专题13 交变电流 传感器 知识清单- 2027届高考物理一轮复习

2027届高考物理高三一轮复习专题 专题13 交变电流 传感器（知识清单） 【知识地图】 【知识点梳理】 知识点一 交变电流的产生 一、交变电流 1．交变电流：随时间做周期性变化的电流叫作交变电流(AC)，简称交流。 2．直流：方向不随时间变化的电流称为直流(DC)。 二、交变电流的产生 交流发电机的线圈在磁场中转动时，转轴与磁场方向垂直，用右手定则判断线圈切割磁感线产生的感应电流方向。 三、交变电流的变化规律 1．中性面 (1)中性面：与磁感线垂直的平面。 (2)当线圈平面位于中性面时，线圈中的磁通量最大，线圈中的电流为零。 2．从中性面开始计时，线圈中产生的电动势的瞬时值表达式：e＝Emsin_ωt，Em表示电动势可能达到的最大值，也叫作电动势的峰值，如果线圈匝数为N，则Em＝NωBS。 3．正弦式交变电流：按正弦规律变化的交变电流叫作正弦式交变电流，简称正弦式电流。 4．正弦式交变电流和电压 电流表达式i＝Imsin_ωt，电压表达式u＝Umsin_ωt。其中Im、Um分别是电流和电压的最大值，也叫峰值。 四、交流发电机 1．主要构造：电枢和磁体。 2．分类 (1)旋转电枢式发电机：电枢转动，磁极不动。 (2)旋转磁极式发电机：磁极转动，电枢不动。 点对点训练： 一手摇交流发电机的线圈在匀强磁场中匀速转动，内阻不计。转轴位于线圈平面内，并与磁场方向垂直。产生的电动势随时间变化的规律如图所示，则（ ）。 A. 该交变电流频率是 B. 时，线圈恰好与中性面重合 C. 时，穿过线圈平面的磁通量最大 D. 该交变电动势的瞬时值表达式是 【答案】C 【解析】由题图可知，电动势随着时间变化的周期，故频率，项错误；时，电动势最大，所以此时磁通量为0，线圈和中性面垂直，项错误；时，电动势为0，穿过线圈平面的磁通量最大，项正确；该交变电动势最大值，，又从垂直于中性面开始计时，所以电动势瞬时值表达式是，项错误。 知识点二 交变电流的描述 一、周期和频率 1．周期 (1)定义：我们把交变电流完成一次周期性变化所需的时间，叫作它的周期，通常用T表示。 (2)单位：秒(s)。 (3)意义：周期越大，表明交变电流变化越慢。 2．频率 (1)定义：交变电流完成周期性变化的次数与所用时间之比叫作它的频率，通常用f表示。 (2)单位：赫兹(Hz)，简称赫。 (3)意义：频率越高，表明交变电流变化越快。 3．周期和频率的关系 T＝或f＝。 4．角速度 (1)定义：产生交变电流的线圈单位时间内转过的角度，用符号ω表示。 (2)单位：弧度每秒(rad/s)。 (3)意义：角速度越大，表明交变电流变化越快。 5．转速 (1)定义：产生交变电流的线圈单位时间内转过的圈数，用符号n表示。 (2)单位：转每秒(r/s)。 (3)意义：转速越大，表明交变电流变化越快。 6．周期、频率、角速度、转速之间的关系 T＝，ω＝2πf＝2πn。 二、峰值和有效值 1．峰值：交变电流的电压、电流所能达到的最大数值。 (1)电动势峰值的表达式：Em＝NBSω。 (2)应用：电容器所能承受的电压要高于交流电压的峰值，否则电容器就可能被击穿。 2．有效值：让交变电流与恒定电流分别通过大小相同的电阻，如果在交变电流的一个周期内它们产生的热量相等，而这个恒定电流的电流与电压分别为I、U，我们就把I、U叫作这个交变电流的有效值。 (1)正弦式交变电流有效值和峰值的关系： U＝＝0.707Um；I＝＝0.707Im。 (2)应用：电气设备铭牌上标注的额定电压、额定电流都是有效值。一般交流电压表和交流电流表测量的数值也是有效值。 三、正弦式交变电流的公式和图像 1．公式：u＝Umsin ＝U sin 。 2．图像：正弦式交变电流随时间变化的情况可以从图像上表示出来，它是一条正弦曲线。在交变电流的图像中，一个完整的正弦波形对应的时间为一个周期T。 点对点训练：（2024·广东卷）将阻值为 的电阻接在正弦式交流电源上。电阻两端电压随时间的变化规律如图所示。下列说法正确的是（ ）。 A. 该交流电的频率为 B. 通过电阻电流的峰值为 C. 电阻在1秒内消耗的电能为 D. 电阻两端电压表达式为 【答案】D 【解析】由题图可知交流电的周期为，则频率，项错误；根据题中图像可知电压的峰值为，根据欧姆定律可知电流的峰值，项错误；电流的有效值，所以电阻在 内消耗的电能，项错误；根据题中图像可知其电压表达式为，项正确。 知识点三 变压器　 1.构造和原理 (1)构造：如图所示，变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成的。 (2)原理：电磁感应的互感现象。 2.基本关系式 (1)功率关系：P入＝P出。 (2)电压关系：＝。 有多个副线圈时：＝＝＝…。 (3)电流关系：只有一个副线圈时＝。 由P入＝P出及P＝UI推出有多个副线圈时，U1I1＝U2I2＋U3I3＋…＋UnIn。 点对点训练：（2025·云南卷改编）电动汽车充电桩的供电变压器（视为理想变压器）示意图如图所示。变压器原线圈的匝数为 ，输入电压；两副线圈的匝数分别为和 ，输出电压。当Ⅰ、Ⅱ区充电桩同时工作时，两副线圈的输出功率分别为和，下列说法正确的是（ ）。 A. B. C. 变压器的输入功率为 D. 两副线圈输出电压最大值均为 【答案】AC 【解析】，，由，可得，，项正确，项错误；当Ⅰ、Ⅱ区充电桩同时工作时，两副线圈的输出功率分别为 和，理想变压器的输入功率等于输出功率，则输入功率，项正确；两副线圈输出电压有效值均为，项错误。 知识点四　远距离输电 一、降低输电损耗的两个途径 1．输送电能的基本要求 (1)可靠：保证供电线路可靠地工作，故障少。 (2)保质：保证电能的质量——电压和频率稳定。 (3)经济：输电线路建造和运行的费用低，电能损耗少。 2．降低输电损耗的两个途径 (1)输电线上的功率损失P＝I2r，I为输电电流，r为输电线的电阻。 (2)降低输电损耗的两个途径 减小输电线的电阻 在输电距离一定的情况下，为了减小电阻，应当选用电阻率小的金属材料，还要尽可能增加导线的横截面积 减小输电 导线中的 电流 为减小输电电流，同时又要保证向用户提供一定的电功率，就要提高输电电压 二、远距离输电 1.电压损失：(1)ΔU＝U2－U3。(2)ΔU＝I2R线。 2.功率损失：(1)ΔP＝P2－P3。(2)P损＝IR线＝。 3.功率关系：P1＝P2，P3＝P4，P2＝P损＋P3。 4.电压、电流关系：＝＝，＝＝，U2＝ΔU＋U3，I2＝I3＝I线。 5.输电电流：I线＝＝＝。 6.输电线上损耗的电功率：P损＝I线ΔU＝IR线＝R线。 点对点训练：（2025·广东卷改编）如图所示，某光伏电站输出功率、电压的交流电，经理想变压器升压至后，通过输电线输送到变电站，输电线的等效电阻为 。下列说法正确的是（ ）。 A. 变压器原、副线圈匝数比为 B. 输电线上由造成的电压损失为 C. 变压器原线圈中的电流为 D. 变压器原、副线圈中电流的频率不同 【答案】B 【解析】根据理想变压器原、副线圈电压比等于匝数比可得，项错误；根据原、副线圈两端的功率相等，则流过副线圈的电流，输电线上由 造成的电压损失，项正确；变压器原线圈中的电流，项错误；变压器不改变交变电流的频率，变压器原、副线圈中电流的频率相同，项错误。 知识点五 实验：探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系 1.实验原理 根据变压器原、副线圈电压与匝数的关系。 2.实验器材 可拆变压器、学生电源、多用电表、开关、导线。 3.实验步骤 （1）保持原线圈输入的电压一定。 （2）保持原线圈的匝数不变，改变副线圈的匝数，研究其对副线圈电压的影响。 （3）保持副线圈的匝数不变，改变原线圈的匝数研究其对副线圈电压的影响。 4.注意事项 （1）在改变学生电源电压、线圈匝数前均要先断开开关，再进行操作。 （2）为了人身安全，学生电源的电压不能超过，不能用手接触裸露的导线和接线柱。 （3）为了多用电表的安全，在使用交流电压挡测电压时，先用最大量程挡试测，大致确定被测电压后再选用合适的挡位进行测量。 5.误差分析 （1）实际变压器存在多种损耗（漏磁、铜损、铁损）。 （2）多用电表的示数存在误差。 点对点训练：在“探究变压器原、副线圈两端的电压与匝数之间的关系”实验中，某同学利用如图所示可拆式变压器(铁芯不闭合)进行研究． (1)实验还需要下列器材中的 ； (2)实验中，图中变压器的原线圈接“0、8”接线柱，所接电源电压为交流10.0 V，副线圈接“0、4”接线柱，则副线圈所接电压表示数可能是 ． A．20.0 V B．10.0 V C．5.0 V D．2.5 V 答案　(1)AD　(2)D 解析　(1)探究变压器原、副线圈两端的电压与匝数的关系实验要用到交流电压表，B是直流电流表，C是直流电压表，A是多用电表，可以用多用电表的交流电压挡测电压；实验中为了保证人身安全，输入电压不能超过12 V，需要学生电源，故选A、D. (2)如果是理想变压器，则电压比等于匝数比，输出电压为5.0 V，但可拆式变压器铁芯不闭合，存在比较大的漏磁，实际输出电压小于5.0 V，故选D. 知识点六 传感器的简单使用 1.研究热敏电阻的热敏特性 装置及器材 操作要领 (1)绝缘：热敏电阻要绝缘处理。 (2)适当：“欧姆”挡要选择适当的倍率。 (3)调零：要先进行欧姆调零再测量。 (4)等待：加开水后要等一会儿再测阻值，以使电阻温度与水的温度相同。 (5)重新调零：欧姆表每次换挡后都要重新调零。 (6)记录：记下温度计的示数和多用电表测出的热敏电阻的阻值。 2.研究光敏电阻的光敏特性 装置及器材 操作要领 (1)连接：按图示电路连接好。 (2)选挡：多用电表置于“×100”挡。 (3)调零：要先进行欧姆调零再测量。 (4)遮光：用手掌(或黑纸)遮光，改变照射到光敏电阻上的光的多少。 (5)重新调零：欧姆表每次换挡后都要重新调零。 (6)记录：记下不同光照强度下光敏电阻的阻值。 点对点训练：（2025·河南卷）实验小组研究某热敏电阻的特性，并依此利用电磁铁、电阻箱等器材组装保温箱。该热敏电阻阻值随温度的变化曲线、保温箱原理图如图所示。回答下列问题： （1） 图中热敏电阻的阻值随温度的变化关系是_ _ _ _ _ _ （选填“线性”或“非线性”）的。 （2） 存在一个电流值，若电磁铁线圈的电流小于，衔铁与上固定触头接触。若电流大于，衔铁与下固定触头接触。保温箱温度达到设定值后，电磁铁线圈的电流在附近上下波动，加热电路持续地断开、闭合，使保温箱温度维持在设定值。则图中加热电阻丝的端应该与触头_ _ _ _ （选填“”或“”）相连接。 （3） 当保温箱的温度设定在时，电阻箱旋钮的位置如图所示，则电阻箱接入电路的阻值为_ _ _ _ 。 （4） 若要把保温箱的温度设定在，则电阻箱接入电路的阻值应为_ _ _ _ 。 【答案】（1） 非线性 （2） （3） 130.0 （4） 210.0 【解析】 （1） 由题图1可知，热敏电阻的阻值随温度的变化关系是非线性的。 （2） 由题图1可知，温度升高，热敏电阻的阻值变小，由欧姆定律可知，流过电磁铁线圈的电流变大，衔铁与固定触头 接触，此时加热电阻丝电路部分断开连接，停止加热，则题图2中加热电阻丝的 端应该与触头 相连接。 （3） 由题图3可知，电阻箱接入电路的阻值为 。 （4） 根据（3）可知，当温度为 时，热敏电阻的阻值为 ，电阻箱接入的电阻为 ，当温度为 时，热敏电阻的阻值为 ，要使电流值 不变，则在电流为 时，控制电路的总电阻不变，此时电阻箱的电阻为 。 【能力提升】 一、变压器原线圈有负载的电路分析 原线圈接有负载的理想变压器问题分析方法 分析理想变压器原线圈接有负载的问题时，要明确原线圈所在的电路结构，从而确定各物理量之间的关系． (1)负载与原线圈串联，如图甲所示， 负载会分担一部分电压，原线圈两端的电压U1＝U－UR， 流过负载的电流等于原线圈中的电流，有＝，＝. 　　 甲　　　　　　　　 乙 (2)负载与原线圈并联，如图乙所示． 负载会分流，原线圈两端的电压U1＝U，流过原线圈的电流I1＝I－IR，有＝，＝. 点对点训练：某单位应急供电系统配有一小型发电机，该发电机内的矩形线圈面积为S＝0.2 m2、电阻为r＝5.0 Ω，线圈所处的空间存在方向垂直线圈转轴、磁感应强度大小为B＝ T的匀强磁场，发电机正常供电时线圈的转速为n＝ r/min.如图所示是配电原理示意图，理想变压器原、副线圈的匝数之比为5∶2，R1＝ 5.0 Ω，R2＝5.2 Ω，电压表、电流表均为理想交流电表，系统正常运作时电流表的示数为10 A，电压表的示数为700 V．求： (1)发电机内的矩形线圈的匝数； (2)灯泡的工作电压； 答案　(1)100　(2)220 V　(3)2 720 W 解析　(1)电流表的示数为10 A，根据＝，得原线圈的电流I1＝4 A 电压表的示数U＝E－I1r 解得E＝720 V 线圈在磁场中产生电动势的有效值为E＝ 又有ω＝2πn 解得N＝100 (2)原线圈的电压为U1＝U－I1R1＝680 V 根据＝，得副线圈上的电压U2＝272 V 灯泡的工作电压为U′＝U2－I2R2＝220 V 二、理想变压器的制约关系和动态分析 1．电压、电流、功率的制约关系 (1)电压制约：当变压器原、副线圈的匝数比一定时，输入电压U1决定输出电压U2，即U2＝. (2)功率制约：P出决定P入，P出增大，P入增大；P出减小，P入减小；P出为0，P入为0. (3)电流制约：当变压器原、副线圈的匝数比一定，且输入电压U1确定时，副线圈中的输出电流I2决定原线圈中的电流I1，即I1＝(只有一个副线圈时)． 2．对理想变压器进行动态分析的两种常见情况 (1)原、副线圈匝数比不变，分析各物理量随负载电阻变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是R→I2→P出→P入→I1. (2)负载电阻不变，分析各物理量随匝数比的变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是n1、n2→U2→I2→P出→P入→I1. 点对点训练：一套模拟远距离输电装置示意图如图所示，图中变压器为理想变压器，电表为理想交流电表。升压变压器的输入端接输出电压恒定的交变电源，输电线的总电阻为，降压变压器输出端接阻值相等的电阻、，当开关闭合时，下列说法正确的是（ ）。 A. 电压表、的示数均变大 B. 电流表示数变大 C. 交变电源输出功率增大 D. 输电线的发热功率减小 【答案】BC 【解析】因为 的原、副线圈匝数比不变，由 得，的副线圈电压不变，即电压表的示数 不变，当开关 闭合时，电路的总电阻 减小，由电路知识可知，电流表的示数 变大，又，故 的原线圈上的电压 减小，的副线圈的电压也减小，即的示数减小，项错误，项正确;交变电源输出功率 增大,项正确;输电线的发热功率 增大，项错误。 1 学科网（北京）股份有限公司 $