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2019-2020年高考物理一輪復習 第12章 交變電流 傳感器教案 新人教版 教學目標 1. 知道交變電流，能用函數(shù)表達式和圖像描述交變電流 2. 理解變壓器原理，了解變壓器的構造、變壓器的變壓比、變壓器的變流比。 3. 知道遠距離輸電的方式，會進行簡單的計算。 重點：對描述交變電流四個值的理解和應用以及遠距離輸電的運用 難點：遠距離輸電在現(xiàn)實生活中的運用 知識梳理 一、交變電流 1. 交變電流定義 （1）大小和方向均隨時間而作周期性變化的電流叫做交變電流。 （2）隨時間按正弦規(guī)律變化的交變電流叫正弦交流電。這里需要注意的問題就是，正弦交流電的圖象也并非一定是正弦曲線，余弦曲線反映的也是正弦交流電的變化規(guī)律，也叫正弦交流電。其實，正弦曲線和余弦曲線只是坐標原點選取的不同而已。 2. 交變電流的產生： （1）線圈在勻強磁場中勻速轉動時產生按正弦規(guī)律變化的交變電流。 （2）線圈處在中性面時，雖然穿過線圈的磁通量最大，但磁通量的變化率最小為零，從而感應電動勢的瞬時值也為零； （3）當線圈處在與中性面垂直的位置上時，雖然穿過它的磁通量最小，為零，但磁通量的變化率卻是最大的，所以這時感應電動勢的瞬時值最大。需要弄清楚的一個問題就是感應電動勢是與磁通量的變化率成正比的！ 3. 描述交變電流的物理量： （1）描述交變電流的物理量有瞬時值、最大值、有效值、平均值，這是描述交變電流強弱的物理量；另外還有角速度、轉速、周期和頻率等，這幾個是描述交變電流變化快慢的物理量。 電動勢的瞬時值： 電動勢的最大值： 電動勢的平均值：（求電量時用） 有效值：由電流的熱效應求得。 （2）交流電的有效值是根據電流的熱效應定義的，解題時要牢牢地記住這一點。列式計算時，時間的選取顯得很關鍵，一般取一個周期為宜。 對于正弦交流電來說，有效值與最大值之間有如下的關系：，，。 （3）要弄清楚上述幾個物理量之間的關系及各自的用途，瞬時值是隨時而變的，最大值就是最大的瞬時值，計算電熱、電功等物理量、考慮保險絲的熔斷電流時用的都是交變電流的有效值，計算電荷量時用的是平均值，而考慮電容器等的擊穿電壓時用的則是交變電流的最大值。 （4）常識性問題：各種用電器的銘牌上所標的電壓、電流值以及交流電表所測量的電壓、電流值，還有我們平常所說的交變電流的電壓、電流值，以及保險絲的熔斷電流值等等，都是指的有效值。 二、變壓器 1. 變壓器的構造: 變壓器是由閉合鐵芯和繞在鐵芯上的兩個線圈組成的．一個線圈跟電源連接，叫原線圈（也叫初級線圈）；另一個線圈跟負載連接，叫副線圈（也叫次級線圈）．兩個線圈都是用絕緣導線繞制成的，鐵芯由涂有絕緣漆的硅鋼片疊合而成． 2. 原理：電流通過原線圈時在鐵芯中激發(fā)磁場，由于電流大小方向在不斷的變化，鐵芯中的磁場也在不斷變化。變化的磁場在副線圈中產生感應電動勢，所以盡管兩個線圈之間沒有導線相連，副線圈也能夠輸出電流。互感現(xiàn)象是變壓器工作的基礎 3． 理想變壓器的理想化條件及其規(guī)律． 在理想變壓器的原線圈兩端加交變電壓U1后，由于電磁感應的原因，原、副線圈中都將產生感應電動勢，根據法拉第電磁感應定律：， 忽略原、副線圈內阻，有：U1＝E1 ，U2＝E2 另外，考慮到鐵心的導磁作用而且忽略漏磁，即認為在任意時刻穿過原、副線圈的磁感線條數(shù)都相等，于是又有： 由此便可得理想變壓器的電壓變化規(guī)律為： 在此基礎上再忽略變壓器自身的能量損失（一般包括線圈內能量損失和鐵芯內能量損失這兩部分，分別俗稱為“銅損”和“鐵損”) 有： 4. 理想變壓器的物理量之間的規(guī)律: （1）電壓關系：U1／U2 =n1／n2，U1／n1 = U2／n2= U3／n3 =… ①理想變壓器原副線圈的端電壓跟匝數(shù)成正比，輸出電壓由輸入電壓決定。 ②當n2＞n1時，U2＞U1，變壓器使電壓升高，這種變壓器叫做升壓變壓器． ③當n2＜n1時，U2＜U1，變壓器使電壓降低，這種變壓器叫做降壓變壓器． （2）功率關系：P原=P副，理想變壓器的輸入功率由輸出功率決定 （3）電流關系： ①當變壓器只有一個副線圈工作時，有： ②有多個副線圈時, 有P入=P出，即P1= P2+ P3 +P4+ P5+……… 由U1I1=U2I2+U3I3+……，得到 n1I1=n2I2+n3I3+…… 變壓器的高壓線圈匝數(shù)多而通過的電流小，可用較細的導線繞制 變壓器的低壓線圈匝數(shù)少而通過的電流大，可用較粗的導線繞制 三、電能的輸送 1. 降低輸電損耗的兩個途徑： 2. 遠距離輸電示意圖 題型講解 1. 交變電流的產生、“四值”的應用 一臺小型發(fā)電機產生的電動勢隨時間變化的正弦規(guī)律圖象如圖甲所示。已知發(fā)電機線圈內阻為5.0，則外接一只電阻為95.0的燈泡，如圖乙所示，則 A.電壓表的示數(shù)為220V B.電路中的電流方向每秒鐘改變50次 C.燈泡實際消耗的功率為484W D.發(fā)電機線圈內阻每秒鐘產生的焦耳熱為24.2J 【解析】A選項：電壓表示數(shù)為燈泡兩端電壓的有效值,由圖像知電動勢的最大值Em=V，有效值E=220V，燈泡兩端電壓，A錯 B選項：由圖像知T=0.02S，一個周期內電流方向變化兩次，可知1s內電流方向變化100次，B錯 C選項：燈泡的實際功率,C錯 D選項：電流的有效值，發(fā)電機線圈內阻每秒鐘產生的焦耳熱為，D對。 【答案】D 點評：此題不僅考查了交流電四值的應用，還考查了交變電流的產生過程，這些都是基本知識同學們一定要夯實基礎。 2. 變壓器的知識 如圖所示，理想變壓器的原、副線圈匝數(shù)比為1：5，原線圈兩端的交變電壓為 氖泡在兩端電壓達到100V時開始發(fā)光，下列說法中正確的有 A．開關接通后，氖泡的發(fā)光頻率為100Hz B．開關接通后，電壓表的示數(shù)為100 V C．開關斷開后，電壓表的示數(shù)變大 D．開關斷開后，變壓器的輸出功率不變 【解析】A選項：交變電壓的頻率為 Hz，一個周期內電壓兩次大于100V，即一個周期內氖泡能兩次發(fā)光，所以其發(fā)光頻率為100Hz，A選項正確。 B選項：由交變電壓的瞬時值表達式知，原線圈兩端電壓的有效值為V=20V，由得副線圈兩端的電壓為V，電壓表的示數(shù)為交流電的有效值，B選項正確。C選項：開關斷開前后，輸入電壓不變，變壓器的變壓比不變，故輸出電壓不變，C選項錯誤。D選項：斷開后，電路消耗的功率減小，輸出功率決定輸入功率，D選項錯誤。 【答案】AB 點評：本題主要考查變壓器的知識，要能對變壓器的最大值、有效值、瞬時值以及變壓器變壓原理、功率等問題徹底理解。 3. 變壓器工作原理、遠距離輸電 某小型水電站的電能輸送示意圖 。發(fā)電機的輸出電壓為200V，輸電線總電阻為r，升壓變壓器原副線圈匝數(shù)分別為n，n2。降壓變壓器原副線匝數(shù)分別為n3、n4（變壓器均為理想變壓器）。要使額定電壓為220V的用電器正常工作，則 A． B． C．升壓變壓器的輸出電壓等于降壓變壓器的輸入電壓 D．升壓變壓器的輸出功率大于降壓變壓器的輸入功率 【解析】ABC選項：根據變壓器工作原理可知，，由于輸電線上損失一部分電壓，升壓變壓器的輸出電壓大于降壓變壓器的輸入電壓，有，所以，A選項正確，BC選項不正確。 D選項：升壓變壓器的輸出功率等于降壓變壓器的輸入功率加上輸電線損失功率，D選項正確。 【答案】AD 點評：理想變壓器的兩個基本公式是： ⑴ ，即對同一變壓器的任意兩個線圈，都有電壓和匝數(shù)成正比。 ⑵，即無論有幾個副線圈在工作，變壓器的輸入功率總等于所有輸出功率之和。只有當變壓器只有一個副線圈工作時，才有。 遠距離輸電，從圖中應該看出功率之間的關系是：P1=P2，P3=P4，P1/=Pr=P2。電壓之間的關系是： 。電流之間的關系是：。輸電線上的功率損失和電壓損失也是需要特別注意的。分析和計算時都必須用，而不能用。特別重要的是要會分析輸電線上的功率損失。 第31講 實驗：傳感器的簡單應用 教學目標 知道傳感器的意義，了解制作傳感器的常用元件（光敏電阻、熱敏電阻、金屬熱電阻、霍爾元件、干簧管等）的特征，了解常見傳感器(電子秤、話筒、電熨斗、測溫儀、鼠標、火災報警器)的工作原理，了解光控開關、溫度報警器的原理. 重點：了解各類傳感器的工作原理及其應用 難點：傳感器的工作原理 知識梳理 一、框架結構 傳感器 溫 度 傳感器 意義：傳感器是把非電學物理量（如位移、速度、壓力、溫度、濕度、流量、聲強、光照度等）轉換成易于測量、傳輸、處理的電學量（如電壓、電流、電容等）或電路的通斷的一種組件。起自動控制作用。 機械鼠標器： 火災報警器： 光控開關： 光傳感器 敏感元件 光敏電阻：是一種能感知光強的傳感器，電阻隨光照的增強而減小 熱敏電阻：是一種能感知溫度的傳感器，電阻一般隨溫度升高電阻減小 金屬熱電阻：是一種能感知溫度的傳感器，溫度升高電阻增大 霍爾元件：是一種能感知磁場強弱的傳感器 電容式位移傳感器：是一種能感知位移變化的傳感器 干簧管：一種能感知磁場存在的傳感器 常見傳感器及應用 力傳感器----電子秤：將應變片的形變量轉化為電壓差 聲傳感器----話 筒：將聲學量轉化為電學量 電熨斗：雙金屬片溫度傳感器的作用:控制電路的通斷 電飯鍋：雙金屬片溫度傳感器的作用:控制電路的通斷 測溫儀：將溫度轉化為電學量（不同溫度發(fā)射紅外線不同） 溫度報警器： 二、應用舉例 1．霍爾元件的工作原理：霍爾元件是利用霍爾效應來設計的．一個矩形半導體薄片，在其前、后、左、右分別引出一個電極，如圖所示，沿PQ方向通人電流I，垂直于薄片加勻強磁場B，則在MN間會出現(xiàn)電勢差U。設薄片厚度為d，PQ方向長度為L1，MN方向長度為L2．薄片中的帶電粒子受到磁場力發(fā)生偏轉，使N側電勢高于M側，造成半導體內部出現(xiàn)電場．帶電粒子同時受電場力作用．當磁場力與電場力平衡時，MN間電勢差達到恒定．qU/L2=qvB． 再根據電流的微觀解釋I＝nqSv，得U=IB/nqd 令k=1/nq U=kIB/d 即U與B成正比，這就是為什么霍爾元件能把磁學量轉換成電學量的原因了． 2．電飯鍋的工作原理：開始煮飯時，用手壓下開關按鈕，永磁體與感溫磁體相吸，手松開后，按鈕不再恢復到圖示狀態(tài)，則觸點接通，電熱板通電加熱，水沸騰后，由于鍋內溫度保持100℃不變，故感溫磁體仍與永磁體相吸，繼續(xù)加熱，直到飯熟后，水分被大米吸收，鍋底溫度升高，當溫度升至“居里點103℃”時，感溫磁體失去鐵磁性，在彈簧作用下，永磁體被彈開，觸點分離，切斷電源，從而停止加熱 3.機械式鼠標器的工作原理：如圖所示，鼠標器移動時，滾球運動通過滾軸帶動兩個碼盤轉動，紅外接收管就收到斷續(xù)的紅外線脈沖，輸出相應的電脈沖信號，計算機分別統(tǒng)計x、y兩個方向的脈沖信號，處理后使紅外接收管屏幕上的光標產生相應的位移． 4．光控開關的工作原理：如圖所示，白天，光強度較大，光敏電阻RG電阻值較小，加在斯密特觸發(fā)器A端的電壓較低，則輸出端Y輸出高電平，發(fā)光二極管LED不導通；當天色暗到一定程度時，RG的阻值增大到一定值，斯密特觸發(fā)器的輸入端A的電壓上升到某個值(1．6 V)，輸出端Y突然從高電平跳到低電平，則發(fā)光二極管LED導通發(fā)光(相當于路燈亮了)，這樣就達到了使路燈天明熄滅，天暗自動開啟的目的。要想在天更暗時路燈才會亮，應該把R1的阻值調大些，這樣要使斯密特觸發(fā)器的輸入端A電壓達到某個值(如1．6 V)，就需要RG的阻值達到更大，即天色更暗． 5．溫度報警器的工作原理：如圖所示，常溫下調整R1的阻值使斯密特觸發(fā)器的輸入端A處于低電平，則輸出端Y處于高電平，無電流通過蜂鳴器，蜂鳴器不發(fā)聲；當溫度升高時，熱敏電阻RT阻值減小，斯密特觸發(fā)器輸入端A電勢升高，當達到某一值(高電平)，其輸出端由高電平跳到低電平，蜂鳴器通電，從而發(fā)出報警聲，R1的阻值不同，則報警溫度不同． 題型講解 1. 考查傳感器元件的基本常識 xx年度諾貝爾物理學獎授予了法國和德國的兩位科學家，以表彰他們發(fā)現(xiàn)“巨磁電阻效應”．基于巨磁電阻效應開發(fā)的用于讀取硬盤數(shù)據的技術,被認為是納米技術的第一次真正應用．在下列有關其它電阻應用的說法中。錯誤的是： （ ） A.熱敏電阻可應用于溫度測控裝置中 B.光敏電阻是一種光電傳感器 C.電阻絲可應用于電熱設備中 D.電阻在電路中主要起到通過直流、阻礙交流的作用。 【解析】A選項：熱敏電阻的原理是通過已知某電阻的電阻值與溫度的函數(shù)關系，測得該熱敏電阻的值即可獲取溫度，從而應用于溫度測控裝置中，A選項正確。 B選項：光敏電阻是將光信號與電信號進行轉換的傳感器，B選項正確。 C選項：電阻絲通過電流會產生熱效應，可應用于電熱設備中，C選項正確。 D選項：電阻對直流和交流均起到阻礙的作用，D選項錯誤。 【答案】D 2. 測物體加速度（加速度計） 加速度計是測定物體加速度的儀器，它已成為導彈、飛機、潛艇后宇宙飛船制導系統(tǒng)的信息源。如圖為應變式加速度計示意圖，當系統(tǒng)加速時，加速度計中的敏感元件也處于加速狀態(tài)，敏感元件由彈簧連接并架在光滑支架上，支架與待測系統(tǒng)固定在一起，敏感元件下端的滑動臂可在滑動變阻器R上自由滑動，當系統(tǒng)加速運動時，敏感元件發(fā)生位移，并轉化為電信號輸出，已知：敏感元件的質量為m，兩彈簧的勁度系數(shù)為k，電源的電動勢為E，內電阻不計，滑動變阻器的總電阻為R，有效長度為L，靜態(tài)時輸出電壓為U0。試求加速度a與輸出電壓U的關系式。 【解析】假設a向右為正，位置向左△x 由牛頓第二定律： 由分壓原理： 由①②得： 【答案】 3. 傳感器在現(xiàn)實生活中應用分析 用如圖示的電磁繼電器設計一個高溫報警器，要求是：正常情況綠燈亮，有險情時電鈴報警?？晒┻x擇的器材如下：熱敏電阻、綠燈泡、小電鈴、學生用電源、繼電器、滑動變阻器、開關、導線。 【解析】熱敏電阻正常時電阻值大，ab間電流小，電磁繼電器磁性弱，銜鐵與上觸點接觸，綠燈泡亮。受熱時電阻值小，ab間電流大，電磁繼電器磁性強，銜鐵與下觸點接觸，電鈴響。 ①將熱敏電阻、小燈泡、學生用電源、滑動變阻器、開關串聯(lián)接入繼電器的a、b端。 ②將學生用電源與綠燈泡分別接入c、e之間。 ③將學生用電源與電鈴分別接入c、d、之間。 點評：提高靈敏度，應該如何調節(jié)滑動變阻器？答：應該把滑動變阻器接入電路的阻值調小。在上圖中滑片向右移動。