2025届新教材高考物理一轮复习第十二章交变电流传感器核心素养专项提升学案新人教版

PAGEPAGE16核心素养专项提升一、新教材经典素材传感器与手机经典素材1.传感器的种类传感器的种类很多,作为一门学问密集型技术,它与很多学科有关:有的利用物质的物理特性或物理效应制作而成,如力传感器、磁传感器、声传感器等物理传感器;有的利用电化学反应原理,把无机或有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号,如离子传感器、气体传感器等化学传感器;有的利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质,如酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等生物传感器。在林林总总的传感器世界中,大多数传感器是以物理原理为基础制作的。这类传感器种类最多,应用领域也最广泛。2.智能手机与传感器一部一般的智能手机中就安装有十几种传感器(如图),能感受声音、图像、压力、磁场、加速度等。思维指导基于智能手机与传感器的例子,在第一章我们复习了如何用智能手机做物理试验;学习了传感器一章后,我们要进一步驾驭有关传感器的工作原理,比如压力传感器、温度传感器、光传感器、加速度传感器、电容传感器等,同学们要了解这些功能,开阔视野,提升科学探究等物理核心素养。创新训练1.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,电容具有“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出,并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比,限制器通过对这四个电流比例进行精确计算,得出触摸点的位置信息。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,限制器不易检测到手指的精确位置2.如图甲,圆圈内放大的集成块可以同时自动测量沿手机短边(x轴)、长边(y轴)和垂直面板方向(z轴)的加速度,相当于在三个方向上各有一个如图乙所示的一维加速度计,图中固定在力传感器上的质量块的质量为m。下面仅探讨x轴处于水平方向和y轴处于竖直方向的加速度状况。(1)沿x轴方向,若用F表示力传感器垂干脆触面对质量块的作用力,取+x轴方向为加速度正方向,推导出手机在水平方向的加速度ax的表达式;(2)沿y轴方向,若用F表示力传感器垂干脆触面对质量块的作用力,取+y轴方向为加速度正方向,推导出手机在竖直方向的加速度ay的表达式;(3)当手机由竖屏变横屏时,为让手机感知到这种变更,须要通过电信号分别将(1)和(2)中推导出的加速度进行输出,但应统一输出项a出,请分别写出水平和竖直方向上输出项a出的表达式;(4)当手机由竖屏变横屏时,显示的视频画面会随之由窄变宽,请说明其中的原理。3.据媒体报道,某手机带有屏幕爱护器,爱护装置设置在屏幕的4个角落,由弹性塑料、聚合物及超薄金属片组成,一旦手机内的加速度计、陀螺仪及位移传感器感知手机掉落,屏幕爱护器会自动弹出,并完全汲取手机撞击地面的能量,避开手机屏幕干脆接触地面而损坏。已知该手机设计质量约为160g,假如从1.25m高处自由掉落,手机视为质点,不计空气阻力,重力加速度g取10m/s2,则以下分析正确的是()A.手机落地的速度为4.5m/sB.爱护器弹出的时间应小于0.55sC.手机落地时重力的功率为7.5WD.若爱护器汲取撞击力的时间为0.05s,则地面对手机的平均作用力为17.6N4.很多手机都有指纹解锁功能,常用的指纹识别传感器是电容式传感器,如图所示。指纹的凸起部分叫做“嵴”,凹下部分叫做“峪”,传感器上有大量面积相同的小极板,当手指贴在传感器上时,这些小极板和与之正对的皮肤表面就形成了大量的小电容器,由于距离不同,所以这些小电容器的电容不同。此时传感器给全部的电容器充电达到同一电压值,然后起先放电,其中电容值较小的电容器放电较快,于是依据放电快慢的不同,就可以探测到嵴和峪的位置,从而形成指纹的图像数据。依据以上信息,下列说法中正确的是()A.电容器在充电过程中是把电能转化成化学能B.在嵴处形成的电容器放电较快C.在峪处形成的电容器充电后带电荷量较少D.潮湿的手指对指纹识别没有任何影响二、典型物理模型指导突破科学思维之模型建构——变压器典型问题分析模型建构(一)志向变压器各物理量间的关系①志向变压器原、副线圈的电压之比为U1U2=②志向变压器的输入、输出功率相等P1=P2,当变压器有多个副线圈时P1=P2+P3+……③由I=PU知,对只有一个副线圈的志向变压器有I1I2=n2n1,当变压器有多个副线圈时n1I1=n(二)志向变压器的动态分析当副线圈中负载变更时,会引起副线圈中电流变更,副线圈中电流变更又会引起原线圈中的电流变更。另外由于开关的作用而导致原副线圈匝数比变更时,也会引起副线圈上电压、电流的变更。(三)原线圈中接有用电器问题由于原线圈中的用电器要分担一部分电压,因此原线圈两端电压不等于电源两端电压,但电压比、电流比的关系仍旧成立。(四)几种常用的变压器1.自耦变压器——调压变压器,如图甲(降压作用)、乙(升压作用)所示。2.互感器电压互感器(案例探究1(多选)(2024全国卷Ⅲ)如图,志向变压器原、副线圈分别接有额定电压相同的灯泡a和b。当输入电压U为灯泡额定电压的10倍时,两灯泡均能正常发光。下列说法正确的是()A.原、副线圈匝数比为9∶1B.原、副线圈匝数比为1∶9C.此时a和b的电功率之比为9∶1D.此时a和b的电功率之比为1∶9解题指导审题关键词句分析解读原线圈中接有用电器志向变压器志向变压器本身不消耗能量额定电压相同的灯泡a和b灯泡正常发光时电压相同当输入电压U为灯泡额定电压的10倍时输入电压U不是原线圈的电压破题依据灯泡电压与输入电压的关系可明确接在输入端和输出端的电压关系,则可求得匝数之比;依据P=UI求a、b灯泡的电功率之比。处理变压器的原线圈与电阻串联后接入沟通电压问题的思路(1)要留意明确电路结构,知道开关通断时电路的连接方式。(2)明确输入电压与总电压之间的关系。(3)依据电压之比等于匝数之比、电流之比等于匝数的反比列式。案例探究2如图所示,志向变压器有两个副线圈,L1、L2是两盏规格为“8V,10W”的灯泡,L3、L4是两盏规格为“6V,12W”的灯泡,当变压器的输入电压为U1=220V时,四盏灯泡恰好都能正常发光,假如原线圈的匝数n1=1100匝,求:(1)副线圈n2、n3的匝数;(2)电流表的读数。解题指导审题关键词句分析解读志向变压器有两个副线圈电压与匝数成正比是成立的,而电流与匝数成反比的规律不成立。但原线圈的输入功率等于两个副线圈的输出功率L1、L2两盏灯泡是并联;L3、L4两盏灯泡是串联四盏灯泡恰好都能正常发光U2=8V;U3=12V破题(1)四盏灯泡恰好都能正常发光,则上面一个副线圈的电压为8V,下面一个副线圈的电压为12V,依据电压比等于线圈匝数比即可求解匝数;(2)依据原副线圈的功率相等列式求解原线圈的电流。解决志向变压器问题的绝技招数一能量守恒法(功率思路)志向变压器的输入、输出功率为P入=P出,即P1=P2;当变压器有多个副绕组时,P1=P2+P3+……招数二电流、电压关系法变压器原、副线圈的电压之比为U1U2=对只有一个副绕组的变压器有I1I2=n2n1;当变压器有多个副绕组时n1I1=n2招数三等效负载电阻法设志向变压器原副线圈的匝数之比为n1∶n2,原线圈输入电压为U1,副线圈负载电阻为R,如图(1)所示,在变压器正常工作时,a、b间的等效电阻为:R'=n1创新训练1.(2024江苏卷)电流互感器是一种测量电路中电流的变压器,工作原理如图所示。其原线圈匝数较少,串联在电路中,副线圈匝数较多,两端接在电流表上。则电流互感器()A.是一种降压变压器B.能测量直流电路的电流C.原、副线圈电流的频率不同D.副线圈的电流小于原线圈的电流2.(2024山西高三开学考试)如图所示,志向变压器原线圈接一正弦交变电源,其电压的有效值恒定不变,两个副线圈的匝数分别为n1和n2,所接电阻分别为R1和R2,且R2=4R1。不计电流表内阻,当只闭合S1时,电流表示数为1A,S1、S2都闭合时,电流表示数为2A,则n1∶n2等于()A.1∶1 B.1∶2 C.1∶3 D.1∶43.一含有志向变压器的电路如图所示,图中电阻R1、R2和R3的阻值分别为3Ω、1Ω和4Ω,A为志向沟通电流表,U为正弦沟通电压源,输出电压的有效值恒定。当开关S断开时,电流表的示数为I;当S闭合时,电流表的示数为4I。该变压器原、副线圈匝数比为()A.2 B.3 C.4 D.5三、情境化主题突破科学看法与责任——电磁感应现象在生产、生活中的应用背景资料资料一无线充电无线充电技术通过分别安装在充电基座和接收能量的装置上的线圈,利用产生的磁场传递能量。假如移动电话中有无线充电装置,那么把移动电话干脆放在充电基座上就可以充电。对于一个没有无线充电功能的移动电话,也可以通过在移动电话端连接一个无线充电接收器,将接收器放在无线充电基座上来进行充电。打开无线充电接收器,就可以看到其内部有一个接收线圈。无线充电技术,可分为小功率无线充电和大功率无线充电两种方式。小功率无线充电常采纳电磁感应式,大功率无线充电常采纳谐振式(大部分电动汽车充电采纳此方式)由供电设备(充电器)将能量传送至用电的装置,该装置运用接收到的能量对电池充电,并同时供其本身运作之用。无线充电技术的基本原理有电磁感应式、磁场共振式和无线电波式。相比有线输电技术,无线充电器与用电装置之间不用电线连接,因而具有运用便利、削减触电危急、不易老化磨损等优点。但目前无线充电技术也存在着传输距离短、成本高、能量损耗大等不足。因此,无线充电技术还需不断地改进、发展。资料二电磁炮电磁炮是利用电磁力产生动能推动弹丸的一种先进的武器,与传统的大炮将火药燃气压力作用于弹丸不同,电磁炮是利用电磁系统中电磁场的作用力,其作用的时间要长得多,可大大提高弹丸的速度和射程。因而引起了世界各国军事家们的关注。自80年头初期以来,电磁炮在将来武器的发展安排中,已成为越来越重要的部分。轨道炮由两条平行的导轨组成,弹丸夹在两条导轨之间。两轨接入电源,电流经一导轨流向弹丸再流向另一导轨产生强磁场,磁场与电流相互作用,产生强大的安培力推动弹丸,达到很高的速度(理论上可以到达亚光速)。资料三电磁刹车电磁刹车又称涡磁刹车。利用转子在定子内的可控磁场中转动切割磁感线,产生电涡流,形成反扭矩,以消耗下钻势能,进而达到限制下钻速度目的的一种协助刹车形式。比水力刹车更牢靠、反应更快速。特点是下钻速度越快,产生的反扭矩越大,能有效限制下钻速度。电磁刹车在石油钻机上有逐步替代水力刹车的趋势。原理磁力刹车制动器含有一个或两个磁力很强的钕磁铁长条。当金属片(通常是铜或铜铝合金)切割磁感线时,会在金属内部产生涡流,这将生成一个磁场来阻碍运动。由此产生的制动力是成正比的速度,金属片在磁铁内移动,同时产生热能。这种磁制动效果可以被说明为将该列车的速度按肯定规律逐步减半。不过当速度减到肯定程度时,生成的涡流不足以阻挡列车,这就须要摩擦式刹车或者摩擦驱动轮了。资料四真空高速列车真空高速列车是悬浮列车、飞行列车,用于超级高铁。将来试验室将推出速度600~1000km/h的真空管道高速列车小比例模型。而依据现在的理论探讨,这种真空磁悬浮列车速度可达到250km/h。我国在建高铁达1万公里。除了在建的速度350km/h的高铁外,我国还在研制速度可达1000km/h的真空磁悬浮列车。从北京到广州2300km的路程,不用坐飞机,乘坐地面交通同样可以用2个小时甚至1个小时到达。这就是我国正在主动研发试验的真空管道高速交通。西南交通高校牵引动力国家重点试验室课题组正在研制速度500~600km/h的真空高速列车,这种技术预料10年后实现运营。世界上共有美国、瑞士、中国3个国家正在探讨真空管道磁悬浮技术,我国已经起先着手试验了,美国和瑞士还在理论阶段。创新训练1.(多选)(2024山东威海质检)如图甲所示为手机无线充电工作原理的示意图,由送电线圈和受电线圈组成。已知受电线圈的匝数为n=50匝,电阻r=1.0Ω,在它的c、d两端接一阻值R=9.0Ω的电阻。设在受电线圈内存在与线圈平面垂直的磁场,其磁通量随时间按图乙所示的规律变更,可在受电线圈中产生电动势最大值为20V的正弦沟通电,设磁场竖直向上。则()A.在t=π×10-3s时,受电线圈中产生电流的大小为2.0AB.在t=π×10-3s时,c端电势低于d端C.在一个周期内,电阻R上产生的热量为5.7×10-3JD.从t1到t2时间内,通过电阻R的电荷量为2×10-3C2.(2024北京朝阳高三上期末)某研学小组设计了一个协助列车进站时快速刹车的方案。如图所示,在站台轨道下方埋一励磁线圈,通电后形成竖直方向的磁场(可视为匀强磁场)。在车身下方固定一矩形线框,利用线框进入磁场时所受的安培力,协助列车快速刹车。已知列车的总质量为m,车身长为s,线框的短边ab和cd分别安装在车头和车尾,长度均为L(L小于匀强磁场的宽度),整个线框的电阻为R。站台轨道上匀强磁场区域足够长(大于车长s),车头进入磁场瞬间的速度为v0,假设列车停止前所受铁轨及空气阻力的合力恒为f。已知磁感应强度的大小为B,车尾进入磁场瞬间,列车恰好停止。(1)求列车车头刚进入磁场瞬间线框中的电流大小I和列车的加速度大小a;(2)求列车从车头进入磁场到停止所用的时间t;(3)请你评价该设计方案的优点和缺点(优、缺点至少各一种)。3.(2024天津卷)真空管道超高速列车的动力系统是一种将电能干脆转换成平动动能的装置。图甲是某种动力系统的简化模型,图中粗实线表示固定在水平面上间距为l的两条平行光滑金属导轨,电阻忽视不计。ab和cd是两根与导轨垂直、长度均为l、电阻均为R的金属棒,通过绝缘材料固定在列车底部,并与导轨良好接触,其间距也为l,列车的总质量为m。列车启动前,ab、cd处于磁感应强度为B的匀强磁场中,磁场方向垂直于导轨平面对下,如图甲所示。为使列车启动,需在M、N间连接电动势为E的直流电源,电源内阻及导线电阻忽视不计。列车启动后电源自动关闭。甲乙(1)要使列车向右运行,启动时图甲中M、N哪个接电源正极,并简要说明理由;(2)求刚接通电源时列车加速度a的大小;(3)列车减速时,需在前方设置如图乙所示的一系列磁感应强度为B的匀强磁场区域,磁场宽度和相邻磁场间距均大于l。若某时刻列车的速度为v0,此时ab、cd均在无磁场区域,试探讨:要使列车停下来,前方至少须要多少块这样的有界磁场?核心素养·专项提升一、新教材经典素材创新训练1.C由于流经四个电极的电流与手指头到四角的距离成比例,电容触摸屏只须要触摸,限制器就能确定手指的位置,无需手指有压力,故A错误;电容式触摸屏感测手指触摸点的位置是电容器的充放电原理,不是电磁感应现象,故B错误;由题意可知,手指从手的触点吸走一部分电荷,在电荷定向移动的过程中,会有微弱电流通过,故C正确;依据电容器的工作原理可知,当手指离开屏幕时,电容变小,电容器将放电,限制器仍旧能检测到手指离开的精确位置,故D错误。2.答案(1)ax=Fm(2)ay=F-mgm(3)ax出=ax,ay出=ay+g(4)当手机竖屏播放视频时,ax出=Fm=ax=0,ay出=Fm解析(1)质量块在+x轴方向只受力传感器垂干脆触面对它的作用力F,由牛顿其次定律得:ax=F(2)质量块在+y轴方向受重力(mg)、力传感器垂干脆触面对它的作用力F两个力的作用,由牛顿其次定律得:ay=F(3)在水平方向的加速度的输出表达式:ax出=Fm=a在竖直方向的加速度的输出表达式:ay出=Fm=ay(4)当手机竖屏播放视频时,ax出=Fm=ax=0、ay出=Fm=ay+g=g将手机转为横屏时,加速度计测得水平、竖直两个方向加速度的值发生交换;智能手机据此做出3.D手机做自由落体运动,落地的速度v=2gh=2×10×1.25m/s=5m/s,故A错误;爱护器弹出的时间应小于落地时间,依据自由落体的时间t=2hg=2×1.2510s=0.5s,所以爱护器弹出的时间应小于0.5s,故B错误;依据P=mgv得:功率P=0.160×10×5=8W,故C错误;取竖直向下为正方向,由动量定理(mg-F)t=0-mv,得F=mvt+mg=0.16×504.C电容器在充电过程中是把电能转化成电场能,故A错误;由于外接电源为全部电容器充到一个预先设计好的电压值,所以全部的电容器电压肯定,依据Q=CU=εS4πkdU可知,极板与指纹沟(凹的部分,d大,电容小)构成的电容器充上的电荷较少,在放电过程中放电时间短;反之,在嵴处形成的电容器电容大,电荷量大,放电时间长,故B错误,C正确;湿的手与传感器之间有水填充,二、典型物理模型指导突破案例探究1.AD设灯泡的额定电压为U0,当U=10U0时,因两灯泡均正常发光,故变压器原线圈的输入电压为U1=U-U0=9U0,副线圈的输出电压U2=U0。因U1U2=n1n2,故n12.答案(1)40匝60匝(2)0.2A解析(1)由变压器原理可知n1∶n2∶n3=U1∶U2∶U3,则n2=U2U1n1=8220n3=U3U1n1=2×6220(2)由输入功率等于输出功率知I1U1=2PL2+2PL3,则I1=2PL2+2PL3创新训练1.D原线圈匝数少,副线圈匝数多,由U1U2=n2.B设原线圈的电压为U,当只闭合S1时,依据电流表示数为1A,则变压器的输入功率为U×1W,则副线圈的输出功率为U×1W;当S1和S2都闭合时,电流表示数为2A,则变压器的输入功率为U×2W,则副线圈的输出功率为U×2W,因此两副线圈的功率之比为1∶1,依据P=U2R,R2=4R1解得U1∶U2=1∶2由变压器的电压与匝数成正比可得n1∶n2=1∶2故B正确。3.B志向变压器的输入功率和输出功率相等,当开关断开时,有(U-IR1)I=n1n2I2(R2+R3)①;当开关闭合时,负载发生变更,R3被短路,故有(U-4IR1)·4I=n1n2·4I2×R2②。①②得U=48Ω×I,代入①可解得三、情境化主题突破创新训练1.AD由题图乙知t=π×10-3s时受电线圈中产生的电动势最大,为Em=20V,线圈中产生感应电流的大小为I1=Im=EmR+r=2.0A,由楞次定律可以得到此时c端电势高于d端,故A正确,B错误;通过电阻的电流的有效值为I=Im2=2A,电阻在一个周期内产生的热量Q=I2RT=5.7×10-2J,故C错误;线圈中感应电动势的平均值E=nΔΦΔt,通过电阻R的电流的平均值为I=ER+r,通过电阻R的电荷量q=