2019年高考物理备考优生百日闯关系列专题12交变电流与传感器含解析20190524153.wps
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1、专题 1212 交变电流与传感器 第一部分名师综述 本章内容实际上是电磁感应现象研究的继续及其规律的具体应用,在学习的过程中,要注意理 论联系实际,要善于知识的迁移、综合和应用,本章主要围绕交变电流的产生、变化规律及表 征交变电流的物理量这一中心展开,复习时需要注意的问题有: 1.区分瞬时值、有效值、最大值、平均值. 瞬时值随时间做 周期性变化,表达式为 e NBS sint (从中性面开始计时). 有效值是利用电流的热效应定义的,即如果交流电通过电阻时产生的热量与直流电通过同一 电阻在相同时间内产生的热量相等,则直流电的数值就是该交流电的有效值.用来计算电路中 的电功率和电热. 最大值用 E
2、m NBS 来计算,是穿过线圈平面的磁通量为零时的感应电动势. E n t 平均值是利用 来进行计算的,计算电量时用平均值. I n 1 1 2.理想变压器的有关问题,要注意掌握电流比的应用,当只有一原一副时电流比 ,当 I n 2 2 理想变压器为一原多副时,电流比关系则不适用,只能利用输入功率与输出功率相等来进行计 算.同时掌握输入功率与输出功率的决定与被决定的关系. 3.要了解远距离输电的基本模式,弄清输电的基本规律,正确设计出输电方案,更好地传送电 能. 4.对传感器部分: 应知道求解传感器问题的思路:传感器问题具有涉及的知识点多、综合性强、能力要求高等 特点,而传感器的形式又多种多样
3、,有的原理甚至较难理解.但不管怎样,搞清传感器的工作 原理及过程是求解问题的关键.因此,求解时必须结合题目提供的所有信息,认真分析传感器 所在的电路结构,这样才能对题目的要求作出解释或回答.另外,平时应多注意实际生产、生 活中的一些实例,多一些思考,多动手,多查资料,开阔自己的视野,丰富自己的经验,达到 学以致用、活学活用的目的. 特别注意加速度计与加速度传感器:加速度传感器实际上是变式加速度计,它将加速度信号 转换为电压信号输出,该传感器可以制作成振动传感器(因为振动物体的加速度一般不为零), 振动传感器可以广泛地应用在报警、测量等领域(如汽车、摩托车防盗报警器等). 第二部分精选试题 一、
4、单选题 n1 2 1如图所示的变压器中,原副线圈的匝数比为 ,图中定值电阻 R1与原线圈串联后再与 n2 = 1 1 一有效值为 44 V 的交变电源连在一起。阻值为 16 的定值电阻 R2“与标有 12 V 6 W”的灯 泡 L 串联后接在副线圈中,电路稳定后灯泡 L 恰好正常发光。则变压器原线圈的输入功率与 R1 消耗的功率之比为 A1:1 B2:1 C10:1 D3:5 【答案】 C 【解析】 【详解】 在副线圈中,小灯泡正常发光,根据“12 V 6 W”可求得副线圈中的电流为 I2=0.5 A,进而可 U1 n1 I1 n2 求出 R2两端的电压为 8V,故副线圈两端的电压为 20 V
5、;由U2 = 和I2 = ,可知原线圈两端的 n2 n1 电压为 40 V,电流为 0.25 A,故加在 R1两端的电压为 44 V40 V=4 V,故 R1消耗的功率为 PR1=UR1I1=1 W,变压器原线圈的输入功率为 P1=U1I1=10 W,故变压器原线圈的输入功率与 R1消耗 的功率之比为 10:1,故选项 C 正确。 2如图所示,理想变压器原线圈两端 A、B 接在电动势 E8V、内阻 r2 的交流电源上, 理想变压器的副线圈两端与滑动变阻器 R 相连,滑动变阻器阻值可在 010 范围内变化,变 压器原、副线圈的匝数比为 12 ,下列说法正确的是 A副线圈两端输出电压 U2=16V
6、 B副线圈中的电流 I22A C当电源输出功率最大时,滑动变阻器接入电路中的阻值 R8 D当电源输出功率最大时,滑动变阻器接入电路中的阻值 R4 【答案】 C 【解析】 【详解】 设原副线圈中的匝数分别为 n1和 n2,电流分别为 I1和 I2,电压分别为 U1和 U2,则有: U1=E-I1r,电阻 R 消耗的功率为:P=U2I2=U1I1,即为:P=(E-I1r)I1=-I12r-EI1,可见电流为: I1 = E 2r = 8 2 2A = 2A 时,P 有最大值,此时 U1=4V,副线圈两端输出电压 U2=2U1=8V,副线圈 1 U2 中的电流 I2 2A=1A,此时滑动变阻器接入电
7、路中的阻值 ,故 C 正确、ABD错 2 R = I2 = 8 2 误。 3用正弦式交变电流通过一理想变压器给距离较远的用户供电, 电路图可等效为图示电路。 副线圈与用户之间导线的电阻为 r,其余部分导线与电流表的电阻均不计。已知开关 S 闭合前 后用户消耗的电功率相等,变压器输入电压有效值不变,则下列说法正确的是( ) A开关闭合前后变压器的输入功率不变 B开关闭合前后输电线上损失的功率之比为 1:2 CR: r = 2:1 D开关闭合前后电流表的读数之比为 1:2 【答案】 B 【解析】 【分析】 和闭合电路中的动态分析类似,可以根据 R 的变化,确定出总电路的电阻的变化,进而可以确 定总
8、电路的电流的变化的情况,再根据电压不变,结合题目的条件来分析其他元件的电流、电 压及功率的变化情况。 【详解】 U1 n1 A变压器输入电压有效值U1不变,由 n2知,在副线圈所在电路中,U2保持不变,开关闭合 U2 = U2 U2 R 前,P1 = P2 = R + r,开光闭合后,用户电阻变为R 2,P1 ,故开关闭合前后变 = = P 2 = R 2 + r 压器的输入功率变化,A 错误; U2 U2 BC根据开关 S 闭合前后用户消耗的电功率相等,有P用 = (R + r) , 2R P 用 = ( )2 R 2 + r R R:r = 2:1 2,P用 = P用 ,可得 ,输电线上损
9、失的功率为输电线上电阻的发热功率,开始闭合 U2 U2 前,Pr = (R + r) ,开关闭合后, ,结合 ,可得 2r Pr = ( )2r R:r = 2:1 Pr:Pr R 2 + r = 1:2,故 B 正确,C 错误。 I1 n2 n2 I1 I2 U2 D由 知,电流表的示数 。则 = ;在副线圈电路中,闭合前电流I2 = , I2 = n1 I1 = n1I2 I1 R + r I2 U2 I1 闭合后,电流I2 = ,结合 ,得 R:r = 2:1 R I1 2 + r = I2 I2 = 2 2 4如图所示,半径为 r 的金属圆环放在垂直纸面向外的匀强磁场中,环面与磁感应强
10、度垂直, 磁场的磁感应强度为 B0,保持圆环不动,将磁场的磁感应强度随时间均匀增大经过时间 t,磁 场的磁感应强度增大到 B1,此时圆环中产生的焦耳热为 Q;保持磁场的磁感应强度 B1不变,将 圆环绕对称轴(图中虚线)匀速转动,经时间 2t圆环转过 90,圆环中电流大小按正弦规律变 3 化,圆环中产生的焦耳热也为 Q,则磁感应强度 B0和 B1的比值为() 4 - A 4 5 - B 5 4 2 - C 4 2 5 2 - D 5 2 【答案】 A 【解析】 【分析】 E2 当线圈不动时,根据 E = t 求解感应电动势,根据Q = Rt求解热量;当线圈转动时,根据 E=BS 求解最大值,然后
11、根据交流电的有效值求解产生的热量,联立后即可求解. 【详解】 (B1 - B0)r2 E21 (B1 - B0)22r4 若保持圆环不动,则产生的感应电动势恒定为E1 = t ,则Q = Rt = ;若 tR 2r2B1 2 2 = 线圈转动:则产生 的感应电动势最大值:E2m = B1S = B12t r 4t ,有效值 E2 = 2r2B1 E2 4r4B21 B0 4 - ,产生的热量 R 2t = ,联立可得: ,故选 A. Q = B1 = 4 2t 16tR 4 【点睛】 此题关键是掌握求解电动势的两个公式:E = 和 E=BS;知道求解交流电产生的热量时要 t 用交流电的有效值。
12、 5如图所示,将带铁芯的电感器 L 与灯泡 A 串联,再与另一个完全相同的灯泡 B 并联,接在 以正弦交流信号发生器为电源的两端。通过调节交流信号发生器上的旋钮,可以改变输出电压 和信号的频率。闭合开关 S,A、B 两灯均发光。关于该实验,下列说法中正确的是 ( ) A保持交流信号频率不变,适当提高输出电压,发现 A 灯始终比 B 灯亮 B保持输出电压不变,提高交流信号频率,发现 A 灯变暗,B 灯不变 4 C保持输出电压和信号频率不变,撤去铁芯后,发现 A 灯比原来暗 D断开开关 S,发现 B 灯闪亮一下,然后熄灭 【答案】 B 【解析】 【详解】 A 项:提高输出电压,B 端电压变大,A
13、与 L 两端电压增大,由频率不变,所以 A 灯与 B 灯一 样亮,故 A 错误; B 项:提高交流信号频率,电压不变以,B 灯亮度不变,根据xL = 2fL 可知线圈 L 中的感抗 增大,所以 A 灯变暗,故 B 错误; C 项:撤去铁芯后,L 中的感抗减小,所以 A 灯变亮,故 C 正确; D 项:由于稳定时 A、B 两灯亮度相同,所以当开关 S 断开时,A 中的电流逐渐熄灭,故 D 错误。 【点睛】 解决本题关键理解线圈对交变电流的阻碍作用有两:1、线圈导线本身的电阻(直流电阻),2、 感抗即xL = 2fL。 6一个含有理想变压器的电路如图所示,其中R1、R3、R4为定值电阻,R2为滑动
14、变阻器,电表 为理想电表,u 为正弦交流电源,其电压有效值恒定,当滑片P从左向右滑动的过程,下列说法 正确的是() A理想变压器输出功率减小 B电流表示数减小 C电容器C所带电荷量始终不变 D电压表示数不变 【答案】 B 2 n1 【解析】AB、根据功率相等可知:UI1 = I12R1 + (n2) I21(R2 + R3) 当滑片P 从左向右滑动的过程R2的阻值增大,所以I1减小, 则理想变压器的输出功率为P = UI1 - I12R1则变压器的输出功率时关于电流的一元二次函数, 所以输出功率随电流I1的减小有可能增大也有可能减小,故 A 错误;B 正确; C、由于电流I1变小,变压器的匝数
15、不变,所以副线圈上的电流也变小,所以电阻 R3上的电压 变小,根据Q = CU3可知电容器上的电荷量也在减小,故 C 错误; 5 U1 n1 D、U1 = U - I1R1,由于电流I1减小,所以电压U1增大,变压器匝数不变,根据U2 = n2,所以U2 也增大,故 D 错误; 故选 B 7一个含有理想变压器的电路如图所示,图中 L1、L2和 L3是完全相同的三个灯泡,U 为正弦 交流电源。当开关 S 断开时,电路中的灯泡均能正常发光。下列说法正确的是 A理想变压器原、副线圈匝数比为 2:1 B理想变压器原、副线圈匝数比为 1:1 C开关 S 闭合稳定后,灯泡 L1和 L2消耗的功率之比为 1
16、:4 D开关 S 闭合稳定后,灯泡 L1能正常发光而 L2 无法正常发光 【答案】 B 【解析】A、B、设三个灯泡的电阻为 R,正常发光的电流为 I,电压为 U0,有流过原线圈的电 n I 1 流 ,流过副线圈的电流也为 ,由变压器知识得 ,故 A 错误,B 正确。 I I I I 1 2 1 2 n I 1 2 1 C、开关 S 闭合稳定后,设流过副线圈的电流为 ,可知流过原线圈的电流 ,根据功率 I I I 2 1 2 P I R 2 可知 L1和 L2的功率之比为 1:1,故 C 错误。D、开关 S 闭合前,对原线圈电路有 U IR IR 2 ,而 S 闭合后有 ,解得 可得三个灯泡均不
17、能正常发光.D U IR I R I I 1 1 2 1 3 错误。故选 B。 【点睛】本题考查理想变压器原理及应用,要注意明确电路结构,知道开关通断时电路的连接 方式;同时注意明确输入电压与总电压之间的关系。 8如图,理想变压器的原线圈与二极管一起接在u = 220 2sin100t (V)的交流电源上, 副线圈接有 R=55 的电阻,原、副线圈匝数比为 21。假设该二极管的正向电阻为零,反向 电阻为无穷大,电流表为理想电表。则 A副线圈的输出功率为 110W B原线圈的输入功率为 110 2W 6 C电流表的读数为 1A D副线圈输出的电流方向不变 【答案】 A 【解析】 因为原线圈上接有
18、理想二极管,原线圈只有半个周期有电流,副线圈也只有半个周期有电流。 U1m:U2m = n1:n2,所以副线圈电压的最大值为U2m = 110 2V,设副线圈电压的有效值为U2,则 U2m 2 U2 T ( 2) U2 有 ,解得 ,副线圈的输出功率为: ,原线圈的输 RT = 0 + R 2 U2 = 55 2V P2 = R = 110W U2 入功率为P1 = P2 = 110W,A 正确 B 错误;电流表读数为:I2 = ,C 错误;因为原线 R = 2A 圈上接有理想二极管,原线圈中电流方向不变,原线圈中电流增大和减小时在副线圈中产生的 感应电流方向相反,副线圈输出的电流方向改变,D
19、 错误 【点睛】有效值是根据电流热效应来规定的,让一个交流电流和一个直流电流分别通过阻值相 同的电阻,如果在相同时间内产生的热量相等,那么就把这一直流电的数值叫做这一交流电的 有效值。计算电功率使用有效值,交流电表的读数是有效值 9图甲中理想变压器原、副线圈的匝数之比 n1n251,电阻 R10 ,L1、L2为规格相 同的两只小灯泡,S1为单刀双掷开关。原线圈接正弦交变电源,输入电压 u 随时间 t 的变化关 系如图乙所示现将 S1接 1、S2闭合,此时 L2正常发光。下列说法正确的是( ) A只断开 S2后,原线圈的输入功率增大 B输入电压 u 的表达式u = 20 2sin(50t) C若
20、 S1 换接到 2 后,原线圈的输入功率为 1.6 W D若 S1 换接到 2 后,R 消耗的电功率为 0.8 W 【答案】 D 【解析】 A、只断开 S2后,负载电阻变为原来的 2 倍,副线圈电压不变,则副线圈的功率变小,即原线 2 圈的输入功率变小,A 错 误;B、由图乙知周期 T=0.02s, = ,所以输入电压 u 0.02 = 100 U1 n1 5 的表达式应为u = 20 2sin(100t)V,B 错 误;C、D、若 S1换接到 2 后,由 , U2 = n2 = 1 U1 = 20 2 U2 42 2 = 20V P2 = R = 20 = 0.8W ,则电阻 R 电压有效值
21、为 4V,R 消耗的电功率为 ,而变压器两 端的功率相等,则输入功率也为 0.8W,C 错误,D 正确故选 D. 7 【点睛】掌握理想变压器的电压与匝数成正比,电流与匝数成反比,变压器的输入功率和输出 功率相等。 10匝数为 100匝的线圈通有如图所示的交变电流(图中曲线为余弦曲线的一部分),单匝线圈 电阻 r0.02,则在 010s 内线圈产生的焦耳热为( ) A.80J B.85JC.90J D.125J 【答案】 B 【解析】 试题分析:根据有效值的定义方法可知: ( )2R +22 =I2RT 解得 I= A 总电阻为 r=1000.02=2; 则 10s内产生的焦耳热 Q=I2rt=
22、( )2210=85J; 故选:B 【名师点睛】本题要注意明确该交流电中前二分之一周期为正弦交流电的四分之一周期,该时 间内的有效值和最大值之间的关系仍然为 I 2I . m 二、多选题 11图为模拟远距离输电的部分测试电路。a、b 端接电压稳定的正弦交变电源,定值电阻阻 值分别为 R1、R2,且 R1 r,若负载电路的 灯泡增多,则等效电阻 R 减小,根据电源输出功率与电阻之间关系的函数图像可知,此时发电 机的输出功率会增大,故D 对; 故选 CD 【点睛】 此题比较复杂,对于原线圈中有用电器的变压器问题来说,一般做题的方向是利用前后功率相 等来求解的。 20如图(a)所示,理想变压器原副线
23、圈匝数比 n1 : n2 = 55:4,原线圈接有交流电流表 A1,副 线圈电路接有交流电压表 V、交流电流表 A2、滑动变阻器 R 等,所有电表都是理想电表,二极 管 D 正向电阻为零,反向电阻无穷大,灯泡 L 的阻值恒定。原线圈接入的交流电压的变化规律 如图(b)所示,则下列说法正确的是 A交流电压表 V 的读数为32 2V B灯泡 L 两端电压的有效值为16 2V C当滑动变阻器的触头 P 向上滑动时,电流表 A1示数减小,V 示数增大 D由图(b)可知交流发电机转子的角速度为100rad/s 【答案】 BD 【解析】 【分析】 根据电压之比等于线圈匝数之比可求得输出端的有效值,从而确定
24、电压表示数;根据有效值的 定义以及二极管的性质则可明确灯泡 L 两端的电压的有效值,再根据电路结构分析电流表的变 15 化;根据图 b 可知输入电压的最大值和周期,从而求出对应的有效值和角速度. 【详解】 U1 n1 A、由图 b 可知,原线圈输入电压有效值为 440V,根据 ,可得副线圈电压为 32V,交流 U2 = n2 电压表 V 的示数为有效值即为 32V,故 A 错误; B、设灯泡 L 两端电压的有效值为 U,灯泡的阻值为 r,交变电流的周期为 T,根据交变电流 322 U T 2 有效值的定义有: 2 = ,解得: ,故 B 正确; R R T U = 16 2V C、当滑动变阻器
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