高中物理鲁科版选修3-2变压器　电能的输送　传感器期末复习学案 Word版含解析

　变压器　电能的输送　传感器
理想变压器
1.工作原理：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：＝。
(3)电流关系：只有一个副线圈时＝。
3.几种常用的变压器
(1)自耦变压器——调压变压器，如图A、B所示。
(2)互感器
远距离输电
1.输电过程(如图1所示)：
图1
2.输送电流：I＝＝。
3.电压损失：ΔU＝U－U′＝IR。
4.功率损失：ΔP＝P－P′＝I2R＝R＝。
传感器的工作原理及应用
1.传感器及其工作原理
(1)概念?
传感器是能够将感受到的物理量（力、热、光、声等非电学量），转换成便于测量的量（一般是电学量）的一类元件。
(2)工作原理
其工作过程是利用某一元件对某一物理量敏感，按一定规律将这一物理量转换成便于利用的信号，从而方便检测或自动化控制。
2.传感器元件及常用实例
(1) 传感器元件
(2)常用实例
小题速练
1.思考判断
(1)变压器只对变化的电流起作用，对恒定电流不起作用。(　　)
(2)变压器不但能改变交变电流的电压，还能改变交变电流的频率。(　　)
(3)正常工作的变压器当副线圈与用电器断开时，副线圈两端无电压。(　　)
(4)变压器副线圈并联更多的用电器时，原线圈输入的电流随之减小。(　　)
(5)增大输电导线的横截面积有利于减少输电过程中的电能损失。 (　　)
(6)高压输电是通过减小输电电流来减少电路的发热损耗。(　　)
(7)在输送电压一定时，输送的电功率越大，输电过程中的电能损失越大。(　　)
答案　(1)√　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√　(6)√　(7)√
2.[人教版选修3－2P44第2题改编]有些机床为了安全，照明电灯用的电压是
36 V，这个电压是把380 V的电压降压后得到的。如果变压器的原线圈是1 140匝，副线圈是(　　)
A.1 081匝　　　　　　 B.1 800匝
C.108匝 D.8 010匝
解析　由题意知U1＝380 V，U2＝36 V，n1＝1 140，则＝得n2＝n1＝108，选项C正确。
答案　C
3.[人教选修3－2P44第5题改编]如图2所示电路中，变压器为理想变压器，a、b接在电压有效值不变的交流电源两端，R0为定值电阻，R为滑动变阻器。现将变阻器的滑片从一个位置滑动到另一位置，观察到电流表A1的示数增大了0.2 A，电流表A2的示数增大了0.8 A，则下列说法正确的是(　　)
图2
A.电压表V1示数增大
B.电压表V2、V3示数均增大
C.该变压器起升压作用
D.变阻器滑片是沿c→d的方向滑动
解析　由于a、b接在电压有效值不变的交流电源两端，故电压表V1示数不变，选项A错误；由理想变压器原理公式＝且U1、n1、n2不变，则U2不变，即V2的示数不变，V3的示数U3＝U2－I2R0应减小，故选项B错误；由公式＝得：＝＝＝4，则n1＞n2，该变压器起降压作用，故选项C错误；又I2＝，I2增大，R应减小，故滑片应沿c→d方向滑动，故选项D正确。
答案　D
4.[人教版选修3－2P50第3题改编]从发电站输出的功率为220 kW，输电线的总电阻为0.05 Ω，用110 V和11 kV两种电压输电。两种情况下输电线上由电阻造成的电压损失之比为(　　)
A.100∶1 B.1∶100
C.1∶10 D.10∶1
解析　由题意知输电线上的电流I＝，则输电线的总电阻造成的电压损失ΔU＝Ir＝，故＝＝＝＝，故选项A正确。
答案　A
　理想变压器的分析与计算
1.关于理想变压器
(1)变压器不能改变直流电压；
(2)变压器只能改变交变电流的电压和电流，不能改变交变电流的频率；
(3)理想变压器本身不消耗能量；
(4)理想变压器基本关系中的U1、U2、I1、I2均为有效值。
2.理想变压器的基本关系
基本关系
功率关系
P入＝P出
电压关系
原、副线圈的电压比等于匝数比：＝
电流关系
只有一个副线圈时，电流和匝数成反比：＝
频率关系
原、副线圈中电流的频率相等
制约关系
电压
原线圈电压U1和匝数比决定副线圈电压U2
功率
副线圈的输出功率P出决定原线圈的输入功率P入
电流
副线圈电流I2和匝数比决定原线圈电流I1
【例1】　(2019·苏州市高三上学期期初调研)(多选)如图3甲所示，理想变压器原、副线圈匝数比为2∶1，原线圈两端的交变电压随时间变化规律如图乙所示，灯泡L的额定功率为22 W。闭合开关后，灯泡恰能正常发光。 则(　　)
图3
A.原线圈输入电压的瞬时表达式为 u＝220sin(100 πt)V
B.灯泡的额定电压为110 V
C.副线圈输出交变电流的频率为100 Hz
D.电压表读数为220 V，电流表读数为0.2 A
解析　由图乙可知，原线圈交变电压的峰值Um＝220 V，周期T＝0.02 s，可得ω＝＝100π rad/s，故原线圈输入电压的瞬时值表达式为u＝220sin(100 πt)V，A正确；根据变压器原、副线圈电压关系＝，其中U1＝＝220 V，可得U2＝110 V，由于灯泡恰能正常光发，故灯光的额定电压为110 V，B正确；变压器原、副线圈交变电流的频率一致，均为f＝＝50 Hz，C错误；电压表和电流表示数为有效值，故原线圈一侧的电压表读数为220 V，副线圈电压为110 V，根据I＝，可知副线圈电流为I2＝ A＝0.2 A，再根据＝，可得原线圈一侧电流表示数为I1＝0.1 A(或根据P1＝P2，解得I1＝0.1 A)，D错误。
答案　AB
　理想变压器的动态分析
常见的两种情况
常见的理想变压器的动态分析问题一般有两种：匝数比不变的情况和负载电阻不变的情况。
【例2】　(2019·江苏南通高三上学期第一次调研)(多选)如图4所示，理想变压器原线圈接电压为220 V的正弦交变电流，开关S接1时，原、副线圈的匝数比为11∶1，滑动变阻器接入电路的阻值为10 Ω，电压表和电流表均为理想电表，下列说法正确的有(　　)
图4
A.变压器输入功率与输出功率之比为1∶1
B.1 min内滑动变阻器产生的热量为40 J
C.仅将S从1拨到2，电流表示数减小
D.仅将滑动变阻器的滑片向下滑动，两电表示数均减小
解析　根据理想变压器的特点可知，变压器的输入功率与输出功率之比为1∶1，故A项正确；原、副线圈的电压与匝数成正比，所以副线圈两端电压为U2＝U1＝×220 V＝20 V，则1 min内产生的热量为Q＝t＝×60 J＝2 400 J，若只将S从1拨到2，副线圈的电压减小，副线圈电流减小，原线圈电流即电流表示数减小，故C项正确；将滑动变阻器滑片向下滑动，接入电路中的阻值变大，电流表的读数变小，但对原、副线圈两端的电压无影响，即电压表的读数不变，故D项错误。
答案　AC
含有变压器的动态电路问题的解题思路
　远距离输电问题
远距离输电问题的“三二二”
1.理清三个回路
回路1：发电机回路。该回路中，通过线圈1的电流I1等于发电机中的电流I机；线圈1两端的电压U1等于发电机的路端电压U机；线圈1输入的电功率P1等于发电机输出的电功率P机。
回路2：输送电路。I2＝I3＝IR，U2＝U3＋ΔU，P2＝ΔP＋P3。
回路3：输出电路。I4＝I用，U4＝U用，P4＝P用。
2.抓住两个联系
(1)理想的升压变压器联系着回路1和回路2，由变压器原理可得：线圈1(匝数为n1)和线圈2(匝数为n2)中各个量间的关系是＝，＝，P1＝P2。
(2)理想的降压变压器联系着回路2和回路3，由变压器原理可得：线圈3(匝数为n3)和线圈4(匝数为n4)中各个量间的关系是＝，＝，P3＝P4。
3.掌握两种损耗
(1)电压损耗：输电线上的电阻导致的电压损耗，ΔU＝U2－U3＝IRR线。
(2)功率损耗：输电线上的电阻发热的功率损耗，ΔP＝P2－P3＝IR线。输电线上能量损耗是热损耗，计算功率损耗时用公式ΔP＝IR线或ΔP＝。
【例3】　(2018·扬州模拟)如图5所示为远距离输电的示意图，升压变压器和降压变压器均为理想变压器，发电厂的输出电压和输电线的电阻均不变。闭合开关S后(　　)
图5
A.升压变压器的输出电压增大
B.降压变压器的输出电流减小
C.输电线上损耗的功率增大
D.输电线上交变电流的频率减小
解析　根据输入电压决定输出电压，闭合开关S后，升压变压器的输出电压不变，选项A错误；闭合开关S后，负载增加，负载总电阻减小，降压变压器的输出电流增大，输电线上电流增大，输电线上损耗的功率增大，选项B错误，C正确；根据变压器不改变交变电流的频率可知，输电线上交变电流的频率不变，选项D错误。
答案　C
　传感器的应用
1.热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，随温度的降低而增大。
2.光敏电阻被光照射时其电阻值发生变化，光照强度增大，电阻值变小，光照强度减弱，电阻值变大。
【例4】　(2018·江苏泰州中学5月质检)关于传感器，下列说法正确的是(　　)
A.话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声信号
B.电熨斗能够自动控制温度的原因是它装有双金属片温度传感器，这种传感器的作用是控制电路的通断
C.霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换成电阻这个电学量
D.光敏电阻在光照射下其电阻会显著变大
解析　话筒是一种常用的声波传感器，其作用是声信号转换为电信号，故A项错误；热双金属片传感器和干簧管在电路中相当于开关，可以控制电路的通断，故B项正确；霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量，故C项错误；光敏电阻在光照射下其电阻会显著变小，D项错误。
答案 B　
科学态度与责任的培养——互感器的应用
互感器分为电压互感器和电流互感器，比较如下：
电压互感器
电流互感器
原理图
原线圈的连接
并联在高压电路中
串联在交流电路中
副线圈的连接
连接电压表
连接电流表
互感器的作用
将高电压变为低电压
将大电流变成小电流
利用的公式
＝
I1n1＝I2n2
【典例】　(2018·江苏四市联考)(多选)如图6所示，在某一输电线路的起始端接入两个互感器，原、副线圈的匝数比分别为100∶1和1∶100，图中a、b表示电压表或电流表，已知电压表的示数为22 V，电流表的示数为1 A则(　　)
图6
A.a为电流表，b为电压表
B.a为电压表，b为电流表
C.线路输送电功率是220 kW
D.输电线路总电阻为22 Ω
解析　左侧的互感器原线圈并联在输电线路上，测量的是输电电压，所以a为电压表；右侧的互感器原线圈串联在输电线路上，测量的是输电电流，b为电流表，选项B正确，A错误；电压表的示数为22 V，根据变压公式，＝100，输电电压为U1＝100×22 V＝2 200 V；电流表的示数为1 A，根据变流公式，＝＝100，输电电流I1＝100×1 A＝100 A，线路输送电功率为P＝U1I1＝220 kW，选项C正确；根据题述条件，不能求出输电线路总电阻，选项D错误。
答案 BC　
1.(2018·江苏清江中学期中)理想变压器的原、副线圈的匝数之比为4∶1，在原线圈上加上U＝200 V的交流电压，在副线圈上接交流电压表，其示数为(　　)
A.0 B.50 V
C.200 V D.800 V
解析　由＝解得U2＝50 V。
答案　B
2.(2018·江苏南京、盐城高三第一次模拟)(多选)变压器线圈中的电流越大，所用的导线应当越粗。如图7所示，是降压变压器，假设它只有一个原线圈和一个副线圈，匝数分别为n1 和n2。下列说法中不正确的是(　　)
图7
A. n1>n2，原线圈比副线圈的导线粗
B. n1>n2，原线圈比副线圈的导线细
C. n1D. n1解析　由变压器原理可知＝，图为降压变压器，即有U1＞U2，所以n1＞n2，C、D错误；由＝可知I1＜I2，所以原线圈比副线圈的导线细，A错误，B正确。
答案　ACD
3.(2018·江苏单科，2)采用220 kV高压向远方的城市输电。当输送功率一定时，为使输电线上损耗的功率减小为原来的，输电电压应变为(　　)
A.55 kV B.110 kV
C.440 kV D.880 kV
解析　设输送功率为P，则有P＝UI，其中U为输电电压，I为输电电流。为使输电线上损耗的功率减小为原来的四分之一，由P损＝I2R(R为输电线的电阻，恒定不变)可知应使I变为原来的二分之一，又输送功率不变，则输电电压应变为原来的2倍，即440 kV，选项C正确。
答案　C
4.(2018·江苏省南京市、盐城市、连云港市高三模拟)(多选)目前的手机触摸屏大多是电容式触摸屏。电容式触摸屏内有一导电层，导电层四个角引出四个电极。当手指触摸屏幕时，人体和触摸屏就形成了一个电容器，电容器具有“通高频”的作用，从而导致有电流分别从触摸屏四角上的电极中流过，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置信息。对电容触摸屏在开机状态下，下列说法正确的是(　　)
A.电容式触摸屏感测手指触摸点的位置是因为手指对屏幕按压产生了形变
B.电容式触摸屏感测手指触摸点的位置是利用了电磁感应现象
C.当手指触摸屏幕时手指有微弱的电流流过
D.当手指离开屏幕时，电容变小，对高频电流的阻碍变大，控制器不易检测到手指的准确位置
解析　感测手指触摸点的位置是通过测电流，由电流比例计算，选项A、B错误；当手指触摸屏幕时，由于电容器具有“通高频”的作用，所以有微弱电流流过，选项C正确；当手指离开屏幕时，电容器两极板间的距离增大，电容减小，对高频电流的阻碍变大，选项D正确。
答案　CD