2025年高二物理下學(xué)期模塊五交變電流與傳感器測(cè)試一、交變電流的產(chǎn)生與描述（一）交變電流的產(chǎn)生機(jī)制矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)方向的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈中會(huì)產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的交變電流。當(dāng)線圈平面與磁感線垂直時(shí)，磁通量最大但磁通量變化率為零，此時(shí)線圈處于中性面，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零；當(dāng)線圈平面與磁感線平行時(shí)，磁通量為零但磁通量變化率最大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)達(dá)到峰值。從中性面開(kāi)始計(jì)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式為(e=E_m\sin(\omegat))，其中峰值(E_m=NBS\omega)，(N)為線圈匝數(shù)，(B)為磁感應(yīng)強(qiáng)度，(S)為線圈面積，(\omega)為角速度。（二）表征交變電流的物理量瞬時(shí)值：對(duì)應(yīng)某一時(shí)刻的電流或電壓，用小寫字母表示（如(e)、(i)、(u)）。峰值：交變電流的最大值，用大寫字母加下標(biāo)(m)表示（如(E_m)、(I_m)）。對(duì)于正弦式交變電流，有效值與峰值的關(guān)系為(E=\frac{E_m}{\sqrt{2}})、(I=\frac{I_m}{\sqrt{2}})。有效值：根據(jù)電流的熱效應(yīng)定義，即讓交變電流與恒定電流通過(guò)相同電阻，若在相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量相等，則恒定電流的值即為交變電流的有效值。例如，我國(guó)民用交流電的電壓有效值為220V，峰值約為311V。周期與頻率：周期(T)是交變電流完成一次周期性變化的時(shí)間，頻率(f=\frac{1}{T})，我國(guó)電網(wǎng)的頻率為50Hz，對(duì)應(yīng)的周期為0.02s。（三）交變電流的圖像分析從交變電流的(i-t)圖像中可直接讀取峰值(I_m)和周期(T)，通過(guò)計(jì)算得出有效值和頻率。例如，若某交變電流圖像為正弦曲線，峰值為10A，則其有效值為(\frac{10}{\sqrt{2}}\approx7.07A)，頻率(f=\frac{1}{T})（需根據(jù)圖像橫軸刻度確定(T)）。二、變壓器與遠(yuǎn)距離輸電（一）理想變壓器的工作原理理想變壓器的原、副線圈匝數(shù)比與電壓比的關(guān)系為(\frac{U_1}{U_2}=\frac{n_1}{n_2})，輸入功率等于輸出功率，即(P_1=P_2)，因此電流比為(\frac{I_1}{I_2}=\frac{n_2}{n_1})。實(shí)際應(yīng)用中，變壓器可分為升壓變壓器（(n_2>n_1)）和降壓變壓器（(n_2<n_1)），例如手機(jī)充電器內(nèi)部即為降壓變壓器，將220V交流電轉(zhuǎn)換為5V直流電。（二）遠(yuǎn)距離輸電的損耗問(wèn)題輸電線上的功率損耗(\DeltaP=I^2R)，其中(I)為輸電電流，(R)為輸電線電阻。為減少損耗，需采用高壓輸電：在輸送功率(P=UI)一定時(shí)，提高輸電電壓(U)可減小電流(I)，從而降低損耗。例如，某發(fā)電站輸出功率為100kW，若用220V電壓輸電，輸電線電流(I=\frac{100\times10^3}{220}\approx454.5A)；若用10kV高壓輸電，電流僅為(I=\frac{100\times10^3}{10\times10^3}=10A)，損耗顯著降低。三、傳感器及其應(yīng)用（一）傳感器的基本原理傳感器是將非電學(xué)量（如溫度、壓力、光強(qiáng)等）轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的裝置，其核心元件為敏感元件。例如，熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，光敏電阻的阻值隨光照增強(qiáng)而減小，霍爾元件可將磁感應(yīng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。（二）常見(jiàn)傳感器的應(yīng)用溫度傳感器：利用熱敏電阻或熱電偶測(cè)量溫度，廣泛應(yīng)用于空調(diào)溫控系統(tǒng)。例如，某熱敏電阻在20℃時(shí)阻值為5kΩ，溫度每升高1℃，阻值減小50Ω，通過(guò)測(cè)量其阻值變化可推算環(huán)境溫度。壓力傳感器：基于電容或電阻應(yīng)變效應(yīng)，用于電子秤、汽車胎壓監(jiān)測(cè)。例如，電容式壓力傳感器通過(guò)壓力改變極板間距，導(dǎo)致電容變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。光傳感器：結(jié)合光敏電阻與邏輯電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，如樓道聲控?zé)粼诠庹詹蛔闱矣新曇魰r(shí)才會(huì)點(diǎn)亮。（三）傳感器的電路設(shè)計(jì)以熱敏電阻溫控報(bào)警器為例，電路由熱敏電阻(R_t)、定值電阻(R_0)、電源及報(bào)警裝置組成。當(dāng)溫度升高時(shí)，(R_t)阻值減小，回路電流增大，當(dāng)電流達(dá)到閾值時(shí)觸發(fā)報(bào)警器。若電源電動(dòng)勢(shì)為12V，報(bào)警電流為50mA，(R_0=200Ω)，則需根據(jù)熱敏電阻的溫度特性曲線計(jì)算報(bào)警溫度對(duì)應(yīng)的(R_t)值，確保電路在預(yù)設(shè)溫度下導(dǎo)通。四、綜合應(yīng)用題解析（一）交變電流的動(dòng)態(tài)分析例題：一理想變壓器原線圈接220V正弦交流電源，副線圈接“6V3W”的燈泡，若燈泡正常發(fā)光，求原、副線圈匝數(shù)比及原線圈電流。解析：燈泡正常發(fā)光時(shí)，副線圈電壓(U_2=6V)，電流(I_2=\frac{P}{U_2}=\frac{3}{6}=0.5A)。由(\frac{U_1}{U_2}=\frac{n_1}{n_2})得(\frac{n_1}{n_2}=\frac{220}{6}=\frac{110}{3})；原線圈電流(I_1=\frac{P_1}{U_1}=\frac{3}{220}\approx0.0136A)。（二）傳感器的實(shí)際應(yīng)用例題：某酒精檢測(cè)儀使用二氧化錫傳感器，其電阻隨酒精濃度增大而減小。電路中傳感器與定值電阻串聯(lián)，電壓表測(cè)定值電阻兩端電壓。若酒精濃度為0時(shí)傳感器電阻為10kΩ，電壓表示數(shù)為2V；濃度為0.1mg/mL時(shí)傳感器電阻為5kΩ，求此時(shí)電壓表示數(shù)。解析：設(shè)電源電動(dòng)勢(shì)為(E)，定值電阻為(R_0)。當(dāng)(R_t=10kΩ)時(shí)，(\frac{E}{10kΩ+R_0}\timesR_0=2V)；當(dāng)(R_t=5kΩ)時(shí)，(\frac{E}{5kΩ+R_0}\timesR_0=U)。聯(lián)立解得(U=3V)（假設(shè)(E=6V)，(R_0=5kΩ)）。五、實(shí)驗(yàn)與探究（一）交變電流的測(cè)量使用示波器觀察交變電流波形時(shí)，需調(diào)節(jié)“掃描頻率”與“電壓靈敏度”旋鈕，使波形穩(wěn)定且幅度適中。若示波器屏幕顯示的正弦波形峰值對(duì)應(yīng)3格，每格代表5V，則峰值電壓為15V，有效值為(\frac{15}{\sqrt{2}}\approx10.6V)。（二）傳感器特性的探究通過(guò)“伏安法”測(cè)量熱敏電阻的阻值隨溫度變化的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中需采用分壓式電路（因熱敏電阻阻值較大），并將其置于恒溫箱中改變溫度，記錄多組電壓、電流數(shù)據(jù)，繪制(R-t)曲線。若實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)溫度從20℃升至80℃時(shí)，電阻從8kΩ降至1kΩ，可判斷該熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)特性。六、易錯(cuò)點(diǎn)與難點(diǎn)突破有效值與平均值的區(qū)別：有效值用于計(jì)算電功、電功率，平均值用于計(jì)算電荷量（(q=\bar{I}t)）。例如，正弦式交變電流在半個(gè)周期內(nèi)的平均值為(\frac{2I_m}{\pi})，而非(\frac{I_m}{\sqrt{2}})。變壓器的動(dòng)態(tài)變化：當(dāng)副線圈負(fù)載電阻減小時(shí)，輸出電流增大，輸入電流隨之增大，但電壓比僅由匝數(shù)比決定，與負(fù)載無(wú)關(guān)。傳感器的電路分析：需明確敏感元件的電阻變化趨勢(shì)（