专题68 探究变压器电压与匝数关系、传感器的利用-高三物理一轮复习多维度导学与分层专练

高三物理一轮复习多维度导学与分层专练

专题68 探究变压器电压与匝数关系、传感器的利用

【知识导学与典例导练】

一、探究变压器原副线圈电压与匝数关系

（一）实验目的

　探究变压器原线圈电压一定时，副线圈电压与线圈匝数的定量关系。

（二）实验原理

1．实验电路图

2．实验方法：采用控制变量法。

(1)n1一定，研究n2和U2的关系。

(2)n2一定，研究n1和U2的关系。

（三）实验器材

　 学生电源(低压交流，小于12 V)1个、可拆变压器1个、多用电表(交流电压挡)1个、导线若干。

（四）实验步骤

1．保持原线圈的匝数n1和电压U1不变，改变副线圈的匝数n2，研究n2对副线圈电压U2的影响。

2．保持副线圈的匝数n2和原线圈两端的电压U1不变，研究原线圈的匝数对副线圈电压的影响。

（五）误差分析

1．由于漏磁，通过原、副线圈的每一匝的磁通量不严格相等造成误差。

2．原、副线圈有电阻，原、副线圈中的焦耳热损耗(铜损)，造成误差。

3．铁芯中有磁损耗，产生涡流，造成误差。

（六）注意事项

1．要事先推测副线圈两端电压的可能值。

2．为了人身安全，只能使用低压交流电压，所用电压不要超过12 V，即使这样，通电时不要用手接触裸露的导线、接线柱。

3．为了多用电表的安全，使用交流电压挡测电压时，先用最大量程挡测试，大致确定电压后再选择适当的挡位进行测量。

4．连接电路后要由同组的几位同学分别独立检查，然后请老师确认，之后才能接通电源。

【例1】某实验小组用如图所示电路探究“变压器的电压与匝数的关系”，图中变压器为可拆变压器。

实验提供的器材有

A．多节干电池                   B．学生电源

C．直流电压表                 D．多用电表

（1）电源应选______，测量电压应选______；（均选填字母代号）

（2）若用匝数匝和匝的变压器做实验，在原线圈的两端分别加上2V、4V、6V和8V的电压，测量出副线圈两端的相应的电压，记录在下面的表格中。表格中第2次实验，副线圈上电压的示数如图丙所示，电压量程为0~10V交流电压档，读数为______，并计算出此次实验______；

（3）实验可得结论______________；

（4）导致实验误差的原因可能是__________________。

A．原线圈所加电压小

B．变压器的铁芯漏磁

C．变压器的铁芯产生涡流

二、利用传感器制作简单的自动控制装置

1．实验目的

(1)了解传感器的工作过程，探究敏感元件的特性。

(2)学会传感器的简单使用。

2．实验原理

(1)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)。

(2)其工作过程如下图所示。

3．实验器材

热敏电阻、光敏电阻、多用电表、铁架台、烧杯、冷水、热水、小灯泡、学生电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线等。

4．误差分析

误差主要来源于温度计和欧姆表的读数。

5．注意事项

(1)在做热敏实验时，加开水后要等一会儿再测其阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温。

(2)光敏实验中，如果效果不明显，可将光敏电阻部分电路放入带盖的纸盒中，并通过盖上小孔改变照射到光敏电阻上的光的多少。

(3)欧姆表每次换挡后都要重新进行电阻调零。

【例2】热敏电阻按温度分为正温度系数电器（PTC）和负温度系数电器（NTC）两类。正温度系数电阻（PTC）在温度升高时电阻值增大，负温度系数电阻器（NTC）在温度升高时电阻值减小，热敏电阻的这种特性，常常应用在控制电路中、如图1所示为这两种热敏电阻的图像。

（1）如图1中曲线Ⅰ所示，说明该热敏电阻是______热敏电阻。（填“PTC”或“NTC”）

（2）某同学搭建一套基于某热敏电阻的火灾报警系统，其电路图如图2所示。请根据此电路图将如图3所示的实物图连接完整______。

（3）已知热敏电阻的阻值随温度的变化规律如图4所示。电源电动势为E=10V，内阻不计，通过报警器的电流达到I=10mA就会报警。若要求环境温度达到60℃时，该装置能自动报警，则应先将开关S与电阻箱连接，将其阻值设置为______kΩ，然后将滑动变器的阻值从最大逐渐减小，直至报警器开始报警，此时=______kΩ，之后保持阻值不变，将开关与热敏电阻连接即可。若要使该装置在更低的温度下报警，只需将滑动变阻器的阻值______（填“调大”或者“调小”）即可。（结果保留1位小数）

【多维度分层专练】

1．有一个教学用的可拆变压器，如图1所示，它有两个外观基本相同的线圈A、B（内部导线电阻率、横截面积相同），线圈外部还可以绕线。

（1）某同学用一多用电表的同一欧姆挡先后测量了A、B线圈的电阻值，指针分别对应图2中的a、b位置，由此可推断________（选填“A”或“B”）线圈的匝数较多。

（2）该实验中输入端所接电源最适合的是________。

A．220V交流电源

B．12V以内低压直流电源

C．36V安全电压

D．12V以内低压交流电源

（3）如果把它看作理想变压器，现要测量A线圈的匝数，提供的器材有：一根足够长的绝缘导线、一只多用电表和低压交流电源。请完成实验步骤的填空：

①用绝缘导线在线圈的外部或变压器的铁芯上绕制n匝线圈。

②将________（选填“A”或“B”）线圈与低压交流电源相连接。

③用多用电表的________挡分别测量A线圈的输入电压UA和绕制线圈的输出电压U。

④则A线圈的匝数为________。

2．某同学在实验室进行探究变压器原、副线圈电压与匝数关系的实验。他准备了可拆变压器、多用电表、开关和导线若干。

（1）实验需要以下哪种电源___________；

A．低压直流电源            B．高压直流电源

C．低压交流电源            D．高压交流电源

（2）该同学认真检查电路无误后，先保证原线圈匝数不变，改变副线圈匝数；再保证副线圈匝数不变，改变原线圈匝数。分别测出相应的原、副线圈电压值。由于交变电流电压是变化的，所以，我们实际上测量的是电压的___________值（填“有效”或“最大”）。其中一次多用电表读数如图所示，此时电压表读数为___________；

（3）理想变压器原、副线圈电压应与其匝数成___________（填“正比”或“反比”），实验中由于变压器的铜损和铁损，导致原线圈与副线圈的电压之比一般___________（填“大于”“小于”或“等于”）原线圈与副线圈的匝数之比。

（4）实验中原、副线圈的电压之比与它们的匝数之比有微小差别。原因不可能为___________。（填字母代号）

A．原、副线圈上通过的电流发热        B．铁芯在交变磁场作用下发热

C．变压器铁芯漏磁                    D．原线圈输入电压发生变化

3．如图所示为探究变压器线圈两端电压与匝数的关系的电路图，我们把两个线圈套在同一闭合铁芯上，一个线圈连接到电源的输出端，另一个线圈连接到小灯泡上，试回答下列问题：

（1）原线圈应连接到学生电源的___________（选填直流、交流）输出端；

（2）将与小灯泡相连接的线圈减少一定的匝数，装置其他部分不变，继续完成实验，发现灯泡亮度将___________（填“变亮”或“变暗”）。

（3）某同学想用220V交流电作为小型收录机的电源实验，他添置了一台220V/6V变压器（如图所示），看到它上面只有a、b、c、d四个引出线头，又没有表明接法的说明书。根据我们掌握的有关知识，可以判定，220V的电源应该接__________间。（填写a、d或b、c）

4．利用如图所示的装置可以探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系：

（1）除图中所示器材外，还需要的器材有___________；

A．干电池          B．低压交流电源   C．直流电压表      D．多用电表

（2）下列说法正确的是___________；

A．变压器工作时通过铁芯导电把电能由原线圈输送到副线圈

B．变压器工作时在原线圈上将电能转化成磁场能，在副线圈上将磁场能转化成电能，铁芯起到“传递”能量的作用

C．理想变压器原、副线圈中的磁通量总是相同

D．变压器副线圈上不接负载时，原线圈两端电压为零

（3）由于变压器工作时有能量损失，实验测得的原、副线圈的电压比应当___________（选填“大于”、“等于”或者“小于”）原、副线圈的匝数比。

5．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：

根据测量数据可判断连接交流电源的原线圈是______（填na或nb）。

6．压力传感器按用途分类主要是压力监视、压力测量和压力控制及转换成其他量的测量。按供电方式分为压阻型和压电型传感器，前者是被动供电的，需要有外电源，后者是传感器自身可以产生电压，不需要外加电源。为了探究某压电型压力传感器的输出电流与其所受正压力之间的关系，某兴趣小组的同学做了如下实验，将压力传感器水平放置，接入如图甲所示的电路，其上放置一与压力传感器上表面面积接近的平整薄硬木板（使压力传感器上表面受力均匀），电流表是量程为、内阻为的灵敏电流表。当在木板上放置重物时，因为压力传感器受到正压力，其两端将产生输出电压，此时压力传感器相当于不计内阻的电源，记录放置不同数量的重物产生的压力与此时通过电流表的电流，并绘制图像，已知重物的质量均相同，压力传感器产生的输出电压与受到的正压力成正比。

（1）测量结束后得到重物个数与所读的电流表示数之间的关系如表格所示，表中数据中明显存在错误的一组是第______组。（填重物个数，重物个数即为实验组数）

（2）根据表格中的数据在图乙所示坐标系中描绘出电流随重物个数变化的图线______。图线不过原点的原因是______。

（3）通过查询实验所用压力传感器的参数，发现铭牌上的参数显示其正常工作压力范围为，对应输出电压范围为。而实验室只提供5个的重物，取，若忽略薄硬木板的质量，则要想使重物全部放入时灵敏电流表恰好满偏，则电阻的阻值应为______。

（4）若将两个相同的压力传感器按图丙方式放置连接（不计传感器和薄硬木板的重力），放上相同质量的重物后，甲、丙两图中电流表示数之比为______。

7．某同学制作一个简易的温控装置，实验电路如图甲，继电器与热敏电阻、滑动变阻器串联接在电源两端，当继电器的电流达到或超过时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控。继电器的电阻约为，热敏电阻的阻值，随温度变化的关系如图乙所示：

（1）提供的实验器材有：电源E（12V），内阻不计、滑动变阻器R1（0-200Ω）、滑动变阻器R2（0-400Ω）、热敏电阻、继电器、电阻箱、开关、导线若干。要启动继电器，则电路中的总电阻需满足：R继电器+R+Rt≤___________Ω。为使该装置实现对之间任一温度的控制，滑动变阻器应选用___________（选填R1或R2）。

（2）如果要把温控装置设置为，应先用电阻箱替代热敏电阻，把电阻箱数值调至___________，闭合开关，调节滑动变阻器，直至继电器的衔铁被吸合。然后断开开关，再重新把热敏电阻替换电阻箱。

（3）该温控装置在___________（填“低温区域”或“高温区域”）灵敏度更高。甲乙两位同学就提高该温控装置的灵敏度方案进行了讨论：甲同学认为应该换一个的电源，电动势越大越容易驱动电磁继电器，可以提高温控装置的灵敏度；乙同学则认为应该换一个的电源，这样使继电器启动的电阻更小，热敏电阻占总电阻的比例增大，其控制效果更好。你认为___________（填甲或乙）同学的分析更有道理。

8．如图甲所示为一利用光敏电阻测量储液罐中液面高度装置的示意图。当罐中装满液体时，液面与出液口高度差为h，罐外有一竖直放置的管，管内一侧有沿竖直线排列的多个光敏电阻，另一侧有一列光强稳定的光源。液面上一浮块与一块遮光板通过定滑轮相连，遮光板可随浮块的升降在管内上下运动，光敏电阻的总长度和遮光板的总长度都为h。当储液罐内装满液体时，遮光板的上沿与最下面的光敏电阻的下边缘等高，管内的光均匀地照射在光敏电阻上，光敏电阻和仪表相连。现要求设计一电路以利用上述装置测量液面的高度。

为将问题简化，假设管内只有3个光敏电阻R1、R2、R3，分别位于管的上端、下端和中央；它们的暗电阻均为R＝10kΩ，被管内光源照亮时电阻均为R′＝1.0kΩ。给定的仪器还有：直流电源E（电动势为9V，电阻不计），3个定值电阻，阻值分别为R4＝2.5kΩ，R5＝1.8kΩ，R6＝1.5kΩ；电压表V（量程为0~3V，内阻可视为无穷大），开关一个，导线若干。

要求：当罐内装满液体时，电压表恰好为满量程。

（1）如图乙所示为某次电压表的示数为________V。

（2）选择合适的定值电阻，在如图丙所示虚线框内画出电路图，并用题中给定的符号标明图中各元件________。

（3）液面与出液口等高时电压表的示数为________V。（结果保留两位有效数字）

（4）若管内的光强变暗，使得光敏电阻被照亮时的阻值变为1.2kΩ，则定值电阻的阻值应变为________kΩ，便可达到题目要求。（结果保留两位有效数字）

9．炎热的夏季，养殖户用自动控温通风系统对养殖场进行控温。要求当养殖场内的温度升高到27℃时，通风系统立即启动。某同学设计的通风系统工作原理如图甲所示：虚线框内的两接线柱间接测温电阻RT。当R1两端的电压升高到3V时，控制电路恰能启动通风系统，低于3V时，通风系统立即停止工作。

提供的器材为：

直流电源（电动势E=5V，内阻忽略不计）；

电阻箱R1、R2（阻值范围均为）；

控制电路模块（电阻可视为无穷大）；

两测温电阻RT1、RT2（工作特性分别如图乙、丙所示）。

根据原理，选择器材，并完成调试：

（1）图甲中测温电阻应选用______（选填“RT1”或“RT2”）；

（2）接好测温电阻后，为实现27℃时开启通风系统，对电路进行调试，先将开关K2拨到触点b，并将电阻箱R2的阻值调至______kΩ、电阻箱R1的阻值调至______kΩ，再闭合开关K1，测试通风系统能否正常工作。若能正常工作，再将开关K2拨回触点a即可。（本问结果均保留2位有效数字）

（3）若长时间使用电阻箱R1老化后的电阻率会变大，若不对其阻值进行调整，当通风系统再次启动时，养殖场内的实际温度要______（选填“高”或“低”）于设定的启动温度27℃。

10．如图所示，图2为一个自动筛选鸡蛋大小的装置，可以筛选出两类大小不同的鸡蛋。当不同大小的鸡蛋传送到压力秤上时，压力秤作用在压力传感器电阻R1上，其电阻值随压力秤所受压力的变化图像如图2所示。R2是可调节电阻，其两端电压经放大电路放大后可以控制电磁铁是否吸动衔铁并保持一段时间。当电压超过某一数值时电磁铁可以吸动衔铁使弹簧下压，鸡蛋就进入B通道。已知电源电动势E=6V，内阻不计，R2调节为10Ω。

（1）由图1可知，压力传感器的电阻值R1随压力的增大而_______（填：“增大、减小”）。

（2）从B通道通过的是_______鸡蛋（填：“大、小”）。

（3）由两个图可知，若R2两端的电压超过3V时，电磁铁可以吸动衔铁向下，则选择的大鸡蛋对压力秤的压力要大于_______N。（保留到小数点后两位）

（4）要想选择出更大的鸡蛋，需要把电阻R2的阻值调______（填：“大、小”）。