第十章 交變電流 傳感器

目錄第十章

交變電流傳感器第1單元

交變電流的產生及描述第2單元

變壓器電能的傳輸實驗十一

傳感器的簡單應用[學習目標定位]第十章交變電流傳感器1.交變電流的產生、圖像和有效值問題。2．變壓器、電壓、功率、電流關系及遠距離輸電。考點點擊高考對本部分知識的考查主要以選擇題的形式出現(xiàn)，但也出現(xiàn)過關于交變電流的計算題，試題的難度一般在中等偏下，分值在6～10分左右。高考地位1.交變電流、交變電流的圖像 (Ⅰ)2．正弦式交變電流的函數(shù)表達式、峰值和有效值 (Ⅰ)3．理想變壓器 (Ⅰ)4．遠距離輸電 (Ⅰ)實驗十一：傳感器的簡單使用考

情

在

線考

綱

下

載交變電流的產生及變化規(guī)律提示：線圈每經過中性面一次，感應電流的方向就改變一次，線圈平面每轉動一周，經過兩次中性面，故感應電流的方向改變兩次。[想一想]

線圈在勻強磁場中轉動產生交變電流，線圈平面每轉動一周，感應電流的方向改變幾次？線圈在什么位置，電流方向會發(fā)生改變？

1．交變電流(1)定義：

和

都隨時間做周期性變化的電流。(2)圖像：如圖10-1-1(a)、(b)、(c)、(d)所示都屬于交變電流。其中按正弦規(guī)律變化的交變電流叫正弦式交變電流，如圖10-1-1(a)所示。[記一記]大小方向2．正弦式電流的產生和圖像(1)產生：在勻強磁場里，線圈繞

方向的軸勻速轉動。(2)圖像：用以描述交流電隨時間變化的規(guī)律，如果線圈從中性面位置時開始計時，其圖像為正弦曲線。如圖10-1-1(a)所示。垂直于磁場 [試一試]1．一只矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁感線的軸勻速轉動，穿過線圈的磁通量隨時間變化的圖像如圖10-1-2甲所示，則下列說法正確的是(

)圖10-1-2[想一想]

描述正弦式電流的物理量

圖10-1-3[記一記]

[試一試]圖10-1-4Φ＝Φm·cos

ωt＝BScos

ωt磁通量圖像函數(shù)規(guī)律物理量電流電壓電動勢圖像函數(shù)規(guī)律物理量圖10-1-5討論電容器的擊穿電壓最大的瞬時值峰值計算線圈某時刻的受力情況

交變電流某一時刻的值瞬時值適用情況及說明重要關系物理含義物理量(1)計算與電流的熱效應有關的量(如電功、電功率、電熱等)(2)電氣設備“銘牌”上所標的一般是指有效值(3)保險絲的熔斷電流為有效值跟交變電流的熱效應等效的恒定電流的值有效值適用情況及說明重要關系物理含義物理量計算通過電路截面的電荷量交變電流圖像中圖線與時間軸所夾的面積與時間的比值平均值適用情況及說明重要關系物理含義物理量圖10-1-6[審題指導]第一步：抓關鍵點產生余弦式交流電從圖示位置開始計時線圈中產生交流電勻強磁場、轉軸垂直于磁場、勻速轉動獲取信息關鍵點第二步：找突破口右手抓著發(fā)電機左手抓著電動機形象比喻(1)產生的感應電動勢方向由右手定則判定(2)感應電動勢大小由法拉第電磁感應定律計算(3)注意感應電流的最大值、瞬時值、有效值和平均值的計算(4)能量轉化中滿足守恒(1)受力由左手定則來判斷(2)能量關系：P總＝P輸出＋P熱(3)實際功率：P實際≤P額定(4)電壓、電流關系：U>IR解題要點機械能轉化為電能電能轉化為機械能能量轉化閉合線圈在磁場中受外力轉動，產生感應電動勢通電線圈在磁場中受到安培力而轉動工作原理發(fā)電機電動機圖10-1-7圖10-1-8[隨堂鞏固落實]圖10-1-9圖10-1-10圖10-1-11圖10-1-12圖10-1-13課時跟蹤檢測見“課時跟蹤檢測（三十七）”[想一想]圖10-2-1(1)當原線圈接在44V直流電源上時，電壓表、電流表的示數(shù)分別為多少？(2)當原線圈接在220V交流電源上時，電壓表、電流表的示數(shù)分別為多少？1．構造：如圖10-2-2所示。理想變壓器由

、

和閉合鐵芯組成。[記一記]原線圈副線圈圖10-2-2[試一試]圖10-2-3[想一想]照明供電線路的路端電壓基本上是保持不變的?？墒俏覀冊谕砩掀?、八點鐘用電高峰時開燈，電燈比深夜時要顯得暗些。這是什么原因呢？電能的輸送

提示：在用電高峰時，總電阻比深夜時小，供電線路上的電流大，輸電線上損失的電壓較大，因而每盞燈兩端的電壓較低。[記一記]1．輸電過程(如圖10-2-4所示)圖10-2-4[試一試]圖10-2-5變壓器的工作原理及基本關系

圖10-2-61.匝數(shù)比不變的情況(如圖10-2-7所示)變壓器的動態(tài)分析

圖10-2-72．負載電阻不變的情況(如圖10-2-8所示)圖10-2-8圖10-2-9A．當滑片c向b端移動時，變壓器輸入功率變大B．當滑片c向a端移動時，電流表A1的示數(shù)將減小，電壓表V的示數(shù)不變C．當滑片c向b端移動時，電流表A2的示數(shù)將變大，電壓表V的示數(shù)也變大D．滑片c不動，將開關S由1擲向2時，三個電表A1、A2、V的示數(shù)都變大1.遠距離高壓輸電的幾個基本關系(以圖10-2-10為例)遠距離輸電問題

圖10-2-102．關于遠距離輸電問題的處理思路(1)畫出輸電線路圖，將已知量和未知量標在圖中相應位置；(2)將輸電線路劃分為幾個獨立回路；(3)根據(jù)串并聯(lián)電路特點、歐姆定律、電功率公式等確定各部分回路物理量之間關系；(4)根據(jù)升壓、降壓，原、副線圈的電壓、電流關系和功率關系列式求解。[模型概述]1．自耦變壓器高中物理中研究的變壓器本身就是一種忽略了能量損失的理想模型，自耦變壓器(又稱調壓器)，它只有一個線圈，其中一部分作為另一個線圈，當交流電源接不同的端點時，它可以升壓也可以降壓，變壓器的基本關系對自耦變壓器均適用。圖10-2-11如圖10-2-13所示，接于理想變壓器中的四個規(guī)格相同的燈泡都正常發(fā)光，那么，理想變壓器的匝數(shù)比n1∶n2∶n3為(

)圖10-2-13A．1∶1∶1

B．3∶2∶1C．6∶2∶1 D．2∶2∶1[隨堂鞏固落實]圖10-2-14解析：遠距離輸電先升壓，再降壓，選項A正確，B錯誤；由于輸電線有電壓損失，故a的輸出電壓等于b的輸入電壓與損失的電壓之和，選項C、D均錯。答案：A

2．(多選)為探究理想變壓器原、副線圈電壓、電流的關系，將原線圈接到電壓有效值不變的正弦交流電源上，副線圈連接相同的燈泡L1、L2，電路中分別接了理想交流電壓表V1、V2和理想交流電流表A1、A2，導線電阻不計，如圖10-2-15所示。當開關S閉合后(

)圖10-2-15A．A1示數(shù)變大，A1與A2示數(shù)的比值不變B．A1示數(shù)變大，A1與A2示數(shù)的比值變大C．V2示數(shù)變小，V1與V2示數(shù)的比值變大D．V2示數(shù)不變，V1與V2示數(shù)的比值不變解析：因為變壓器的匝數(shù)與輸入電壓U1不變，所以電壓表V1的示數(shù)和電壓表V2的示數(shù)不變，C錯誤，D正確；當S閉合后，因為負載電阻減小，故次級線圈中的電流I2增大，由于輸入功率等于輸出功率，所以I1也將增大，但因為變壓器的匝數(shù)不變，A1與A2示數(shù)的比值不變，故B錯誤，A正確。答案：AD

3．(2013·四川高考)用220V的正弦交流電通過理想變壓器對一負載供電，變壓器輸出電壓是110V，通過負載的電流圖像如圖10-2-16所示，則(

)圖10-2-164．如圖10-2-17所示，自耦變壓器輸入端A、B接交流穩(wěn)壓電源，其電壓有效值UAB＝100V，R0＝40Ω，當滑動片處于線圈中點位置時，C、D兩端電壓的有效值UCD為______V，通過電阻R0的電流有效值為______A。圖10-2-17答案：200

5課時跟蹤檢測見“課時跟蹤檢測（三十八）”一、實驗目的(1)認識熱敏電阻、光敏電阻等傳感器的特性。(2)了解傳感器的簡單應用。二、實驗原理(1)傳感器能夠將感受到的物理量(力、熱、光、聲等)轉換成便于測量的量(一般是電學量)。(2)其工作過程如圖實-11-1所示：圖實-11-1三、實驗器材熱敏電阻、光敏電阻、多用電表、鐵架臺、燒杯、冷水、熱水、小燈泡、學生電源、繼電器、滑動變阻器、開關、導線等。四、實驗過程1．研究熱敏電阻的熱敏特性(1)實驗步驟：①按圖實-11-2所示連接好電路，將熱敏電阻絕緣處理；②把多用電表置于“歐姆”擋，并選擇適當?shù)牧砍虦y出燒杯中沒有熱水時熱敏電阻的阻值，并記下溫度計的示數(shù)；③向燒杯中注入少量的冷水，使熱敏電阻浸沒在冷水中，記下溫度計的示數(shù)和多用電表測量的熱敏電阻的阻值；④將熱水分幾次注入燒杯中，測出不同溫度下熱敏電阻的阻值，并記錄。圖實-11-2(2)數(shù)據(jù)處理：①根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，把測量到的溫度、電阻值填入下表中，分析熱敏電阻的特性。電阻(Ω)溫度(℃)次數(shù)待測量

②在圖實-11-3坐標系中，粗略畫出熱敏電阻的阻值隨溫度變化的圖線。③根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和R－t圖線，得出結論：熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，隨溫度的降低而增大。圖實-11-32．研究光敏電阻的光敏特性

(1)實驗步驟：①將光敏電阻、多用電表、燈泡、滑動變阻器按如圖實-11-4所示電路連接好，其中多用電表置于“×100”擋；圖實-11-4②先測出在室內自然光的照射下光敏電阻的阻值，并記錄數(shù)據(jù)；③接通電源，讓小燈泡發(fā)光，調節(jié)滑動變阻器使小燈泡的亮度逐漸變亮，觀察表盤指針顯示電阻阻值的情況，并記錄；④用手掌(或黑紙)遮住光，觀察光敏電阻的阻值又是多少，并記錄。(2)數(shù)據(jù)處理：把記錄的結果填入下表中，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)分析光敏電阻的特性。阻值(Ω)無光照射強中弱光照強度結論：光敏電阻的阻值被光照射時發(fā)生變化，光照增強電阻變小，光照減弱電阻變大。五、注意事項(1)在做熱敏電阻實驗時，加開水后要等一會兒再測其阻值，以使電阻溫度與水的溫度相同，并同時讀出水溫。(2)在做光敏電阻實驗中，如果效果不明顯，可將電阻部分電路放入帶蓋的紙盒中，并通過蓋上小孔改變射到光敏電阻上的光的多少。(3)歐姆表每次換擋后都要重新調零。實驗原理與操作

[例1]熱敏電阻是傳感電路中常用的電子元件，現(xiàn)用伏安法研究電阻在不同溫度下的伏安特性曲線，要求特性曲線盡可能完整。已知常溫下待測熱敏電阻的阻值約4～5Ω。將熱敏電阻和溫度計插入帶塞的保溫杯中，杯內有一定量的冷水，其他備用的儀表和器具有：盛有熱水的熱水瓶(圖中未畫出)、電源(3V、內阻可忽略)、直流電流表(內阻約1Ω)、直流電壓表(內阻約5kΩ)、滑動變阻器(0～20Ω)、開關、導線若干。圖實-11-5(1)畫出實驗電路圖。(2)根據(jù)電路圖，在圖實-11-5所示的實物圖上連線。(3)簡要寫出完成接線后的主要實驗步驟。[解析]常溫下待測熱敏電阻的阻值(約4～5Ω)較小，應該選用安培表外接法。熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，熱敏電阻兩端的電壓由零逐漸增大，滑動變阻器選用分壓式。(1)實驗電路如圖實-11-6所示。圖實-11-6(2)根據(jù)電路圖，連接實物圖如圖實-11-7所示。圖實-11-7(3)完成接線后的主要實驗步驟：①往保溫杯里加一些熱水，待溫度計穩(wěn)定時讀出溫度計值；②調節(jié)滑動變阻器，快速測出幾組電壓表和電流表的值；③重復①和②，測量不同溫度下的數(shù)據(jù)；④繪出各測量溫度下的熱敏電阻的伏安特性曲線。[題組演練]1．(多選)美國科學家WillardS.Boyle與GeorgeE.Smith因電荷耦合器件(CCD)的重要發(fā)明榮獲2009年度諾貝爾物理學獎。CCD是將光學量轉變成電學量的傳感器。下列器件可作為傳感器的有(

) A．發(fā)光二極管 B．熱敏電阻 C．霍爾元件 D．干電池解析：傳感器是指能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等非電學量，并把它們按照一定的規(guī)律轉換為電壓、電流等電學量的元件。發(fā)光二極管是電學元件，是電能轉換成光能的元件，不是傳感器，A錯誤；干電池是一種電源，不是傳感器，D錯誤；熱敏電阻受熱時，其電阻會發(fā)生變化，能把熱學量轉換成電學量，是傳感器，B正確；霍爾元件能夠把磁感應強度這個非電學量轉換成電壓這個電學量，是傳感器，C正確。答案：BC

2．2007年度諾貝爾物理學獎授予了法國和德國的兩位科學家，以表彰他們發(fā)現(xiàn)“巨磁電阻效應”。基于巨磁電阻效應開發(fā)的用于讀取硬盤數(shù)據(jù)的技術，被認為是納米技術的第一次真正應用。在下列有關其他電阻應用的說法中，錯誤的是(

) A．熱敏電阻可應用于溫度測控裝置中 B．光敏電阻是一種光電傳感器 C．電阻絲可應用于電熱設備中 D．電阻在電路中主要起到通過直流、阻礙交流的作用解析：熱敏電阻對溫度很敏感，光敏電阻對光照很敏感，電阻絲可用于電加熱，這很常見，所以A、B、C三個說法均正確；交流電、直流電均可通過電阻，電阻對它們均可產生阻礙作用，所以D錯誤。答案：D

3．(多選)(2013·聊城模擬)如圖實-11-8所示，R1、R2為定值電阻，L為小燈泡，R3為光敏電阻，當照射光強度增大時(

)圖實-11-8A．電壓表的示數(shù)增大B．R2中電流減小C．小燈泡的功率增大

D．電路的路端電壓增大解析：當照射光強度增大時，R3阻值減小，外電路電阻隨R3的減小而減小，R1兩端電壓因干路電流增大而增大，同時內電壓增大，故電路路端電壓減小，電壓表的示數(shù)增大，A項正確，D項錯誤；由路端電壓減小，R1兩端電壓增大知，R2兩端電壓必減小，則R2中電流減小，故B項正確；結合干路電流增大知流過小燈泡的電流必增大，則小燈泡的功率增大，故C項正確。答案：ABC

數(shù)據(jù)處理與誤差分析

[例2]

用對溫度敏感的半導體材料制成的某熱敏電阻RT，在給定溫度范圍內，其阻值隨溫度的變化是非線性的。某同學將RT和兩個適當?shù)墓潭娮鑂1、R2連成圖實-11-9虛線框內所示的電路，以使該電路的等效電阻RL的阻值隨RT所處環(huán)境溫度的變化近似為線性的，且具有合適的阻值范圍。為了驗證這個設計，他采用伏安法測量在不同溫度下RL的阻值，測量電路如圖所示，圖中的電壓表內阻很大。RL的測量結果如下表所示。圖實-11-934.737.941.444.748.351.554.3阻值RL(Ω)90.080.070.060.050.040.030.0溫度t(℃)回答下列問題：(1)根據(jù)圖實-11-9所示的電路，在圖實-11-10所示的實物圖上連線。圖實-11-10(2)為了驗證RL與t之間近似為線性關系，在圖實-11-11坐標紙上作RL-t關系圖線。圖實-11-11(3)在某一溫度下，電路中的電流表、電壓表的示數(shù)如圖實-11-12所示。電流表的讀數(shù)為________，電壓表的讀數(shù)為________。此時等效電阻RL的阻值為________；熱敏電阻所處環(huán)境的溫度約為________。圖實-11-12[解析]

(1)根據(jù)電路圖連接實物圖。圖實-11-13(2)根據(jù)數(shù)據(jù)描出點，作出直線。圖實-11-14[題組演練]4．(2013·江蘇高考)在輸液時，藥液有時會從針口流出體外，為了及時發(fā)現(xiàn)，設計了一種報警裝置，電路如圖實-11-15所示。M是貼在針口處的傳感器，接觸到藥液時其電阻RM發(fā)生變化，導致S兩端電壓U增大，裝置發(fā)出警報，此時(

)圖實-11-15答案：C5．溫度傳感器廣泛應用于室內空調、電冰箱等家用電器中，它是利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性工作的。如圖實-11-16甲所示，電源的電動勢E＝9.0V，內電阻不計；G為靈敏電流計，內阻Rg保持不變；R為熱敏電阻，其電阻值與溫度的變化關系如圖乙所示。閉合開關S，當R的溫度等于20℃時，電流表示數(shù)I1＝2mA；當電流表的示數(shù)I2＝3.6mA時，熱敏電阻的溫度是________℃。圖實-11-16答案：120實驗的改進與創(chuàng)新

[例3]為了節(jié)能和環(huán)保，一些公共場所使用光控開關控制照明系統(tǒng)。光控開關可采用光敏電阻來控制，光敏電阻是阻值隨著光的照度而發(fā)生變化的元件(照度可以反映光的強弱，光越強照度越大，照度單位為lx)。某光敏電阻RP在不同照度下的阻值如下表：182023284075電阻(kΩ)1.21.00.80.60.40.2照度(lx)(1)根據(jù)表中數(shù)據(jù)，請在圖實-11-17所示的坐標系中描繪出阻值隨照度變化的曲線，并說明阻值隨照度變化的特點。圖實-11-17(2)如圖實-11-18所示，當1、2兩端所加電壓上升至2V時，控制開關自動啟動照明系統(tǒng)。請利用下列器材設計一個簡單電路，給1、2兩端提供電壓，要求當天色漸暗照度降低至1.0lx時啟動照明系統(tǒng)，在虛線框內完成電路原理圖。(不考慮控制開關對所設計電路的影響)提供的器材如下：光敏電阻RP(符號，阻值見上表)；直流電源E(電動勢3V，內阻不計)；圖實-11-18定值電阻：R1＝10kΩ，，R2＝20kΩ，R3＝40kΩ(限選其中之一并在圖中標出)；開關S及導線若干。[解析]

(1)描繪圖像應注意：各點均勻分布在圖線兩側，且圖線應用平滑曲線，而不能成為各點的連線。光敏電阻的阻值隨光照度變化的曲線如圖實-11-19所示，電阻的阻值隨光照度的增大而減小。圖實-11-19圖實-11-20[答案]見解析[題組演練]6．利用負溫度系數(shù)熱敏電阻制作的熱傳感器，一般體積很小，可以用來測量很小范圍內的溫度變化，反應快，而且精確度高。 (1)如果將負溫度系數(shù)