2025年高二物理下學期復(fù)習卷五（交變電流、傳感器、電磁波與相對論）一、交變電流1.交變電流的產(chǎn)生與描述矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的軸勻速轉(zhuǎn)動時，線圈中會產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的交變電流。其電動勢的瞬時值表達式為(e=E_m\sin(\omegat+\varphi))，其中(E_m=NBS\omega)為電動勢的最大值，(N)為線圈匝數(shù)，(B)為磁感應(yīng)強度，(S)為線圈面積，(\omega)為角速度，(\varphi)為初相位。交變電流的有效值是根據(jù)電流的熱效應(yīng)定義的，對于正弦式交變電流，有效值與最大值的關(guān)系為：(E=\frac{E_m}{\sqrt{2}})，(U=\frac{U_m}{\sqrt{2}})，(I=\frac{I_m}{\sqrt{2}})。在計算電功、電功率、電熱時，必須使用有效值；而在討論電容器的擊穿電壓時，則需考慮最大值。周期(T)和頻率(f)的關(guān)系為(T=\frac{1}{f})，角速度(\omega=2\pif=\frac{2\pi}{T})。我國民用交變電流的頻率為50Hz，周期為0.02s，電壓有效值為220V，最大值約為311V。2.電感和電容對交變電流的影響電感器對交變電流有阻礙作用，這種阻礙作用稱為感抗，用(X_L)表示，(X_L=2\pifL)。頻率越高，電感越大，感抗越大，因此電感器具有“通直流、阻交流，通低頻、阻高頻”的特性。在交流電路中，電感器兩端的電壓超前電流(\frac{\pi}{2})相位。電容器對交變電流也有阻礙作用，稱為容抗，用(X_C)表示，(X_C=\frac{1}{2\pifC})。頻率越高，電容越大，容抗越小，所以電容器具有“通交流、隔直流，通高頻、阻低頻”的特性。在交流電路中，電容器兩端的電壓滯后電流(\frac{\pi}{2})相位。3.理想變壓器理想變壓器的工作原理是電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象，它忽略了原、副線圈的電阻及各種漏磁損失，因此輸入功率等于輸出功率，即(P_入=P_出)。理想變壓器的基本關(guān)系式有：電壓關(guān)系：(\frac{U_1}{U_2}=\frac{n_1}{n_2})，其中(n_1)、(n_2)分別為原、副線圈的匝數(shù)。當(n_2>n_1)時，(U_2>U_1)，為升壓變壓器；當(n_2<n_1)時，(U_2<U_1)，為降壓變壓器。電流關(guān)系：只有一個副線圈時，(\frac{I_1}{I_2}=\frac{n_2}{n_1})；有多個副線圈時，(I_1n_1=I_2n_2+I_3n_3+\cdots)。功率關(guān)系：(U_1I_1=U_2I_2+U_3I_3+\cdots)4.典型例題解析例題：一理想變壓器原、副線圈匝數(shù)比為10:1，原線圈接在(u=220\sqrt{2}\sin(100\pit))V的交流電源上，副線圈接有一個電阻(R=22\Omega)，求副線圈兩端的電壓有效值、輸出功率及原線圈的電流有效值。解析：首先，根據(jù)原線圈電壓的瞬時值表達式可知，原線圈電壓的最大值(U_{1m}=220\sqrt{2})V，所以其有效值(U_1=\frac{U_{1m}}{\sqrt{2}}=220)V。由電壓關(guān)系(\frac{U_1}{U_2}=\frac{n_1}{n_2})可得，副線圈電壓有效值(U_2=U_1\frac{n_2}{n_1}=220\times\frac{1}{10}=22)V。輸出功率(P_2=\frac{U_2^2}{R}=\frac{22^2}{22}=22)W，因為理想變壓器輸入功率等于輸出功率，所以(P_1=P_2=22)W，原線圈電流有效值(I_1=\frac{P_1}{U_1}=\frac{22}{220}=0.1)A。解題技巧：在解決變壓器問題時，首先要明確各物理量的關(guān)系，注意區(qū)分電壓、電流的有效值和最大值，對于多個副線圈的情況，要運用功率守恒來分析。二、傳感器1.傳感器的定義與組成傳感器是一種能夠?qū)⒎请妼W量（如溫度、壓力、位移、光照、聲音等）轉(zhuǎn)換為電學量（如電壓、電流、電阻等）的器件。它通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路三部分組成。敏感元件直接感受被測量，并將其轉(zhuǎn)換為與被測量有確定關(guān)系的物理量；轉(zhuǎn)換元件將敏感元件輸出的物理量轉(zhuǎn)換為電學量；轉(zhuǎn)換電路則將轉(zhuǎn)換元件輸出的電學量進行放大、處理，以便于測量或控制。2.常見傳感器及其工作原理熱敏電阻：熱敏電阻是利用半導體材料的電阻率隨溫度變化而變化的特性制成的。負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻的電阻率隨溫度升高而減小，正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻的電阻率隨溫度升高而增大。在電路中，通過測量熱敏電阻的阻值變化，可以間接測量溫度。光敏電阻：光敏電阻是利用半導體的光電效應(yīng)制成的，其電阻率隨光照強度的增大而減小。當光照強度變化時，光敏電阻的阻值發(fā)生變化，從而使電路中的電流或電壓發(fā)生變化，實現(xiàn)對光照強度的測量?；魻栐夯魻栐歉鶕?jù)霍爾效應(yīng)制成的。將霍爾元件置于勻強磁場中，當有電流通過時，在垂直于電流和磁場的方向上會產(chǎn)生霍爾電壓(U_H=k\frac{IB}z3jilz61osys)，其中(k)為霍爾系數(shù)，(I)為電流，(B)為磁感應(yīng)強度，(d)為霍爾元件的厚度。通過測量霍爾電壓，可以測量磁場的磁感應(yīng)強度或電流等物理量。應(yīng)變片：應(yīng)變片是一種將物體的形變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。當應(yīng)變片受到外力作用而發(fā)生形變時，其電阻值會發(fā)生變化（通常是長度和橫截面積變化導致電阻變化），通過測量電阻的變化可以得知物體的形變情況。3.傳感器的應(yīng)用傳感器在生產(chǎn)、生活、科研等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。例如，在智能家居中，溫度傳感器可以控制空調(diào)的啟停，光照傳感器可以自動調(diào)節(jié)窗簾的開合；在汽車中，速度傳感器用于測量車速，壓力傳感器用于檢測輪胎氣壓；在工業(yè)生產(chǎn)中，位移傳感器用于監(jiān)測機械零件的位置，液位傳感器用于控制液體的高度。4.典型例題解析例題：如圖所示，是一個火災(zāi)報警裝置的簡化電路，其中R1為定值電阻，R2為熱敏電阻（NTC），當溫度升高時，R2的阻值減小。請分析該電路的工作原理。解析：當環(huán)境溫度正常時，熱敏電阻R2的阻值較大，電路中的總電阻較大，電流較小，此時指示燈兩端的電壓較小，指示燈不亮，報警器兩端的電壓也較小，報警器不工作。當發(fā)生火災(zāi)，環(huán)境溫度升高時，R2的阻值減小，電路總電阻減小，電流增大，指示燈兩端的電壓增大，指示燈發(fā)光，同時報警器兩端的電壓也增大，當電壓達到報警器的工作電壓時，報警器發(fā)出報警信號。解題技巧：分析傳感器應(yīng)用電路時，要明確傳感器的類型及其電阻隨被測量變化的規(guī)律，然后結(jié)合閉合電路歐姆定律等知識，分析電路中電流、電壓的變化，從而理解電路的工作原理。三、電磁波與相對論1.電磁波的產(chǎn)生與傳播變化的電場周圍會產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場周圍又會產(chǎn)生變化的電場，這種相互聯(lián)系的變化的電場和磁場統(tǒng)稱為電磁場。電磁場由近及遠地傳播形成電磁波。電磁波是橫波，電場強度E和磁感應(yīng)強度B相互垂直，且都與波的傳播方向垂直。電磁波在真空中的傳播速度(c=3.0\times10^8)m/s，在介質(zhì)中的傳播速度(v=\frac{c}{n})，其中(n)為介質(zhì)的折射率。電磁波的波長(\lambda)、頻率(f)和波速(v)的關(guān)系為(v=\lambdaf)。麥克斯韋電磁場理論預(yù)言了電磁波的存在，赫茲通過實驗證實了電磁波的存在。電磁波可以在真空中傳播，不需要介質(zhì)，這是電磁波與機械波的重要區(qū)別。2.電磁波的譜與應(yīng)用電磁波按波長從長到短（頻率從低到高）依次為：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線。無線電波：波長較長，常用于通信、廣播、電視等。紅外線：具有熱效應(yīng)，常用于加熱、遙感、紅外成像等。可見光：是人眼能夠感知的電磁波，用于照明、顯示等。紫外線：具有殺菌消毒、熒光效應(yīng)等，常用于消毒、驗鈔等。X射線：穿透能力較強，常用于醫(yī)學透視、工業(yè)探傷等。γ射線：能量極高，穿透能力極強，常用于醫(yī)療放療、工業(yè)探傷等。3.相對論的基本假設(shè)與結(jié)論愛因斯坦狹義相對論的兩個基本假設(shè)：相對性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的。光速不變原理：真空中的光速在任何慣性參考系中都是相同的，與光源和觀察者的運動狀態(tài)無關(guān)。根據(jù)狹義相對論，會得出以下幾個重要結(jié)論：時間膨脹效應(yīng)：運動的時鐘變慢，公式為(\Deltat=\frac{\Deltat_0}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}})，其中(\Deltat_0)為固有時間（相對事件靜止的參考系中測量的時間），(v)為相對運動速度，(c)為真空中的光速。長度收縮效應(yīng)：運動的物體在運動方向上的長度縮短，公式為(l=l_0\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}})，其中(l_0)為固有長度（相對物體靜止的參考系中測量的長度）。質(zhì)能關(guān)系：物體的質(zhì)量(m)與能量(E)之間的關(guān)系為(E=mc^2)，其中(m)為物體的相對論質(zhì)量，當物體靜止時，(m=m_0)（靜止質(zhì)量），則靜止能量(E_0=m_0c^2)。4.典型例題解析例題：一宇宙飛船以0.8c的速度相對地球飛行，飛船上的宇航員觀察到飛船的長度為10m，問地球上的觀察者觀察到飛船的長度是多少？解析：根據(jù)長度收縮效應(yīng)公式(l=l_0\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}})，其中(l_0=10)m（宇航員觀察到的飛船長度，即固有長度），(v=0.8c)。代入數(shù)據(jù)可得：(l=10\times\sqrt{1-(0.8)^2}=10\times\sqrt{1-0.64}=10\times\sqrt{0.36}=10\times0.6=