圖所示(4)將RT握于手心,手心溫度下R2的相應讀數如圖丙所示,該讀數為R=(5×100+8×10+0×1+0×0.1)Ω=580.0

Ω當R2=580.0

Ω時,由第(3)問做出的圖可知,手心溫度為34

℃或35

℃情境剖析本題屬于綜合類問題,以教材中常見的分壓電路為素材,創設學習探索問題情境,構建探究熱敏電阻的溫度特性,考查電路、器材選擇等問題。【典例3】

(1)利用負溫度系數熱敏電阻制作的熱傳感器,一般體積很小,可以用來測量很小范圍內的溫度變化,反應快,而且精確度高。①如果將負溫度系數熱敏電阻與電源、電流表和其他元件串聯成一個電路,其他因素不變,只要熱敏電阻所處區域的溫度降低,電路中電流將變

(選填“大”或“小”)。

②上述電路中,我們將電流表中的電流刻度換成相應的溫度刻度,就能直接顯示出熱敏電阻附近的溫度。如果刻度盤正中的溫度為20℃(如圖甲所示),則25℃的刻度應在20℃的刻度的

(選填“左”或“右”)側。

③為了將熱敏電阻放置在某蔬菜大棚內檢測大棚內溫度變化,請在圖乙中用圖中的器材(可增加元器件)設計一個電路。(2)圖丙為一測量硫化鎘光敏電阻特性的實驗電路,電源電壓恒定,內阻不計,開關閉合后,調節滑動變阻器滑片,使小燈泡發光逐漸增強,測得流過電阻的電流和光強的關系曲線如圖丁所示,試根據這一特性,由圖戊中給定的器材設計一個自動光控電路。答案(1)①小

②右

③

(2)見解析

解析(1)①因為溫度降低時,負溫度系數熱敏電阻的阻值增大,故電路中電流會減小。②由①的分析知,溫度越高,電流越大,25

℃的刻度應對應較大電流,故在20

℃的刻度的右側。③電路如圖所示:(2)由光敏電阻的特性曲線可以看出,當入射光增強時,流過光敏電阻的電流增大,光敏電阻的阻值減小。根據題意設計一個自動光控電路,如圖所示:控制過程是:當有光照時,放大器輸出一個較大的電流,驅動電磁繼電器吸引銜鐵使兩個觸點斷開;當無光照時,放大器輸出電流減小,電磁繼電器釋放銜鐵,使兩個觸點閉合,工作電路接通,電燈開始工作。情境剖析本題屬于創新應用類問題,以熱敏電阻、光敏電阻設計一個自動光控電路為素材,創設了學習探索問題情境。對應演練遷移應用1.(2020黑龍江大慶實驗中學高三月考)某同學利用熱敏電阻設計了一個“過熱自動報警電路”,如圖甲所示。將熱敏電阻R安裝在需要探測溫度的地方,當環境溫度正常時,繼電器的上觸點接觸,下觸點分離,指示燈亮;當環境溫度超過某一值時,繼電器的下觸點接觸,上觸點分離,警鈴響。圖甲中給繼電器供電的電源電壓U1=4V,內阻不計,繼電器線圈用漆包線繞成,其電阻R0為30Ω。當線圈中的電流大于等于40mA時,繼電器的銜鐵將被吸合,警鈴響。圖乙是熱敏電阻的阻值隨溫度變化的圖像。甲

乙

(1)圖甲中警鈴的接線柱C應與接線柱

相連,指示燈的接線柱D應與接線柱

相連(均選填“A”或“B”);

(2)當環境溫度升高時,繼電器的磁性將

(選填“增大”“減小”或“不變”),當環境溫度達到

℃時,警鈴報警;

(3)如果要使報警電路在更高的溫度報警,下列方案可行的是(

)A.適當減小U1 B.適當增大U1C.適當減小U2 D.適當增大U2答案(1)B

A

(2)增大

40

(3)A解析(1)由于B接通時警鈴響,A接通時指示燈亮,因此C接B,D接A。(2)由于熱敏電阻隨溫度升高,阻值減小,回路的電流強度增大,因此繼電器的磁性增強。當電流等于40

mA時,回路的總電阻而繼電器電阻R0為30

Ω,因此當熱敏電阻等于70

Ω時,由題圖乙可知對應溫度為40

℃時,警鈴報警。(3)溫度更高時,熱敏電阻阻值更小,而報警電流為40

mA不變,因此應適當降低U1值,因此A正確。2.熱敏陶瓷是一類電阻率隨溫度發生明顯變化的新型材料,可用于測溫。某同學利用實驗室提供的一種電阻阻值隨溫度呈線性變化(關系式為:Rt=kt+b,其中k>0,b<0,t為攝氏溫度)的熱敏電阻,把一靈敏電流計改裝為溫度計。除熱敏電阻和靈敏電流計外,還用到如下器材:1.直流電源(電動勢為E,內阻不計);2.滑動變阻器;3.單刀雙擲開關;4.標準溫度計;5.導線及其他輔助材料。該同學設計電路如下圖所示,按如下步驟進行操作。(1)按電路圖連接好器材。(2)將滑動變阻器滑片P滑到

(選填“a”或“b”)端,單刀雙擲開關S擲于

(選填“c”或“d”)端,調節滑片P使電流計滿偏,并在以后的操作中保持滑片P位置不動,設此時電路總電阻為R,斷開電路。

(3)容器中倒入適量開水,觀察標準溫度計,每當標準溫度計示數下降5℃,就將開關S置于d端,并記錄此時的溫度t和對應的電流計的示數I,然后斷開開關。請根據溫度計的設計原理和電路圖,寫出電流與溫度的關系式(用題目中給定的符號)I=

。

(4)根據對應溫度記錄的電流計示數,重新刻制電流計的表盤,改裝成溫度計。根據改裝原理,此溫度計表盤刻度線的特點是:低溫刻度在

(選填“左”或“右”)側,刻度線分布是否均勻?

(選填“是”或“否”)。

解析(2)根據實驗的原理可知,需要先選取合適的滑動變阻器的電阻值,結合滑動變阻器的使用的注意事項可知,開始時需要將滑動變阻器滑片P滑到a端,以保證電流表的使用安全;然后將單刀雙擲開關S擲于c端,調節滑片P使電流表滿偏。(3)當溫度為t時,熱敏電阻的阻值與攝氏溫度t的關系為:Rt=kt+b,根據閉合電路的歐姆定律可得:(4)由上式可知,溫度越高,電流表中的電流值越小,所以低溫刻度在表盤的右側;由于電流與溫度的關系不是線性函數,所以表盤的刻度是不均勻的。3.(2020福建廈門第六中學高三月考)某同學用光敏電阻和電磁繼電器等器材設計自動光控照明電路。(1)光強(E)是表示光強弱程度的物理量,單位為坎德拉(cd)。如圖甲所示是光敏電阻阻值隨光強變化的圖線,由此可得到的結論是:

;

(2)如圖乙為電磁繼電器的構造示意圖,其中L為含有鐵芯的線圈,P為可繞O點轉動的銜鐵,K為彈簧,S為一對觸頭,A、B、C、D為四個接線柱。工作時,應將

(選填“A、B”或“C、D”)接照明電路;

(3)請在圖丙中用筆畫線代替導線,完成實物電路的連接;(4)已知電源電動勢為3V,內阻很小,電磁鐵線圈電阻R0=20.0Ω,電流超過50mA時可吸合銜鐵。如果要求光強達到2cd時,照明電路恰好接通,則圖丙中定值電阻R=

Ω。

丙

答案(1)隨著光照強度的增加,光敏電阻的阻值迅速下降,進一步增大光照強度,電阻值變化減小,然后逐漸趨向平緩

(2)C、D(3)(4)22解析(1)由圖像可得到的結論是:隨著光照強度的增加,光敏電阻的阻值迅速下降,進一步增大光照強度,電阻值變化減小,然后逐漸趨向平緩;(2)由電磁繼電器的工作原理可知,電磁鐵連接的是控制電路,銜鐵連通的是工作電路,故工作時,應將“C、D”接照明電路;(3)光敏電阻、定值電阻、電源與L組成控制電路,C、D與燈泡組成工作電路,電路圖如圖所示(4)由題圖甲所示圖線可知,2cd對應的光敏電阻阻值R光敏=18

Ω由閉合電路歐姆定律可知代入數據解得R=22

Ω核心素養專項提升一、新教材經典素材傳感器與手機經典素材1.傳感器的種類傳感器的種類很多,作為一門知識密集型技術,它與許多學科有關:有的利用物質的物理特性或物理效應制作而成,如力傳感器、磁傳感器、聲傳感器等物理傳感器;有的利用電化學反應原理,把無機或有機化學物質的成分、濃度等轉換為電信號,如離子傳感器、氣體傳感器等化學傳感器;有的利用生物活性物質的選擇性來識別和測定生物化學物質,如酶傳感器、微生物傳感器、細胞傳感器等生物傳感器。在林林總總的傳感器世界中,大多數傳感器是以物理原理為基礎制作的。這類傳感器種類最多,應用領域也最廣泛。2.智能手機與傳感器一部普通的智能手機中就安裝有十幾種傳感器(如圖),能感受聲音、圖像、壓力、磁場、加速度等。思維指導基于智能手機與傳感器的例子,在第一章我們復習了如何用智能手機做物理實驗;學習了傳感器一章后,我們要進一步掌握有關傳感器的工作原理,比如壓力傳感器、溫度傳感器、光傳感器、加速度傳感器、電容傳感器等,同學們要了解這些功能,開闊視野,提升科學探究等物理核心素養。創新訓練1.目前的手機觸摸屏大多是電容式觸摸屏。電容式觸摸屏內有一導電層。導電層四個角引出四個電極,當手指觸摸屏幕時,人體和觸摸屏就形成了一個電容,電容具有“通高頻”的作用,從而導致有電流分別從觸摸屏四角上的電極中流出,并且流經這四個電極的電流與手指到四角的距離成正比,控制器通過對這四個電流比例進行精確計算,得出觸摸點的位置信息。在開機狀態下,下列說法正確的是(

)A.電容式觸摸屏感測手指觸摸點的位置是因為手指對屏幕按壓產生了形變B.電容式觸摸屏感測手指觸摸點的位置是利用了電磁感應現象C.當手指觸摸屏幕時手指有微弱的電流流過D.當手指離開屏幕時,電容變小,對高頻電流的阻礙變大,控制器不易檢測到手指的準確位置答案

C解析由于流經四個電極的電流與手指頭到四角的距離成比例,電容觸摸屏只需要觸摸,控制器就能確定手指的位置,無需手指有壓力,故A錯誤;電容式觸摸屏感測手指觸摸點的位置是電容器的充放電原理,不是電磁感應現象,故B錯誤;由題意可知,手指從手的觸點吸走一部分電荷,在電荷定向移動的過程中,會有微弱電流通過,故C正確;根據電容器的工作原理可知,當手指離開屏幕時,電容變小,電容器將放電,控制器仍然能檢測到手指離開的準確位置,故D錯誤。2.如圖甲,圓圈內放大的集成塊可以同時自動測量沿手機短邊(x軸)、長邊(y軸)和垂直面板方向(z軸)的加速度,相當于在三個方向上各有一個如圖乙所示的一維加速度計,圖中固定在力傳感器上的質量塊的質量為m。下面僅研究x軸處于水平方向和y軸處于豎直方向的加速度情況。(1)沿x軸方向,若用F表示力傳感器垂直接觸面對質量塊的作用力,取+x軸方向為加速度正方向,推導出手機在水平方向的加速度ax的表達式;(2)沿y軸方向,若用F表示力傳感器垂直接觸面對質量塊的作用力,取+y軸方向為加速度正方向,推導出手機在豎直方向的加速度ay的表達式;(3)當手機由豎屏變橫屏時,為讓手機感知到這種變化,需要通過電信號分別將(1)和(2)中推導出的加速度進行輸出,但應統一輸出項a出,請分別寫出水平和豎直方向上輸出項a出的表達式;(4)當手機由豎屏變橫屏時,顯示的視頻畫面會隨之由窄變寬,請解釋其中的原理。(4)當手機豎屏播放視頻時,ax出==ax=0、ay出==ay+g=g將手機轉為橫屏時,加速度計測得水平、豎直兩個方向加速度的值發生交換;智能手機據此做出判斷,將視頻畫面由窄變寬。3.據媒體報道,某手機帶有屏幕保護器,保護裝置設置在屏幕的4個角落,由彈性塑料、聚合物及超薄金屬片組成,一旦手機內的加速度計、陀螺儀及位移傳感器感知手機掉落,屏幕保護器會自動彈出,并完全吸收手機撞擊地面的能量,避免手機屏幕直接接觸地面而損壞。已知該手機設計質量約為160g,如果從1.25m高處自由掉落,手機視為質點,不計空氣阻力,重力加速度g取10m/s2,則以下分析正確的是(

)A.手機落地的速度為4.5m/sB.保護器彈出的時間應小于0.55sC.手機落地時重力的功率為7.5WD.若保護器吸收撞擊力的時間為0.05s,則地面對手機的平均作用力為17.6N答案

D4.許多手機都有指紋解鎖功能,常用的指紋識別傳感器是電容式傳感器,如圖所示。指紋的凸起部分叫做“嵴”,凹下部分叫做“峪”,傳感器上有大量面積相同的小極板,當手指貼在傳感器上時,這些小極板和與之正對的皮膚表面就形成了大量的小電容器,由于距離不同,所以這些小電容器的電容不同。此時傳感器給所有的電容器充電達到同一電壓值,然后開始放電,其中電容值較小的電容器放電較快,于是根據放電快慢的不同,就可以探測到嵴和峪的位置,從而形成指紋的圖像數據。根據以上信息,下列說法中正確的是(

)A.電容器在充電過程中是把電能轉化成化學能B.在嵴處形成的電容器放電較快C.在峪處形成的電容器充電后帶電荷量較少D.潮濕的手指對指紋識別沒有任何影響答案

C解析電容器在充電過程中是把電能轉化成電場能,故A錯誤;由于外接電源為所有電容器充到一個預先設計好的電壓值,所以所有的電容器電壓一定,根據Q=CU=U可知,極板與指紋溝(凹的部分,d大,電容小)構成的電容器充上的電荷較少,在放電過程中放電時間短;反之,在嵴處形成的電容器電容大,電荷量大,放電時間長,故B錯誤,C正確;濕的手與傳感器之間有水填充,改變了原來匹配成平行板電容器的電容,所以會影響指紋解鎖,故D錯誤。故選C。二、典型物理模型指導突破科學思維之模型建構——變壓器典型問題分析模型建構(一)理想變壓器各物理量間的關系②理想變壓器的輸入、輸出功率相等P1=P2,當變壓器有多個副線圈時P1=P2+P3+……(二)理想變壓器的動態分析當副線圈中負載變化時,會引起副線圈中電流變化,副線圈中電流變化又會引起原線圈中的電流變化。另外由于開關的作用而導致原副線圈匝數比變化時,也會引起副線圈上電壓、電流的變化。(三)原線圈中接有用電器問題由于原線圈中的用電器要分擔一部分電壓,因此原線圈兩端電壓不等于電源兩端電壓,但電壓比、電流比的關系仍然成立。(四)幾種常用的變壓器1.自耦變壓器——調壓變壓器,如圖甲(降壓作用)、乙(升壓作用)所示。案例探究1(多選)(2016全國卷Ⅲ)如圖,理想變壓器原、副線圈分別接有額定電壓相同的燈泡a和b。當輸入電壓U為燈泡額定電壓的10倍時,兩燈泡均能正常發光。下列說法正確的是(

)A.原、副線圈匝數比為9∶1B.原、副線圈匝數比為1∶9C.此時a和b的電功率之比為9∶1D.此時a和b的電功率之比為1∶9答案

AD

解題指導審題關鍵詞句分析解讀

原線圈中接有用電器理想變壓器理想變壓器本身不消耗能量額定電壓相同的燈泡a和b燈泡正常發光時電壓相同當輸入電壓U為燈泡額定電壓的10倍時輸入電壓U不是原線圈的電壓破題

根據燈泡電壓與輸入電壓的關系可明確接在輸入端和輸出端的電壓關系,則可求得匝數之比;根據P=UI求a、b燈泡的電功率之比。素養微點處理變壓器的原線圈與電阻串聯后接入交流電壓問題的思路(1)要注意明確電路結構,知道開關通斷時電路的連接方式。(2)明確輸入電壓與總電壓之間的關系。(3)根據電壓之比等于匝數之比、電流之比等于匝數的反比列式。案例探究2如圖所示,理想變壓器有兩個副線圈,L1、L2是兩盞規格為“8V,10W”的燈泡,L3、L4是兩盞規格為“6V,12W”的燈泡,當變壓器的輸入電壓為U1=220V時,四盞燈泡恰好都能正常發光,如果原線圈的匝數n1=1100匝,求:(1)副線圈n2、n3的匝數;(2)電流表的讀數。答案(1)40匝

60匝

(2)0.2A解題指導審題關鍵詞句分析解讀理想變壓器有兩個副線圈電壓與匝數成正比是成立的,而電流與匝數成反比的規律不成立。但原線圈的輸入功率等于兩個副線圈的輸出功率

L1、L2兩盞燈泡是并聯;L3、L4兩盞燈泡是串聯四盞燈泡恰好都能正常發光U2=8

V;U3=12

V破題

(1)四盞燈泡恰好都能正常發光,則上面一個副線圈的電壓為8

V,下面一個副線圈的電壓為12

V,根據電壓比等于線圈匝數比即可求解匝數;(2)根據原副線圈的功率相等列式求解原線圈的電流。素養微點解決理想變壓器問題的絕招招數一

能量守恒法(功率思路)理想變壓器的輸入、輸出功率為P入=P出,即P1=P2;當變壓器有多個副繞組時,P1=P2+P3+……招數二

電流、電壓關系法變壓器原、副線圈的電壓之比為

;當變壓器有多個副繞組時,只要繞在同一閉合鐵芯上,任意兩線圈之間總有對只有一個副繞組的變壓器有

;當變壓器有多個副繞組時n1I1=n2I2+n3I3+……素養微點招數三

等效負載電阻法設理想變壓器原副線圈的匝數之比為n1∶n2,原線圈輸入電壓為U1,副線圈負載電阻為R,如圖(1)所示,在變壓器正常工作時,a、b間的等效電阻為:創新訓練1.(2020江蘇卷)電流互感器是一種測量電路中電流的變壓器,工作原理如圖所示。其原線圈匝數較少,串聯在電路中,副線圈匝數較多,兩端接在電流表上。則電流互感器(

)A.是一種降壓變壓器B.能測量直流電路的電流C.原、副線圈電流的頻率不同D.副線圈的電流小于原線圈的電流答案

D2.(2020山西高三開學考試)如圖所示,理想變壓器原線圈接一正弦交變電源,其電壓的有效值恒定不變,兩個副線圈的匝數分別為n1和n2,所接電阻分別為R1和R2,且R2=4R1。不計電流表內阻,當只閉合S1時,電流表示數為1A,S1、S2都閉合時,電流表示數為2A,則n1∶n2等于(

)A.1∶1 B.1∶2 C.1∶3 D.1∶4答案

B解析設原線圈的電壓為U,當只閉合S1時,根據電流表示數為1

A,則變壓器的輸入功率為U×1

W,則副線圈的輸出功率為U×1

W;當S1和S2都閉合時,電流表示數為2

A,則變壓器的輸入功率為U×2

W,則副線圈的輸出功率為U×2

W,因此兩副線圈的功率之比為1∶1,根據解得U1∶U2=1∶2由變壓器的電壓與匝數成正比可得n1∶n2=1∶2故B正確。3.一含有理想變壓器的電路如圖所示,圖中電阻R1、R2和R3的阻值分別為3Ω、1Ω和4Ω,A為理想交流電流表,U為正弦交流電壓源,輸出電壓的有效值恒定。當開關S斷開時,電流表的示數為I;當S閉合時,電流表的示數為4I。該變壓器原、副線圈匝數比為(

)A.2 B.3 C.4 D.5答案

B三、情境化主題突破科學態度與責任——電磁感應現象在生產、生活中的應用背景資料資料一

無線充電無線充電技術通過分別安裝在充電基座和接收能量的裝置上的線圈,利用產生的磁場傳遞能量。如果移動電話中有無線充電裝置,那么把移動電話直接放在充電基座上就可以充電。對于一個沒有無線充電功能的移動電話,也可以通過在移動電話端連接一個無線充電接收器,將接收器放在無線充電基座上來進行充電。打開無線充電接收器,就可以看到其內部有一個接收線圈。無線充電技術,可分為小功率無線充電和大功率無線充電兩種方式。小功率無線充電常采用電磁感應式,大功率無線充電常采用諧振式(大部分電動汽車充電采用此方式)由供電設備(充電器)將能量傳送至用電的裝置,該裝置使用接收到的能量對電池充電,并同時供其本身運作之用。無線充電技術的基本原理有電磁感應式、磁場共振式和無線電波式。相比有線輸電技術,無線充電器與用電裝置之間不用電線連接,因而具有使用方便、減少觸電危險、不易老化磨損等優點。但目前無線充電技術也存在著傳輸距離短、成本高、能量損耗大等不足。因此,無線充電技術還需不斷地改進、發展。資料二

電磁炮電磁炮是利用電磁力產生動能推進彈丸的一種先進的武器,與傳統的大炮將火藥燃氣壓力作用于彈丸不同,電磁炮是利用電磁系統中電磁場的作用力,其作用的時間要長得多,可大大提高彈丸的速度和射程。因而引起了世界各國軍事家們的關注。自80年代初期以來,電磁炮在未來武器的發展計劃中,已成為越來越重要的部分。軌道炮由兩條平行的導軌組成,彈丸夾在兩條導軌之間。兩軌接入電源,電流經一導軌流向彈丸再流向另一導軌產生強磁場,磁場與電流相互作用,產生強大的安培力推動彈丸,達到很高的速度(理論上可以到達亞光速)。資料三

電磁剎車電磁剎車又稱渦磁剎車。利用轉子在定子內的可控磁場中轉動切割磁感線,產生電渦流,形成反扭矩,以消耗下鉆勢能,進而達到控制下鉆速度目的的一種輔助剎車形式。比水力剎車更可靠、反應更迅速。特點是下鉆速度越快,產生的反扭矩越大,能有效控制下鉆速度。電磁剎車在石油鉆機上有逐步替代水力剎車的趨勢。原理磁力剎車制動器含有一個或兩個磁力很強的釹磁鐵長條。當金屬片(通常是銅或銅鋁合金)切割磁感線時,會在金屬內部產生渦流,這將生成一個磁場來阻礙運動。由此產生的制動力是成正比的速度,金屬片在磁鐵內移動,同時產生熱能。這種磁制動效果可以被解釋為將該列車的速度按一定規律逐步減半。不過當速度減到一定程度時,生成的渦流不足以阻止列車,這就需要摩擦式剎車或者摩擦驅動輪了。資料四

真空高速列車真空高速列車是懸浮列車、飛行列車,用于超級高鐵。未來實驗室將推出速度600~1

000

km/h的真空管道高速列車小比例模型。而根據現在的理論研究,這種真空磁懸浮列車速度可達到250

km/h。我國在建高鐵達1萬公里。除了在建的速度350

km/h的高鐵外,我國還在研制速度可達1

000

km/h的真空磁懸浮列車。從北京到廣州2

300

km的路程,不用坐飛機,乘坐地面交通同樣可以用2個小時甚至1個小時到達。這就是我國正在積極研發試驗的真空管道高速交通。西南交通大學牽引動力國家重點實驗室課題組正在研制速度500~600

km/h的真空高速列車,這種技術預計10年后實現運營。世界上共有美國、瑞士、中國3個國家正在研究真空管道磁懸浮技術,我國已經開始著手試驗了,美國和瑞士還在理論階段。創新訓練1.(多選)(2020山東威海質檢)如圖甲所示為手機無線充電工作原理的示意圖,由送電線圈和受電線圈組成。已知受電線圈的匝數為n=50匝,電阻r=1.0Ω,在它的c、d兩端接一阻值R=9.