内容正文:
达标测试卷(十一) 交变电流 传感器
(满分:100分)
一、单项选择题(本题共8小题,每小题3分,共24分。每小题给出的四个选项中,只有一项符合题目要求)
1.(2024·浙江6月卷)如图所示,边长为1 m、电阻为0.04 Ω的刚性正方形线框abcd放在匀强磁场中,线框平面与磁场B垂直。若线框固定不动,磁感应强度以=0.1 T/s均匀增大时,线框的发热功率为P;若磁感应强度恒为0.2 T,线框以某一角速度绕其中心轴OO′匀速转动时,线框的发热功率为2P,则ab边所受最大的安培力为( )
A. N B. N C.1 N D. N
2.匝数N=10、电阻r=5 Ω的线圈在匀强磁场中匀速转动,穿过线圈的磁通量变化图像如图甲所示。线圈通过电刷与变压器相连接如图乙所示,R1为电阻箱,R2为定值电阻,变压器为理想变压器,导线电阻不计,电压表、电流表均为理想电表,取π2=10。则下列说法正确的是( )
A.线圈转动产生的电动势的有效值为25 V
B.当t=0.04 s时,电流表示数为零
C.当增大R1阻值时,R2的功率变大
D.当增大R1阻值时,电压表示数变小,副线圈两端电压变大
3.(2024·江苏徐州模拟)一含有理想变压器的电路如图甲所示,图中理想变压器原、副线圈匝数之比为4∶1,电阻R1和R2阻值分别为3 Ω和1 Ω,电流表、电压表均为理想表,a、b端输入的电流如图乙所示,下列说法正确的是( )
A.电流表的示数为 A
B.电压表的示数为2 V
C.0~0.04 s内,电阻R2产生的焦耳热为0.27 J
D.0.07 s时,通过电阻R1的电流为4 A
4.(2024·安徽合肥模拟)给用户供电的电路示意图如图所示,其中R1、R0表示变压器前后两侧的输电线的总电阻,假设用户端为纯电阻用电器,总电阻为R。若变压器视为理想变压器,U恒定,电表视为理想电表,当用户使用的用电器数量增加时,下列说法正确的是( )
A.用户总电阻R变大 B.电压表示数增大
C.电流表示数I1减小 D.用电器两端电压降低
5.(2024·甘肃兰州模拟)如图所示,n匝矩形闭合导线框ABCD处于磁感应强度大小为B的水平匀强磁场中,线框面积为S,电阻不计。线框绕垂直于磁场的轴OO′以角速度ω匀速转动,并与理想变压器原线圈相连,变压器副线圈接入一只额定电压为U的灯泡,灯泡正常发光。从线圈通过中性面开始计时,下列说法正确的是( )
A.图示位置穿过线框的磁通量变化率最大
B.灯泡中的电流方向每秒改变次
C.线框中产生感应电动势的表达式为e=nBSωsin ωt
D.变压器原、副线圈匝数之比为
6.如图所示,理想变压器原副线圈匝数之比为1∶3,原线圈上有一电阻R1=R,副线圈上电阻箱R2的阻值调整范围是0~2R,使原线圈接在一交流电源上,若使R2的功率最大,则R2的阻值应调节为( )
A.0.5R B.R
C.1.5R D.2R
7.(2024·山东烟台高三统考)在如图所示的电路中,交流电源输出50 Hz、电压有效值为220 V的正弦式交流电,通过副线圈n2、n3分别向10只并联的“12 V,1.5 A”灯泡和“36 V,5 A”的电动机供电,原线圈所接灯泡L的额定电压为40 V,副线圈n2的匝数为60匝。电路接通后,各用电器都恰好正常工作。则下列说法中正确的是( )
A.交流电源的输出功率为360 W
B.灯泡L的额定电流为2.0 A
C.副线圈n2所接灯泡中的电流方向每秒钟改变50次
D.原线圈n1的匝数为1100匝,副线圈n3的匝数为180匝
8.如图所示,理想变压器原线圈接有u=220sin 100πt的交变电压,副线圈回路中接有电阻箱和小灯泡(阻值恒定)。当电阻箱的阻值为R1=14 Ω时,小灯泡的功率为P1=8 W;当电阻箱的阻值为R2=36 Ω时,小灯泡的功率为P2=2 W,下列说法正确的是( )
A.小灯泡的电阻为9 Ω
B.变压器原、副线圈的匝数比为10∶1
C.当电阻箱的阻值为7 Ω时,其消耗的功率最大
D.电阻箱的功率为16 W
二、多项选择题(本题共4小题,每小题4分,共16分。每小题给出的四个选项中,有多项符合题目要求。全部选对的得4分,选对但不全的得2分,有选错的得0分)
9.(2024·四川德阳期末)某实验小组在研究变压器的过程中,利用手头的器材,设计了如图(a)、(b)两种电路,使“36 V,36 W”的两个灯泡均能正常发光。已知两种电路所使用的器材完全相同,变压器的原副线圈匝数比均为n1∶n2=3∶1,则下列说法正确的是( )
A.图(a)中R0两端的电压为112 V
B.图(b)中R0两端的电压为184 V
C.图(a)、图(b)电路中,R0的取值相同
D.图(a)、图(b)电路中,整个电路消耗的总功率相同
10.在匀强磁场中,一单匝矩形金属线框绕与磁感线垂直的转轴匀速转动,如图甲(1)所示,产生的交变电动势的图像如图甲(2)所示,若将其接到一理想变压器上,如图乙所示,该理想变压器的原线圈匝数 n1=1600匝,副线圈匝数 n2=400匝,交流电表A和V的内阻对电路的影响可忽略不计。则( )
A.线框产生的电动势瞬时值表达式为e=311sin(100πt)V
B.从0到0.01 s的时间内,通过线框的电量为零
C.在t=0.01 s时,矩形线框中的磁通量最大,磁通量变化率为零,而此时变压器副线圈的瞬时感应电动势最大
D.若将可变电阻R的阻值由110 Ω调为55 Ω,则电流表A的示数由0.5 A增大至1 A
11.在某建筑工地上,变压器输入的交变电流如图甲所示。原线圈安装的保险丝R的额定电流为10 A,副线圈并联安装三台“2.5 kW,220 V”的挂式空调(图中未画出)、一台“4.5 kW,220 V”的柜式空调D和照明灯L及危险信号指示灯L0,如图乙所示。忽略输电线路和保险丝R的电压损失,变压器视为理想变压器,变压器电压能使空调正常工作。则下列说法正确的是( )
A.原、副线圈的匝数之比是5∶1
B.副线圈开一台柜式空调时,最多可以同时再开两台挂式空调
C.照明灯L中的电流方向每秒改变50次
D.原、副线圈的磁通量的变化率之比是5∶1
12.如图甲所示,理想变压器原、副线圈匝数比为n1∶n2=1∶8,定值电阻R1=20 Ω、R2=30 Ω、R3=10 Ω,滑动变阻器R4的最大电阻为50 Ω,图中电表均为理想电表。原线圈输入如图乙所示的交变电流,其有效值不随负载变化。当滑动变阻器接入的电阻由50 Ω减小到零的过程中,下列说法正确的是( )
A.电流表的示数为2.5 A B.通过R2的电流增大
C.电压表的示数先增大后减小 D.R3和R4的总功率先增大后减小
三、非选择题(本题共6小题,共60分)
13.(6分)在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”的实验中,某同学利用教学用可拆变压器来进行探究。可拆变压器能方便地从不同接线柱上选取不同匝数的线圈。
(1)为了保证实验能够安全进行,下列说法正确的是________。(填字母)
A.实验中选取的电源为低压直流电源,电压不超过12 V
B.因为电源为低压电源,通电时可以用手接触裸露的导线和接线柱
C.连接好线路后可以先直接接通电路,根据电路的反应来确认电路是否连接正确或者排查电路故障
D.为了保护交流电压表,测电压时先用最大量程挡试测
(2)在测量交流电源的电压时,用仪器测量的电压是交流电压的________(选填“瞬时”“有效”或“最大”)值。
(3)在该同学的实验报告中,已知电源连接的线圈匝数记录为n1匝,电源电压为U1。我们看到数据表格中某一行缺失的实验数据可能为________。(填字母)
第k次实验
n1/匝
n2/匝
U1/V
U2/V
3
400
200
8.00
A.4.00 B.3.95 C.4.02
14.(8分)(2024·河北沧州统考)某同学利用压敏电阻自制了一台电子秤,电路图如图甲所示。所用压敏电阻的阻值R与所受压力F的大小之间的关系如图乙所示,压力F在400 N以内时图线为直线。制作电子秤首先需要精确测量不受外界压力时压敏电阻的阻值R0,然后根据所学电路知识在电流表刻度处标记相应的压力值,即可制成一台电子秤。
所用器材如下:
压敏电阻R(不受外界压力时,阻值在100~200 Ω之间)
恒压电源E(输出电压恒定,电动势E=15 V)
电压表V(量程15 V,内阻约为3000 Ω)
电流表A(量程50 mA,内阻Rg=100 Ω)
滑动变阻器R′(阻值范围0~200 Ω)
开关S1、S2及导线若干
请回答下列问题:
(1)为了尽量准确测量R0,电路中a点应与________(选填“b”或“c”)点相连。
(2)闭合开关S1、S2,将滑动变阻器接入电路部分的阻值从最大值逐渐调小,当电流表A的示数为40 mA时,电压表V的示数为8.8 V,则R0=________ Ω。
(3)断开开关S2,调节滑动变阻器R′,使电流表A满偏;并在此处标记压力值为零。令滑动变阻器阻值保持不变,在电流表A的25 mA刻度处应标记压力值为________ N。
15.(10分)如图所示,ACD是由均匀细导线制成的边长为d的等边三角形线框,它以AD为转轴,在磁感应强度为B的恒定的匀强磁场中以恒定的角速度ω转动(俯视为逆时针旋转),磁场方向与AD垂直。已知三角形每条边的电阻都等于R。取图示线框平面转至与磁场平行的时刻为t=0。
·43·(1)求任意时刻t线框中的电流;
(2)规定A点的电势为0,求t=0时,三角形线框的AC边上任一点P(到A点的距离用x表示)的电势φP。
16.(8分)(2024·吉林卷)如图所示,理想变压器原、副线圈的匝数比为n1∶n2=5∶1,原线圈接在电压峰值为Um的正弦交变电源上,副线圈的回路中接有阻值为R的电热丝,电热丝密封在绝热容器内,容器内封闭有一定质量的理想气体,接通电路开始加热,加热前气体温度为T0。
(1)求变压器的输出功率P;
(2)已知该容器内的气体吸收的热量Q与其温度变化量ΔT成正比,即Q=CΔT,其中C已知。若电热丝产生的热量全部被气体吸收,要使容器内的气体压强达到加热前的2倍,求电热丝的通电时间t。
17.(12分)(2024·江苏盐城统考)如图甲所示,两足够长的光滑平行导轨固定在水平面内,处于磁感应强度为B0、方向竖直向上的匀强磁场中,导轨间距为L,一端连接一定值电阻R。质量为m、长度为L、电阻为R的金属棒垂直导轨放置,与导轨始终接触良好。在金属棒的中点对棒施加一个平行于导轨的拉力,棒运动的速度v随时间t的变化规律如图乙所示的正弦曲线。已知在0~的过程中,通过定值电阻的电量为q;然后在t=T时撤去拉力。其中v0已知,T未知, 不计导轨的电阻。求:
(1)电阻R上的最大电压U;
(2)在0~T的过程中,拉力所做的功W;
(3)撤去拉力后,金属棒的速度v随位置x变化的变化率k的值(取撤去拉力时棒的位置x=0)。
18.(16分)如图所示,虚线边界左侧空间分布磁感应强度为B的匀强磁场,方向竖直向下,边界右侧空间分布磁感应强度为2B的匀强磁场,方向竖直向上。一质量为m、总电阻为R、ab边长为3s、bc边长为L的单匝矩形线框abcd垂直于磁场水平放置,bc边平行于虚线边界,ab、cd边上的e、f两处(e、f两处在边界处)有两个小孔,一光滑绝缘的固定轴穿过两个小孔(小孔和轴图中未画出),ad到边界的距离为s。现让线框在外力的作用下,绕ef轴以角速度ω顺着ef看为逆时针方向开始匀速转动。
(1)求从图示位置开始转动半周过程中通过线框某一横截面的电量大小q;
(2)在图乙上画出线框中感应电流随时间的图像(以abcda方向为电流正方向,从初始时刻开始,画一个周期,请标注电流最大值);
(3)求匀速转动一周外力所做的功W。
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达标测试卷(十一) 交变电流 传感器
1.C 磁场均匀增大时,产生的感应电动势为E=S=0.1 V,可得P==0.25 W。线框以某一角速度ω绕其中心轴OO′匀速转动时电动势的最大值为Em=BSω,2P==0.5 W,解得ω=1 rad/s。由题意和上述分析可知当线框平面与磁场方向平行时感应电流最大,为Im==5 A,故ab边所受最大的安培力为F安m=BImL=1 N,故选C。
2.D 线圈转动产生的电动势的最大值为Em=NBSω=NΦmω=NΦm·=25 V,电动势有效值为E== V,故选项A错误;电流表示数是电流有效值,不为零,故选项B错误;变压器原线圈等效阻值为R=(R1+R2),当R1变大时,变压器原线圈等效阻值变大,原线圈电流为I1=可知通过原线圈电流变小,原线圈两端电压为U1=E-I1r可知原线圈两端电压变大,根据理想变压器电流关系n1I1=n2I2可知通过副线圈电流I2变小,R2的功率变小,故选项C错误;电压表所测电压为U=I2R2可知电压表示数变小,根据理想变压器电压关系=可知副线圈两端电压变大,故选项D正确。
3.B 设电流表的示数为I1,则有IRT=2R+()2R,解得I1=1 .5 A,故A错误;由题图乙可知,a、b端输入电流的后半周期为恒定电流,则后半周期时,变压器的副线圈的感应电流为零,0.07 s时副线圈电流为零,根据变压器的电流关系=,可得副线圈电流的最大值为I2 m=4 A。设副线圈电流的有效值为I2,则有IRT=2R,I2=2 A,则电压表的示数为U=I2R2=2 V,故B正确,D错误;0~0.04 s内,电阻R2产生的焦耳热为Q=IR2t=(2)2×1×0.04 J=0.48 J,故C错误。
4.D 由于用户端用电器均是并联电路,当用户使用的用电器增加时,并联的用电器越多,则用户总电阻减小,故选项A错误;若变压器视为理想变压器,则变压器原副线圈两端电压之比等于线圈匝数之比,即=,由于原副线圈匝数不变,即比值不变,故选项B错误;当用户使用的用电器数量增加时,副线圈电流增加,原线圈电流也增加,故选项C错误;用户电器增多,用户总电阻减小,副线圈电流增大,原线圈电流增大,则R1分压增大,变压器输入电压U1减小,所以U2减小,而变压器后侧的输电线的总电阻上的电压UR0增大,所以用电器电压UR减小,即在副线圈电压减小的情况下,输电线的总电阻R0分压增加,则用电器两端电压降低,故选项D正确。
5.C 图示位置线框位于中性面,穿过线框的磁通量最大,磁通量的变化率为0,故A错误;交流电的周期T=,1 s内完成周期性变化的次数=,1个周期电流方向改变2次,所以灯泡中电流方向每秒改变×2=次,故B错误;线框中感应电动势的峰值Em=nBSω,线框是从中性面开始计时,所以线框中产生感应电动势的表达式为e=nBSωsin ωt,故C正确;原线圈电压的有效值U1=,副线圈电压的有效值U2=U,所以原副线圈的匝数比为=,故D错误。
6.D 设交流电源的输出电压为U,原线圈电流为I1,原线圈电压为U1,副线圈电流为I2,副线圈电压为U2,则有==,==,U2=I2R2,U=I1R+U1,联立可得U=3I2R+I2R2,解得I2=,可得R2的功率为P2=IR2=2R2=,根据基本不等式可知=R2,即R2=9R时R2的功率最大;但R2的阻值调整范围是0~2R,故要使R2的功率最大,则R2的阻值应调节为2R,故选项D正确。
7.B 根据电压匝数关系有=,解得n1===900,=,解得n3===180,故选项D错误;副线圈n2的电流为I2=10×1.5 A=15 A,副线圈n3的电流为I3=5 A,根据电流匝数关系有I1n1=I2n2+I3n3,解得I1=2.0 A,即灯泡L的额定电流为2.0 A,选项B正确;根据上述可知,交流电源的输出功率为P=UI1=220×2.0 W=440 W,选项A错误;交流电源输出50 Hz,变压器不改变频率,则副线圈n2所接灯泡中的电流方向每秒钟改变次数为50×2=100次,选项C错误。
8.B 设理想变压器副线圈电压有效值为U2,由闭合电路欧姆定律和电功率知识得I=,P1=I2R灯,I′=,P2=I′2R灯,联立各式得R灯=8 Ω,U2=22 V,故A错误;理想变压器原线圈电压有效值为U1= V=220 V,==,故B正确;把小灯泡的电阻当成副线圈的内阻,当内外电阻相等时,电源输出功率最大,也就是电阻箱功率最大,则电阻箱的阻值为R=8 Ω时,电阻箱的功率最大,Pmax= W=15.125 W,故C、D错误。
9.AD 根据题意,两个灯泡均能正常发光知,两种电路中通过副线圈的电流都相同,均为I2= A=1 A,又变压器的原副线圈匝数比均为n1∶n2=3∶1,故两种电路中通过原线圈的电流也相同,均为I1=I2= A,输入电压相同,故整个电路消耗的总功率相同,故D正确;题图(a)中根据电压比与匝数比的关系知u1∶36 V=n1∶n2,u1=108 V,故R0两端的电压为220 V-u1=112 V,A正确;题图(b)中,根据电压比与匝数比的关系知220 V∶u2=n1∶n2,u2= V=73.3 V,故R0两端的电压为u2-36 V=37.3 V,B错误;题图(a)、图(b)电路中,R0两端的电压分别为112 V、37.3 V,电流分别为 A、1 A,故R0的取值不相同,C错误。
10.AC 由题图甲(2)可知电动势的峰值为311 V,周期为0.02 s,结合题图甲(1)可得电动势瞬时值表达式为e=311sin t(V)=311sin(100πt)V,故选项A正确;假设磁感应强度为B、线框面积为S、电阻为R,则q=t=t==,故选项B错误;由题图甲(2)可知在t =0.01 s时,感应电动势为0,矩形线框位于中性面位置,线框中的磁通量最大,磁通量变化率为零,此时感应电动势变化率最大,在变压器原线圈中引起的磁通量变化最快,由法拉第电磁感应定律可知此时原线圈产生的感应电动势最大,故此时变压器副线圈的瞬时感应电动势最大,故选项C正确;原线圈电压为U1= V=220 V,所以副线圈电压为U2=U1=55 V,则副线圈中电流大小为I2==0.5 A,原线圈电流为I1=I2=0.125 A,将可变电阻R的阻值由110 Ω调为55 Ω时I2′==1 A,原线圈电流大小为I1′=I2′=0.25 A,则电流表A的示数由0.125 A增大至0.25 A,故选项D错误。
11.AB 变压器电压能使空调正常工作,副线圈电压有效值220 V,由题图甲所示,原线圈电压有效值U1==1100 V,原、副线圈的匝数之比n1∶n2=U1∶U2=1100 V∶220 V=5∶1,选项A正确;原副线圈匝数比为I1∶I2=n2∶n1=1∶5,副线圈最大电流为I2=5I1m=50 A。副线圈开一台柜式空调时,还可以同时开挂式空调n===,副线圈开一台柜式空调时,最多可以同时再开两台挂式空调,选项B正确;变压器不改变交变电流频率,由题图甲可知f== Hz=50 Hz,照明灯L中的电流方向每秒改变100次,原、副线圈的磁通量的变化率之比是1∶1,选项C、D错误。
12.AD 由题图乙有2R+2R=I2RT,解I=2.5 A,故A正确;设通过副线圈的电流为I1,则通过R2的电流I2=I1=I1,R4 减小,I2减小,故B错误;电压表的示数等于通过副线圈的电流与副线圈负载总电阻的乘积,副线圈负载总电阻减小,副线圈电流不变,故电压表的示数减小,故C错误;R3和R4的总功率P=2,设R3+R4=R,且R从60 Ω减小到10 Ω,则P=2IR=,当R=,即R=R2=R3+R4=30 Ω时,R+有最小值,故R从60 Ω减小到10 Ω过程中,R3和R4的总功率先增大后减小,故D正确。
13.解析 (1)实验中选取电源为低压交流电源,故A错误;即使电源为低压电源,通电时也不可以用手接触裸露的导线和接线柱,故B错误;连接好线路后要检查电路正确连接才可以通电,故C错误;为了保护交流电压表,测电压时先用最大量程挡试测,故D正确。
(2)交流电压表测量的是交流电压的有效值。
(3)若为理想变压器,则有=,U1=×8.00 V=4.00 V。由于实际中变压器有铜损和铁损,变压器副线圈处所测量的电压会小于理论值,故选B。
答案 (1)D (2)有效 (3)B
14.解析 (1)由于电流表A的内阻已知,虽然R<,也不应采用电流表外接法,因为电压表内阻未知,会给测量带来误差,如果采用电流表内接法则可以更精确地测量R0,故电路中a点应与b点相连。
(2)闭合开关S1、S2,由欧姆定律可得R0=-Rg,R0=120 Ω。
(3)断开开关S2,电流表A满偏时,滑动变阻器R′=-R0-Rg=80 Ω;在电流表A的示数为25 mA时,则有R=-R′-Rg=420 Ω,根据题图乙可知此时压力F=300 N。
答案 (1)b (2)120 (3)300
15.解析 (1)线框绕垂直磁场方向的轴匀速转动时,产生正弦式交变电流,电动势的最大值为Em=BSω,其中S=×d×dsin 60°
电流的最大值为Im=
由于从垂直中性面位置开始计时,电流的瞬时值表达式为i=Imcos ωt
解得Im=,i=cos ωt。
(2)由于规定A点的电势为0,故AP两点之间的电压UPA=φP-φA=φP
又因为t=0时,电流最大UPA=EPA-Imr
AP的电阻为r=R
EPA可等效成由AP垂直磁场方向的长度为
L=xcos 60°的导线切割磁感线产生的感应电动势,切割速度为v=ωl
l为AP的中点到转轴的距离,即l=sin 60°,因此EPA=BLv
解得EPA=Bx2ω
则有φP=Bω。
答案 (1)i=cos ωt (2)φP=Bω
16.解析 (1)由原线圈所接正弦交流电的峰值求出其有效值U1=,设变压器副线圈的输出电压为U2,则有 =
求得U2=U1=
故变压器的输出功率P==。
(2)设加热前容器内气体的压强为p0,加热后容器内气体的温度为T1,则加热后气体的压强为2p0,由题意可知容器内的气体做等容变化,则由查理定律有=
解得T1=2T0
由Q=CΔT知气体吸收的热量Q=C(2T0-T0)=CT0
又容器是绝热容器且电热丝产生的热量全部被气体吸收,则Q=Pt=CT0,即t=CT0
解得t=。
答案 (1) (2)
17.解析 (1)当金属棒的速度最大时,棒中的感应电动势为E=B0Lv0
回路中的电流I=
电阻上的电压为U=IR=。
(2)由于感应电动势为e=B0Lv0sin t,类比与单匝线圈在磁场中转动产生的电动势,则0~的过程中,通过定值电阻的电量与线圈从中性面转过90°通过定值电阻的电量相同,有
B0Lv0=Φ·,q==
电动势的有效值为E=
在0~T时间内,产生的焦耳热为Q=·T
根据功能关系W=Q+mv,解得
W=mv+B0Lv0q。
(3)撤去拉力时,对导体棒根据动量定理有
-B0LΔt=mv-mv0
感应电流的平均值为=,由于x=t
解得v=v0-,可知k=-。
答案 (1) (2)mv+B0Lv0q
(3)-
18.解析 (1)感应电动势E=,I=,根据q=It,其中ΔΦ=3BLs
解得q=。
(2)第一个T,i=sin ωt
0≤t≤,方向为正,≤t≤,ad边和bc边的感应电动势始终抵消,电流为零;
第四个T,i=sin ωt
≤t≤,方向为负,图像如图所示。
(3)根据W=I2Rt,有效值I=Im=
解得W=。
答案 (1) (2)见解析图 (3)
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