2015高考物理交变电流传感器一轮复习题(有答案和解释)

[课时跟踪检测]
一、单项选择题
1.(2014•广州模拟)图1是远距离输电的示意图,下列说法正确的是(  )

图1
A.a是升压变压器,b是降压变压器
B.a是降压变压器,b是升压变压器
C.a的输出电压等于b的输入电压
D.a的输出电压等于输电线上损失的电压
解析:选A 远距离输电先升压,再降压,选项A正确,B错误;由于输电线有电压损失,故a的输出电压等于b的输入电压与损失的电压之和,选项C、D均错。
2.(2014•连云港摸底)如图2所示,理想变压器的输入电压保持不变。副线圈通过输电线接两个相同的灯泡L1和L2,输电线的等效电阻为R。开始时,电键S断开,当S闭合时,下列说法正确的是(  )

图2
A.电压表示数变大 B.灯泡L1变亮
C.电流表示数增大 D.变压器的输出功率减小
解析:选C 当S闭合时,R中电流增大,电压表示数变小,灯泡L1变暗,变压器的输出功率增大,电流表示数增大,选项C正确,A、B、D错误。
3.(2014•宿迁模拟)如图3所示,一理想变压器原线圈的匝数n1=1 100匝,副线圈的匝数n2=220匝,交流电源的电压u=2202sin(100πt) V,R为负载电阻,电压表、电流表均为理想电表,则下列说法中正确的是(  )

图3
A.交流电的频率为100 Hz
B.电压表的示数为44 V
C.电流表A1的示数大于电流表A2的示数
D.变压器的输入功率大于输出功率
解析:选B 由交流电源的电压u=2202sin(100πt)V,可得交流电的频率为50 Hz,选项A错误;变压器输入电压为220 V,由变压公式,变压器输出电压为44 V,电压表的示数为44 V,选项B正确;根据变压器电流关系,电流表A1的示数小于电流表A2的示数,选项C错误;根据理想变压器功率关系,变压器的输入功率等于输出功率,选项D错误。
4.如图4所示,理想变压器与电阻R、交流电压表V、交流电流表A按图甲所示方式连接,已知变压器的原副线圈的匝数比为n1∶n2=10∶1,电阻R=10 Ω,图乙是R两端电压U随时间变化的图像,Um=102 V。则下列说法中正确的是(  )

图4
A.通过R的电流IR随时间t变化的规律是IR=cos 100πt (A)
B.电流表A的读数为210 A
C.电压表V的读数为102 V
D.变压器的输入功率为10 W
解析:选D 根据R两端电压U随时间变化的图像,电压表V的读数为10 V,选项C错误;由欧姆定律,通过R的电流IR随时间t变化的规律是IR=2cos 100πt (A),选项A错误;由变压器变压公式,输入电压为100 V,输入电流为0.1 A,变压器的输入功率为10 W,电流表A的读数为0.1 A,选项B错误D正确。
5.(2014•黄山七校联考)如图5所示的交流电路中,理想变压器输入电压为U1,输入功率为P1,输出功率为P2,各交流电表均为理想电表。当滑动变阻器R的滑动头向下移动时(  )

图5
A.灯L变亮
B.各个电表读数均变大
C.因为U1不变,所以P1不变
D.P1变大,且始终有P1=P2
解析:选D 当滑动变阻器R的滑动头向下移动时,电流表读数增大,变压器输出电流增大,电阻R两端电压增大,电压表读数减小,电灯L变暗,选项A、B错误;根据变压器功率关系,P1变大,且始终有P1=P2 ,选项C错误D正确。
6.如图6所示,M是一个小型理想变压器,原、副线圈匝数之比n1∶n2=10∶1,接线柱a、b接一正弦交变电源,电压u=311sin 100πt V。变压器右侧部分为一火警系统原理图,其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器(电阻随温度升高而减小),R1为一定值电阻。下列说法正确的是(  )

图6
A.当R2所在处出现火警时,电阻R1的功率变小
B.当R2所在处出现火警时,电压表V2的示数变大
C.当R2所在处出现火警时,电流表A的示数变小
D.电压表V1示数为22 V
解析:选D 当R2所在处出现火警时,阻值减小,变压器输出电流增大,输出功率增大,电阻R1两端电压增大,电阻R1的功率变大,电压表V2的示数变小,选项A、B错误;由输入功率等于输出功率可知,当R2所在处出现火警时,电流表A的示数变大,选项C错误;由变压器变压公式,变压器输出电压为22 V,电压表V1示数为22 V,选项D正确。
二、多项选择题
7.(2014•宜兴质检)如图7所示,某理想变压器的原、副线圈的匝数均可调节,原线圈两端电压为一峰值不变的正弦交变电压,副线圈接一可变电阻R。在其他条件不变的情况下,为使变压器输入功率增大,下面的措施正确的是(  )

图7
A.仅增加原线圈匝数n1
B.仅增加副线圈匝数n2
C.仅减小电阻R的阻值
D.仅增大电阻R的阻值
解析:选BC 为使变压器输入功率增大,可以仅减小电阻R的阻值,仅增加副线圈匝数n2,选项B、C正确。
8.如图8所示,理想变压器原、副线圈的匝数比是10∶1,原线圈输入交变电压u=1002sin 50πt(V),在副线圈中串接有理想电流表和定值电阻R,电容器并联在电阻R两端,电阻阻值R=10 Ω,关于电路分析,下列说法中正确的是(  )

图8
A.电流表示数是1 A
B.电流表示数是2 A
C.电阻R消耗的电功率为10 W
D.电容器的耐压值至少是102 V
解析:选CD 由变压公式,副线圈输出电压为10 V,由于交变电流可以通过并联在电阻R两端的电容器,所以不能应用欧姆定律计算电流表示数,选项A、B错误;电阻R消耗的电功率为P=102/10 W=10 W,选项C正确;副线圈输出电压最大值为102 V,电容器的耐压值至少是102 V,选项D正确。
9.(2014•通州模拟)如图9所示,有一矩形线圈的面积为S,匝数为N,绕OO′轴在磁感应强度为B的匀强磁场中以角速度ω匀速转动。滑动触头P上下移动时可改变输出电压,副线圈接有定值电阻R,从图示位置开始计时,下列判断正确的是(  )

图9
A.电流表测得的是电流最大值
B.感应电动势的瞬时值表达式为e=NBSω•sin ωt
C.P向上移动时,电流表示数变大
D.P向上移动时,电流表示数变小
解析:选BD 电流表测得的是电流有效值,选项A错误;从图示位置开始计时,感应电动势的瞬时值表达式为e=NBSω•sin ωt,选项B正确;P向上移动时,输出电压降低,电流表示数变小,选项C错误D正确。
10.如图10甲所示,理想变压器原副线圈的匝数比为10∶1,b是原线圈的中心抽头,图中电表均为理想的交流电表,定值电阻R=10 Ω,其余电阻均不计。从某时刻开始在原线圈c、d两端加上如图乙所示的交变电压。则下列说法中正确的有(  )

图10
A.当单刀双掷开关与a连接时,电压表的示数为31.1 V
B.当单刀双掷开关与b连接且在0.01 s时,电流表示数为4.4 A
C.当单刀双掷开关由a拨向b时,副线圈输出电压的频率变为25 Hz
D.当单刀双掷开关由a拨向b时,原线圈的输入功率变大
解析:选BD 当单刀双掷开关与a连接时,电压表的示数为22 V,选项A错误;当单刀双掷开关与b连接时,电流表示数为4.4 A,选项B正确;当单刀双掷开关由a拨向b时,副线圈输出电压的频率仍为50 Hz,选项C错误;当单刀双掷开关由a拨向b时,副线圈输出电压增大,副线圈输出功率增大,原线圈的输入功率变大,选项D正确。
三、非选择题
11.某小型实验水电站输出功率是20 kW,输电线总电阻为6 Ω。
(1)若采用380 V输电,求输电线路损耗的功率。
(2)若改用5 000 V高压输电,用户端利用n1∶n2=22∶1的变压器降压,求用户得到的电压。
解析:(1)输电线上的电流为
I=PU=20×103380 A≈52.63 A
输电线路损耗的功率为
P损=I2R=52.632×6 W≈16 620 W=16.62 kW。
(2)改用高压输电后,输电线上的电流为
I′=PU′=20×1035 000 A=4 A
用户端在变压器降压前获得的电压
U1=U′-I′R=(5 000-4×6)V=4 976 V
根据U1U2=n1n2,用户得到的电压为
U2=n2n1U1=122×4976 V≈226.18 V。
答案:(1)16.62 kW (2)226.18 V
12.(2014•徐州质检)如图11甲所示,理想变压器原、副线圈的匝数n1∶n2=3∶1,原线圈电路中接有一量程为3 A的理想交流电流表,副线圈两端接有理想交流电压表一只和可变电阻R以及若干“6 V、6 W”的相同灯泡。输入端交变电压u的图像如图乙所示。

图11
(1)求图甲中电压表的读数。
(2)要求灯泡均正常发光,求电路中最多允许接入的灯泡个数。
(3)为满足第(2)问中要求,求可变电阻R应调到的电阻值。
解析:(1)根据图像可得原线圈电压的最大值
U1m=272 V
其有效值为U1=27 V
根据n1∶n2= U1∶U2
代入数据后可得U2=9 V
即为电压表的读数。
(2)设原线圈中通过的电流为I1,副线圈中通过的电流为I2
为使副线圈接入的灯泡最多,则I1取允许通过的最大电流的有效值为3 A
根据U1I1=U2I2
代入数据后可得I2=9 A
正常发光时每个灯泡中电流为I灯=P额U额=1 A
所以允许接入的灯泡个数为n=I2I灯=9盏。
(3)电阻R两端电压为UR=U2-U灯=3 V
电阻阻值为R=URI2=13 Ω
答案:(1)9 V (2)9盏 (3)13 Ω
实验九 传感器的简单应用


一、实验目的(是什么)
1.认识热敏电阻、光敏电阻等传感器的特性。
2.了解传感器的简单应用。
二、实验原理(是什么)
1.传感器能够将感受到的物理量(力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)。
2.其工作过程如图实-9-1所示

图实-9-1
三、实验器材(有哪些)
热敏电阻、光敏电阻、多用电表、铁架台、烧杯、冷水、热水、小灯泡、学生电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线等。

四、实验过程(怎么做)
1.研究热敏电阻的热敏特性

图实-9-2
(1)实验步骤
①按图实-9-2所示连接好电路,将热敏电阻绝缘处理;
②把多用电表置于“欧姆”挡,并选择适当的量程测出烧杯中没有热水时热敏电阻的阻值,并记下温度计的示数;
③向烧杯中注入少量的冷水,使热敏电阻浸没在冷水中,记下温度计的示数和多用电表测量的热敏电阻的阻值;
④将热水分几次注入烧杯中,测出不同温度下热敏电阻的阻值,并记录。
(2)数据处理
①根据记录数据,把测量到的温度、电阻值填入下表中,分析热敏电阻的特性。
     次数
待测量    
温度(℃)
电阻(Ω)

②在图实-9-3坐标系中,粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。

图实-9-3
③根据实验数据和R-t图线,得出结论: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.研究光敏电阻的光敏特性
(1)实验步骤
①将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器按如图实-9-4所示电路连接好,其中多用电表置于“×100”挡;

图实-9-4
②先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值,并记录数据;
③接通电源,让小灯泡发光,调节滑动变阻器使小灯泡的亮度逐渐变亮,观察表盘指针显示电阻阻值的情况,并记录;
④用手掌(或黑纸)遮住光,观察光敏电阻的阻值又是多少,并记录。
(2)数据处理
把记录的结果填入下表中,根据记录数据分析光敏电阻的特性。
光照强度弱中强无光照射
阻值(Ω)
结论:光敏电阻的阻值被光照射时发生变化,光照增强电阻变小,光照减弱电阻变大。
五、注意事项(有哪些)
1.在做热敏电阻实验时,加开水后要等一会儿再测其阻值,以使电阻温度与水的温度相同,并同时读出水温。
2.在做光敏电阻实验中,如果效果不明显,可将电阻部分电路放入带盖的纸盒中,并通过盖上小孔改变射到光敏电阻上的光的多少。
3.欧姆表每次换挡后都要重新调零。

考查实验原理与操作
[典例1] 热敏电阻是传感电路中常用的电子元件,现用伏安法研究电阻在不同温度下的伏安特性曲线,要求特性曲线尽可能完整。已知常温下待测热敏电阻的阻值约4~5 Ω。将热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中,杯内有一定量的冷水,其他备用的仪表和器具有:盛有热水的热水瓶(图中未画出)、电源(3 V、内阻可忽略)、直流电流表(内阻约1 Ω)、直流电压表(内阻约5 kΩ)、滑动变阻器(0~20 Ω)、开关、导线若干。

图实-9-5
(1)画出实验电路图。
(2)根据电路图,在图实-9-5所示的实物图上连线。
(3)简要写出完成接线后的主要实验步骤。
[解析] 常温下待测热敏电阻的阻值(约4~5 Ω)较小,应该选用电流表外接法。热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,热敏电阻两端的电压由零逐渐增大,滑动变阻器选用分压式。
(1)实验电路如图实-9-6所示。

图实-9-6
(2)根据电路图,连接实物图如图实-9-7所示。

图实-9-7
(3)完成接线后的主要实验步骤:①往保温杯里加一些热水,待温度计稳定时读出温度计值;②调节滑动变阻器,快速测出几组电压表和电流表的值;③重复①和②,测量不同温度下的数据;④绘出各测量温度下的热敏电阻的伏安特性曲线。
[答案] 见解析
[题点集训]
1.2007年度诺贝尔物理学奖授予了法国和德国的两位科学家,以表彰他们发现“巨磁电阻效应”。基于巨磁电阻效应开发的用于读取硬盘数据的技术,被认为是纳米技术的第一次真正应用。在下列有关其他电阻应用的说法中,错误的是(  )
A.热敏电阻可应用于温度测控装置中
B.光敏电阻是一种光电传感器
C.电阻丝可应用于电热设备中
D.电阻在电路中主要起到通过直流、阻碍交流的作用
解析:选D 热敏电阻对温度很敏感,光敏电阻对光照很敏感,电阻丝可用于电加热,这很常见,所以A、B、C三个说法均正确;交流电、直流电均可通过电阻,电阻对它们均可产生阻碍作用,所以D错误。
2.(2014•聊城模拟)如图实-9-8所示,R1、R2为定值电阻,L为小灯泡,R3为光敏电阻,当照射光强度增大时(  )

图实-9-8
A.电压表的示数增大
B.R2中电流减小
C.小灯泡的功率增大
D.电路的路端电压增大
解析:选ABC 当照射光强度增大时,R3阻值减小,外电路电阻随R3的减小而减小,R1两端电压因干路电流增大而增大,同时内电压增大,故电路路端电压减小,电压表的示数增大,A项正确,D项错误;由路端电压减小,R1两端电压增大知,R2两端电压减小,则R2中电流减小,故B项正确;结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大,则小灯泡的功率增大,故C项正确。
3.利用光敏电阻制作的光传感器,记录了传送带上工件的输送情况,如图实-9-9甲所示为某工厂成品包装车间的光传感记录器,光传感器B能接收到发光元件A发出的光,每当工件挡住A发出的光时,光传感器就输出一个电信号,并在屏幕上显示出电信号与时间的关系,如图乙所示。若传送带始终匀速运动,每两个工件间的距离为0.2 m,则下列说法正确的是(  )

图实-9-9
A.传送带运动的速度是0.1 m/s
B.传送带运动的速度是0.2 m/s
C.该传送带每小时输送3 600个工件
D.该传送带每小时输送7 200个工件
解析:选BC 从乙图可以知道:每间隔1秒的时间光传感器就输出一个电信号,而在这一段时间内传送带运动了两个工件之间的距离,所以传送带运动的速度是v=0.21 m/s=0.2 m/s,故A错误B正确;传送带每小时传送的距离为:s=vt=0.2×3 600 m,工件个数为:n=sL=3 600个,C正确D错误。

考查数据处理与误差分析
[典例2] 用对温度敏感的半导体材料制成的某热敏电阻RT,在给定温度范围内,其阻值随温度的变化是非线性的。某同学将RT和两个适当的固定电阻R1、R2连成图实-9-10虚线框内所示的电路,以使该电路的等效电阻RL的阻值随RT所处环境温度的变化近似为线性的,且具有合适的阻值范围。为了验证这个设计,他采用伏安法测量在不同温度下RL的阻值,测量电路如图所示,图中的电压表内阻很大。RL的测量结果如下表所示。

图实-9-10
温度t(℃)30.040.050.060.070.080.090.0
阻值RL(Ω)54.351.548.344.741.437.934.7

回答下列问题:
(1)根据图实-9-10所示的电路,在图实-9-11所示的实物图上连线。

图实-9-11
(2)为了验证RL与t之间近似为线性关系,在图实-9-12坐标纸上作RL­t关系图线。

图实-9-12
(3)在某一温度下,电路中的电流表、电压表的示数如图实-9-13所示。电流表的读数为________,电压表的读数为________。此时等效电阻RL的阻值为________;热敏电阻所处环境的温度约为________。

图实-9-13
[解析] (1)根据电路图连接实物图。

图实-9-14
(2)根据数据描出点,作出直线。

图实-9-15
(3)电流表读数:I=115 mA。
电压表读数:U=5.00 V。
RL=UI=5.00115×10-3 Ω≈43.5 Ω,
对照图找出相应温度约为64.0 ℃。
[答案] (1)见解析图 (2)见解析图 (3)115 mA
5.00 V 43.5 Ω 64.0 ℃
[题点集训]
4.(2013•江苏高考)在输液时,药液有时会从针口流出体外,为了及时发现,设计了一种报警装置,电路如图实-9-16所示。M是贴在针口处的传感器,接触到药液时其电阻RM发生变化,导致S两端电压U增大,装置发出警报,此时(  )

图实-9-16
A.RM变大,且R越大,U增大越明显
B.RM变大,且R越小,U增大越明显
C.RM变小,且R越大,U增大越明显
D.RM变小,且R越小,U增大越明显
解析:选C 本题考查传感器与电路的动态分析,意在考查考生对传感器特点及电路动态分析方法的掌握。S两端的电压增大,总电流变大,总电阻变小,说明M的电阻变小,RM变小,且R越大,并联电阻减小越快,干路电流增大越明显,电压U变大越明显,C项正确。
5.温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中,它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性工作的。如图实-9-17甲所示,电源的电动势E=9.0 V,内电阻不计;G为灵敏电流计,内阻Rg保持不变;R为热敏电阻,其电阻值与温度的变化关系如图乙所示。闭合开关S,当R的温度等于20℃时,电流表示数I1=2 mA;当电流表的示数I2=3.6 mA时,热敏电阻的温度是________℃。

图实-9-17
解析:从图乙查得t=20℃时,R的阻值为4 kΩ
由E=I1(R+Rg)得:
Rg=EI1-R=92 kΩ-4 kΩ=0.5 kΩ
当I2=3.6 mA时,设热敏电阻的阻值为R′,则
R′=EI2-Rg=93.6 kΩ-0.5 kΩ=2 kΩ
从图乙查得此时对应的温度t2=120℃。
答案:120

考查实验的改进与创新
[典例3] 为了节能和环保,一些公共场所使用光控开关控制照明系统。光控开关可采用光敏电阻来控制,光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱,光越强照度越大,照度单位为lx)。某光敏电阻RP在不同照度下的阻值如下表:
照度(lx)0.20.40.60.81.01.2
电阻(kΩ)754028232018

(1)根据表中数据,请在图实-9-18所示的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线,并说明阻值随照度变化的特点。

图实-9-18
(2)如图实-9-19所示,当1、2两端所加电压上升至2 V时,控制开关自动启动照明系统。请利用下列器材设计一个简单电路,给1、2两端提供电压,要求当天色渐暗照度降低至1.0 lx时启动照明系统,在虚线框内完成电路原理图。(不考虑控制开关对所设计电路的影响)
提供的器材如下:
光敏电阻RP(符号 ,阻值见上表);
直流电源E(电动势3 V,内阻不计);
定值电阻:R1=10 kΩ,,R2=20 kΩ,R3=40 kΩ(限选其中之一并在图中标出);
开关S及导线若干。

图实-9-19
[解析] (1)描绘图像应注意:各点均匀分布在图线两侧,且图线应用平滑曲线,而不能成为各点的连线。光敏电阻的阻值随光照度变化的曲线如图实-9-20所示,电阻的阻值随光照度的增大而减小。

图实-9-20

图实-9-21
(2)根据串联电阻的正比分压关系,E=3 V,当照度降低至1.0 lx时,其电压升至2 V,由图线知,此时光敏电阻RP=20 kΩ,URP=2 V,串联电阻分压UR=1 V,由URPUR=RPR=2得:R=RP2=10 kΩ,故选定值电阻R1,电路原理图如图实-11-21所示。
[答案] 见解析
[题点集训]
6.利用负温度系数热敏电阻制作的热传感器,一般体积很小,可以用来测量很小范围内的温度变化,反应快,而且精确度高。
(1)如果将负温度系数热敏电阻与电源、电流表和其他元件串联成一个电路,其他因素不变,只要热敏电阻所处区域的温度降低,电路中电流将变________(填“大”或“小”)。
(2)上述电路中,我们将电流表中的电流刻度换成相应的温度刻度,就能直接显示出热敏电阻附近的温度。如果刻度盘正中的温度为20 ℃(如图实-11-22甲),则25 ℃的刻度应在20 ℃的刻度的________(填“左”或“右”)侧。

图实-9-22
(3)为了将热敏电阻放置在某蔬菜大棚内检测大棚内温度变化,请用图乙中的器材(可增加元器件)设计一个电路。
解析:(1)因为负温度系数热敏电阻温度降低时,电阻增大,故电路中电流会减小。
(2)由(1)的分析知,温度越高,电流越大,25 ℃的刻度应对应较大电流,故在20 ℃的刻度的右侧。
(3)如图所示。

答案:(1)小 (2)右 (3)见解析
7.如图实-9-23所示,一热敏电阻RT放在控温容器M内;A为毫安表,量程6 mA,内阻为数十欧姆;E为直流电源,电动势约为3 V,内阻很小;R为电阻箱,最大阻值为999.9 Ω,S为开关。已知RT在95 ℃时的阻值为150 Ω,在20 ℃时的阻值约为550 Ω。现要求在降温过程中测量在20~95 ℃之间的多个温度下RT的阻值。

图实-9-23
(1)在图中画出连线,完成实验原理电路图。
(2)完成下列实验步骤中的填空:
a.依照实验原理电路图连线。
b.调节控温容器M内的温度,使得RT的温度为95℃。
c.将电阻箱调到适当的初值,以保证仪器安全。
d.闭合开关。调节电阻箱,记录电流表的示数I0,并记录________。
e.将RT的温度降为T1(20 ℃f.温度为T1时热敏电阻的电阻值RT1=________。
g.逐步降低T1的数值,直到20 ℃为止;在每一温度下重复步骤ef。
解析:(1)电阻箱的最大阻值与热敏电阻的最大阻值相差不大,因此电阻箱应与热敏电阻串联。
(2)本实验原理是当电路的两种状态的电流相等时,外电路的总电阻相等。
95 ℃和T1时对应的电路的电阻相等,有150+R0=RT1+R1,即RT1=R0-R1+150 Ω。
答案:(1)实验原理电路图如图所示

(2)d.电阻箱的读数R0 e.仍为I0 电阻箱的读数R1
f.R0-R1+150 Ω