专题2.7 传感器的应用、探究变压器原副线圈电压和匝数的关系-2023年高考物理靶向专项强化训练（三大题型+冲刺模拟）

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2023年高考物理靶向专项强化训练专题2.7 传感器的应用、探究变压器原副线圈电压和匝数的关系1．国家有关酒驾的裁量标准如下：驾驶员血液酒精含量，行为定性饮酒驾驶醉酒驾驶酒精检测仪是交警执法时通过呼气来检测司机饮酒多少的检测工具．现有一个酒精检测仪的主要原件“酒精气体传感器”，其阻值随气体酒精浓度变化的情况如下表． 6040302010气体酒精浓度（mg/m3）05090140360(1)请根据上表数据在右上图中描绘出“R—气体酒精浓度”的关系曲线______．(2)已知人体血液酒精浓度是所呼出气体酒精浓度的2200倍．若测得某司机小明，经过气体酒精浓度测试，显示呼气酒精浓度为120mg/m3，则司机小明应该是属于_________驾驶，此时R的阻值为_________Ω．(3)现有一个电源，电动势为4.5V，内阻约为1Ω；电压表V，量程为3V，内阻约为2000Ω；电流表A，量程为3A，内阻约为5Ω；滑动变阻器R1，阻值0~50Ω；滑动变阻器R2，阻值0~500Ω；开关、导线若干若要用以上器材和上述“酒精气体传感器”组成一个测定气体酒精浓度的电路．该电路只使用一个电表，且正常工作时，被测气体酒精浓度若为0，则电表指针满偏．且该电路可以在电源老化，内阻变大的情况下，通过调节变阻器，保证被测气体酒精浓度为0时，电表指针仍能满偏．则，该电路应选用的电表是_________(填字母代号，下同)，应选用的滑动变阻器是_________．请在虚线框中完成设计电路图_________．【答案】     （1）如图：     （2）饮酒；     22-26     V     R1     电路如图；【详解】（1）根据数据描绘出“R—气体酒精浓度”的关系曲线如图；（2）司机小明，经过气体酒精浓度测试，显示呼气酒精浓度为：120mg/m3=120mg/1000ml=12mg/100ml，司机小明应该是属于饮酒驾驶；由图线可知，此时R的阻值为24Ω．（3）根据电路要求特征，则该电路应选用的电表是V，因R=24Ω，则应选用的滑动变阻器是R1．电路如图；2．某小组研究光敏电阻阻值随光照强度的变化规律。实验已选用了规格和量程合适的器材。（1）用多用电表粗测光敏电阻在实验室正常光照条件下的阻值。选择×1k倍率的欧姆挡，将两表笔短接，调节_________旋钮，使指针指在“0”处。将两表笔与光敏电阻连接，测量的示数如图甲，则其电阻为___________。（2）按图乙连接好电路进行测量。①合开关S前，将电阻箱R调至__________（选填“最大值“或“最小值”）。将一光源对准光敏电阻的透光窗口，利用手机软件测量光敏电阻所处位置的光照强度。闭合开关S，调节电阻箱R，使电压表（可视为理想电表）的指针偏转到某一位置。待示数稳定后记录此时的光照强度，电压表的示数U和R0。断开开关S。已知电源电动势为E，内阻可以忽略不计，则此时光敏电阻阻值RL=___________。②改变光敏电阻处的光照强度，测量不同光照强度下的光敏电阳阻值，并据此绘出如图丙的关系图线，可以大致得到光敏电阻阻值随光照强度的变大而___________。【答案】     欧姆调零##调零     16k####16000##16.0k##     最大值          变小【详解】（1）[1]调节欧姆调零旋钮；[2]如图甲所示，指针恰好指在16刻度上，多用电表欧姆挡不需要估读，所选倍率k，所以阻值为16kΩ，也可以采用科学计数法。（2）①[3][4]为了保护电路，电阻箱的阻值应先调到最大值，使得回路总阻值最大，回路电流最小，因此电压表的电压值最小，避免电压表的指针超过电压表的量程。由闭合电路欧姆定律可知整理可得②[5]由图丙可知横坐标为光照强度，纵坐标为光敏电阻阻值，随着光照强度的变大，光敏电阻的阻值变小，但二者无线性关系。3．由半导体材料制成的热敏电阻阻值会随温度的变化而变化。利用热敏电阻对温度敏感的特性可设计一个火灾自动报警系统。所用器材有：A．直流电源E（36V，内阻不计）；B．电流表（量程250mA，内阻约0.1Ω）；C．电压表（量程50V，内阻约1MΩ）；D．热敏电阻RT；E.报警器（内阻很小，流过的电流超过10mA时就会报警，超过30mA时就会损坏）；F.滑动变阻器R1（最大阻值4000Ω）；G.电阻箱R2（最大阻值9999.9Ω）；H.单刀单掷开关S1；I.单刀双掷开关S2；J.导线若干。 （1）用图（a）所示电路测量热敏电阻RT的阻值。①当温度为27°C时，电压表读数为30.0V，电流表读数为15mA；②当温度为50°C时，调节变阻器R1，使电压表读数仍为30.0V，此时电流表指针位置如图（b）所示，则电流表读数为_____mA，此时热敏电阻的阻值为_______Ω，用该电路测得的阻值比真实值_______（填“偏大”或“偏小”）；③根据测量数据可知热敏电阻的阻值随温度升高而______（填“增大”或“减小”）。 （2）某同学利用该热敏电阻RT设计的火灾自动报警的电路图如图（c）所示，请用笔画线代替导线将图（d）连接成完整电路________。（3）正确连接后，要求热敏电阻温度升高至50°C时，系统开始自动报警。首先把开关S2接到1，使用电阻箱R2对电路进行调试，其阻值应设置为____ Ω，然后使变阻器R1阻值逐渐减小，直至报警器开始报警，此时R1连入电路的阻值为____Ω。电路调试完毕后，保持R1阻值不变，再把开关S2接到2，热敏电阻RT接入电路，火灾报警系统便可正常工作。【答案】     50     600     偏大     减小          600     3000【详解】（1）[1]图（b）电流表精确度为5mA，同位估读，故读数为50mA。[2]由欧姆定律知[3] 图（a）电路电流表内接，由于电流表分压，电压表测量值偏大，故用该电路测得的阻值比真实值偏大。[4]当温度为27°C时，电压表读数为30.0V，电流表读数为15mA，由欧姆定律知由[2]解得温度为50°C时，RT=600Ω知热敏电阻的阻值随温度升高而减小。（2）[5] 如图（3）[6] 热敏电阻温度升高至50°C阻值是600Ω，调试电路是用R2代替热敏电阻，调节变阻器R1的阻值，让回路电流达到报警电流10mA，报警器响调试完成。之后保持R1不变，再把开关S2接到2，热敏电阻RT接入电路，火灾报警系统便可正常工作。故调试用的电阻箱R2的阻值应设置为600Ω。[7]由闭合回路欧姆定律则有4．半导体薄膜压力传感器是一种常用的传感器，其阻值会随压力变化而改变。现有一压力传感器：（1）利用图甲所示的电路测量该传感器在不同压力下的阻值RN，其阻值约几十千欧，实验室提供以下器材：电源电动势为3V电流表A（量程250μA，内阻约为50Ω）电压表V（量程3V，内阻约为20kΩ）滑动变阻器R（阻值0~100Ω）为了提高测量的准确性，开关S1应该接_________（选填“1”或“2”），开关S2应该接__________（选填“3”或“4”）；（2）通过多次实验测得其阻值RN随压力F变化的关系图像如图乙所示： （3）由图乙可知，压力越大，阻值____________（选填“越大”或“越小”），且压力小于2.0N时的灵敏度比压力大于2.0N时的灵敏度（灵敏度指电阻值随压力的变化率）_______（选填“高”或“低”）；（4）利用该压力传感器设计了如图丙所示的自动分拣装置，可以将质量不同的物体进行分拣，图中RN为压力传感器，R'为滑动变阻器，电源电压为6V（内阻不计）。分拣时将质量大小不同的物体用传送带运送到托盘上，OB为一个可绕O转动的杠杆，下端有弹簧，控制电路两端电压小于3V时，杠杆OB水平，物体水平通过进入通道1，当控制电路两端电压大于3V时，杠杆的B端就会被吸下，物体下滑进入通道2，从而实现分拣功能。若R'调为30kΩ，取重力加速度g=10m/s2，该分拣装置可以实现将质量超过______________kg的物体进行分拣（结果保留2位有效数字），若要将质量超过0.20kg的货物实现分拣，应该将R'调成______________kΩ（结果保留3位有效数字）。【答案】     2     3     越小     高     0.14     26.0【详解】解：（1）[1]RN的阻值约几十千欧，因此有为了提高测量的准确性，开关S1应该接2。[2]实验需要测量多组数据，且电压从零开始变化，实验时滑动变阻器要用分压方式接入电路，因此开关S2应该接3。（3）[3] 由图乙可知，压力越大，阻值越小。[4] 由灵敏度指电阻值随压力的变化率可知，压力小于2.0N时的灵敏度比压力大于2.0N时的灵敏度高。（4）[5]由题意可知，当控制电压等于3V时，控制电路的电流为压力传感器上的电压为3V，压力传感器的电阻值为由图乙可知传感器上的压力1.40N，物体质量为0.14kg，因此由压力传感器的特点可知，该分拣装置可以实现将质量超过0.14kg的物体分拣。[6] 若要将质量超过0.20kg的货物实现分拣，由以上计算分析可知，当物体质量为0.20kg时，由图乙可知，压力传感器的电阻值为26.0kΩ，因此应该将R'调成26.0kΩ时，当质量超过0.20kg的货物，压力传感器的电阻值小于26.0kΩ，控制电路两端电压大于3V，货物实现分拣。5．力传感器是高中物理实验中常见的一种传感器，它通过敏感元件把待测力这一物理量转化为相应的电信号来进行测量。（1）如图（a）所示，、、、为四个完全相同的应变片，弹性梁在外力的作用下产生形变时，应变片随之被拉伸或压缩，拉伸时电阻值变大，压缩时电阻值变小。现将、两个应变片粘贴在弹性梁的上表面，、两个应变片粘贴在弹性梁的下表面。当弹性梁右端受力向下弯曲时，、的电阻值______，、的电阻值________（均选填“变大”“变小”或“不变”）。采用如图（b）所示的测量电路，已知电源电动势为，内阻不计。每片应变片的初始电阻为。当弹性梁右端受到外力作用，四个应变片的电阻变化量的绝对值均为，则、两端的电压__________。（2）如图（c）所示为半导体薄膜压力传感器的电阻值随压力变化的图线。读图可知，压力为时该图像的斜率为__________，压力为时该图像的斜率为__________。要使传感器对力的变化测量较为灵敏，应选择在区间__________附近（选填“”或“”）。【答案】     变大     变小          24     1.75     【详解】（1）[1][2][3]当弹性梁右端受力向下弯曲时，、拉伸，电阻变大，、压缩，电阻变小。两端电压，两端电压所以（2）[4][5][6]压力为时该图像的斜率为压力为时该图像的斜率为要使传感器对力的变化测量较为灵敏，则相同力，电阻变化大，故在附近。6．在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验中，李辉同学采用了如图所示的可拆式变压器进行研究，图中各接线柱对应的数字表示倍率为“×100匝”的匝数。（1）本实验中，实验室有下列器材：A．可拆变压器（铁芯、两个已知匝数的线圈）B．条形磁铁C．多用电表D．直流电源E．开关、导线若干上述器材在本实验中不需要的有 ______（填器材料序号），本实验中还需用到的器材有______。（2）实验中，电源接变压器原线圈“0”、“ 8”接线柱，副线圈接“0”、“ 4”接线柱，当副线圈所接电表的示数为4.0V，若变压器是理想变压器，则原线圈的电压应为______。A．12.0VB．10.0VC．8.0VD．2.0V E.2.5V（3）组装变压器时，李辉同学没有将铁芯闭合，如图所示，原线圈接8.0V的学生电源，原副线圈的匝数比为8：1，副线圈两端接交流电压表，则交流电压表的实际读数可能是______。A．0V       B．0.7V        C．1.0V       D．64.0V（4）用匝数na=400匝和nb=800匝的变压器，实验测量数据如表：Ua/V1.802.803.804.90Ub/V4.006.018.029.98根据测量数据可判断连接交流电源的原线圈是______（填na或nb）。【答案】     BD     低压交流电源     C     B     nb【详解】（1）[1]变压器的原理是互感现象的应用，是原线圈磁场的变化引起副线圈感应电流的变化，所以不需要外界的磁场，故条形磁铁B不必用到；[2]如果原线圈中通的是直流电源，则副线圈中不会有感应电流产生，故直流电源C不必用到，需要用到低压交流电源，本实验中还需补充的器材是低压交流电源；（2）[3]该变压器为理想变压器，根据理想变压器的变压器的规律可知；故选C；（3）[4]根据理想变压器的规律可以算出但是此处铁芯为闭合，故所测得的电压应小于1V，故选B；（4）[5]由于有漏磁，所以副线圈测量电压应该小于理论变压值，即nb为输入端，na为输出端。故交流电原线圈为nb。7．在“探究变压器线圈两端的电压和匝数的关系”实验中，可拆变压器如图所示。(1)观察变压器的铁芯，它的结构和材料是______；（填字母）A．整块硅钢铁芯             B．整块不锈钢铁芯C．绝缘的铜片叠成             D．绝缘的硅钢片叠成(2)观察两个线圈的导线，发现粗细不同，导线粗的线圈匝数______；（填“多”或“少”）(3)以下给出的器材中，本实验需要用到的是______；（填字母）A． B． C． D．(4)为了人生安全，低压交流电源的电压不要超过______；（填字母）A．2V       B．12V       C．50V(5)实验中将电源接在原线圈的“0”和“8”两个接线柱之间，用电表测得副线圈的“0”和“4”两个接线柱之间的电压为3.0V，则原线圈的输入电压可能为______；（填字母）A．1.5V       B．6.0V       C．9.0V(6)本实验要通过改变原、副线圈匝数，探究原、副线圈的电压比与匝数比的关系，实验中需要运用的科学方法是______。（填字母）A．控制变量法       B．等效替代法       C．整体隔离法【答案】     D     少     BD     B     C     A【详解】(1)[1]观察变压器的铁芯，它的结构和材料是绝缘的硅钢片叠成，故选D；(2)[2]观察两个线圈的导线，发现粗细不同，因根据I1n1=I2n2可知，匝数少的电流大，则导线越粗，即导线粗的线圈匝数少；(3)[3]实验中需要交流电源和交流电压表（万用表），不需要干电池和直流电压表，故选BD；(4)[4]为了人生安全，低压交流电源的电压不要超过12V，故选B；(5)[5]若是理想变压器，则有变压器线圈两端的电压与匝数的关系若变压器的原线圈接“0；8”接线柱，副线圈接线“0；4”接线柱，可知原副线圈的匝数比为2:1，则若由副线圈电压为3.0V，那么原线圈的电压为考虑到不是理想变压器有漏磁等现象，则原线圈所接电源电压大于6V，可能为9.0V，故AB 错误，C正确。故选C。(6)[6]实验中需要运用的科学方法是控制变量法，故选A。8．(1)①小王同学做“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”的实验，实验装置如下图。学生电源输出端与原线圈A的0与4接线柱相连，选择开关打在电压4V处。交流电压表与副线圈B的0与8接线柱相连，接通开关后，发现电压表中示数为0。小王检查学生电源与电表正常，电路中导线无故障，请你帮他诊断其原因_____________________________。②小王并以此变压器继续进行探究电磁感应现象，副线圈B的0与2接线柱接灵敏电流表G，如下图所示，在学生电源接通瞬间，发现灵敏电流表指针向左偏，当电流表稳定后，若断开电源开关，则灵敏电流表指针______________（选填“向左偏”、“向右偏”或“不动”），此时原、副线圈中电流的绕行方向______________（选填“相同”或“相反”）。(2)小明同学在家里探究单摆周期与摆长的关系，他设计的实验步骤的是：A．选择体积小、密度大的球B．用刻度尺测量细线的长度l作为摆长C．把单摆从平衡位置拉开30°的摆角，然后由静止释放D．从摆球摆到最低点时开始计时，测出摆球经过最低点30次的总时间t，由得出周期则以上实验步骤中有错误的是______________。【答案】     原线圈接直流电源，副线圈中磁通量不变，不产生感应电动势     向右偏     相反     BCD【详解】(1)①[1]原线圈接直流电源，副线圈中磁通量不变，不产生感应电动势；②[2]在学生电源接通瞬间，副线圈中的磁通量增大，根据楞次定律，感应电流的磁场方向与原磁场方向相反，此时电流表指针向左偏，当断开电源开关的瞬间，副线圈中的磁通量减小，根据楞次定律，感应电流的磁场方向与原磁场方向相同，则电流表指针向右偏；[3]由图可知原线圈与副线圈中原磁场磁感线方向相反，即副线圈中感应电流的磁感线方向与原线圈中的磁感线方向相反，根据安培定则可知，此时原、副线圈中电流的绕行方向相反。(2)[4]A．为减小摆球运动过程中受到的空气阻力，应选择体积小、密度大的球，故A正确，不符合题意；B．摆长应是摆线长与小球半径之和，故B错误，符合题意；C．把单摆从平衡位置拉开一个很小的角度（一般不超过10°），由静止释放，故C错误，符合题意；D．从摆球摆到最低点时开始计时，测出摆球经过最低点30次的总时间t，则有15次全振动，由得出周期，故D错误，符合题意。故选BCD。