全国版2022高考物理一轮复习专题十二交变电流传感器课件

这是一份全国版2022高考物理一轮复习专题十二交变电流传感器课件，共60页。PPT课件主要包含了考情解读，考点帮·必备知识通关，考法帮·解题能力提升，思维导引，归纳总结等内容，欢迎下载使用。

课标要求1.通过实验,认识交变电流.能用公式和图像描述正弦交变电流.2.通过实验,探究并了解变压器原、副线圈电压与匝数的关系.知道远距离输电时通常采用高压输电的原因.3.了解发电机和电动机工作过程中的能量转化.认识电磁学在人类生活和社会发展中的作用.4.知道非电学量转换成电学量的技术意义.5.通过实验,了解常见传感器的工作原理.会利用传感器制作简单的自动控制装置.6.列举传感器在生产生活中的应用.
命题探究1.命题分析:本专题的考题贴近生活,与生活、生产实际联系紧密.题目多以发电机为载体,考查交变电流的产生及其描述,综合变压器以及远距离输电等多个考点,以选择题形式出现,难度中等.2.趋势分析:根据近几年考情可知,高考对本专题的考查较为常规,交变电流的产生原理及远距离输电问题应引起重视.
核心素养聚焦物理观念:1.理解交变电流的产生,理解交变电流“四值”问题,理解理想变压器及远距离输电原理;2.掌握交变电流的描述方法,运用能量观念分析变压器及远距离输电问题.科学思维:1.运用等效思想求解交变电流问题;2.建构理想变压器及远距离输电模型分析求解问题.科学探究:通过实验,认识交变电流,了解变压器的工作原理,探究传感器的简单使用.
考点1 交变电流的产生及其描述
考法1 对交流电的图像的考查
考法2 对非正弦式交流电的有效值的考查
高分帮·“双一流”名校冲刺
重难突破 对交流电的综合问题的分析
考法3 对正弦式交流电的“四值”问题的考查
考点2 变压器、远距离输电
考法1 对理想变压器原理的理解
考法2 对变压器中的动态变化问题的考查
考法3 对多个副线圈的变压器问题的考查
考法4 对远距离输电问题的考查
重难突破1 “变压器+”题型综合问题
考法5 实验:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
重难突破2 “等效电阻”问题
考点3 实验:传感器的简单使用
考法1 对热敏电阻的特性应用的考查
考法2 对光敏电阻的特性应用的考查
科学创新 利用传感器设计自动控制电路的方法
考点1 交变电流的产生及其描述
考点帮 必备知识通关
1.正弦式交变电流的产生在匀强磁场里,绕垂直于磁场方向的轴匀速转动的线圈里产生的是正弦式交变电流.交流电产生过程中的两个特殊位置如下表所示:
2.交变电流的变化规律若从线圈在中性面位置时开始计时,则正弦交变电流的变化规律如下表所示:
3.正弦式交变电流的瞬时值、峰值、有效值和平均值的比较
4. 几种典型交变电流的有效值
考法帮 解题能力提升
示例1 [2017天津,6,6分,多选]在匀强磁场中,一个100匝的闭合矩形金属线圈,绕与磁感线垂直的固定轴匀速转动,穿过该线圈的磁通量随时间按图示正弦规律变化.设线圈总电阻为2 Ω,则 A.t=0时,线圈平面平行于磁感线B.t=1 s时,线圈中的电流改变方向C.t=1.5 s时,线圈中的感应电动势最大D.一个周期内,线圈产生的热量为8π2 J
解析：由题图知,t=0时,磁通量为零,磁感线与线圈平面平行,A正确;当磁感线与线圈平面平行时,磁通量变化率最大,感应电动势最大,画出感应电动势随时间变化的图像如图所示,由图可知,t=1 s时,感应电流没有改变方向,B错误;t=1.5 s时,感应电动势为0,C错误;感应电动势最大值 Em=NBSω =NΦm =100×0.04× V=4π V,有效值E= ×4π V=2 π V,一个周期内线圈产生的热量Q= T=8π2 J,D正确.
归纳总结 正(余)弦交变电流的特点1.电流方向的改变:线圈通过中性面时,电流方向发生改变,一个周期内线圈通过中性面两次,电流的方向改变两次.2.感应电动势的最大值Em=nBSω,与转轴的位置无关,与线圈形状无关.3.若自中性面的垂面开始计时,则磁通量随时间变化的规律为正弦规律,电动势、电压和电流随时间变化的规律为余弦规律.
示例2 如图所示的交变电流由正弦式交变电流的一半和反向脉冲电流组合而成,则这种交变电流的有效值为 I0 B. I0C. I0 D.I0
由i-t图像知交变电流的周期T=2 s.一个周期内,前半个周期电流的有效值为I1= ,后半个周期电流的有效值为I2=I0.设交变电流的有效值为I,据交变电流有效值的定义有I2RT ,解得I= I0.故C正确.
归纳总结 交变电流有效值的计算方法1.对正弦式交变电流,直接利用峰值与有效值的关系计算.2.对非正弦式交变电流,有效值需根据电流的热效应计算.可先观察非正弦式交变电流的变化形式,将一个周期分成若干小段,求出各段电流通过相同电阻所产生的热量和,再利用焦耳定律求出与恒定电流、恒定电压等效的有效值.需注意以下几点:(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”)列式求解.(2)分段计算电热,求和得出一个周期内产生的总热量.(3)利用两个公式Q=I2Rt和Q= t可分别求得电流有效值和电压有效值.(4)若图像部分表示的是正弦式交变电流,其中的 (但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有效值与最大值间的关系I= 、U= 求解.
示例3如图所示,匀强磁场的磁感应强度B=0.5 T,边长L=10 cm的正方形线圈共N=100匝,线圈总电阻r=1 Ω,线圈绕垂直于磁感线的对称轴OO'匀速转动,角速度ω=2π rad/s,外电路中的电阻R=4 Ω,求: (1)感应电动势的最大值;
(2)由图示位置(线圈平面与磁感线平行)转过60°时的瞬时感应电动势的大小;(3)由图示位置(线圈平面与磁感线平行)转过60°的过程中产生的平均感应电动势的大小;(4)交流电压表的示数;(5)线圈转动一周产生的总热量;(6)由图示位置(线圈平面与磁感线平行)转过60°的过程中通过电阻R的电荷量.
解析：(1)感应电动势的最大值为Em=NBL2ω=100×0.5×0.12×2π V=3.14 V.(2)由图示位置转过60°时的瞬时感应电动势的大小为e=Emcs 60°=3.14×0.5 V=1.57 V.
(3)由图示位置转过60°的过程中产生的平均感应电动势的大小为 V≈2.60 V.(4)交流电压表的示数为外电路两端电压的有效值,即U= V≈1.78 V.(5)线圈转动一周产生的总热量为Q= ≈0.99 J.(6)在 周期内通过电阻R的电荷量为q= ≈0.087 C.
特别提醒 交流电的解题核心——最大值Em=nBSω1.线圈在匀强磁场中匀速转动,产生正弦式交变电流.电表读数、产生的热量均由交变电流的有效值来确定.已知最大值,才能计算其有效值、瞬时值.2.涉及电容器等的耐压值时,由最大值来确定;计算通过某一截面的电荷量时,用平均值求解.
高分帮 “双一流”名校冲刺
1.交流电发电机所产生的交流电随时间的变化规律是解题的关键.通常有两种:正弦规律,矩形波规律.2.计算交流电的最大值,根据变化规律写出瞬时值的表达式,画出e-t图像.3.根据各物理量对应交流电的不同值来进行计算.
示例4 如图1所示,一个半径为r的半圆形线框,以直径ab为轴匀速转动,周期为T,ab的左侧有垂直于纸面向里(与ab垂直)的匀强磁场,磁感应强度大小为B.M和N是两个集流环,负载电阻为R,线框电阻为R0,摩擦和其他部分的电阻均不计,从图示位置开始计时.(1)在图2中画出线框产生的电动势随时间变化的图像(至少画两个周期);(2)求线框转过 时间内通过负载电阻R的电荷量;(3)求线框转过 时间内外力做的功;(4)求电压表的示数.
解析：(1)根据题意得,最大电动势Em= Bπr2· = 电动势随时间变化的图像如图所示.(2)从图示位置起转过 圈的时间内,穿过线框平面的磁通量的变化量为ΔΦ= Bπr2又 = ,则通过负载电阻R的电荷量为q= ·Δt= ·Δt= = .
(3)线框转过 时间内外力做的功W= .(4)根据电流的热效应得解得电动势有效值则电压表的示数为 .
归纳总结 书写交变电流瞬时值表达式的一般思路1.求出角速度, .2.根据公式Em=nBSω求出相应峰值.3.明确线圈的初始位置,找出对应的瞬时值表达式.(1)开始计时时线圈与中性面重合,则电流瞬时值表达式为i=Imsin ωt;(2)开始计时时线圈与中性面垂直,则电流瞬时值表达式为i=Imcs ωt;(3)开始计时时线圈与中性面夹角为θ,则电流瞬时值表达式为i=Imsin (ωt+θ).
考点2 变压器、远距离输电
1.理想变压器(1)构造如图,变压器由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成. (2)原理原线圈中变化的电流在铁芯中激发变化的磁场,变化的磁场在副线圈中产生感应电动势.
应用·实践1.变压器不能改变直流电压.2.理想变压器基本关系中的U1、U2、I1、I2等均为有效值.
2.远距离输电(1)输电系统原理示意图升压变压器(T1): .降压变压器(T2): .(2)电压损失:ΔU=U2-U3= .(3)功率损失:ΔP=P-P'= .(4)减少电能损失的方法在输电功率一定时,提高输电电压U2是减少电能损失的有效方法.
交流·研讨输电线上有电阻,电流通过时产生焦耳热引起电能损失,由P损=I2R线知,要减小电能在输电线上的损耗,有两种方法:1.减小输电导线的电阻,如采用电阻率低的材料做导线,加大导线的横截面积[代价较高];2.提高输电电压,减小输电电流(输送功率一定的情况下)[常用方法].
示例1 [2020山东,5,3分]图甲中的理想变压器原、副线圈匝数比n1∶n2 =22:3,输入端a、b所接电压u随时间t的变化关系如图乙所示.灯泡L的电阻恒为15 Ω,额定电压为24 V.定值电阻R1=10 Ω、R2=5 Ω,滑动变阻器R的最大阻值为10 Ω.为使灯泡正常工作,滑动变阻器接入电路的电阻应调节为A.1 Ω B.5 Ω C.6 Ω D.8 Ω
解析：由图乙可知理想变压器输入电压U1=220 V,应用理想变压器变压公式 = = ,可得副线圈输出电压U2=30 V.灯泡正常工作时,灯泡两端电压为UL=24 V,电流IL= =1.6 A.设R1两端电压为U,由U2= UL+U,可得U=6 V.由 + =IL,解得R=1 Ω,选项A正确.
归纳总结　　　　　 理想变压器的制约关系
拓展延伸 几种常用的变压器1.自耦变压器——调压变压器,如图1、2所示.2.互感器
示例2 [2016天津,5,6分]如图所示,理想变压器原线圈接在交流电源上,图中各电表均为理想电表.下列说法正确的是 A.当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时,R1消耗的功率变大B.当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时,电压表V示数变大C.当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时,电流表A1示数变大D.若闭合开关S,则电流表A1示数变大、A2示数变大
解析：当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时,滑动变阻器接入电路的电阻增大,变压器副线圈的总负载的等效电阻增大,R1中电流减小,R1两端电压减小,电压表示数变大,R1消耗的电功率变小,选项A错误,B正确.当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时,变压器副线圈输出电流减小,输出功率减小,根据变压器输入功率等于输出功率,可知变压器输入功率减小,则电流表A1示数变小,选项C错误.若闭合开关S,变压器副线圈的总负载的等效电阻减小,则R1中电流增大,R1两端电压增大,电压表示数减小,电流表A2示数减小,电流表A1示数变大,选项D错误.
归纳总结　　 理想变压器动态分析的两种情况
1.匝数比不变,负载改变.如图甲所示.(1)电压分析:U1不变,由于 = ,故不论负载电阻R如何变化,U2不变.(2)电流分析:当负载电阻发生变化时,I2= 变化,由于 = ,故I1发生变化.(3)功率分析:I2变化引起P2=U2I2变化,由于P1=P2,故P1发生变化.
2.负载电阻不变,匝数比改变.如图乙所示.(1)电压分析:U1不变, 发生变化,根据 = 可知,U2变化.(2)副线圈电流分析:R不变,U2变化,故I2= 发生变化.(3)功率分析:根据P2= ,可知P2发生变化,又P1=P2,故P1变化.(4)原线圈电流分析:因P1=U1I1,U1不变,故I1发生变化.
分析变压器动态问题的基本思路
示例3 如图所示,接在理想变压器回路中的四个规格相同的灯泡都正常发光,那么,理想变压器的匝数比n1∶n2∶n3为A.1∶1∶1 B.3∶2∶1 C.6∶2∶1 D.2∶2∶1
解析：灯泡正常发光,可得UA=UB=UC=UD,所以U2=2U3,由理想变压器的电压关系得 ,可得n2=2n3.灯泡都正常发光,则功率相等,即PA=PB=PC=PD,由P=I2R得IA=IB=IC=ID,即I1=I2=I3.由理想变压器的功率关系得U1I1=U2I2+U3I3,即n1I1=n2I2+n3I3,可得n1=n2+n3=2n3+n3=3n3,所以n1∶n2∶n3=3∶2∶1.
特别提醒 对于有两个及以上副线圈的理想变压器,电压与匝数成正比的规律仍然成立,而电流与匝数成反比的规律不成立.但在任何情况下,电流关系都可以根据原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率即P入=P出进行求解.
示例4 [2015福建,15,6分]图为远距离输电示意图,两变压器均为理想变压器,升压变压器T的原、副线圈匝数分别为n1、n2,在T的原线圈两端接入一电压u=Umsin ωt的交流电源,若输送电功率为P,输电线的总电阻为2r,不考虑其他因素的影响,则输电线上损失的电功率为
解析：因为u=Umsin ωt,所以有U1= ,根据变压器变压规律有U2= ,根据P=U2I2得I2= = ,线路损失的功率为ΔP=2 r= ,所以C项正确,A、B、D项错误.
输电线上损失的电功率ΔP= R线,解答本题的关键是运用题给物理量,求得I线.
归纳总结1.远距离输电是联系实际的问题,本题是典型的远距离输电物理模型.由于问题涉及物理量多,需运用的公式多,所以分析求解时,要根据远距离输电模型图,抓住输电的两头——发电厂和用户;研究两次电压变换——升压和降压;分析中间一条线——输电线.运用公式时要注意脚标,做到条理清晰,推论严谨.
2.远距离输电问题的三点注意(1)弄清三个回路(如图所示)在回路2中,U2=ΔU+U3,I2=I线=I3.
(2)抓住两个联系①理想的升压变压器联系着回路1和回路2,由变压器原理可得:线圈1(匝数为n1)和线圈2(匝数为n2)中各个量间的关系是 = , = , P1=P2.②理想的降压变压器联系着回路2和回路3,由变压器原理可得:线圈3(匝数为n3)和线圈4(匝数为n4)中各个量间的关系是 = , = , P3=P4.(3)掌握一个守恒功率守恒关系式P1=P损+P4.
考法5 实验:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
示例5 为了探究理想变压器原、副线圈电压与匝数的关系,某实验兴趣小组做了下列实验.一个可变变压器原线圈接入220 V正弦交流电,副线圈安有一个理想电压表.副线圈有三个抽头a、b、c.变压器总匝数为1 000,测得S分别接a、b时电压表示数为176 V,110 V,已知b为线圈中点,实验初步探究得到原、副线圈电压与匝数的关系是 ;已知抽头c为总匝数的四分之一,则有S接c时,电压表示数为 ,抽头a、b间匝数为 .
解析：根据nb:n1=1:2,Ub:U1=1:2,可以得出 = .故原、副线圈电压跟匝数成正比,又nc= n1,故Uc= U1=55 V,而Ua=176 V,故na= ·n1=800,又nb= n1=500,则a、b间匝数Δnab=na-nb=300.
重难突破1 “变压器+”题型综合问题
题型1 “变压器原线圈+电阻”1.变压器的原线圈与电阻串联.在公式 = 中,U1是原线圈两端的电压,电源电压等于U1与串联电阻的电压之和.2.变压器的原线圈与电阻并联.在公式 = 中,I1是通过原线圈的电流,通过电源的电流等于I1与并联电阻的电流之和.
示例6 [2015新课标全国Ⅰ,16,6分]一理想变压器的原、副线圈的匝数比为3∶1,在原、副线圈的回路中分别接有阻值相同的电阻,原线圈一侧接在电压为220 V的正弦交流电源上,如图所示.设副线圈回路中电阻两端的电压为U,原、副线圈回路中电阻消耗的功率的比值为k,则
A.U=66 V,k= B.U=22 V,k= C.U=66 V,k= D.U=22 V,k=
解析：根据理想变压器的原理U1∶U2=n1∶n2可知,当副线圈电压U2=U时,原线圈电压U1=3U,理想变压器P1=P2,即U1I1=U2I2,I2= ,得到I1= ;根据串联电路的特点可知U源=U1+I1R,其中U源=220 V,可得U=66 V;根据P=I2R,原、副线圈的回路中电阻相等,可得功率的比值k= .A项正确.
题型2 “变压器+二极管”解决这类问题一般需把握三点:1.二极管具有单向导电性,正向导通反向截止.2.先假设二极管不存在,确定副线圈的电流和电压,再利用二极管的单向导电性判断负载电阻的电流和电压.3.结合P入=P出进行分析,电压和电流要用有效值.
示例7 [新课标全国Ⅱ,多选] 如图,一理想变压器原、副线圈的匝数分别为n1、n2.原线圈通过一理想电流表 接正弦交流电源,一个二极管和阻值为R的负载电阻串联后接到副线圈的两端.假设该二极管的正向电阻为零,反向电阻为无穷大.用交流电压表测得a、b端和c、d端的电压分别为Uab和Ucd,则A.Uab∶Ucd=n1∶n2B.增大负载电阻的阻值R,电流表的读数变小C.负载电阻的阻值越小,c、d间的电压Ucd越大D.将二极管短路,电流表的读数加倍
解析：公式 = 中U1、U2是理想变压器原、副线圈两端的电压,U1=Uab,由于二极管的单向导电特性,Ucd≠U2,A项错误.增大负载电阻的阻值R,负载的电功率减小,由于P入=P出,且P入=I1Uab,所以原线圈上的电流I1减小,即电流表的读数变小,B项正确.负载电阻的阻值变小时,Ucd不变,C项错误.在一个周期T内,二极管未短路时有UabI1T= · ,二极管短路时有UabI'1T= T,U2不变,则I'1=2I1,D项正确.
题型3 “变压器+电容(电感)”解决该类问题要注意电容和电感在含交流电电路中的特点:1.电容器的电容越大,交流电的频率越高,对交变电流的阻碍作用越小.2.电感线圈的自感系数越大,交流电的频率越高,对交变电流的阻碍作用越大.
示例8 [多选]如图所示,一个理想变压器副线圈两端接三条支路,每条支路上都接有一个灯泡,每个灯泡相同,电路中L为电感线圈,C为电容器,R为定值电阻.原线圈两端接有一个小型交流发电机,当交流发电机转子的转速为n时,三个灯泡的亮度相同.如果增大发电机转子的转速(在保证元件安全范围内),则下列说法中正确的是A.灯泡Ⅰ的亮度不变B.三个灯泡中,灯泡Ⅱ一定最暗C.三个灯泡中,灯泡Ⅲ一定最亮D.三个灯泡仍一样亮
解析：增大发电机转子的转速后,为ni,交流电电压的最大值um=NBS·2πni 增大,所以变压器的输入电压与输出电压都增大.增大发电机转子的转速后,交流电频率增大,对电阻的阻碍作用没影响,线圈阻碍作用变大,电容阻碍作用变小,可知三个灯泡中,Ⅲ最亮,Ⅱ最暗,故B、C两项正确.
如图甲所示的理想变压器原、副线圈匝数比为n1:n2,则副线圈回路的电阻R可等效为原线圈回路的电阻R‘,如图乙所示, R’= = =( )2R.
示例9 [2016全国Ⅰ,16,6分]一含有理想变压器的电路如图所示,图中电阻R1、R2和R3的阻值分别为3 Ω、1 Ω和4 Ω,为理想交流电流表,U为正弦交流电压源,输出电压的有效值恒定.当开关S断开时,电流表的示数为I;当S闭合时,电流表的示数为4I.该变压器原、副线圈匝数比值为A.2　　　　B.3　　　　C.4　　　　D.5
思路分析：本题利用等效电阻法可以很方便求解.解析：设匝数的比值为k,当S断开时,R等1=(R2+R3)k2,那么依据欧姆定律有,I= .当S合上时,R等2=R2k2,有4I= ,解得k=3.故B正确.
考点3 实验:传感器的简单使用
1.传感器的工作原理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).除常用的热敏电阻、光敏电阻外,传感器还有好多种类,比如可以将磁信号转换成电信号的霍尔元件、可以将压力信号转换成电信号的压力传感器等.传感器的工作过程如图:
应用·实践1.力传感器的应用——电子秤.2.温度传感器的应用——电熨斗、电饭锅.3.光传感器的应用——火灾报警器.
2.实验步骤(1)热敏特性实验如图所示,把一热敏电阻连入电路中,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,然后再将电表的两支表笔分别与热敏电阻两端相连.把热敏电阻放入有少量冷水并插有温度计的烧杯中,在欧姆挡上选择适当的倍率,观察表盘所示热敏电阻的阻值;再分几次向烧杯中倒入热水,观察不同温度下热敏电阻的阻值,总结这个热敏电阻的阻值是如何随温度变化的.
(2)光敏特性实验 如图所示,把一光敏电阻连入电路中,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,然后再将电表的两支表笔分别与光敏电阻两端相连.在欧姆挡上选择适当的倍率,观察表盘所示光敏电阻的阻值;将手张开放在光敏电阻上方,挡住部分光线,观察表盘所示光敏电阻的阻值;上、下移动手掌,观察表盘所示光敏电阻的阻值,总结光敏电阻的阻值随光照强度发生怎样的变化.
3.注意事项(1)在做“热敏特性实验”时,加热水后要等一会儿再测量热敏电阻的阻值(使电阻温度与水的温度相同),并同时读出水温.(2)若“光敏特性实验”现象不明显,可制造密闭箱体,将光敏电阻置于其中,通过改变箱体的透光程度达到实验目的.(3)热敏电阻、烧杯、温度计易破损,实验时务必小心.(4)欧姆表每次换挡后需重新调零.
示例1 [2017江苏,11,10分]某同学通过实验制作一个简易的温控装置,实验原理电路图如图1所示,继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端,当继电器的电流超过15 mA时,衔铁被吸合,加热器停止加热,实现温控.继电器的电阻约20 Ω,热敏电阻的阻值Rt 与温度t的关系如下表所示.
(1)提供的实验器材有:电源E1(3 V,内阻不计)、电源E2(6 V,内阻不计)、滑动变阻器R1(0~200 Ω)、滑动变阻器R2(0~500 Ω)、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱(0~999. 9 Ω)、开关S、导线若干. 为使该装置实现对30~80 ℃之间任一温度的控制,电源E应选用 (选填“E1”或“E2”),滑动变阻器R应选用 (选填“R1”或“R2”). (2)实验发现电路不工作.某同学为排查电路故障,用多用电表测量各接点间的电压,则应将如图2所示的选择开关旋至 (选填“A”“B”“C”或“D”).
(3)合上开关S,用调节好的多用电表进行排查.在图1中,若只有b、c间断路,则应发现表笔接入a、b时指针 (选填“偏转”或“不偏转”),接入a、c时指针 (选填“偏转”或“不偏转”). (4)排除故障后,欲使衔铁在热敏电阻为50 ℃时被吸合,下列操作步骤的正确顺序是 .(填写各步骤前的序号) ①将热敏电阻接入电路②观察到继电器的衔铁被吸合③断开开关,将电阻箱从电路中移除④合上开关,调节滑动变阻器的阻值⑤断开开关,用电阻箱替换热敏电阻,将阻值调至108.1 Ω
解析：(1)如果电源用E1,则在t=30 ℃时电路中的最大电流Im= A≈13.67 mA<15 mA,故不能实现对此温度的控制,因此电源应选用E2;为了在t=80 ℃时实现对温度的控制,设滑动变阻器阻值的最大值至少为R',则 =0.015 A,解得R'=330.9 Ω,因此滑动变阻器应选用R2.(2)要用多用电表的直流电压挡检测故障,应将选择开关旋至C.
(3)如果只有b、c间断路,说明b点与电源的负极间没有形成通路,a、b间的电压为零,表笔接在a、b间时,指针不偏转;c点与电源的负极间形成通路,a与电源的正极相通,a、c间有电压,因此两表笔接入a、c间时指针发生偏转.(4)排除故障后,欲使衔铁在热敏电阻为50 ℃时被吸合,应先断开开关,用电阻箱替换热敏电阻,并将阻值调至108.1 Ω,合上开关,调节滑动变阻器的阻值,直至观察到继电器的衔铁被吸合,这时断开开关,将电阻箱从电路中移除,将热敏电阻接入电路.因此操作步骤的正确顺序是⑤④②③①.
示例2为了节能和环保,一些公共场所使用光控开关控制照明系统.光控开关可采用光敏电阻来控制,光敏电阻是阻值随着光的照度变化而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱,光越强,照度越大,照度单位为lx).某光敏电阻RP在不同照度下的阻值如下表:(1)根据表中数据,请在图甲所示的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线,并说明阻值随照度变化的特点.
(2)如图乙所示,当1、2两端所加电压上升至2 V时,控制开关自动启动照明系统,请利用下列器材设计一个简单电路,使其能够给1、2两端提供电压,要求当天色渐暗照度降低至1.0 lx时能启动照明系统,在虚线框内完成电路原理图.(不考虑控制开关对所设计电路的影响)提供的器材如下:光敏电阻RP(符号 );直流电源E(电动势3 V,内阻不计);定值电阻R1=10 kΩ,R2=20 kΩ,R3=40 kΩ(限选其中之一,并在图中标出);开关S,导线若干.
解析：(1)如图(a)所示 阻值随照度变化的特点:光敏电阻的阻值随光照度的增大非线性减小.(2)如图(b)所示
特别提醒1.描点作图及分析图像(1)描绘图像时,不在图线上的各点应均匀分布在图线两侧,且图线应是平滑的曲线,而不应成为连接各点的折线.(2)根据所描绘的图像,会分析电阻阻值是如何随光的照度变化而变化的.2.设计电路(1)要结合题目所给条件、数据,作出图像进行分析设计.(2)通过分析可确定RP应接在1、2之间.(3)选择定值电阻.光照度在1.0 lx时,光敏电阻的阻值为20 kΩ,光敏电阻分压为2 V,则与之串联的定值电阻分压为1 V,故定值电阻应选阻值为10 kΩ的R1.
1.设计自动控制电路的一般思路(1)根据题目给出的仪器和要求画出控制电路和工作电路,控制电路由电源、开关、光敏电阻(或热敏电阻等其他传感器元件)、电磁继电器和导线等组成;工作电路由电源、用电器(灯泡、电热丝或其他用电器)和导线组成.这两个电路相互独立,又通过继电器相关联,继电器实际上是工作电路的开关.(2)分析自动控制电路的合理性电路设计完成后,要对它的合理性进行分析,用光照射光敏电阻或对热敏电阻加热,检查工作电路的接通和断开是否符合实验要求,比如,自动控制路灯的设计要求是白天切断工作电路,使路灯熄灭,晚上接通工作电路,使路灯发光.
2.除了热敏电阻和光敏电阻外的常用的传感器元件(1)压敏电阻:将压力转换为电学量(电阻).(2)气敏电阻:将气体浓度转换为电学量(电阻).(3)光电管:将所收到的光信号转换成电信号.(4)电容器:将位移、角度、压力转换为电学量(电容).(5)霍尔元件:将磁感应强度转换为电学量(电压).(6)弹簧:将弹力、加速度转换为电学量(电流).
示例3 某兴趣小组为了研制一台“电子秤”,找到一个力电转换传感器,该传感器的输出电压正比于受压面的正压力,实验操作时,先调节传感器输入端的电压(要求从零开始调节),使力电转换传感器在空载时的输出
电压为零,而后在其受压面上放一物体,即可测得与物体的质量成正比的输出电压.(1)如图所示,E为直流电源,S为开关,R为滑动变阻器, 为电压表,在图中用笔画线代替导线连接成实验电路图.(2)若将质量为m0的砝码放在力电转换传感器的受压面上,电压表的示数为U0;然后取下砝码,再将待测物体放在力电转换传感器的受压面上,电压表的示数为U,则待测物体的质量m= .