人教版高考物理一轮复习第11章实验12传感器的简单使用课件

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一、实验目的1.知道干簧管、光敏电阻、三极管、二极管、电磁继电器的功能。2.会利用传感器制作简单的自动控制装置。了解门窗防盗报警装置,会组装门窗防盗报警装置。了解光控开关电路及控制原理,会组装光控开关。二、实验器材实验一:干簧管、继电器、发光二极管LED、蜂鸣器H、电源、导线若干、开关、电阻。实验二:发光二极管、三极管、可变电阻R1、电阻R2、光敏电阻、集成电路实验板、直流电源、导线若干、黑纸。
三、实验思路(一)门窗防盗报警装置1.电路如图所示。
2.原理:闭合电路开关S,系统处于防盗状态。当门窗紧闭时,磁体M靠近干簧管SA,干簧管两个簧片被磁化相吸而接通继电器线圈K,使继电器工作。继电器的动触点c与常开触点a接通,发光二极管LED发光,显示电路处于正常工作状态。当门窗开启时,磁体离开干簧管,干簧管失磁断开,继电器被断电。继电器的动触点c与常闭触点b接通,蜂鸣器H发声报警。干簧管在电路中起传感器和控制开关的作用,继电器则相当于一个自动的双向开关。
(二)光控开关1.电路如图所示。
2.工作原理:当环境光比较强时,光敏电阻RG的阻值很小,三极管不导通,发光二极管或继电器所在的回路相当于断路,即发光二极管不工作;继电器处于常开状态,小灯泡L不亮。当环境光比较弱时,光敏电阻RG的阻值变大,三极管导通,且获得足够的基极电流,产生较大的集电极电流,点亮发光二极管或驱动继电器吸合而点亮小灯泡L。
四、进行实验(一)门窗防盗报警装置(1)连接电路前,要先判断一下干簧管是否可以正常工作。用磁体直接靠近干簧管,观察簧片能否正常动作。(2)确定各元件可以正常工作后,按照电路图连接电路。(3)接通电源后,将磁体靠近和离开干簧管,分别观察实验现象。
(二)光控开关(1)按照图所示连接电路,检查无误后,接通电源。(2)让光敏电阻RG受到白天较强的自然光照射,调节电阻R1使发光二极管LED或小灯泡L刚好不发光。(3)遮挡RG,当光照减弱到某种程度时,就会看到发光二极管LED或小灯泡L发光。(4)让光照加强,当光照强到某种程度时,则发光二极管LED或小灯泡L熄灭。
五、注意事项(1)安装前,对实验器材进行测试,确保各元件性能良好后,再进行安装。(2)光控开关实验中,二极管连入电路的极性不能反接。(3)如果实验现象不明显,可用手电筒加强光照,或遮盖光敏电阻,再进行观察。
传感器问题一般有两大类问题:一是通过实验探究传感器特性,比如研究某元件的光敏特性或热敏特性或磁敏特性等;二是用传感器控制电路。不管哪类问题,明确考查角度,搞清其工作原理是求解问题的关键。对于用传感器控制电路问题,要结合题目提供的信息,认真分析传感器所在的电路结构,并注意以下两个方面:(1)确定传感器所感受到的物理量(如力、热、光、声、磁等);(2)经转换电路转换成电学量信号,最后借助于转换电路把电学量信号转换成便于处理显示、记录或控制的量。
【典例1】 现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统,要求当热敏电阻的温度达到或超过120 ℃时,系统报警。提供的器材有:热敏电阻(该热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,在120 ℃时阻值为700.0 Ω);报警器(内阻很小,流过的电流超过Ic时就会报警,Ic约为10 mA;流过报警器的电流超过20 mA时,报警器可能损坏);电阻箱(最大阻值为999.9 Ω);直流电源(输出电压为U约为18 V,内阻不计);滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω);滑动变阻器R2(最大阻值为2 000 Ω);单刀双掷开关一个,导线若干。
在室温下对系统进行调节,调节的报警系统原理电路图如图所示。
(1)电路中应选用滑动变阻器　　　　(选填“R1”或“R2”)。 (2)按照下列步骤调节此报警系统:①电路接通前,需将电阻箱调到一固定的阻值,根据实验要求,这一阻值为　　　　 Ω;滑动变阻器的滑片应置于　　　　(选填“a”或“b”)端附近,不能置于另一端的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 ②将开关向　　　　(选填“c”或“d”)端闭合,缓慢移动滑动变阻器的滑片,直至　 。 
(3)滑动变阻器滑片的位置　　　　(选填“不变”“向左滑动”或“向右滑动”),将开关向另一端闭合,报警系统即可正常使用。 (4)若要将此系统改为光敏电阻控制的报警系统,要求当光敏电阻的光照达到或超过某一特定值时,系统报警,且光敏电阻在这一特定值时的电阻为650 Ω,则需将上述电路中的　　　　换成光敏电阻,并将电阻箱的阻值调到　　　 Ω,然后重复上述操作即可。 
答案(1)R2　(2)①700.0　b　接通电源后,流过报警器的电流会超过20 mA,报警器可能损坏　②c　报警器开始报警(3)不变　(4)热敏电阻　650
解析(1)电压为18 V,而报警时的电流为10 mA;此时电阻约为: Ω=1 800 Ω;而热敏电阻的阻值约为650 Ω,故滑动变阻器接入电阻约为1 150 Ω,故应选择R2。(2)①因要求热敏电阻达到120 ℃时报警,此时电阻为700 Ω,故应将电阻箱调节至700 Ω,然后由最大调节滑动变阻器,直至报警器报警,故开始时滑片应在b端,目的是避免接通电源后,流过报警器的电流会超过20 mA,报警器可能损坏;②将开关接到c端与电阻箱连接,调节滑动变阻器直至报警器开始报警即可,然后再接入热敏电阻,电路即可正常工作。(3)滑动变阻器滑片的位置不变,将开关向另一端闭合,报警系统即可正常使用。(4)需将上述电路中的热敏电阻换成光敏电阻,并将电阻箱的阻值调到650 Ω,然后重复上述操作即可。
【典例2】 电子体温计利用某些物质的物理参数,如电阻、电压、电流等,与环境温度之间存在的确定关系,将体温以数字的形式显示出来。甲图为某同学设计的电路图,用以测量25.0~80.0 ℃范围内环境的温度。所用器材有:热敏电阻RT,其标称值(25.0 ℃时的阻值为900.0 Ω);电源20 V,内阻可忽略;滑动变阻器(最大阻值为10 Ω);电阻箱R2(阻值范围0~999.9 Ω);单刀开关S1,单刀双掷开关S2,图中 为电表。
实验时,按电路图连好电路,将热敏电阻放在温控箱内,先将温度调为80.0 ℃,将S2与1端接通,闭合S1,调节R1的滑片位置,电路中电表示数为某一定值X;保持R1的滑片位置不变,将R2置于最大值,将S2与2端接通,调节R2,使电表读数仍为X;断开S1,记下此时R2的读数,逐步降低温控室的温度t,得到相应温度下R2的阻值,直至温度降到25.0 ℃实验得到R2-t的数据见表。
回答下列问题:(1)实验室中有以下规格电表:①电流表A1(0~0.6 A,0.2 Ω),②电流表A2(0~3 A,0.04 Ω),③电压表V(10 V,1 000 Ω)。实验中应选择的电表为　　　　　(选填器材前的数字编号); (2)在闭合S1前,图甲中R1的滑片应移动到　　(选填“左”或“右”)端; (3)在图乙的坐标纸上补齐数据表中所给数据点,并作出R2-t的曲线;(4)将RT握于手心,手心温度下R2的相应读数如图丙所示,该读数为　　　　　 Ω,则手心温度为　　　　　℃。 
答案(1)③　(2)左　(3)见解析 (4)580.0　34(或35)比两电流表的量程小得多,不易准确测量,故不选①②;电压表V内阻与热敏电阻的阻值相差不多,而量程为电源一半,可以准确测量,故选③;(2)为了安全,在闭合S1前,分压电路的电压应该为0,所以图甲中R1的滑片应移动到左端;
(3)在图乙的坐标纸上补齐数据表中所给数据点,并作出R2-t的曲线,如图所示
(4)将RT握于手心,手心温度下R2的相应读数如图丙所示,该读数为R=(5×100+8×10+0×1+0×0.1)Ω=580.0 Ω当R2=580.0 Ω时,由第(3)问做出的图可知,手心温度为34 ℃或35 ℃
情境剖析本题属于综合类问题,以教材中常见的分压电路为素材,创设学习探索问题情境,构建探究热敏电阻的温度特性,考查电路、器材选择等问题。
【典例3】 (1)利用负温度系数热敏电阻制作的热传感器,一般体积很小,可以用来测量很小范围内的温度变化,反应快,而且精确度高。①如果将负温度系数热敏电阻与电源、电流表和其他元件串联成一个电路,其他因素不变,只要热敏电阻所处区域的温度降低,电路中电流将变　　　　　(选填“大”或“小”)。 
②上述电路中,我们将电流表中的电流刻度换成相应的温度刻度,就能直接显示出热敏电阻附近的温度。如果刻度盘正中的温度为20 ℃(如图甲所示),则25 ℃的刻度应在20 ℃的刻度的　　　　　(选填“左”或“右”)侧。 
③为了将热敏电阻放置在某蔬菜大棚内检测大棚内温度变化,请在图乙中用图中的器材(可增加元器件)设计一个电路。
(2)图丙为一测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路,电源电压恒定,内阻不计,开关闭合后,调节滑动变阻器滑片,使小灯泡发光逐渐增强,测得流过电阻的电流和光强的关系曲线如图丁所示,试根据这一特性,由图戊中给定的器材设计一个自动光控电路。
答案(1)①小　②右　③
解析(1)①因为温度降低时,负温度系数热敏电阻的阻值增大,故电路中电流会减小。②由①的分析知,温度越高,电流越大,25 ℃的刻度应对应较大电流,故在20 ℃的刻度的右侧。③电路如图所示:
(2)由光敏电阻的特性曲线可以看出,当入射光增强时,流过光敏电阻的电流增大,光敏电阻的阻值减小。根据题意设计一个自动光控电路,如图所示:
控制过程是:当有光照时,放大器输出一个较大的电流,驱动电磁继电器吸引衔铁使两个触点断开;当无光照时,放大器输出电流减小,电磁继电器释放衔铁,使两个触点闭合,工作电路接通,电灯开始工作。
情境剖析本题属于创新应用类问题,以热敏电阻、光敏电阻设计一个自动光控电路为素材,创设了学习探索问题情境。
1.(2020黑龙江大庆实验中学高三月考)某同学利用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路”,如图甲所示。将热敏电阻R安装在需要探测温度的地方,当环境温度正常时,继电器的上触点接触,下触点分离,指示灯亮;当环境温度超过某一值时,继电器的下触点接触,上触点分离,警铃响。图甲中给继电器供电的电源电压U1=4 V,内阻不计,继电器线圈用漆包线绕成,其电阻R0为30 Ω。当线圈中的电流大于等于40 mA时,继电器的衔铁将被吸合,警铃响。图乙是热敏电阻的阻值随温度变化的图像。
(1)图甲中警铃的接线柱C应与接线柱　　　　　相连,指示灯的接线柱D应与接线柱　　　　　相连(均选填“A”或“B”); 
(2)当环境温度升高时,继电器的磁性将　　　　　(选填“增大”“减小”或“不变”),当环境温度达到　　　　℃时,警铃报警; (3)如果要使报警电路在更高的温度报警,下列方案可行的是(　　)A.适当减小U1 B.适当增大U1 C.适当减小U2D.适当增大U2
答案(1)B　A　(2)增大　40　(3)A解析(1)由于B接通时警铃响,A接通时指示灯亮,因此C接B,D接A。(2)由于热敏电阻随温度升高,阻值减小,回路的电流强度增大,因此继电器的磁性增强。当电流等于40 mA时,回路的总电阻而继电器电阻R0为30 Ω,因此当热敏电阻等于70 Ω时,由题图乙可知对应温度为40 ℃时,警铃报警。(3)温度更高时,热敏电阻阻值更小,而报警电流为40 mA不变,因此应适当降低U1值,因此A正确。
2.热敏陶瓷是一类电阻率随温度发生明显变化的新型材料,可用于测温。某同学利用实验室提供的一种电阻阻值随温度呈线性变化(关系式为:Rt=kt+b,其中k>0,b<0,t为摄氏温度)的热敏电阻,把一灵敏电流计改装为温度计。除热敏电阻和灵敏电流计外,还用到如下器材:1.直流电源(电动势为E,内阻不计);2.滑动变阻器;3.单刀双掷开关;4.标准温度计;5.导线及其他辅助材料。该同学设计电路如下图所示,按如下步骤进行操作。
(1)按电路图连接好器材。(2)将滑动变阻器滑片P滑到　　(选填“a”或“b”)端,单刀双掷开关S掷于　　　(选填“c”或“d”)端,调节滑片P使电流计满偏,并在以后的操作中保持滑片P位置不动,设此时电路总电阻为R,断开电路。 
(3)容器中倒入适量开水,观察标准温度计,每当标准温度计示数下降5 ℃,就将开关S置于d端,并记录此时的温度t和对应的电流计的示数I,然后断开开关。请根据温度计的设计原理和电路图,写出电流与温度的关系式(用题目中给定的符号)I=　　　　　。 (4)根据对应温度记录的电流计示数,重新刻制电流计的表盘,改装成温度计。根据改装原理,此温度计表盘刻度线的特点是:低温刻度在　　　　　(选填“左”或“右”)侧,刻度线分布是否均匀?　　　　　(选填“是”或“否”)。 
解析(2)根据实验的原理可知,需要先选取合适的滑动变阻器的电阻值,结合滑动变阻器的使用的注意事项可知,开始时需要将滑动变阻器滑片P滑到a端,以保证电流表的使用安全;然后将单刀双掷开关S掷于c端,调节滑片P使电流表满偏。(3)当温度为t时,热敏电阻的阻值与摄氏温度t的关系为:Rt=kt+b,根据闭合电路的欧姆定律可得:(4)由上式可知,温度越高,电流表中的电流值越小,所以低温刻度在表盘的右侧;由于电流与温度的关系不是线性函数,所以表盘的刻度是不均匀的。
3.(2020福建厦门第六中学高三月考)某同学用光敏电阻和电磁继电器等器材设计自动光控照明电路。
(1)光强(E)是表示光强弱程度的物理量,单位为坎德拉(cd)。如图甲所示是光敏电阻阻值随光强变化的图线,由此可得到的结论是:　; (2)如图乙为电磁继电器的构造示意图,其中L为含有铁芯的线圈,P为可绕O点转动的衔铁,K为弹簧,S为一对触头,A、B、C、D为四个接线柱。工作时,应将　　　　　(选填“A、B”或“C、D”)接照明电路; (3)请在图丙中用笔画线代替导线,完成实物电路的连接;
(4)已知电源电动势为3 V,内阻很小,电磁铁线圈电阻R0=20.0 Ω,电流超过50 mA时可吸合衔铁。如果要求光强达到2 cd时,照明电路恰好接通,则图丙中定值电阻R=　　　　　 Ω。 
答案(1)随着光照强度的增加,光敏电阻的阻值迅速下降,进一步增大光照强度,电阻值变化减小,然后逐渐趋向平缓　(2)C、D(3)
解析(1)由图像可得到的结论是:随着光照强度的增加,光敏电阻的阻值迅速下降,进一步增大光照强度,电阻值变化减小,然后逐渐趋向平缓;(2)由电磁继电器的工作原理可知,电磁铁连接的是控制电路,衔铁连通的是工作电路,故工作时,应将“C、D”接照明电路;
(3)光敏电阻、定值电阻、电源与L组成控制电路,C、D与灯泡组成工作电路,电路图如图所示
(4)由题图甲所示图线可知,2cd对应的光敏电阻阻值R光敏=18 Ω由闭合电路欧姆定律可知代入数据解得R=22 Ω
一、新教材经典素材传感器与手机经典素材1.传感器的种类传感器的种类很多,作为一门知识密集型技术,它与许多学科有关:有的利用物质的物理特性或物理效应制作而成,如力传感器、磁传感器、声传感器等物理传感器;有的利用电化学反应原理,把无机或有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号,如离子传感器、气体传感器等化学传感器;有的利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质,如酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等生物传感器。在林林总总的传感器世界中,大多数传感器是以物理原理为基础制作的。这类传感器种类最多,应用领域也最广泛。
2.智能手机与传感器一部普通的智能手机中就安装有十几种传感器(如图),能感受声音、图像、压力、磁场、加速度等。
思维指导基于智能手机与传感器的例子,在第一章我们复习了如何用智能手机做物理实验;学习了传感器一章后,我们要进一步掌握有关传感器的工作原理,比如压力传感器、温度传感器、光传感器、加速度传感器、电容传感器等,同学们要了解这些功能,开阔视野,提升科学探究等物理核心素养。
创新训练1.目前的手机触摸屏大多是电容式触摸屏。电容式触摸屏内有一导电层。导电层四个角引出四个电极,当手指触摸屏幕时,人体和触摸屏就形成了一个电容,电容具有“通高频”的作用,从而导致有电流分别从触摸屏四角上的电极中流出,并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比,控制器通过对这四个电流比例进行精确计算,得出触摸点的位置信息。在开机状态下,下列说法正确的是(　　)
A.电容式触摸屏感测手指触摸点的位置是因为手指对屏幕按压产生了形变B.电容式触摸屏感测手指触摸点的位置是利用了电磁感应现象C.当手指触摸屏幕时手指有微弱的电流流过D.当手指离开屏幕时,电容变小,对高频电流的阻碍变大,控制器不易检测到手指的准确位置
答案 C解析由于流经四个电极的电流与手指头到四角的距离成比例,电容触摸屏只需要触摸,控制器就能确定手指的位置,无需手指有压力,故A错误;电容式触摸屏感测手指触摸点的位置是电容器的充放电原理,不是电磁感应现象,故B错误;由题意可知,手指从手的触点吸走一部分电荷,在电荷定向移动的过程中,会有微弱电流通过,故C正确;根据电容器的工作原理可知,当手指离开屏幕时,电容变小,电容器将放电,控制器仍然能检测到手指离开的准确位置,故D错误。
2.如图甲,圆圈内放大的集成块可以同时自动测量沿手机短边(x轴)、长边(y轴)和垂直面板方向(z轴)的加速度,相当于在三个方向上各有一个如图乙所示的一维加速度计,图中固定在力传感器上的质量块的质量为m。下面仅研究x轴处于水平方向和y轴处于竖直方向的加速度情况。(1)沿x轴方向,若用F表示力传感器垂直接触面对质量块的作用力,取+x轴方向为加速度正方向,推导出手机在水平方向的加速度ax的表达式;(2)沿y轴方向,若用F表示力传感器垂直接触面对质量块的作用力,取+y轴方向为加速度正方向,推导出手机在竖直方向的加速度ay的表达式;
(3)当手机由竖屏变横屏时,为让手机感知到这种变化,需要通过电信号分别将(1)和(2)中推导出的加速度进行输出,但应统一输出项a出,请分别写出水平和竖直方向上输出项a出的表达式;(4)当手机由竖屏变横屏时,显示的视频画面会随之由窄变宽,请解释其中的原理。
(4)当手机竖屏播放视频时,ax出= =ax=0、ay出= =ay+g=g将手机转为横屏时,加速度计测得水平、竖直两个方向加速度的值发生交换;智能手机据此做出判断,将视频画面由窄变宽。
3.据媒体报道,某手机带有屏幕保护器,保护装置设置在屏幕的4个角落,由弹性塑料、聚合物及超薄金属片组成,一旦手机内的加速度计、陀螺仪及位移传感器感知手机掉落,屏幕保护器会自动弹出,并完全吸收手机撞击地面的能量,避免手机屏幕直接接触地面而损坏。已知该手机设计质量约为160 g,如果从1.25 m高处自由掉落,手机视为质点,不计空气阻力,重力加速度g取10 m/s2,则以下分析正确的是(　　)A.手机落地的速度为4.5 m/sB.保护器弹出的时间应小于0.55 sC.手机落地时重力的功率为7.5 WD.若保护器吸收撞击力的时间为0.05 s,则地面对手机的平均作用力为17.6 N
4.许多手机都有指纹解锁功能,常用的指纹识别传感器是电容式传感器,如图所示。指纹的凸起部分叫做“嵴”,凹下部分叫做“峪”,传感器上有大量面积相同的小极板,当手指贴在传感器上时,这些小极板和与之正对的皮肤表面就形成了大量的小电容器,由于距离不同,所以这些小电容器的电容不同。此时传感器给所有的电容器充电达到同一电压值,然后开始放电,其中电容值较小的电容器放电较快,于是根据放电快慢的不同,就可以探测到嵴和峪的位置,从而形成指纹的图像数据。根据以上信息,下列说法中正确的是(　　)A.电容器在充电过程中是把电能转化成化学能B.在嵴处形成的电容器放电较快C.在峪处形成的电容器充电后带电荷量较少D.潮湿的手指对指纹识别没有任何影响
答案 C解析电容器在充电过程中是把电能转化成电场能,故A错误;由于外接电源为所有电容器充到一个预先设计好的电压值,所以所有的电容器电压一定,根据Q=CU= U可知,极板与指纹沟(凹的部分,d大,电容小)构成的电容器充上的电荷较少,在放电过程中放电时间短;反之,在嵴处形成的电容器电容大,电荷量大,放电时间长,故B错误,C正确;湿的手与传感器之间有水填充,改变了原来匹配成平行板电容器的电容,所以会影响指纹解锁,故D错误。故选C。
二、典型物理模型指导突破科学思维之模型建构——变压器典型问题分析模型建构(一)理想变压器各物理量间的关系
②理想变压器的输入、输出功率相等P1=P2,当变压器有多个副线圈时P1=P2+P3+……
(二)理想变压器的动态分析当副线圈中负载变化时,会引起副线圈中电流变化,副线圈中电流变化又会引起原线圈中的电流变化。另外由于开关的作用而导致原副线圈匝数比变化时,也会引起副线圈上电压、电流的变化。(三)原线圈中接有用电器问题由于原线圈中的用电器要分担一部分电压,因此原线圈两端电压不等于电源两端电压,但电压比、电流比的关系仍然成立。
(四)几种常用的变压器1.自耦变压器——调压变压器,如图甲(降压作用)、乙(升压作用)所示。
案例探究1(多选)(2016全国卷Ⅲ)如图,理想变压器原、副线圈分别接有额定电压相同的灯泡a和b。当输入电压U为灯泡额定电压的10倍时,两灯泡均能正常发光。下列说法正确的是(　　)A.原、副线圈匝数比为9∶1B.原、副线圈匝数比为1∶9C.此时a和b的电功率之比为9∶1D.此时a和b的电功率之比为1∶9
破题 根据灯泡电压与输入电压的关系可明确接在输入端和输出端的电压关系,则可求得匝数之比;根据P=UI求a、b灯泡的电功率之比。
处理变压器的原线圈与电阻串联后接入交流电压问题的思路(1)要注意明确电路结构,知道开关通断时电路的连接方式。(2)明确输入电压与总电压之间的关系。(3)根据电压之比等于匝数之比、电流之比等于匝数的反比列式。
案例探究2如图所示,理想变压器有两个副线圈,L1、L2是两盏规格为“8 V,10 W”的灯泡,L3、L4是两盏规格为“6 V,12 W”的灯泡,当变压器的输入电压为U1=220 V时,四盏灯泡恰好都能正常发光,如果原线圈的匝数n1=1 100匝,求:(1)副线圈n2、n3的匝数;(2)电流表的读数。
答案(1)40匝　60匝　(2)0.2 A
破题 (1)四盏灯泡恰好都能正常发光,则上面一个副线圈的电压为8 V,下面一个副线圈的电压为12 V,根据电压比等于线圈匝数比即可求解匝数;(2)根据原副线圈的功率相等列式求解原线圈的电流。
解决理想变压器问题的绝招招数一　能量守恒法(功率思路)理想变压器的输入、输出功率为P入=P出,即P1=P2;当变压器有多个副绕组时,P1=P2+P3+……招数二　电流、电压关系法变压器原、副线圈的电压之比为 ;当变压器有多个副绕组时,只要绕在同一闭合铁芯上,任意两线圈之间总有对只有一个副绕组的变压器有 ;当变压器有多个副绕组时n1I1=n2I2+n3I3+……
招数三　等效负载电阻法设理想变压器原副线圈的匝数之比为n1∶n2,原线圈输入电压为U1,副线圈负载电阻为R,如图(1)所示,在变压器正常工作时,a、b间的等效电阻为:
创新训练1.(2020江苏卷)电流互感器是一种测量电路中电流的变压器,工作原理如图所示。其原线圈匝数较少,串联在电路中,副线圈匝数较多,两端接在电流表上。则电流互感器(　　)A.是一种降压变压器B.能测量直流电路的电流C.原、副线圈电流的频率不同D.副线圈的电流小于原线圈的电流
2.(2020山西高三开学考试)如图所示,理想变压器原线圈接一正弦交变电源,其电压的有效值恒定不变,两个副线圈的匝数分别为n1和n2,所接电阻分别为R1和R2,且R2=4R1。不计电流表内阻,当只闭合S1时,电流表示数为1 A,S1、S2都闭合时,电流表示数为2 A,则n1∶n2等于(　　)A.1∶1B.1∶2C.1∶3D.1∶4
答案 B解析设原线圈的电压为U,当只闭合S1时,根据电流表示数为1 A,则变压器的输入功率为U×1 W,则副线圈的输出功率为U×1 W;当S1和S2都闭合时,电流表示数为2 A,则变压器的输入功率为U×2 W,则副线圈的输出功率为U×2 W,因此两副线圈的功率之比为1∶1,根据解得U1∶U2=1∶2由变压器的电压与匝数成正比可得n1∶n2=1∶2故B正确。
3.一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,A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、副线圈匝数比为(　　)A.2B.3C.4D.5
三、情境化主题突破科学态度与责任——电磁感应现象在生产、生活中的应用背景资料资料一　无线充电
无线充电技术通过分别安装在充电基座和接收能量的装置上的线圈,利用产生的磁场传递能量。如果移动电话中有无线充电装置,那么把移动电话直接放在充电基座上就可以充电。对于一个没有无线充电功能的移动电话,也可以通过在移动电话端连接一个无线充电接收器,将接收器放在无线充电基座上来进行充电。打开无线充电接收器,就可以看到其内部有一个接收线圈。无线充电技术,可分为小功率无线充电和大功率无线充电两种方式。
小功率无线充电常采用电磁感应式,大功率无线充电常采用谐振式(大部分电动汽车充电采用此方式)由供电设备(充电器)将能量传送至用电的装置,该装置使用接收到的能量对电池充电,并同时供其本身运作之用。无线充电技术的基本原理有电磁感应式、磁场共振式和无线电波式。相比有线输电技术,无线充电器与用电装置之间不用电线连接,因而具有使用方便、减少触电危险、不易老化磨损等优点。但目前无线充电技术也存在着传输距离短、成本高、能量损耗大等不足。因此,无线充电技术还需不断地改进、发展。
资料二　电磁炮电磁炮是利用电磁力产生动能推进弹丸的一种先进的武器,与传统的大炮将火药燃气压力作用于弹丸不同,电磁炮是利用电磁系统中电磁场的作用力,其作用的时间要长得多,可大大提高弹丸的速度和射程。因而引起了世界各国军事家们的关注。自80年代初期以来,电磁炮在未来武器的发展计划中,已成为越来越重要的部分。轨道炮由两条平行的导轨组成,弹丸夹在两条导轨之间。两轨接入电源,电流经一导轨流向弹丸再流向另一导轨产生强磁场,磁场与电流相互作用,产生强大的安培力推动弹丸,达到很高的速度(理论上可以到达亚光速)。
资料三　电磁刹车电磁刹车又称涡磁刹车。利用转子在定子内的可控磁场中转动切割磁感线,产生电涡流,形成反扭矩,以消耗下钻势能,进而达到控制下钻速度目的的一种辅助刹车形式。比水力刹车更可靠、反应更迅速。特点是下钻速度越快,产生的反扭矩越大,能有效控制下钻速度。电磁刹车在石油钻机上有逐步替代水力刹车的趋势。
原理磁力刹车制动器含有一个或两个磁力很强的钕磁铁长条。当金属片(通常是铜或铜铝合金)切割磁感线时,会在金属内部产生涡流,这将生成一个磁场来阻碍运动。由此产生的制动力是成正比的速度,金属片在磁铁内移动,同时产生热能。这种磁制动效果可以被解释为将该列车的速度按一定规律逐步减半。不过当速度减到一定程度时,生成的涡流不足以阻止列车,这就需要摩擦式刹车或者摩擦驱动轮了。
资料四　真空高速列车真空高速列车是悬浮列车、飞行列车,用于超级高铁。未来实验室将推出速度600~1 000 km/h的真空管道高速列车小比例模型。而根据现在的理论研究,这种真空磁悬浮列车速度可达到250 km/h。我国在建高铁达1万公里。除了在建的速度350 km/h的高铁外,我国还在研制速度可达1 000 km/h的真空磁悬浮列车。从北京到广州2 300 km的路程,不用坐飞机,乘坐地面交通同样可以用2个小时甚至1个小时到达。这就是我国正在积极研发试验的真空管道高速交通。西南交通大学牵引动力国家重点实验室课题组正在研制速度500~600 km/h的真空高速列车,这种技术预计10年后实现运营。世界上共有美国、瑞士、中国3个国家正在研究真空管道磁悬浮技术,我国已经开始着手试验了,美国和瑞士还在理论阶段。
创新训练1.(多选)(2020山东威海质检)如图甲所示为手机无线充电工作原理的示意图,由送电线圈和受电线圈组成。已知受电线圈的匝数为n=50匝,电阻r=1.0 Ω,在它的c、d两端接一阻值R=9.0 Ω的电阻。设在受电线圈内存在与线圈平面垂直的磁场,其磁通量随时间按图乙所示的规律变化,可在受电线圈中产生电动势最大值为20 V的正弦交流电,设磁场竖直向上。则(　　)
A.在t=π×10-3 s时,受电线圈中产生电流的大小为2.0 AB.在t=π×10-3 s时,c端电势低于d端C.在一个周期内,电阻R上产生的热量为5.7×10-3 JD.从t1到t2时间内,通过电阻R的电荷量为2×10-3 C
2.(2020北京朝阳高三上期末)某研学小组设计了一个辅助列车进站时快速刹车的方案。如图所示,在站台轨道下方埋一励磁线圈,通电后形成竖直
方向的磁场(可视为匀强磁场)。在车身下方固定一矩形线框,利用线框进入磁场时所受的安培力,辅助列车快速刹车。
已知列车的总质量为m,车身长为s,线框的短边ab和cd分别安装在车头和车尾,长度均为L(L小于匀强磁场的宽度),整个线框的电阻为R。站台轨道上匀强磁场区域足够长(大于车长s),车头进入磁场瞬间的速度为v0,假设列车停止前所受铁轨及空气阻力的合力恒为f。已知磁感应强度的大小为B,车尾进入磁场瞬间,列车恰好停止。(1)求列车车头刚进入磁场瞬间线框中的电流大小I和列车的加速度大小a;(2)求列车从车头进入磁场到停止所用的时间t;(3)请你评价该设计方案的优点和缺点(优、缺点至少各一种)。
(3)该方案的优点:利用电磁阻尼现象辅助刹车,可以使列车的加速度平稳减小;可以减小常规刹车的机械磨损等。该方案的缺点:没有考虑列车车厢和内部线路等也是金属材质,进入磁场时会产生涡流对设备产生不良影响;励磁线圈也需要耗能;线框固定在列车上增加负载且容易出现故障;列车出站时也会受到电磁阻尼等。
3.(2018天津卷)真空管道超高速列车的动力系统是一种将电能直接转换成平动动能的装置。图甲是某种动力系统的简化模型,图中粗实线表示固定在水平面上间距为l的两条平行光滑金属导轨,电阻忽略不计。ab和cd是两根与导轨垂直、长度均为l、电阻均为R的金属棒,通过绝缘材料固定在列车底部,并与导轨良好接触,其间距也为l,列车的总质量为m。列车启动前,ab、cd处于磁感应强度为B的匀强磁场中,磁场方向垂直于导轨平面向下,如图甲所示。为使列车启动,需在M、N间连接电动势为E的直流电源,电源内阻及导线电阻忽略不计。列车启动后电源自动关闭。
(1)要使列车向右运行,启动时图甲中M、N哪个接电源正极,并简要说明理由;(2)求刚接通电源时列车加速度a的大小;(3)列车减速时,需在前方设置如图乙所示的一系列磁感应强度为B的匀强磁场区域,磁场宽度和相邻磁场间距均大于l。若某时刻列车的速度为v0,此时ab、cd均在无磁场区域,试讨论:要使列车停下来,前方至少需要多少块这样的有界磁场?
解析(1)M接电源正极。列车要向右运动,安培力方向应向右。根据左手定则,接通电源后,金属棒中电流方向由a到b、由c到d,故M接电源正极。