2025届高考物理三轮复习学案：交变电流、远距离输电、传感器

交变电流、远距离输电、传感器 一 、交变电流的产生 1．原理：电磁感应 2．两个特殊位置的特点 ①中性面 (S⊥B, 线圈平面与磁感线垂直的平面) 特点：磁通量最大，，，，感应电流方向改变。 ②线圈平面与中性面垂直 (S//B，线圈平面与磁感线平行的平面) 特点：磁通量最小， 最 大 ，e 最大，i 最大，电流方向不变。 ③一个周期内线圈中电流的方向改变两次。 3．穿过线圈的磁通量与产生的感应电动势、感应电流随时间变化的函数关系总是互余的。 取中性面为计时平面： 磁通量： 电动势表达式： 电流表达式： 电压表达式： 注意：熟记角速度、周期、频率、转速的关系 4．感应电动势最大值，与转轴位置无关，与线圈形状无关。 二、表征交变电流的物理量 1．有效值的计算 (1)计算有效值时要根据电流的热效应，抓住“三同”：“相同时间”内“相同电阻”上产生“相同热量”，先分段计算热量，求和得出一个周期内产生的总热量，再根据或 列式求解。 (2)若图像部分是正弦(或余弦)式交变电流，其中的周期(必须是从零至最大值或从最大值至零) 和周期部分可直接应用正弦式交变电流有效值与最大值间的关系 、求解。 (3)利用能量关系：当有电能和其他形式的能转化时，可利用能的转化和守恒定律来求有效值。 2．交变电流“四值”的理解和计算 瞬时值、峰值(最大值)、有效值、平均值的比较 物理量 物理含义 重要关系 适用情况及说明 瞬时值 交变电流某一时刻的值 e＝Emsin ωt u＝Umsin ωt i＝Imsinωt 计算线圈某时刻的受力情况 计算闪光电器的闪光时间 最大值 最大的瞬时值 Em＝nBSω 讨论电容器的击穿电压(耐压值) 有效值 跟交变电流的热效应等 效的恒定电流值(注意有 效值的定义) 对正(余)弦交流电有： (1)计算与电流的热效应有关的量 (如功、功率、热量)等 (2)电表测量、电气设备“铭牌”上所标的一般是有效值 (3)保险丝的熔断电流为有效值 (4)交流电表测量的数值为有效值 平均值 交变电流图像中图线与 时间轴所夹的面积与时 间的比值 ＝BL ＝n ＝ 计算通过电路截面的电荷量 三 、理想变压器 1．电压关系： (即原副线圈中每一匝的电压相同) 2．功率关系：； (1)只有一组副线圈时： ； (2)有多组副线圈时：； 3．变压器只能改变交变电流的电压和电流，不改变频率。原、副线圈中交流电的频率一样：. 4．变压器的线圈电流大，线圈导线粗，匝数少；电流小，线圈导线细，匝数多。由于高压端电流小，故高压端线圈导线比低压端线圈导线细一些。 四 、变压器各物理量的制约关系 1．电压制约：副线圈电压U2由原线圈电压U1和匝数比决定，即， 可简述为“原制约副”。 2．电流制约：原线圈电流I1由副线圈电流I2和匝数比决定，即，可简述为“副制约原”。 3．功率制约：原线圈的输入功率P入由副线圈的输出功率P出决定，即， 可简述为“副制约原”。 五、电能的远距离输送发电厂 U4 R线 升压 降压 1．理清输电电路图的三个回路： (1)在电源回路中， (2)在输送回路中，，，， ， (3)在用户回路中， 2．抓住两组关联式 (1)理想的升压变压器联系着电源回路和输送回路，由理想变压器原理可得： ，， (2)理想的降压变压器联系着输送回路和用户回路，由理想变压器原理可得： ，， 3．掌握一个守恒观念 功率关系：，其中 六、传感器 1．常见传感器 (1)光敏电阻：光照越强，光敏电阻阻值越小。 (2)热敏电阻 ①正温度系数热敏电阻器的电阻值随温度的升高而增大；(一般金属) ②负温度系数热敏电阻器的电阻值随温度的升高而减小。(特制半导体材料) (3)电容传感器： (4)力传感器：将力信号转化为电流信号的元件。 (5)霍尔元件：磁学量转化为电压这个电学量的元件。 2．传感器应用 力传感器的应用——电子秤； 温度传感器的应用——电熨斗、电饭锅、测温仪； 光传感器的应用——鼠标器、火灾报警。 练习： 1．(2022广东卷)如图所示是简化的某种旋转磁极式发电机原理图。定子是仅匝数n不同的两线圈，n1>n2，二者轴线在同一平面内且相互垂直，两线圈到其轴线交点O的距离相等，且均连接阻值为R的电阻，转子是中心在O点的条形磁铁，绕O点在该平面内匀速转动时，两线圈输出正弦式交变电流。不计线圈电阻、自感及两线圈间的相互影响，下列说法正确的是(　　) A．两线圈产生的电动势的有效值相等 B．两线圈产生的交变电流频率相等 C．两线圈产生的电动势同时达到最大值 D．两电阻消耗的电功率相等 2．(2024广西柳州柳江中学模拟)甲、乙图分别表示两种电压的波形，其中甲图所示的电压按正弦规律变化。下列说法正确的是(　　) A．甲图表示交流电，乙图表示直流电 B．甲图电压的有效值为220 V，乙图电压的有效值小于220 V C．乙图电压的瞬时值表达式为u＝220sin (10πt) V D．甲图电压经过匝数比为1∶10的变压器变压后，频率变为原来的10倍 3．(多选)(2024辽宁葫芦岛模拟)如图所示，矩形线圈面积为S，匝数为N，线圈电阻为r，在磁感应强度为B的匀强磁场中绕OO′轴以角速度ω匀速转动，外电路电阻为R，在线圈由图示位置转过90°的过程中，下列说法正确的是(　　) A．图示位置为中性面 B．电压表的示数为NBSω C．电流表的示数为 D．通过电阻R的电荷量为q＝ 4．(2022湖南卷)如图所示，理想变压器原、副线圈总匝数相同，滑动触头P1初始位置在副线圈正中间，输入端接入电压有效值恒定的交变电源。定值电阻R1的阻值为R，滑动变阻器R2的最大阻值为9R，滑片P2初始位置在最右端。理想电压表 的示数为U，理想电流表的示数为I。下列说法正确的是(　　) A．保持P1位置不变，P2向左缓慢滑动的过程中，I减小，U不变 B．保持P1位置不变，P2向左缓慢滑动的过程中，R1消耗的功率增大 C．保持P2位置不变，P1向下缓慢滑动的过程中，I减小，U增大 D．保持P2位置不变，P1向下缓慢滑动的过程中，R1消耗的功率减小 5．(多选)(2023湖南卷)某同学自制了一个手摇交流发电机，如图所示。大轮与小轮通过皮带传动(皮带不打滑)，半径之比为4∶1，小轮与线圈固定在同一转轴上。线圈是由漆包线绕制而成的边长为L的正方形，共n匝，总阻值为R。磁体间磁场可视为磁感应强度大小为B的匀强磁场。大轮以角速度ω匀速转动，带动小轮及线圈绕转轴转动，转轴与磁场方向垂直。线圈通过导线、滑环和电刷连接一个阻值恒为R的灯泡。假设发电时灯泡能发光且工作在额定电压以内，下列说法正确的是(　　) A．线圈转动的角速度为4ω B．灯泡两端电压有效值为3nBL2ω C．若用总长为原来两倍的相同漆包线重新绕制成边长仍为L的 多匝正方形线圈，则灯泡两端电压有效值为 D．若仅将小轮半径变为原来的两倍，则灯泡变得更亮 6．(2023山东卷)某节能储能输电网络如图所示，发电机的输出电压U1＝250 V，输出功率为500 kW。降压变压器的匝数比n3∶n4＝50∶1，输电线总电阻R＝62.5 Ω，其余线路电阻不计，用户端电压U4＝220 V，功率为88 kW，所有变压器均为理想变压器。下列说法正确的是(　　) A．发电机的输出电流为368 A B．输电线上损失的功率为4.8 kW C．输送给储能站的功率为408 kW D．升压变压器的匝数比n1∶n2＝1∶44 7. (2021福建卷T3)某住宅小区变压器给住户供电的电路示意图如图所示，图中R为输电线的总电阻。若变压器视为理想变压器，所有电表视为理想电表，不考虑变压器的输入电压随负载变化，则当住户使用的用电器增加时，图中各电表的示数变化情况是（　　） A. A1增大，V2不变，V3增大 B. A1增大，V2减小，V3增大 C. A2增大，V2增大，V3减小 D. A2增大，V2不变，V3减小 8. (2022福建卷T6)某同学利用如图所示电路模拟远距离输电．图中交流电源电压为，定值电阻，小灯泡、的规格均为“ ”，理想变压器、原副线圈的匝数比分别为1∶3和3∶1．分别接通电路Ⅰ和电路Ⅱ，两电路都稳定工作时，（　　） A. 与一样亮 B. 比更亮 C. 上消耗的功率比的大 D. 上消耗的功率比的小 1、B　[根据E＝n，两线圈中磁通量的变化率相等，但是匝数不等，则产生的感应电动势最大值不相等，有效值也不相等，根据P＝可知，两电阻消耗的电功率也不相等，选项A、D错误；因两线圈放在同一个旋转磁铁的旁边，则两线圈产生的交流电的频率相等，选项B正确；当磁铁的磁极到达线圈附近时，磁通量变化率最大，感应电动势最大，可知两线圈产生的感应电动势不可能同时达到最大值，选项C错误。故选B。] 2、B　[由于两题图中表示的电压大小和方向都随时间周期性变化，因此都为交流电，故A错误；由于对应相同时刻，题图甲电压比题图乙电压大，根据有效值的定义可知，题图甲的有效值要比题图乙的有效值大，题图甲是正弦式交流电，所以有效值U＝＝220 V，故乙的有效值小于220 V，则B正确；题图乙不是正弦式交流电，所以表达式不是正弦函数，故C错误；理想变压器变压后，频率不发生变化，故D错误。] 3、AD　[当线圈平面与磁感线垂直时，磁通量最大，磁通量的变化率为零，感应电动势为零，线圈中电流为零，即为中性面位置，故A正确；线圈在磁场中转动，产生的电动势的最大值为Em＝NBSω，电动势的有效值为E＝，电压表测量的是电路的外电压的有效值，所以电压表的示数为U＝×R＝，故B错误；电流表的示数 I＝＝，故C错误；由＝Δt可知，电荷量q＝，故D正确。] 4、B　[设原线圈两端电压为U1，副线圈两端电压为U2，通过原线圈的电流为I1，通过副线圈的电流为I2，由理想变压器变压规律和变流规律可得，原、副线圈及定值电阻R1的等效电阻为R′＝＝＝()2＝()2R1。保持P1位置不变，将原、副线圈及电阻R1等效为一定值电阻，P2向左缓慢滑动过程中，R2接入电路的电阻减小，则整个电路的总电阻减小，由欧姆定律可知，回路中电流I增大，原线圈两端电压增大，又电源电压不变，故电压表示数U减小，A项错误；由于原线圈两端电压增大，由理想变压器变压规律可知，副线圈两端电压增大，故R1消耗的功率增大，B项正确。当P2位置不变，P1向下滑动时，n2减小，等效电阻R′增大，由欧姆定律可知，回路中电流减小，R2两端电压减小，C项错误；由于R2两端电压减小，则原线圈两端电压增大，由变压规律可知，副线圈两端电压增大，R1的功率增大，D项错误。] 5、AC　[由题意得大轮与小轮通过皮带传动，所以大轮和小轮边缘处的线速度相同，又v＝ωr，所以角速度与半径成反比，因为大轮半径与小轮半径之比为4∶1且大轮的角速度为ω，故小轮的角速度为4ω，所以线圈转动的角速度为4ω，A正确；因为线圈转动的角速度为4ω，结合题意得该交流发电机产生的电动势的最大值Em＝nBL24ω，根据交变电流有效值和最大值的规律，得发电机产生电动势的有效值E＝＝2nBL2ω，根据闭合电路欧姆定律得，灯泡两端电压的有效值U＝R＝nBL2ω，B错误；若线圈长度变为原来的两倍，线圈边长不变，则线圈匝数变为原来的两倍，根据线圈阻值R线＝ρ得R线＝2R，因为线圈角速度不变，所以发电机产生的最大电动势E′m＝2nBL24ω，有效值 E′＝＝4nBL2ω，灯泡两端电压的有效值U′＝R＝，C正确；若仅将小轮半径变为原来的两倍，由v＝ωr得小轮角速度ω′减小，交流发电机产生电动势的峰值E″m＝nBL2ω′减小，灯泡两端电压减小，则灯泡变暗，D错误。] 6、C　[由P＝U1I得发电机的输出电流I＝＝ A＝2×103 A，A错误；用户端电流I4＝＝ A＝400 A, 由理想变压器原、副线圈的电流之比与原、副线圈的匝数之比的关系得＝，则I3＝I4＝×400 A＝8 A，则输电线上损失的功率ΔP＝R＝4 kW，B错误；输送功率P2＝P4＋ΔP＝88 kW＋4 kW＝92 kW，则输送给储能站的功率P′＝P－P2＝500 kW－92 kW＝408 kW，C正确；输送电压U2＝＝ V＝1.15×104 V, 由理想变压器原、副线圈的电压之比与原、副线圈的匝数之比的关系得＝＝＝，则升压变压器的匝数比n1∶n2＝1∶46，D错误。] 7、D 【详解】不考虑变压器的输入电压随负载变化，即变压器原线圈的输入电压不变，根据 可知，变压器副线圈的输出电压不变；当住户使用的用电器增加时，即用户的总电阻变小，由 可知，副线圈电流变大，而由 可知V3减小；由理想变压器的原理 可知原线圈的电流变大；故综合上述分析可知A1增大，A2增大，V2不变，V3减小； 故选D。 8、BC 【详解】若开关接cd端，则若电源电压为，理想变压器、的匝数比为 用户电阻为，输电线电阻为，由变压器工作原理和欧姆定律。升压变压器次级电压 降压变压器初级电压 降压变压器次级电压 可得输电功率为 输电线上损耗的电功率为 用户得到的电功率为 若开关接ab端，则负载得到的功率 输电线上损耗的电功率为 将， ，k=3带入可知 可得 即比更亮； 上消耗的功率比的大。 故选BC。 3 学科网（北京）股份有限公司 $$