【创新设计】2022届高考物理一轮 （考纲自主研读+命题探究+高考全程解密） 第2讲理想变压器 电能的输送 传感器（含解析） 新人教版

第2讲　理想变压器　电能的输送　传感器理想变压器　Ⅱ(考纲要求)【思维驱动】图10－2－1(单选)一输入电压为220V，输出电压为36V的变压器副线圈烧坏．为获知此变压器原、副线圈匝数，某同学拆下烧坏的副线圈，用绝缘导线在铁芯上新绕了5匝线圈，如图10－2－1所示，然后将原线圈接到220V交流电源上，测得新绕线圈的端电压为1V．按理想变压器分析，该变压器烧坏前的原、副线圈匝数分别为(　　)．A．1100，360B．1100，180C．2200，180D．2200，360解析　根据＝可得＝，可知n1＝1100.排除C、D两项．再由＝可知n2＝180，故A错、B对．答案　B【知识存盘】1．构造：如图10－2－2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．图10－2－2(1)原线圈：与交流电源连接的线圈，也叫初级线圈．(2)副线圈：与负载连接的线圈，也叫次级线圈．18\n2．原理：电流磁效应、电磁感应．3．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．4．几种常用的变压器(1)自耦变压器——调压变压器(2)互感器电能的输送　Ⅰ(考纲要求)【思维驱动】(单选)(2022·江西重点中学联考)照明供电线路的路端电压基本上是保持不变的．可是我们在晚上七、八点钟用电高峰时开灯，电灯比深夜时要显得暗些．这是因为用电高峰时(　　)．A．总电阻比深夜时大，供电线路上的电流小，每盏灯两端的电压较低B．总电阻比深夜时大，供电线路上的电流小，通过每盏灯的电流较小C．总电阻比深夜时小，供电线路上的电流大，输电线上损失的电压较大D．供电线路上的电流恒定，但开的灯比深夜时多，通过每盏灯的电流小解析　照明供电线路的用电器是并联的，晚上七、八点钟用电高峰时，用电器越多，总电阻越小，供电线路上的电流越大，输电线上损失的电压较大，用户得到的电压较小，所以C正确．答案　C【知识存盘】1．输电过程(如图10－2－3所示)图10－2－318\n2．输电导线上的能量损失：主要是由输电线的电阻发热产生的，表达式为Q＝I2Rt．3．电压损失(1)ΔU＝U－U′；(2)ΔU＝IR．4．功率损失(1)ΔP＝P－P′；(2)ΔP＝I2R＝R.5．输送电流(1)I＝；(2)I＝.传感器　Ⅰ(考纲要求)【思维驱动】(多选)(2022·江苏卷，6)美国科学家WillardS．Boyle与GeorgeE．Smith因电荷耦合器件(CCD)的重要发明荣获2022年度诺贝尔物理学奖．CCD是将光学量转变成电学量的传感器．下列器件可作为传感器的有(　　)．A．发光二极管B．热敏电阻C．霍尔元件D．干电池解析　发光二极管有单向导电性，A错；热敏电阻和霍尔元件都可作为传感器，B、C对；干电池是电源，D错．答案　BC【知识存盘】1．传感器(1)定义：感受非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电学量，或转换为电路的通断的一类元件．(2)工作原理2．传感器的基本元件(1)光敏电阻①特点：电阻值随光照增强而减小．②原理：光敏电阻由半导体材料制成，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好．18\n③作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量．(2)热敏电阻和金属热电阻热敏电阻金属热电阻特点电阻率随温度升高而减小电阻率随温度升高而增大制作材料氧化锰铂优点灵敏度好化学稳定性好，测温范围大作用将温度这个热学量转换为电阻这个电学量(3)霍尔元件①组成：在一个很小的矩形半导体薄片上，制作4个电极E、F、M、N，就成为一个霍尔元件．图10－2－4②原理：E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B时，薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M、N间出现电压(如图10－2－4所示)．③霍尔电压：UH＝k，d为薄片厚度，k为霍尔系数．一个霍尔元件的d、k为定值，若保持I恒定，则UH的变化就与B成正比．④作用：把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量．3．传感器的原理分析(1)感受量分析要明确传感器所感受的物理量，如力、热、光、磁、声等．(2)输出信号分析明确传感器的敏感元件，分析它的输入信号及输出信号，以及输入信号与输出信号间的变化规律．(3)电路结构分析认真分析传感器所在的电路结构，在熟悉常用电子元件工作特点基础上，18\n分析电路输出信号与输入信号间的规律．远距离高压输电的几个基本关系18\n考点一　理想变压器基本规律的应用图10－2－5【典例1】(单选)(2022·海南卷，4)如图10－2－5所示，理想变压器原、副线圈匝数比为20∶1，两个标有“12V，6W”的小灯泡并联在副线圈的两端．当两灯泡都正常工作时，原线圈电路中电压表和电流表(可视为理想的)的示数分别是(　　)．A．120V，0.10AB．240V，0.025AC．120V，0.05AD．240V，0.05A解析　副线圈电压U2＝12V，由＝得U1＝240V，副线圈中电流I2＝2×＝1A，由＝得I1＝0.05A.答案　D【变式跟踪1】(单选)如图10－2－6所示为一理想变压器，图10－2－6原副线圈的匝数之比为1∶n，副线圈接一定值电阻R(　　)．A．若a、b之间接直流电压U，则R中的电流为B．若a、b之间接直流电压U，则原副线圈中的电流均为零C．若a、b之间接交流电压U，则原线圈中的电流为D．若a、b之间接交流电压U，则副线圈中的电流为解析　根据变压器原理可知，接直流电时，R中没有电流，A错误；但在原线圈中能形成闭合回路，有电流，B错误；在a、b间接交流电压U时，由公式＝，＝得U2＝18\nnU，I2＝，I1＝，所以C正确，D错误．答案　C,借题发挥1．对理想变压器的理解(1)没有能量损失(2)没有磁通量损失(3)基本量的制约关系电压副线圈的电压U2由原线圈的电压U1和匝数比决定功率原线圈的输入功率P1由副线圈的输出功率P2决定电流原线圈的电流I1由副线圈的电流I2和匝数比决定2.变压器问题的解题思路考点二　变压器的动态分析【典例2】(单选)(2022·福建卷，14)图10－2－7如图10－2－7所示，理想变压器原线圈输入电压u＝Umsinωt，副线圈电路中R0为定值电阻，R是滑动变阻器.和是理想交流电压表，示数分别用U1和U2表示；和是理想交流电流表，示数分别用I1和I2表示．下列说法正确的是(　　)．A．I1和I2表示电流的瞬时值B．U1和U2表示电压的最大值C．滑片P向下滑动过程中，U2不变、I1变大D．滑片P向下滑动过程中，U2变小、I1变小解析　交流电表的示数为有效值，故A、B两项均错误；P向下滑动过程中，R变小，18\n由于交流电源、原副线圈匝数不变，U1、U2均不变，所以I2＝变大，由＝，得I1＝I2变大，故C项正确、D项错误．答案　C【变式跟踪2】(多选)为探究理想变压器原、图10－2－8副线圈电压、电流的关系，将原线圈接到电压有效值不变的正弦交流电源上，副线圈连接相同的灯泡L1、L2，电路中分别接了理想交流电压表V1、V2和理想交流电流表A1、A2，导线电阻不计，如图10－2－8所示．当开关S闭合后(　　)．A．A1示数变大，A1与A2示数的比值不变B．A1示数变大，A1与A2示数的比值变大C．V2示数变小，V1与V2示数的比值变大D．V2示数不变，V1与V2示数的比值不变解析　交流电源电压有效值不变，即V1示数不变，因＝，故V2示数不变，V1与V2示数的比值不变，D对．S闭合使负载总电阻减小，I2＝，所以I2增大．因＝，所以A1示数增大，A1与A2示数比值不变，A对．答案　AD,借题发挥变压器的动态分析1．根据题意弄清变量与不变量．2．弄清变压器动态变化的决定关系．(1)原线圈与副线圈电压的决定关系．(2)输入功率与输出功率的决定关系．(3)原线圈与副线圈电流的决定关系．3．基本思路程序U1U2I218\nI1P1考点三　远距离输电问题【典例3】(单选)(2022·天津卷，4)通过一理想变压器，经同一线路输送相同的电功率P，原线圈的电压U保持不变，输电线路的总电阻为R.当副线圈与原线圈的匝数比为k时，线路损耗的电功率为P1，若将副线圈与原线圈的匝数比提高到nk，线路损耗的电功率为P2，则P1和分别为(　　)．A.，B.R，C.，D.R，解析　根据变压器的变压规律，得＝k，＝nk，所以U1＝kU，U2＝nkU.根据P＝UI，知匝数比为k和nk的变压器副线圈的电流分别为I1＝＝，I2＝＝.根据P＝I2R，输电线路损耗的电功率分别为P1＝IR＝R，P2＝IR＝R，所以＝.选项D正确，A、B、C错误．答案　D【变式跟踪3】(单选)2022年入春以来，图10－2－10云南省部分地区出现严重旱情，导致大面积农作物受灾，大量群众饮水困难．目前旱情仍在继续．为帮助灾区抗旱，电力部门加大了对灾区的电力供应．如图10－2－10所示，发电厂的输出电压和输电线的电阻、变压器不变，若发电厂增大输出功率，则下列说法正确的是(　　)．A．升压变压器的输出电压增大B．降压变压器的输出电压增大C．输电线上损耗的功率增大D．输电线上损耗的功率占总功率的比例减小解析　发电厂的输出电压不变，则升压变压器的输出电压不变，A项错；发电厂输出功率增大，则输电线中电流增大，导线上损耗功率和损耗电压增大，降压变压器的输入、输出电压减小，B错、C对；输电线上损耗的功率与总功率的比值为＝，18\n该比值随电流的增大而增大，D项错．答案　C,借题发挥1．远距离输电的电路结构图如图10－2－9所示．图10－2－92．五个关系式(1)＝，＝.(2)理想变压器的输入功率等于输出功率，P入＝P出．(3)升压变压器原线圈的电流I1＝，副线圈的电流I2＝，U2为输送电压．(4)功率损失：ΔP＝IR线＝，P2＝P3＋ΔP.(5)电压关系：U2＝I2R线＋U3.3．解远距离输电问题的思路(1)正确画出输电过程示意图并在图上标出各物理量．(2)抓住变压器变压前后各量间关系，求出输电线上的电流．(3)计算电路功率问题时常用关系式：P损＝IR线，注意输电线上的功率损失和电压损失．(4)电网送电遵循“用多少送多少”的原则说明原线圈电流由副线圈电流决定.命题热点11　理想变压器基本规律的应用命题专家评述考情分析近三年我省在高考试题中对理想变压器规律应用的考查属于中频考点，3年2考．高考题型：计算题或选择题命题趋势18\n2022年高考对本讲内容的考查仍是理想变压器规律的应用，可能加强对实际问题处理能力的考查．阅教老师叮咛易失分点(1)不清楚理想变压器只能改变电压和电流，而不能改变功率和频率．(2)不能正确地分析变压器的动态变化问题．应对策略巧记：对于理想变压器，各电学物理量的决定因素物理量决定因素输入电压提供输入电压的电源输出电压输入电压和匝数比，与负载无关输入电流输出电流(原、副线圈各一个绕组)或输入功率等于输出功率(副线圈有多个绕组)输出电流输出电压和负载输入功率输出功率输出功率输出电压和负载高考佐证1．(2022·江苏单科，13)如图10－2－11甲为一理想变压器，ab为原线圈，ce为副线圈，d为副线圈引出的一个接头，原线圈输入正弦式交变电压的u－t图象如图乙所示．若只在ce间接一只Rce＝400Ω的电阻，或只在de间接一只Rde＝225Ω的电阻，两种情况下电阻消耗的功率均为80W.图10－2－11(1)请写出原线圈输入电压瞬时值uab的表达式；(2)求只在ce间接400Ω电阻时，原线圈中的电流I1；(3)求ce和de间线圈的匝数比.18\n解析　(1)由图乙知ω＝200πrad/s电压瞬时值uab＝400sin(200πt)V.(2)电压有效值U1＝200V理想变压器P入＝P出，P出＝80W原线圈中的电流I1＝解得I1＝A.(3)设ab间匝数为n1，＝同理＝由题意知＝解得＝，代入数据得＝.答案　(1)uab＝400sin(200πt)V　(2)A　(3)2．(单选)(2022·课标全国卷，17)图10－2－12自耦变压器铁芯上只绕有一个线圈，原、副线圈都只取该线圈的某部分．一升压式自耦调压变压器的电路如图10－2－12所示，其副线圈匝数可调．已知变压器线圈总匝数为1900匝；原线圈为1100匝，接在有效值为220V的交流电源上．当变压器输出电压调至最大时，负载R上的功率为2.0kW.设此时原线圈中电流有效值为I1，负载两端电压的有效值为U2，且变压器是理想的，则U2和I1分别约为(　　)．A．380V和5.3AB．380V和9.1AC．240V和5.3AD．240V和9.1A解析　根据理想变压器电压比关系＝，代入数据解得副线圈两端的电压有效值U2＝380V，因理想变压器原、副线圈输入和输出的功率相等，即P入＝P出＝U1I1，解得I1＝18\nA≈9.1A，选项B正确；选项A、C、D错误．答案　B【预测1】(单选)如图10－2－13甲所示，两个相同的灯泡串联，并和电压表、电流表一起连接在正弦交变电源上，每个灯泡的电阻R＝110Ω.图乙是交变电源输出电压随时间t变化的图象，则(　　)．图10－2－13A．电压表读数是311VB．电流表读数是AC．每个灯泡两端电压随时间变化的规律是uR＝311cos100πtD．通过每个灯泡的电流随时间变化的规律是i＝cos100πt解析　由题图乙知，输出电压最大值为311V，则有效值为220V，故电压表示数应为220V，A错误；电流表示数为1A，B错误；灯泡两端电压随时间变化规律为uR＝cos100πt，C错误；电流i＝cos100πt，D正确．答案　D【预测2】(单选)如图10－2－14图10－2－14所示是一种理想自耦变压器示意图，线圈绕在一个圆环形的铁芯上，P是可移动的滑动触头．A、B间接交流电压U，输出端连接了两个相同的灯泡L1和L2，Q为滑动变阻器的滑动触头．当开关S闭合，P处于如图所在的位置时，两灯均能发光．下列说法正确的是(　　)．A．将P沿逆时针方向移动，两灯均变暗B．P不动，将Q向左移动，两灯均变亮18\nC．P不动，将Q向右移动，输入功率变大D．断开开关S，L1将变暗解析　本题考查变压器及其动态变化．当P沿逆时针方向移动时，副线圈的匝数n2增大，由＝知，U2增大，L1、L2均变亮，A错；当P不动时U2不变，Q向左移动，R减小，L1、L2的电压增大，两灯泡变亮，B对；当P不动，Q向右移动时，R增大，变压器输出功率P2＝，R总增大，P2减小，而P1＝P2，故P1减小，C错；断开开关S，负载电阻增大，L1的电压增大，L1将变亮，D错．答案　B一、理想变压器基本规律的应用图10－2－151．(单选)(2022·重庆卷，15)如图10－2－15所示，理想变压器的原线圈接入u＝11000sin100πt(V)的交变电压，副线圈通过电阻r＝6Ω的导线对“220V，880W”的电器RL供电，该电器正常工作．由此可知(　　)．A．原、副线圈的匝数比为50∶1B．交变电压的频率为100HzC．副线圈中电流的有效值为4AD．变压器的输入功率为880W解析　由电器RL正常工作，可得通过副线圈的电流为I＝＝A＝4A，故C对；副线圈导线所分电压为Ur＝4×6V＝24V，副线圈两端电压U2＝220V＋24V＝244V，因此原、副线圈的匝数比＝＝＝，故A错；又P1＝P2＝U2I2＝244×4W＝976W，故D错；交变电压的频率f＝＝50Hz，故B错．答案　C2．(单选)一理想变压器原、18\n图10－2－16副线圈匝数比n1∶n2＝11∶5，原线圈与正弦交变电源连接，输入电压u随时间t的变化规律如图10－2－16所示，副线圈仅接入一个10Ω的电阻，则(　　)．A．流过电阻的最大电流是20AB．与电阻并联的电压表的示数是141VC．变压器的输入功率是1×103WD．在交变电流变化的一个周期内，电阻产生的焦耳热是2×103J解析　由交流电压u随时间t的变化规律可知，输入的最大电压为220V，由电压关系可知＝，可得输出电压的最大值为100V，电压的有效值为100V，最大电流为10A，电流的有效值为10A，选项A错误；电压表示数应为电压有效值，因此选项B错误；变压器的输出输入功率相等，可得P＝UI＝1×103W，选项C正确；在交变电流变化的一个周期内，电阻产生的焦耳热为Q＝I2Rt＝20J，选项D错误．答案　C3．(单选)如图10－2－17所示，图10－2－17理想变压器的副线圈上通过输电线接有三个灯泡L1、L2和L3，输电线的等效电阻为R，原线圈接有一个理想的电流表，开始时，开关S接通，当S断开时，以下说法中正确的是(　　)．A．原线圈两端P、Q间的输入电压减小B．等效电阻R上消耗的功率变大C．原线圈中电流表示数增大D．灯泡L1和L2变亮解析　原线圈两端P、Q间的输入电压U1不变，选项A错误；输入电压决定输出电压，U118\n不变，所以副线圈两端M、N间的输出电压U2也不变，当S断开时，副线圈电路的总电阻R总变大，所以输出电流I2＝U2/R总变小，等效电阻R上消耗的功率P＝IR变小，选项B错误；输出电流I2变小，输入电流I1＝(n2/n1)I2也变小，所以原线圈中电流表示数减小，选项C错误；输出电压U2不变，输出电流I2变小，灯泡L1和L2串联电路的电压值U＝U2－I2R变大，流过两个灯泡的电流变大，两灯泡均变亮，选项D正确．答案　D4．(多选)(2022·山东卷，18)如图10－2－18甲所示是某燃气炉点火装置的原理图．转换器将直流电压转换为图乙所示的正弦交变电压，并加在一理想变压器的原线圈上，变压器原、副线圈的匝数分别为n1、n2，为交流电压表．当变压器副线圈电压的瞬时值大于5000V时，就会在钢针和金属板间引发电火花进而点燃气体．以下判断正确的是(　　)．图10－2－18A．电压表的示数等于5VB．电压表的示数等于VC．实现点火的条件是>1000D．实现点火的条件是<1000解析　由题u－t图象知，交流电压的最大值Um＝5V，所以电压表的示数U＝＝V，故选项A错误，选项B正确；根据＝得＝，变压器副线圈电压的最大值U2m＝5000V时，有效值U2＝＝V，所以点火的条件>＝1000，故选项C正确，选项D错误．答案　BC二、远距离输电问题5．(单选)(2022·阜宁测评)如图10－2－19所示为远距离输电的电路原理图，18\n下列判断正确的是(　　)．图10－2－19A．U1>U2B．U2＝U3C．I4<I2D．I1>I2解析　在远距离输电的过程中，第一级为升压过程，故U1<U2，理想变压器输入功率等于输出功率，即U1I1＝U2I2，可得I1>I2，A错误、D正确；由部分电路欧姆定律可得U3＝U2－I2R线，B错误；由于第二级为降压过程，故U3>U4，由U3I2＝U4I4，可知I2<I4，C错误．答案　D6．(多选)某小型水电站的电能输送示意图如图10－2－20所示，发电机通过升压变压器T1和降压变压器T2向用户供电．已知输电线的总电阻为R，降压变压器T2的原、副线圈匝数之比为4∶1，降压变压器副线圈两端交变电压u＝220sin(100πt)V，降压变压器的副线圈与阻值R0＝11Ω的电阻组成闭合电路．若将变压器视为理想变压器，则下列说法中正确的是(　　)．图10－2－20A．通过R0电流的有效值是20AB．降压变压器T2原、副线圈的电压比为4∶1C．升压变压器T1的输出电压等于降压变压器T2的输入电压D．升压变压器T1的输出功率大于降压变压器T2的输入功率解析　降压变压器副线圈两端交变电压有效值为220V，负载电阻为11Ω，所以通过R0电流的有效值是20A，选项A正确；降压变压器T2的原、副线圈匝数之比为4∶1，所以降压变压器T2原、副线圈的电压比为4∶1，选项B正确；升压变压器T1的输出电压等于降压变压器T2的输入电压加上输电线上损失的电压，选项C错误；升压变压器T1的输出功率等于降压变压器T2的输入功率加上输电线上损失的功率，选项D正确．18\n答案　ABD18