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2019-2020年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第12章 交變電流 傳感器教案 新人教版 教學(xué)目標(biāo) 1. 知道交變電流，能用函數(shù)表達(dá)式和圖像描述交變電流 2. 理解變壓器原理，了解變壓器的構(gòu)造、變壓器的變壓比、變壓器的變流比。 3. 知道遠(yuǎn)距離輸電的方式，會(huì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算。 重點(diǎn)：對(duì)描述交變電流四個(gè)值的理解和應(yīng)用以及遠(yuǎn)距離輸電的運(yùn)用 難點(diǎn)：遠(yuǎn)距離輸電在現(xiàn)實(shí)生活中的運(yùn)用 知識(shí)梳理 一、交變電流 1. 交變電流定義 （1）大小和方向均隨時(shí)間而作周期性變化的電流叫做交變電流。 （2）隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的交變電流叫正弦交流電。這里需要注意的問(wèn)題就是，正弦交流電的圖象也并非一定是正弦曲線，余弦曲線反映的也是正弦交流電的變化規(guī)律，也叫正弦交流電。其實(shí)，正弦曲線和余弦曲線只是坐標(biāo)原點(diǎn)選取的不同而已。 2. 交變電流的產(chǎn)生： （1）線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的交變電流。 （2）線圈處在中性面時(shí)，雖然穿過(guò)線圈的磁通量最大，但磁通量的變化率最小為零，從而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值也為零； （3）當(dāng)線圈處在與中性面垂直的位置上時(shí)，雖然穿過(guò)它的磁通量最小，為零，但磁通量的變化率卻是最大的，所以這時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值最大。需要弄清楚的一個(gè)問(wèn)題就是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是與磁通量的變化率成正比的！ 3. 描述交變電流的物理量： （1）描述交變電流的物理量有瞬時(shí)值、最大值、有效值、平均值，這是描述交變電流強(qiáng)弱的物理量；另外還有角速度、轉(zhuǎn)速、周期和頻率等，這幾個(gè)是描述交變電流變化快慢的物理量。 電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值： 電動(dòng)勢(shì)的最大值： 電動(dòng)勢(shì)的平均值：（求電量時(shí)用） 有效值：由電流的熱效應(yīng)求得。 （2）交流電的有效值是根據(jù)電流的熱效應(yīng)定義的，解題時(shí)要牢牢地記住這一點(diǎn)。列式計(jì)算時(shí)，時(shí)間的選取顯得很關(guān)鍵，一般取一個(gè)周期為宜。 對(duì)于正弦交流電來(lái)說(shuō)，有效值與最大值之間有如下的關(guān)系：，，。 （3）要弄清楚上述幾個(gè)物理量之間的關(guān)系及各自的用途，瞬時(shí)值是隨時(shí)而變的，最大值就是最大的瞬時(shí)值，計(jì)算電熱、電功等物理量、考慮保險(xiǎn)絲的熔斷電流時(shí)用的都是交變電流的有效值，計(jì)算電荷量時(shí)用的是平均值，而考慮電容器等的擊穿電壓時(shí)用的則是交變電流的最大值。 （4）常識(shí)性問(wèn)題：各種用電器的銘牌上所標(biāo)的電壓、電流值以及交流電表所測(cè)量的電壓、電流值，還有我們平常所說(shuō)的交變電流的電壓、電流值，以及保險(xiǎn)絲的熔斷電流值等等，都是指的有效值。 二、變壓器 1. 變壓器的構(gòu)造: 變壓器是由閉合鐵芯和繞在鐵芯上的兩個(gè)線圈組成的．一個(gè)線圈跟電源連接，叫原線圈（也叫初級(jí)線圈）；另一個(gè)線圈跟負(fù)載連接，叫副線圈（也叫次級(jí)線圈）．兩個(gè)線圈都是用絕緣導(dǎo)線繞制成的，鐵芯由涂有絕緣漆的硅鋼片疊合而成． 2. 原理：電流通過(guò)原線圈時(shí)在鐵芯中激發(fā)磁場(chǎng)，由于電流大小方向在不斷的變化，鐵芯中的磁場(chǎng)也在不斷變化。變化的磁場(chǎng)在副線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，所以盡管兩個(gè)線圈之間沒(méi)有導(dǎo)線相連，副線圈也能夠輸出電流?；ジ鞋F(xiàn)象是變壓器工作的基礎(chǔ) 3． 理想變壓器的理想化條件及其規(guī)律． 在理想變壓器的原線圈兩端加交變電壓U1后，由于電磁感應(yīng)的原因，原、副線圈中都將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律：， 忽略原、副線圈內(nèi)阻，有：U1＝E1 ，U2＝E2 另外，考慮到鐵心的導(dǎo)磁作用而且忽略漏磁，即認(rèn)為在任意時(shí)刻穿過(guò)原、副線圈的磁感線條數(shù)都相等，于是又有： 由此便可得理想變壓器的電壓變化規(guī)律為： 在此基礎(chǔ)上再忽略變壓器自身的能量損失（一般包括線圈內(nèi)能量損失和鐵芯內(nèi)能量損失這兩部分，分別俗稱為“銅損”和“鐵損”) 有： 4. 理想變壓器的物理量之間的規(guī)律: （1）電壓關(guān)系：U1／U2 =n1／n2，U1／n1 = U2／n2= U3／n3 =… ①理想變壓器原副線圈的端電壓跟匝數(shù)成正比，輸出電壓由輸入電壓決定。 ②當(dāng)n2＞n1時(shí)，U2＞U1，變壓器使電壓升高，這種變壓器叫做升壓變壓器． ③當(dāng)n2＜n1時(shí)，U2＜U1，變壓器使電壓降低，這種變壓器叫做降壓變壓器． （2）功率關(guān)系：P原=P副，理想變壓器的輸入功率由輸出功率決定 （3）電流關(guān)系： ①當(dāng)變壓器只有一個(gè)副線圈工作時(shí)，有： ②有多個(gè)副線圈時(shí), 有P入=P出，即P1= P2+ P3 +P4+ P5+……… 由U1I1=U2I2+U3I3+……，得到 n1I1=n2I2+n3I3+…… 變壓器的高壓線圈匝數(shù)多而通過(guò)的電流小，可用較細(xì)的導(dǎo)線繞制 變壓器的低壓線圈匝數(shù)少而通過(guò)的電流大，可用較粗的導(dǎo)線繞制 三、電能的輸送 1. 降低輸電損耗的兩個(gè)途徑： 2. 遠(yuǎn)距離輸電示意圖 題型講解 1. 交變電流的產(chǎn)生、“四值”的應(yīng)用 一臺(tái)小型發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化的正弦規(guī)律圖象如圖甲所示。已知發(fā)電機(jī)線圈內(nèi)阻為5.0，則外接一只電阻為95.0的燈泡，如圖乙所示，則 A.電壓表的示數(shù)為220V B.電路中的電流方向每秒鐘改變50次 C.燈泡實(shí)際消耗的功率為484W D.發(fā)電機(jī)線圈內(nèi)阻每秒鐘產(chǎn)生的焦耳熱為24.2J 【解析】A選項(xiàng)：電壓表示數(shù)為燈泡兩端電壓的有效值,由圖像知電動(dòng)勢(shì)的最大值Em=V，有效值E=220V，燈泡兩端電壓，A錯(cuò) B選項(xiàng)：由圖像知T=0.02S，一個(gè)周期內(nèi)電流方向變化兩次，可知1s內(nèi)電流方向變化100次，B錯(cuò) C選項(xiàng)：燈泡的實(shí)際功率,C錯(cuò) D選項(xiàng)：電流的有效值，發(fā)電機(jī)線圈內(nèi)阻每秒鐘產(chǎn)生的焦耳熱為，D對(duì)。 【答案】D 點(diǎn)評(píng)：此題不僅考查了交流電四值的應(yīng)用，還考查了交變電流的產(chǎn)生過(guò)程，這些都是基本知識(shí)同學(xué)們一定要夯實(shí)基礎(chǔ)。 2. 變壓器的知識(shí) 如圖所示，理想變壓器的原、副線圈匝數(shù)比為1：5，原線圈兩端的交變電壓為 氖泡在兩端電壓達(dá)到100V時(shí)開始發(fā)光，下列說(shuō)法中正確的有 A．開關(guān)接通后，氖泡的發(fā)光頻率為100Hz B．開關(guān)接通后，電壓表的示數(shù)為100 V C．開關(guān)斷開后，電壓表的示數(shù)變大 D．開關(guān)斷開后，變壓器的輸出功率不變 【解析】A選項(xiàng)：交變電壓的頻率為 Hz，一個(gè)周期內(nèi)電壓兩次大于100V，即一個(gè)周期內(nèi)氖泡能兩次發(fā)光，所以其發(fā)光頻率為100Hz，A選項(xiàng)正確。 B選項(xiàng)：由交變電壓的瞬時(shí)值表達(dá)式知，原線圈兩端電壓的有效值為V=20V，由得副線圈兩端的電壓為V，電壓表的示數(shù)為交流電的有效值，B選項(xiàng)正確。C選項(xiàng)：開關(guān)斷開前后，輸入電壓不變，變壓器的變壓比不變，故輸出電壓不變，C選項(xiàng)錯(cuò)誤。D選項(xiàng)：斷開后，電路消耗的功率減小，輸出功率決定輸入功率，D選項(xiàng)錯(cuò)誤。 【答案】AB 點(diǎn)評(píng)：本題主要考查變壓器的知識(shí)，要能對(duì)變壓器的最大值、有效值、瞬時(shí)值以及變壓器變壓原理、功率等問(wèn)題徹底理解。 3. 變壓器工作原理、遠(yuǎn)距離輸電 某小型水電站的電能輸送示意圖 。發(fā)電機(jī)的輸出電壓為200V，輸電線總電阻為r，升壓變壓器原副線圈匝數(shù)分別為n，n2。降壓變壓器原副線匝數(shù)分別為n3、n4（變壓器均為理想變壓器）。要使額定電壓為220V的用電器正常工作，則 A． B． C．升壓變壓器的輸出電壓等于降壓變壓器的輸入電壓 D．升壓變壓器的輸出功率大于降壓變壓器的輸入功率 【解析】ABC選項(xiàng)：根據(jù)變壓器工作原理可知，，由于輸電線上損失一部分電壓，升壓變壓器的輸出電壓大于降壓變壓器的輸入電壓，有，所以，A選項(xiàng)正確，BC選項(xiàng)不正確。 D選項(xiàng)：升壓變壓器的輸出功率等于降壓變壓器的輸入功率加上輸電線損失功率，D選項(xiàng)正確。 【答案】AD 點(diǎn)評(píng)：理想變壓器的兩個(gè)基本公式是： ⑴ ，即對(duì)同一變壓器的任意兩個(gè)線圈，都有電壓和匝數(shù)成正比。 ⑵，即無(wú)論有幾個(gè)副線圈在工作，變壓器的輸入功率總等于所有輸出功率之和。只有當(dāng)變壓器只有一個(gè)副線圈工作時(shí)，才有。 遠(yuǎn)距離輸電，從圖中應(yīng)該看出功率之間的關(guān)系是：P1=P2，P3=P4，P1/=Pr=P2。電壓之間的關(guān)系是： 。電流之間的關(guān)系是：。輸電線上的功率損失和電壓損失也是需要特別注意的。分析和計(jì)算時(shí)都必須用，而不能用。特別重要的是要會(huì)分析輸電線上的功率損失。 第31講 實(shí)驗(yàn)：傳感器的簡(jiǎn)單應(yīng)用 教學(xué)目標(biāo) 知道傳感器的意義，了解制作傳感器的常用元件（光敏電阻、熱敏電阻、金屬熱電阻、霍爾元件、干簧管等）的特征，了解常見傳感器(電子秤、話筒、電熨斗、測(cè)溫儀、鼠標(biāo)、火災(zāi)報(bào)警器)的工作原理，了解光控開關(guān)、溫度報(bào)警器的原理. 重點(diǎn)：了解各類傳感器的工作原理及其應(yīng)用 難點(diǎn)：傳感器的工作原理 知識(shí)梳理 一、框架結(jié)構(gòu) 傳感器 溫 度 傳感器 意義：傳感器是把非電學(xué)物理量（如位移、速度、壓力、溫度、濕度、流量、聲強(qiáng)、光照度等）轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量、傳輸、處理的電學(xué)量（如電壓、電流、電容等）或電路的通斷的一種組件。起自動(dòng)控制作用。 機(jī)械鼠標(biāo)器： 火災(zāi)報(bào)警器： 光控開關(guān)： 光傳感器 敏感元件 光敏電阻：是一種能感知光強(qiáng)的傳感器，電阻隨光照的增強(qiáng)而減小 熱敏電阻：是一種能感知溫度的傳感器，電阻一般隨溫度升高電阻減小 金屬熱電阻：是一種能感知溫度的傳感器，溫度升高電阻增大 霍爾元件：是一種能感知磁場(chǎng)強(qiáng)弱的傳感器 電容式位移傳感器：是一種能感知位移變化的傳感器 干簧管：一種能感知磁場(chǎng)存在的傳感器 常見傳感器及應(yīng)用 力傳感器----電子秤：將應(yīng)變片的形變量轉(zhuǎn)化為電壓差 聲傳感器----話 筒：將聲學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量 電熨斗：雙金屬片溫度傳感器的作用:控制電路的通斷 電飯鍋：雙金屬片溫度傳感器的作用:控制電路的通斷 測(cè)溫儀：將溫度轉(zhuǎn)化為電學(xué)量（不同溫度發(fā)射紅外線不同） 溫度報(bào)警器： 二、應(yīng)用舉例 1．霍爾元件的工作原理：霍爾元件是利用霍爾效應(yīng)來(lái)設(shè)計(jì)的．一個(gè)矩形半導(dǎo)體薄片，在其前、后、左、右分別引出一個(gè)電極，如圖所示，沿PQ方向通人電流I，垂直于薄片加勻強(qiáng)磁場(chǎng)B，則在MN間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差U。設(shè)薄片厚度為d，PQ方向長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，MN方向長(zhǎng)度為L(zhǎng)2．薄片中的帶電粒子受到磁場(chǎng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使N側(cè)電勢(shì)高于M側(cè)，造成半導(dǎo)體內(nèi)部出現(xiàn)電場(chǎng)．帶電粒子同時(shí)受電場(chǎng)力作用．當(dāng)磁場(chǎng)力與電場(chǎng)力平衡時(shí)，MN間電勢(shì)差達(dá)到恒定．qU/L2=qvB． 再根據(jù)電流的微觀解釋I＝nqSv，得U=IB/nqd 令k=1/nq U=kIB/d 即U與B成正比，這就是為什么霍爾元件能把磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的原因了． 2．電飯鍋的工作原理：開始煮飯時(shí)，用手壓下開關(guān)按鈕，永磁體與感溫磁體相吸，手松開后，按鈕不再恢復(fù)到圖示狀態(tài)，則觸點(diǎn)接通，電熱板通電加熱，水沸騰后，由于鍋內(nèi)溫度保持100℃不變，故感溫磁體仍與永磁體相吸，繼續(xù)加熱，直到飯熟后，水分被大米吸收，鍋底溫度升高，當(dāng)溫度升至“居里點(diǎn)103℃”時(shí)，感溫磁體失去鐵磁性，在彈簧作用下，永磁體被彈開，觸點(diǎn)分離，切斷電源，從而停止加熱 3.機(jī)械式鼠標(biāo)器的工作原理：如圖所示，鼠標(biāo)器移動(dòng)時(shí)，滾球運(yùn)動(dòng)通過(guò)滾軸帶動(dòng)兩個(gè)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，紅外接收管就收到斷續(xù)的紅外線脈沖，輸出相應(yīng)的電脈沖信號(hào)，計(jì)算機(jī)分別統(tǒng)計(jì)x、y兩個(gè)方向的脈沖信號(hào)，處理后使紅外接收管屏幕上的光標(biāo)產(chǎn)生相應(yīng)的位移． 4．光控開關(guān)的工作原理：如圖所示，白天，光強(qiáng)度較大，光敏電阻RG電阻值較小，加在斯密特觸發(fā)器A端的電壓較低，則輸出端Y輸出高電平，發(fā)光二極管LED不導(dǎo)通；當(dāng)天色暗到一定程度時(shí)，RG的阻值增大到一定值，斯密特觸發(fā)器的輸入端A的電壓上升到某個(gè)值(1．6 V)，輸出端Y突然從高電平跳到低電平，則發(fā)光二極管LED導(dǎo)通發(fā)光(相當(dāng)于路燈亮了)，這樣就達(dá)到了使路燈天明熄滅，天暗自動(dòng)開啟的目的。要想在天更暗時(shí)路燈才會(huì)亮，應(yīng)該把R1的阻值調(diào)大些，這樣要使斯密特觸發(fā)器的輸入端A電壓達(dá)到某個(gè)值(如1．6 V)，就需要RG的阻值達(dá)到更大，即天色更暗． 5．溫度報(bào)警器的工作原理：如圖所示，常溫下調(diào)整R1的阻值使斯密特觸發(fā)器的輸入端A處于低電平，則輸出端Y處于高電平，無(wú)電流通過(guò)蜂鳴器，蜂鳴器不發(fā)聲；當(dāng)溫度升高時(shí)，熱敏電阻RT阻值減小，斯密特觸發(fā)器輸入端A電勢(shì)升高，當(dāng)達(dá)到某一值(高電平)，其輸出端由高電平跳到低電平，蜂鳴器通電，從而發(fā)出報(bào)警聲，R1的阻值不同，則報(bào)警溫度不同． 題型講解 1. 考查傳感器元件的基本常識(shí) xx年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了法國(guó)和德國(guó)的兩位科學(xué)家，以表彰他們發(fā)現(xiàn)“巨磁電阻效應(yīng)”．基于巨磁電阻效應(yīng)開發(fā)的用于讀取硬盤數(shù)據(jù)的技術(shù),被認(rèn)為是納米技術(shù)的第一次真正應(yīng)用．在下列有關(guān)其它電阻應(yīng)用的說(shuō)法中。錯(cuò)誤的是： （ ） A.熱敏電阻可應(yīng)用于溫度測(cè)控裝置中 B.光敏電阻是一種光電傳感器 C.電阻絲可應(yīng)用于電熱設(shè)備中 D.電阻在電路中主要起到通過(guò)直流、阻礙交流的作用。 【解析】A選項(xiàng)：熱敏電阻的原理是通過(guò)已知某電阻的電阻值與溫度的函數(shù)關(guān)系，測(cè)得該熱敏電阻的值即可獲取溫度，從而應(yīng)用于溫度測(cè)控裝置中，A選項(xiàng)正確。 B選項(xiàng)：光敏電阻是將光信號(hào)與電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的傳感器，B選項(xiàng)正確。 C選項(xiàng)：電阻絲通過(guò)電流會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，可應(yīng)用于電熱設(shè)備中，C選項(xiàng)正確。 D選項(xiàng)：電阻對(duì)直流和交流均起到阻礙的作用，D選項(xiàng)錯(cuò)誤。 【答案】D 2. 測(cè)物體加速度（加速度計(jì)） 加速度計(jì)是測(cè)定物體加速度的儀器，它已成為導(dǎo)彈、飛機(jī)、潛艇后宇宙飛船制導(dǎo)系統(tǒng)的信息源。如圖為應(yīng)變式加速度計(jì)示意圖，當(dāng)系統(tǒng)加速時(shí)，加速度計(jì)中的敏感元件也處于加速狀態(tài)，敏感元件由彈簧連接并架在光滑支架上，支架與待測(cè)系統(tǒng)固定在一起，敏感元件下端的滑動(dòng)臂可在滑動(dòng)變阻器R上自由滑動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，敏感元件發(fā)生位移，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，已知：敏感元件的質(zhì)量為m，兩彈簧的勁度系數(shù)為k，電源的電動(dòng)勢(shì)為E，內(nèi)電阻不計(jì)，滑動(dòng)變阻器的總電阻為R，有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)，靜態(tài)時(shí)輸出電壓為U0。試求加速度a與輸出電壓U的關(guān)系式。 【解析】假設(shè)a向右為正，位置向左△x 由牛頓第二定律： 由分壓原理： 由①②得： 【答案】 3. 傳感器在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用分析 用如圖示的電磁繼電器設(shè)計(jì)一個(gè)高溫報(bào)警器，要求是：正常情況綠燈亮，有險(xiǎn)情時(shí)電鈴報(bào)警?？晒┻x擇的器材如下：熱敏電阻、綠燈泡、小電鈴、學(xué)生用電源、繼電器、滑動(dòng)變阻器、開關(guān)、導(dǎo)線。 【解析】熱敏電阻正常時(shí)電阻值大，ab間電流小，電磁繼電器磁性弱，銜鐵與上觸點(diǎn)接觸，綠燈泡亮。受熱時(shí)電阻值小，ab間電流大，電磁繼電器磁性強(qiáng)，銜鐵與下觸點(diǎn)接觸，電鈴響。 ①將熱敏電阻、小燈泡、學(xué)生用電源、滑動(dòng)變阻器、開關(guān)串聯(lián)接入繼電器的a、b端。 ②將學(xué)生用電源與綠燈泡分別接入c、e之間。 ③將學(xué)生用電源與電鈴分別接入c、d、之間。 點(diǎn)評(píng)：提高靈敏度，應(yīng)該如何調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器？答：應(yīng)該把滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值調(diào)小。在上圖中滑片向右移動(dòng)。