適用于新高考新教材廣西專版2024屆高考物理一輪總復(fù)習(xí)第12章交變電流傳感器研專項素養(yǎng)提升課件

研專項素養(yǎng)提升第十二章一、新教材經(jīng)典素材:傳感器與手機【經(jīng)典素材】1.傳感器的種類傳感器的種類很多,作為一門知識密集型技術(shù),它與許多學(xué)科有關(guān):有的利用物質(zhì)的物理特性或物理效應(yīng)制作而成,如力傳感器、磁傳感器、聲傳感器等物理傳感器;有的利用電化學(xué)反應(yīng)原理,把無機或有機化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度等轉(zhuǎn)換為電信號,如離子傳感器、氣體傳感器等化學(xué)傳感器;有的利用生物活性物質(zhì)的選擇性來識別和測定生物化學(xué)物質(zhì),如酶傳感器、微生物傳感器、細(xì)胞傳感器等生物傳感器。在林林總總的傳感器世界中,大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎(chǔ)制作的。這類傳感器種類最多,應(yīng)用領(lǐng)域也最廣泛。2.智能手機與傳感器一部普通的智能手機中就安裝有十幾種傳感器(如圖),能感受聲音、圖像、壓力、磁場、加速度等。【思維指導(dǎo)】我們要進一步掌握有關(guān)傳感器的工作原理,比如壓力傳感器、溫度傳感器、光傳感器、加速度傳感器、電容傳感器等,同學(xué)們要了解這些功能,開闊視野,提升科學(xué)探究等物理核心素養(yǎng)?！緞?chuàng)新訓(xùn)練】1.目前的手機觸摸屏大多是電容式觸摸屏。電容式觸摸屏內(nèi)有一導(dǎo)電層。導(dǎo)電層四個角引出四個電極,當(dāng)手指觸摸屏幕時,人體和觸摸屏就形成了一個電容,電容具有“通高頻”的作用,從而導(dǎo)致有電流分別從觸摸屏四角上的電極中流出,并且流經(jīng)這四個電極的電流與手指到四角的距離成正比,控制器通過對這四個電流比例進行精確計算,得出觸摸點的位置信息。在開機狀態(tài)下,下列說法正確的是(

)A.電容式觸摸屏感測手指觸摸點的位置是因為手指對屏幕按壓產(chǎn)生了形變B.電容式觸摸屏感測手指觸摸點的位置是利用了電磁感應(yīng)現(xiàn)象C.當(dāng)手指觸摸屏幕時手指有微弱的電流流過D.當(dāng)手指離開屏幕時,電容變小,對高頻電流的阻礙變大,控制器不易檢測到手指答案

C解析

由于流經(jīng)四個電極的電流與手指頭到四角的距離成比例,電容觸摸屏只需要觸摸,控制器就能確定手指的位置,無需手指有壓力,故A錯誤;電容式觸摸屏感測手指觸摸點的位置是電容器的充放電原理,不是電磁感應(yīng)現(xiàn)象,故B錯誤;由題意可知,手指從手的觸點吸走一部分電荷,在電荷定向移動的過程中,會有微弱電流通過,故C正確;根據(jù)電容器的工作原理可知,當(dāng)手指離開屏幕時,電容變小,電容器將放電,控制器仍然能檢測到手指離開的準(zhǔn)確位置,故D錯誤。2.許多手機都有指紋解鎖功能,常用的指紋識別傳感器是電容式傳感器,如圖所示。指紋的凸起部分叫做“嵴”,凹下部分叫做“峪”,傳感器上有大量面積相同的小極板,當(dāng)手指貼在傳感器上時,這些小極板和與之正對的皮膚表面就形成了大量的小電容器,由于距離不同,所以這些小電容器的電容不同。此時傳感器給所有的電容器充電達到同一電壓值,然后開始放電,其中電容值較小的電容器放電較快,于是根據(jù)放電快慢的不同,就可以探測到嵴和峪的位置,從而形成指紋的圖像數(shù)據(jù)。根據(jù)以上信息,下列說法正確的是(

)A.電容器在充電過程中是把電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能B.在嵴處形成的電容器放電較快C.在峪處形成的電容器充電后帶的電荷量較少D.潮濕的手指對指紋識別沒有任何影響答案

C解析

電容器在充電過程中是把電能轉(zhuǎn)化成電場能,故A錯誤;由于外接電源為所有電容器充到一個預(yù)先設(shè)計好的電壓值,所以所有的電容器電壓一定,根據(jù)Q=CU=U可知,極板在峪處(凹下部分,d大,電容小)構(gòu)成的電容器充上的電荷較少,在放電過程中放電時間短;反之,在嵴處形成的電容器電容大,電荷量大,放電時間長,故B錯誤,C正確;濕的手指與傳感器之間有水填充,改變了原來匹配成平行板電容器的電容,所以會影響指紋解鎖,故D錯誤。故選C。二、典型物理模型指導(dǎo)突破:變壓器典型問題分析【模型建構(gòu)】(一)理想變壓器各物理量間的關(guān)系(二)理想變壓器的動態(tài)分析當(dāng)副線圈中負(fù)載變化時,會引起副線圈中電流變化,副線圈中電流變化又會引起原線圈中的電流變化。另外由于開關(guān)的作用而導(dǎo)致原、副線圈匝數(shù)比變化時,也會引起副線圈上電壓、電流的變化。(三)原線圈中接有用電器問題由于原線圈中的用電器要分擔(dān)一部分電壓,因此原線圈兩端電壓不等于電源兩端電壓,但電壓比、電流比的關(guān)系仍然成立。(四)幾種常用的變壓器1.自耦變壓器——調(diào)壓變壓器,如圖甲(降壓作用)、乙(升壓作用)所示。【案例探究】案例1.(多選)如圖,理想變壓器原、副線圈分別接有額定電壓相同的燈泡a和b。當(dāng)輸入電壓U為燈泡額定電壓的10倍時,兩燈泡均能正常發(fā)光。下列說法正確的是(

)A.原、副線圈匝數(shù)比為9∶1B.原、副線圈匝數(shù)比為1∶9C.此時a和b的電功率之比為9∶1D.此時a和b的電功率之比為1∶9審題指導(dǎo)

關(guān)鍵詞句獲取信息原線圈中接有用電器理想變壓器理想變壓器本身不消耗能量額定電壓相同的燈泡a和b燈泡正常發(fā)光時電壓相同當(dāng)輸入電壓U為燈泡額定電壓的10倍時輸入電壓U不是原線圈的電壓思路突破

根據(jù)燈泡電壓與輸入電壓的關(guān)系可明確接在輸入端和輸出端的電壓關(guān)系,則可求得匝數(shù)之比;根據(jù)P=UI求a、b燈泡的電功率之比。答案

AD素養(yǎng)點撥

處理變壓器的原線圈與電阻串聯(lián)后接入交流電壓問題的思路(1)要注意明確電路結(jié)構(gòu),知道開關(guān)通斷時電路的連接方式。(2)明確輸入電壓與總電壓之間的關(guān)系。(3)根據(jù)電壓之比等于匝數(shù)之比、電流之比等于匝數(shù)的反比列式。案例2.如圖所示,理想變壓器有兩個副線圈,L1、L2是兩盞規(guī)格為“8V

10W”的燈泡,L3、L4是兩盞規(guī)格為“6V

12W”的燈泡,當(dāng)變壓器的輸入電壓為U1=220V時,四盞燈泡恰好都能正常發(fā)光,如果原線圈的匝數(shù)n1=1100匝,求:(1)副線圈n2、n3的匝數(shù);(2)電流表的讀數(shù)。審題指導(dǎo)

關(guān)鍵詞句獲取信息理想變壓器有兩個副線圈電壓與匝數(shù)成正比是成立的,而電流與匝數(shù)成反比的規(guī)律不成立。但原線圈的輸入功率等于兩個副線圈的輸出功率L1、L2兩盞燈泡是并聯(lián);L3、L4兩盞燈泡是串聯(lián)四盞燈泡恰好都能正常發(fā)光U2=8V;U3=12V思路突破

(1)四盞燈泡恰好都能正常發(fā)光,則上面一個副線圈的電壓為8

V,下面一個副線圈的電壓為12

V,根據(jù)電壓比等于線圈匝數(shù)比即可求解匝數(shù)。(2)根據(jù)原、副線圈的功率相等列式求解原線圈的電流。答案

(1)40匝

60匝

(2)0.2A素養(yǎng)點撥解決理想變壓器問題的絕招招數(shù)一

能量守恒法(功率思路)理想變壓器的輸入、輸出功率關(guān)系為P入=P出,即P1=P2。當(dāng)變壓器有多個副線圈時,P1=P2+P3+…招數(shù)二

電流、電壓關(guān)系法招數(shù)三

等效負(fù)載電阻法設(shè)理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)之比為n1∶n2,原線圈輸入電壓為U1,副線圈負(fù)載電阻為R,如圖甲所示,在變壓器正常工作時,a、b間的等效電阻為【創(chuàng)新訓(xùn)練】1.(2022江蘇南通期末)如圖所示,理想變壓器原線圈接在一不計內(nèi)阻的交流電源上,原線圈上串聯(lián)一電阻R1,副線圈接一電阻箱,當(dāng)電阻箱阻值調(diào)至R2時其功率最大,則原線圈與副線圈的匝數(shù)之比為(

)答案

C

2.(2022四川成都期末)如圖甲所示電路中,理想變壓器原線圈輸入圖乙所示的正弦式交變電流,R1=10Ω,電表均為理想交流電表。開始時,開關(guān)S接1,原、副線圈的匝數(shù)比為11∶1,滑動變阻器R2接入電路的阻值為10Ω。則(

)A.此時電壓表的示數(shù)為20VB.R1在1min內(nèi)產(chǎn)生的熱量為10JC.若只將滑動變阻器滑片向上滑動,則兩表的示數(shù)都減小D.若只將開關(guān)S從1撥到2,則兩表的示數(shù)都增大答案

D

三、情境化主題突破:電磁感應(yīng)現(xiàn)象在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用【背景資料】資料一

無線充電無線充電技術(shù)通過分別安裝在充電基座和接收能量的裝置上的線圈,利用產(chǎn)生的磁場傳遞能量。如果移動電話中有無線充電裝置,那么把移動電話直接放在充電基座上就可以充電。對于一個沒有無線充電功能的移動電話,也可以通過在移動電話端連接一個無線充電接收器,將接收器放在無線充電基座上來進行充電。打開無線充電接收器,就可以看到其內(nèi)部有一個接收線圈。無線充電技術(shù),可分為小功率無線充電和大功率無線充電兩種方式。小功率無線充電常采用電磁感應(yīng)式,大功率無線充電常采用諧振式(大部分電動汽車充電采用此方式),由供電設(shè)備(充電器)將能量傳送至用電的裝置,該裝置使用接收到的能量對電池充電,并同時供其本身運作之用。無線充電技術(shù)的基本原理有電磁感應(yīng)式、磁場共振式和無線電波式。相比有線輸電技術(shù),無線充電器與用電裝置之間不用電線連接,因而具有使用方便、減少觸電危險、不易老化磨損等優(yōu)點。但目前無線充電技術(shù)也存在著傳輸距離短、成本高、能量損耗大等不足。因此,無線充電技術(shù)還需不斷地改進、發(fā)展。資料二

電磁炮電磁炮是利用電磁力產(chǎn)生動能推進彈丸的一種先進的武器,與傳統(tǒng)的大炮將火藥燃?xì)鈮毫ψ饔糜趶椡璨煌?電磁炮是利用電磁系統(tǒng)中電磁場的作用力,其作用的時間要長得多,可大大提高彈丸的速度和射程。因而引起了世界各國軍事家們的關(guān)注。自80年代初期以來,電磁炮在未來武器的發(fā)展計劃中,已成為越來越重要的部分。軌道炮由兩條平行的導(dǎo)軌組成,彈丸夾在兩條導(dǎo)軌之間。兩軌接入電源,電流經(jīng)一導(dǎo)軌流向彈丸再流向另一導(dǎo)軌產(chǎn)生強磁場,磁場與電流相互作用,產(chǎn)生強大的安培力推動彈丸,達到很高的速度(理論上可以到達亞光速)。資料三

電磁剎車電磁剎車又稱渦磁剎車。利用轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)的可控磁場中轉(zhuǎn)動切割磁感線,產(chǎn)生電渦流,形成反扭矩,以消耗下鉆勢能,進而達到控制下鉆速度目的的一種輔助剎車形式。比水力剎車更可靠、反應(yīng)更迅速。特點是下鉆速度越快,產(chǎn)生的反扭矩越大,能有效控制下鉆速度。電磁剎車在石油鉆機上有逐步替代水力剎車的趨勢。原理磁力剎車制動器含有一個或兩個磁力很強的釹磁鐵長條。當(dāng)金屬片(通常是銅或銅鋁合金)切割磁感線時,會在金屬內(nèi)部產(chǎn)生渦流,這將生成一個磁場來阻礙運動。由此產(chǎn)生的制動力與速度成正比,金屬片在磁鐵內(nèi)移動,同時產(chǎn)生熱能。這種磁制動效果可以被解釋為將該列車的速度按一定規(guī)律逐步減半。不過當(dāng)速度減到一定程度時,生成的渦流不足以阻止列車,這就需要摩擦式剎車或者摩擦驅(qū)動輪了。資料四

真空高速列車真空高速列車是懸浮列車、飛行列車,用于超級高鐵。未來實驗室將推出速度600~1

000

km/h的真空管道高速列車小比例模型。而根據(jù)現(xiàn)在的理論研究,這種真空磁懸浮列車速度可達到250

km/h。我國在建高鐵達1萬千米。除了在建的速度350

km/h的高鐵外,我國還在研制速度可達1

000

km/h的真空磁懸浮列車。從北京到廣州2

300

km的路程,不用坐飛機,乘坐地面交通同樣可以用2個小時甚至1個小時到達。這就是我國正在積極研發(fā)試驗的真空管道高速交通。西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室課題組正在研制速度500~600

km/h的真空高速列車,這種技術(shù)預(yù)計10年后實現(xiàn)運營。世界上共有美國、瑞士、中國3個國家正在研究真空管道磁懸浮技術(shù),我國已經(jīng)開始著手試驗了,美國和瑞士還在理論階段?！緞?chuàng)新訓(xùn)練】1.(多選)圖甲為手機無線充電工作原理的示意圖,由送電線圈和受電線圈組成。已知受電線圈的匝數(shù)為n=50,電阻r=1.0Ω,在它的c、d兩端接一阻值R=9.0Ω的電阻。設(shè)在受電線圈內(nèi)存在與線圈平面垂直的磁場,其磁通量隨時間按圖乙所示的規(guī)律變化,可在受電線圈中產(chǎn)生電動勢最大值為20V的正弦式交變電流,設(shè)豎直向上為正方向。則(

)A.在t=π×10-3s時,受電線圈中產(chǎn)生電流的大小為2.0AB.在t=π×10-3s時,c端電勢低于d端C.在一個周期內(nèi),電阻R上產(chǎn)生的熱量為5.7×10-3JD.從t1到