新教材高考物理一轮复习第12章交变电流传感器研专项素养提升课件

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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】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
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.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。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的电荷量较少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,极板在峪处(凹下部分,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;潮湿的手指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: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
(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】案例1.(多选)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
素养点拨 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。
思路突破 (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。
答案 (1)40匝　60匝　(2)0.2 A
素养点拨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、输出功率关系为P入=P出,即P1=P2。当变压器有多个副线圈时,P1=P2+P3+…招数二　电流、电压关系法
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.(2023广东广州期中)某电学研究小组根据电工技术中钳形电流测量仪工作原理,自制了一个50 Hz的钳形电流表如图所示,铁芯左侧绕有匝数为n=100的线圈并与电流表组成闭合电路。某次进行测量时,钳口打开,把被测的通电导线放在钳口中间,通过电流表A可以间接测出导线中的电流。不考虑铁芯的漏磁及各种能量损耗,则(　　)A.该测量仪工作原理是利用自感现象B.若电流表中通过的电流为50 mA,则导线中的被测电流为5 AC.若导线中通过的电流是10 A,电流表中通过的电流是10 mAD.若铁芯左侧多绕几圈导线,则电流表的示数增大
2.(2023广东广州黄埔校级期中)下图为某小型发电站高压输电示意图。发电站输出的电压U1不变;升压变压器输出电压为U2,降压变压器原、副线圈两端的电压分别为U3和U4。为了测高压电路的电压和电流,在输电线路的起始端接入电压互感器和电流互感器,若不考虑变压器和互感器自身的能量损耗,所有的电表均为理想电表,则(　　)A.①为电流表,②为电压表B.采用高压输电可以增大输电线中的电流C.用户增多时,输电线损耗功率减小D.用户增多时,升压变压器原线圈中的电流增大
三、情境化主题突破: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体长条。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。由此产生的制动力与速度成正比,金属片在磁体内移动,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1万千米。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)图甲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,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的正弦式交变电流,设竖直向上为正方向。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.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Ff。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)。