探究变压器电压与匝数关系、传感器的利用（二）解析版

2024年高考物理一轮复习热点重点难点夯练与提升

专题71探究变压器电压与匝数关系、传感器的利用

特训目标特训内容

目标1探究变压器原副线圈电压与匝数关系（1T-6T）

目标2利用传感器制作简单的自动控制装置（7T—12T）

【特训典例】

一、探究变压器原副线圈电压与叵数关系

1.如图用可拆变压器“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系〃实验中:

可拆变压器零部件组装后的变压器

（1）下列说法正确的是

A.为了人身安全，只能使用不要超过12V的低压直流电源

B.穿过副线圈的磁通量大于原线圈的磁通量

C.测量副线圈电压时应当用多用电表的“交流电压挡〃

D.变压器开始正常工作后，铁芯导电，把电能由原线圈输送到副线圈

（2）本实验采用控制变量法进行研究，原线圈的匝数为%,电玉为q,副线圈的匝数为，4,电压为U-

下列三幅图中，能正确反应本实验结果的是（多选）

【答案】CAC/CA

【详解】（1）[1]A.为了人身安全，只能使用不要超过12V的低压交流电源，选项A错误；

B.由于变压器不是理想的，有“漏磁”则穿过副线圈的磁通最小于原线圈的磁通品，选项B错误;

C.测量副线圈电压时应当用多用电表的“交流电压挡〃，选项C正确；

D.变压器开始正常工作后，通过电磁感应把电能由原线圈输送到副线圈，而不是通过铁芯导弓，选项D错

误。故选Co

U.U,

（2）⑵根据变压器的原理可知」=一

,1\"2

A,则则％-%图像为过原点的直线，选项A正确；

B.则心勺=汇则U2f图是曲线，选项B错误：

C.则4=4乜则5-q图像为过原点的直线，选项C正确：故选AC。

2.在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验中，小糊同学采用了如图所示的可拆式变压器进行研

究。

（1）本实验中，除可拆变压器外，下列器材中还需要的有：

A.低压直流电源B.交流电压表C.刻度尺D.开关、导线若干

（2）小糊同学将图中变压器的原线圈接线柱0、8与低压直流电源的输出端相连，选择开关置于12V挡,

则与副线圈0、2接线柱相连的电表示数可能是：

A.48.0VB.4.0VC.3.6VD.0V

（3）小糊正确选材并接线后，记录如下表所示四组实验数据。

NJ匝100100200200

匝200400400800

2.101.955.222.35

UJV4.288.0010.609.64

分析表中数据可知，M一定是______线圈的匝数（填“原”或“副〃）。

【答案】BD/DBD副

【详解】（1）［1］本实验中选用低压交流电源，故用交流电压表测副线圈电压，另实验还需要开关、导线若

干。故选BDo

（2）［2］变压器的原线圈与低压直流电源的输出端相连，可知副线圈中磁通量不变，则副线圈中无感应电

流，即副线圈所接电表无示数。故选D。

NU

（3）［3］由表中数据可得，在误差允许范围内变压器原、副线圈的电压比等于匝数比，即#=#由于存

在漏磁、铁芯发热、导线发热等影响电压，则变压器的副线圈两端测得的电压略小于理想值，故可知M一

定是副线圈的匝数。

3.在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系〃实验中：

（1）实验室中有下列器材：

A.可拆变压器（铁芯、两个已知匝数的线圈）

B.条形磁铁

C.开关、导线若干

D.交流电压表

在本实验中，上述器材不用的是（填器材序号字母），还需用到的器材有（填宜流电源，低压交

流电源）。

（2）某学生做实验时，先保持原线圈的匝数不变，增加副线圈的匝数,观察到副线圈两端的电压（选

填“增大〃"减小''或"不变"）：然后再保持副线圈的匝数不变，增加原线圈的匝数，观察到副线I卷两端的电压_

（选填"增大""减小"或"不变"）：上述探究过程采用的实验方法是o

（3）若实验电路图如图（b）所示，实验时〃尸800匝，〃2=400匝，断开S,接通电源，观察到电压表的读

数为6V,若可拆变压器可视为为理想变压器，则：

①变压器的输入电压有效值为。

A.3VB.6及VC.12VD.15V

②若灯泡的额定电压为6V,闭合S,灯泡能否正常发光？（填"能"或"不能

【答案】B低压交流电源增大减小控制变量法C能

【详解】（1）口］“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验，题述器材在实验中不用的是条形磁铁。

故选Bo

⑵题中还需用到的器材是低压交流电源。

（2）［3］某学生做实验时，先保持原线圈的匝数不变，增加副线屡的匝数，因原、副线圈电压和匝数成正比，

即2二2则会观察到副线圈两端的电压增大；

力〃2

⑷然后再保持副线圈的匝数不变，增加原线圈的匝数，可知将观察到副线圈两端的电压减小；

⑸上述探究过程采用的实验方法是控制变量法。

（3）⑹根据变压器原理可得a=6/=黑X6V=12V故选&

［7］灯泡的额定电压也为6V,实验时变压器为理想变压器，次级电压等于于6V,灯泡能正常发光。

4.物理研究课上，同学们用可拆变压器"探究变压器原副线圈电压与匝数的关系”。可拆变压器如图甲、乙

所示：

变压港铁芯

线'圈4

变压器铁芯

甲可拆变压器零部件乙组装后的变压器

（1）下列说法正确的是;

A.为确保实验安全，实验中要求原线圈匝数小于副线圈匝数

B.变压器的原线圈接低压交流电，测量副线圈电压时应当用多用电表的“直流电压挡〃

C.可以先保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数，研究副线圈匝数对副线圈电压的影响

D.测量副线圈电压时，先用最大量程试测，大致确定电压后再选用适当的挡位进行测量

E.变压器开始正常工作后，铁芯导电，把电能由原线圈输送到副线圈

F.变压器开始正常工作后，若不计各种损耗，在原线圈上将电能转化成磁场能，在副线圈上将做场能转化成

电能，铁芯起到“传递"磁场能的作用

（2）如图丙所示，某同学自己绕制了两个线圈套在可拆变压器的铁芯上。原线圈接学生电源的交流输出端，

副线圈接小灯泡。下列说法正确的是o

过载指示灯电源指示灯

u11

学生电源I__________I-----

丙

A.与变压器未通电时相比较，此时若将可拆变压器上端的横条铁芯取下将更费力

B.若仅增加原线圈绕制的圈数，小灯泡的亮度将保持不变

C.若仅增加副线圈绕制的圈数，学生电源的过我指示灯可能会亮起

（3）将与灯泡相连的线圈拆掉匝数，其余装置不变继续实验，灯泡亮度将（选填“变亮"或"变暗"），

这说明灯泡两端的电压_________（选填"变大"或"变小"）;

（4）实验中发现，在所有连接都完好的情况下，电路接通后，灯泡始终不亮，但却在电路接通或断开的瞬

间，灯泡会闪亮一下，原因是o

【答案】CDFAC/CA变暗变小变压器的初级连接的是学生电源的"宜流"

【详解】（1）[1]A.为确保实验安全，实验中要求副线圈匝数小于原线圈匝数，使得次级电压较小，故A错

误；

B.变压器的原线圈接低压交流电，测量副线圈电压时应当用多用电表的“交流电压挡〃测量，故B错误；

C.实验时可采用控制变量法，先保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数，研究副线圈匝数对副线

圈电压的影响，故C正确；

D.测量副线圈电压时，先用最大量程试测，大致确定电压后再选用适当的挡位进行测量，防止烧坏电压表，

故D正确；

EF.变压器开始正常工作后，若不计各种损耗，在原线圈上将电能转化成磁场能，在副线圈上将磁场能转

化成电能，铁芯起到“传递”磁场能的作用，故E错误，F正确。故选CDF。

（2）[2]A.变压器线圈通电会产生磁场，而变压器上端的横条相当于磁铁，下端对横条有吸引力作用，因

此与变压器未通电时相比较，此时若将可拆变压器上端的横条铁芯取下将更费力，故A正确；

B.仅增加原线圈匝数，副线圈两端电压将减小，小灯泡亮度将变暗，故B错误；

C.若仅增加副线圈绕制的圈数，副线圈两端电压增大，小灯泡消耗的功率变大，学生电源输出的功率变大，

有可能会使学生电源的过载指示灯亮起，故C正确。故选AC。

（3）[3]⑷将与灯泡相连的线圈拆掉匝数，即次级匝数减小，则次级电压减小，则灯泡亮度将变暗，这说明

灯泡两端的电压变小；

（4）⑸实验中发现，在所有连接都完好的情况下，电路接通后，灯泡始终不亮，但却在电路接通或断开的

瞬间，灯泡会闪亮一下，原因是变压器的初级连接的是学生电源的“直流”。

5.在“探究变压器线圈两端的电压和匝数的关系”实验中，可拆变压器如图所示。

（1）观察变压器的铁芯，它的结构和材料是：;

A.整块硅钢铁芯B.整块不锈钢铁芯C.绝缘的铜片叠成D.绝缘的硅钢片叠成

（2）观察两个线圈的导线，发现粗细不同，导线粗的线圈匝数；（填"多"或"少"）

（3）以下给出的器材中，本实验需要用到的是;（填字母）

（4）为了保证安全，低压交流电源的电压不要超过________：（填字母）

A.2VB.12VC.36V

（5）在实际实验中将电源接在原线圈的“0〃和“8〃两个接线柱之间，用电表测得副线圈的"0"和"4〃两个接线柱

之间的电压为3.0V,则原线的输入电压可能为;（填字母）

A.1.5VB.6.0VC.7.0V

（6）等效法、理想模型法是重要的物理学方法，合理采用物理学方法会让问题变得简单，这体现了物理学

科“化繁为简”之关。产生的脉动转化为电压脉冲的仪器，其输出部分可以等效为（左侧虚线框内的交流电源

和定值电阻凡串联）与一理想变压器的原线圈连接，一可变电阻R与该变压器的副线圈连接，原副线圈的

匝数分别为〃-（右侧虚线框内的电路也可以等效为一个电阻）。在交流电源的电压有效值U）不变的情况

R

下，在调节可变电阻A的过程中，当『=时，R获得的功率最大。

【答案】D少BD/DBBC卫

【详解】（1）[1]观察变压器的铁芯，它的结构是绝缘的硅钢片叠成，利于导磁与减少涡流的能量损失。

故选Do

（2）⑵观察两个线圈的导线，发现粗细不同，根据｝二%可知匝数少的电流大，则导线越粗，即导线粗

的线圈匝数少。

（3）⑶实验中需要交流电源并用多用电表测量交流的电压电流，不需要干电池和直流电压表。故选BD。

（4）⑷为了人体安全，低压交流电源的电压不要超过12V。故选B。

（5）⑸依题意，原副线圈匝数比2:1,若为理想变压器，则变压器线圈两端的电压与匝数的关系为

则原线圈的电压为q=6v考虑到不为理想变压器，可能存在漏磁等现象，则原线圈所接的电源电压要大于

6V,可能为7V。故选C。

（6）⑹把变压器和R等效为一个电阻&当作电源内阻，当内外电阻相等，即R尸火。此时输出功率最大，

根据?=?可得笠=或又/也=，2〃i解得R=&即[J%]

二、利用传感器制作简单的自动控制装置

6.城市街道的路灯用光敏电阻作为传感器控制路灯电路的开关，实现自动控制。光敏电阻的阻值随照射光

的强弱而变化，利用光敏电阻作为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭，在夜晚打开。

为模拟自动照明控制系统，某同学利用光敏电阻的阻值随照度变化的特性，制作了一个装置.

甲乙丙

（1）该同学首先利用多用电表欧姆"xl”挡粗测该光敏电阻在某状态下的阻值，示数如图甲所示，则此时光

敏电阻的阻值R尸Qo

（2）该同学再利用该光敏电阻设计了图乙所示的光控电路，从而实现对灯的开关控制。光敏电阻阻值与照

度的关系如图丙所示，可知当照度为0.4lx（lx为照度的单位）时，光敏电阻的阻值为C。

（3）如图乙所示，由于弹簧的弹力作用，当励磁线圈电流小于0.1A时，电磁铁将吸不住衔铁。若要实现照

度较低时，灯光保持开启，则灯应接在______（填"A夕或1c。之间。已知电源电压为3V（内阻不计），

若要实现照度低于l.OIx时，灯光开启，需要将滑动变阻器R的阻值调为Q,安装该电路时，光敏电

阻处应_______（填"远离"或"靠近"）灯。

【答案】19.040AB/BA10远离

【详解】（1）［1］多用电表欧姆挡读数的最小分度值为1,估读到最小分度值的下一位，故读数为19.00。

（2）⑵根据图丙所示，照度为0.41x1时，光敏电阻的阻值约为40。。

（3）⑶当照度减小时，光敏电阻阻值变大，励磁线圈电流减小.电磁铁放开衔铁，照明电路通路，故应将

照明电路连接到八〃端；

⑷⑸根据丙图，照度为lOx时，光敏电阻阻值为20Q,若此时回路电流刚好为0.1A,根据欧姆定律有

E=/（R+AJ代入数据得R=10Q安装该电路时，为保证照明电路工作时，开启的灯照度不影响光敏电阻的

阻值变化，应将光敏电阻远离灯安装。

7.力传感器，它通过敏感元件把待测力这一物理最转化为相应的电信号来进行测量.地磅是设置在地面上的

大磅秤，是厂矿、商家等用于大宗货物计量的主要称质量设备.如图甲、乙所示是某小型地磅结构图和电路

图，其中R是压敏电阻，质量〃%=50（）kg的秤台平放在压敏电阻上，被称货物放在秤台上，已知电路中电源

电动势为22V、内电阻r=10Q,电流表量程为0.3A、内阻RA=10C,滑动变阻器*的最大阻值为500c.如

图丙是压敏电阻的阻值R随压力F变化的曲线.某设计人员对电流表上刻度重新赋值，使之能够从表盘上直

接读出秤台上货物的质量，他先后进行了以下操作.重力加速度g=10m/s2。

（1）断开开关S,撤去秤台上的货物，把多用电表的旋钮旋到欧姆挡"X10”挡，通过正确调零后，用红、黑

表等接在压敏电阻两端，多用电表的表针指到如图丁所示位置，则压敏电阻R此时的电阻值为一

（2）闭合开关S,设计人员通过调节滑动变阻器，使电流表读数为0.10A,并在此处标注为Okg,则此时滑

动变阻器R'接入电路的电阻值为Q;2500kg应标注在A处（计算结果保留2位有效数字）。

（3）设计人员按上述操作逐个刻度赋值后，经长时间使用，发现电池的电动势略有减小、内电阻有所增大，

他重新调节滑动变阻器：使秤台空载时电流表读数仍为0.10A,然后再去测量货物的质量。你认为现在的测

量值相比货物真实质量_______o（选填“偏大”"偏小〃或“不变〃）

【答案】100400.20/0.21偏小

【详解】（1）⑴欧姆挡选择“xlO挡〃，则阻值为10x13=1（X4

（2）⑵当仅有台秤时，压敏电阻的阻值为160。，根据闭合欧姆定律得E=++解得*=40Q

⑶2500kg的物体在台秤上时，此时压力为尸=（25OO+5OO）xlON=3xlO"N由丙图可得，压敏电阻的阻值约

为48C,根据闭合电路欧姆定律得七二4（凡+*+R、+r）解得/,=0.20A

（3）⑷重新调节滑动变阻器R,使〃?=0时，/=0.10A,由闭合电路欧姆定律得£=/（/（+*+&+，）

可得尺十尺'十“十,=7囚电流不变，E减小，则尺十0十，减小，当秤上面有汽车时，由闭合电路电路欧

姆定律得£=厂（凡+R+《+r）可得与=宗（八勺+「）压敏电阻的阻值随压力少的变化关系不变，在调

节N后，/'与R总:凡+R'+R,\+/■间的关系与原来相比不变，E〈E，结合图丙可知汽车的质量偏小。

8.看到交警用酒精检测仪检查酒驾的情景，某同学欲自己制作一个酒精检测仪，所用器材如下：半导体酒

1所示）

干电池E（电动势为L5V,内阻未知）

电流计G（满偏电流4=5.0mA,内阻q=54c）

电阻箱"（最大阻值999.9C）

滑动变阻器4（最大阻值50Q）

电键2个，导线若干

（1）实验电路原理图如图2所示，请在图3中完成实物连线。（

图2图3

（2）该同学将电流计的量程扩大为50mA,则应将电阻箱用的阻值调为C。

（3）具体使用该探测仪时，首先闭合电键瓦、S2,调节滑动变阻器使电流计G满偏（即电流计G的示数

为5mA）。然后断开电键邑，若：（计算结果均保留3位有效数字）

①探测仪处「'待机"状态，即传感器所处环境的酒精浓度为零时，电流计G的示数应为mA；

②传感器所处环境的酒精浓度恰为"酒驾"标准，即"0.2mg,mL”〃，则电流计G的示数应为mA；

③传感器所处环境的酒精浓度恰为"醉驾"标准，即"。.81叫』七"，则电流计G的示数应为mA。

（4）该探测仪在实际使用的过程中发现，酒精气体浓度的测量值总是较实际值偏小，究其原因可能是所用

电源的电动势较L5V要'填"偏大’或"偏小”）o

【答案】6.01.502.503.75偏小

【详解】（1）[1]由实验电路原理图如图2,可有实物连线图如图所示。

IR5Ox54x10-3

（2）⑵将电流计的量程扩大为50mA,由欧姆定律可得汗=看=/；八；/C=6.0C

/-1U

则应将电阻箱凡的阻值调为6.0C。可得扩大量程后的电流表的内阻为《'=卓4=学镖。=5.4。

Ag+A（J4+O.U

（3）@[3]闭合电键％、S2,调节滑动变阻器使电流计G满偏，设电源的内阻为r,由闭合电路欧姆定律

可得%+「='一’人=L5-5.0X547（T3c=24.6。传感器所处环境的酒精浓度是零时,由图1可知，Rx=70

I50x10-3

E15

Q,则电路中的电流为4=4_〃，=24.6+70+5.4A=0♦0l5A=15.0mA电流计的量程扩大了10倍，

NNg

因此电流计G的示数应为1.50mA,

②⑷传感器所处环境的酒精浓度恰为“酒驾〃标准，即“0.2mgmU”,由图1可知,对应的Rx=30C,则此

E|5

时电路中的电流为（"旦+…正”广24.6+30+5.4人=25A=250mA电流计的量程扩大了io倍，因

2xg

此电流计G的示数应为2.50mA：

③[5]传感器所处环境的酒精浓度恰为"醉驾"标准,即"0.8mgmI”,由图1可知，对应的Rx=10C,则此时

E15

电路中的电流为/3=/,+,+R+履=24.6+l（）+5.4A=0♦0375A=37.5mA电流计的量程扩大了加倍，因此

*x？

电流计G的示数应为3.75mA,

（4）⑹由以上解析可得电路中的电流为/=.+,+R+R,当电源的电动势较L5V要偏小时,在同一酒精浓

度下，电路中的总电流将偏小，则流经电流计G的电流将偏小，则对应的Rx值偏大，则酒精气体浓度的测

量值较实际值偏小。

9.一位同学制作了一种电容式位移传感器，用来测定物体的微小位移。如图所示，平行板电容器的左极板

固定，右极板可以与待测物体连接左右移动，两个极板用导线与电流传感器、开关、电源相连，电流传感

器可以像电流表一样测量电流，它的反应非常快，可以捕捉到瞬间的电流变化。此外，由于它与计算机相

连，还能显示出电流随时间变化的图像，从而计算电荷量。已知空气的相对介电常数为£,电源电压恒定为

U,静电力常量为A：初始时，极板距离为，极板正对面积为S。

（1）根据题目信息，可知该电容器初始时的电容大小为（用题目中所给物理量的字母表示）。

（2）实验操作中发现当距离变化时，有电流从右往左流过电流造感器，则可以判断：与物体相连的右极板

向（填“左"或"右"）移动。

（3）第（2）问中当距离变化时，测量出经过电流传感器的电荷量为生则可知与物体相连的右极板移动的

距离为（用题目中所给物理量的字母表示）。

【答案】。=名41k7L左.4兀:kq产L+£S5U

【详解】（1）[1]已知空气的相对介电常数为£,静电力常景为上初始时，极板距离为L,极板正对面积为

S；则该电容器初始时的电容大小为。=耳

（2）⑵实验操作中发现当距离变化时，有电流从右往左流过电流传感器，可知电容器在充电，电容器电荷

量增大，根据C=g,。=鸟可知电容器电容增大，可知极权距离减小，则与物体相连的右极板向左移

U47M

动。

（3）[3]第（2）问中当距离变化时，测量出经过电流传感器的电荷量为9,设与物体相连的右极板移动的

距离为x,则有。=。〃=今。，Q”u=::、U又0=0_Qi联立解得x二，丁匕,,

10.如图甲所示为一利用光敏电阻测量储液罐中液面高度装置的示意图。当罐中装满液体时，液面与出液

II高度差为九罐外有一竖直放置的管，管内一侧有沿竖直线排列的多个光敏电阻，另一侧有一列光强稳定

的光源。液面上一浮块与一块遮光板通过定滑轮相连，遮光板瓦随浮块的升降在管内上下运动，光敏电阻

的总长度和遮光板的总长度都为限当储液罐内装满液体时，遮光板的上沿与最下面的光敏电阻的下边缘等

高，管内的光均匀地照射在光敏电阻上，光敏电阻和仪表相连。现要求设计一电路以利用上述装置测量液

为将问题简化，假设管内只有3个光敏电阻R/、R2、/6,分别位于管的上端、下端和中央；它们的暗电阻

均为R=10kC,被管内光源照比时电阻均为R'=