届高考物理交变电流传感器通用型练习和答案.docx
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届高考物理交变电流传感器通用型练习和答案
2020届高考物理交变电流、传感器(通用型)练习及答案
*交变电流、传感器*
1、如图甲所示,一矩形线圈abcd放置在匀强磁场中,并绕过ab、cd中点的轴OO′以角速度ω逆时针匀速转动.若以线圈平面与磁场夹角θ=45°时(如图乙)为计时起点,并规定当电流自a流向b时电流方向为正.则如图所示的四个选项图中正确的是( )
2、(多选)如图所示,M为半圆形导线框,圆心为OM;N是圆心角为直角的扇形导线框,圆心为ON;两导线框在同一竖直面(纸面)内;两圆弧半径相等;过直线OMON的水平面上方有一匀强磁场,磁场方向垂直于纸面。
现使线框M、N在t=0时从图示位置开始,分别绕垂直于纸面且过OM和ON的轴,以相同的周期T逆时针匀速转动,则( )
A.两导线框中均会产生正弦交流电
B.两导线框中感应电流的周期都等于T
C.在t=
时,两导线框中产生的感应电动势相等
D.两导线框的电阻相等时,两导线框中感应电流的有效值也相等
3、电流互感器和电压互感器如图所示.其中n1、n2、n3、n4分别为四组线圈的匝数,a、b为两只交流电表,则( )
A.A为电流互感器,且n1 B.A为电压互感器,且n1>n2,a是电压表 C.B为电流互感器,且n3 D.B为电压互感器,且n3>n4,b是电压表 4、(2019·马鞍山市质检) 图甲为远距离输电示意图,理想升压变压器原、副线圈匝数比为1∶1000,理想降压变压器原、副线圈匝数比为1000∶1,输电线的总电阻为1000Ω,若升压变压器的输入电压如图乙所示,用户端电压为220V。 下列说法正确的是( ) 甲 乙 A.输电线中的电流为3A B.电站输出的功率为7500kW C.输电线路损耗功率为90kW D.用户端交变电流的频率为100Hz 5、(多选)霍尔传感器测量转速的原理图如图所示,传感器固定在圆盘附近,圆盘上固定4个小磁体,在a、b间输入方向由a到b的恒定电流,圆盘转动时,每当磁体经过霍尔元件,传感器c、d端输出一个脉冲电压,检测单位时间内的脉冲数可得到圆盘的转速。 关于该测速传感器,下列说法中正确的有( ) A.在图示位置时刻d点电势高于c点电势 B.圆盘转动越快,输出脉动电压峰值越高 C.c、d端输出脉冲电压的频率是圆盘转速的4倍 D.增加小磁体个数,传感器转速测量更准确 6、(2019·宣城市第二次调研) 图甲为小型旋转电枢式交流发电机的原理图,其矩形线圈在磁感应强度为B的匀强磁场中,绕垂直于磁场方向的固定轴OO′(OO′沿水平方向)匀速转动,线圈的两端经集流环和电刷与电阻R=10Ω连接,与电阻R并联的交流电压表为理想电压表,示数是10V。 图乙是矩形线圈中磁通量随时间t变化的图象。 线圈内阻不计,则( ) 甲 乙 A.此交流发电机的电动势平均值为10 V B.t=0.02s时R两端的电压瞬时值为零 C.R两端的电压u随时间t变化的规律是u=10 cos(100πt)V D.当ab边速度方向向上时,它所受安培力的方向也向上 7、如图所示的电路中: T为一降压式自耦调压变压器.开始时灯泡L正常发光,现在电源电压U略降低,为使灯泡L仍能正常发光,可采用的措施是( ) A.将自耦调压变压器的滑片P适当上滑 B.将自耦调压变压器的滑片P适当下滑 C.适当增大滑动变阻器R2的阻值 D.适当减小滑动变阻器R2的阻值 8、(多选)如图甲为远距离输电示意图,变压器均为理想变压器,升压变压器原、副线圈匝数比为1∶100,其输入电压如图乙所示,远距离输电线的总电阻为100Ω。 降压变压器右侧部分为一火警报警系统原理图,其中R1为一定值电阻,R2为用半导体热敏材料制成的传感器,当温度升高时其阻值变小。 电压表V显示加在报警器上的电压(报警器未画出)。 未出现火警时,升压变压器的输入功率为750kW。 下列说法正确的是( ) 甲 乙 A.降压变压器副线圈输出的交变电流频率为50Hz B.远距离输电线路损耗功率为180kW C.当出现火警时,电压表V的示数变小 D.当出现火警时,输电线上的电流变小 9、(多选)霍尔传感器测量转速的原理图如图所示,传感器固定在圆盘附近,圆盘上固定4个小磁体,在a、b间输入方向由a到b的恒定电流,圆盘转动时,每当磁体经过霍尔元件,传感器c、d端输出一个脉冲电压,检测单位时间内的脉冲数可得到圆盘的转速。 关于该测速传感器,下列说法中正确的有( ) A.在图示位置时刻d点电势高于c点电势 B.圆盘转动越快,输出脉动电压峰值越高 C.c、d端输出脉冲电压的频率是圆盘转速的4倍 D.增加小磁体个数,传感器转速测量更准确 10、为了节能和环保,一些公共场所使用光控开关控制照明系统。 光控开关可采用光敏电阻来控制,光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱,光越强照度越大,照度单位为lx)。 某光敏电阻RP在不同照度下的阻值如下表: 照度/lx 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 电阻/kΩ 75 40 28 23 20 18 (1)根据表中数据,请在图甲所示的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线,并说明阻值随照度变化的特点。 (2)如图乙所示,当1、2两端所加电压上升至2V时,控制开关自动启动照明系统。 请利用下列器材设计一个简单电路,给1、2两端提供电压,要求当天色渐暗照度降低至1.0lx时启动照明系统,在虚线框内完成电路原理图。 (不考虑控制开关对所设计电路的影响) 提供的器材如下: 光敏电阻RP(符号 ,阻值见上表); 直流电源E(电动势3V,内阻不计); 定值电阻: R1=10kΩ,R2=20kΩ,R3=40kΩ(限选其中之一,并在图中标出);开关S及导线若干。 甲 乙 11、发电机的端电压为220V,输出电功率为44kW,输电导线的电阻为0.2Ω,如果用原、副线圈匝数之比为1∶10的升压变压器升压,经输电线路后,再用原、副线圈匝数比为10∶1的降压变压器降压供给用户. (1)画出全过程的线路图; (2)求用户得到的电压和功率; (3)若不经过变压而直接送到用户,求用户得到的功率和电压. 12、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化,可在受电线圈中产生电动势最大值为20V的正弦交流电,设磁场竖直向上。 求: 甲 乙 (1)在t=π×10-3s时,受电线圈中产生电流的大小,c、d两端哪端电势高? (2)在一个周期内,电阻R上产生的热量; (3)从t1到t2时间内,通过电阻R的电荷量。 2020届高考物理交变电流、传感器(通用型)练习及答案 *交变电流、传感器* 1、如图甲所示,一矩形线圈abcd放置在匀强磁场中,并绕过ab、cd中点的轴OO′以角速度ω逆时针匀速转动.若以线圈平面与磁场夹角θ=45°时(如图乙)为计时起点,并规定当电流自a流向b时电流方向为正.则如图所示的四个选项图中正确的是( ) 解析: 选D.矩形线圈绕垂直于匀强磁场的转轴匀速转动产生正弦式交变电流,在开始计时(t=0)时线圈为题图乙所示的位置,据右手定则判断电流为负方向,首先排除A、B选项.若达题图甲所示的位置,感应电流为负向的峰值,可见t=0的时刻交变电流处于负半轴且再经 到达中性面位置,或者φ0= ,瞬时值表达式i=Imsin(ωt-φ0),所以0=Im·sin ,t= ,故D选项正确. 2、(多选)如图所示,M为半圆形导线框,圆心为OM;N是圆心角为直角的扇形导线框,圆心为ON;两导线框在同一竖直面(纸面)内;两圆弧半径相等;过直线OMON的水平面上方有一匀强磁场,磁场方向垂直于纸面。 现使线框M、N在t=0时从图示位置开始,分别绕垂直于纸面且过OM和ON的轴,以相同的周期T逆时针匀速转动,则( ) A.两导线框中均会产生正弦交流电 B.两导线框中感应电流的周期都等于T C.在t= 时,两导线框中产生的感应电动势相等 D.两导线框的电阻相等时,两导线框中感应电流的有效值也相等 【答案】BC [两导线框匀速转动切割磁感线产生感应电动势的大小不变,选项A错误;导线框的转动周期为T,则感应电流的周期也为T,选项B正确;在t= 时,切割磁感线的有效长度相同,两导线框中产生的感应电动势相等,选项C正确;M导线框中一直有感应电流,N导线框中只有一半时间内有感应电流,所以两导线框的电阻相等时,感应电流的有效值不相等,选项D错误。 ] 3、电流互感器和电压互感器如图所示.其中n1、n2、n3、n4分别为四组线圈的匝数,a、b为两只交流电表,则( ) A.A为电流互感器,且n1 B.A为电压互感器,且n1>n2,a是电压表 C.B为电流互感器,且n3 D.B为电压互感器,且n3>n4,b是电压表 解析: 选AD.由题图可知A为电流互感器,B为电压互感器,因此a是电流表,b是电压表,在A中,有I1n1=I2n2,要把大电流变为小电流,有n2>n1;在B中,有 = ,要把高电压变为低电压,则有n3>n4;综上所述可知,选项A、D正确. 4、(2019·马鞍山市质检) 图甲为远距离输电示意图,理想升压变压器原、副线圈匝数比为1∶1000,理想降压变压器原、副线圈匝数比为1000∶1,输电线的总电阻为1000Ω,若升压变压器的输入电压如图乙所示,用户端电压为220V。 下列说法正确的是( ) 甲 乙 A.输电线中的电流为3A B.电站输出的功率为7500kW C.输电线路损耗功率为90kW D.用户端交变电流的频率为100Hz 【答案】B [由题图乙知升压变压器输入端电压的最大值为Um=250 V,有效值为U1= =250V,根据 = ,得副线圈两端的电压U2= U1= ×250V=2.5×105V;用户端电压为220V,根据 = ,得降压变压器原线圈两端的电压U3= U4= ×220V=2.2×105V,故输电线上损失的电压为ΔU=U2-U3=3×104V,则输电线上的电流为I= = A=30A,电站的输出功率为P1=P2=U2I=7500kW,输电线路损耗功率为ΔP=I2R=900kW,由题图乙可知,原线圈交变电流的周期为T=0.02s,则频率为f= =50Hz,变压器不会改变交流电的频率,故用户端交变电流的频率为50Hz,故B正确,A、C、D错误。 ] 5、(多选)霍尔传感器测量转速的原理图如图所示,传感器固定在圆盘附近,圆盘上固定4个小磁体,在a、b间输入方向由a到b的恒定电流,圆盘转动时,每当磁体经过霍尔元件,传感器c、d端输出一个脉冲电压,检测单位时间内的脉冲数可得到圆盘的转速。 关于该测速传感器,下列说法中正确的有( ) A.在图示位置时刻d点电势高于c点电势 B.圆盘转动越快,输出脉动电压峰值越高 C.c、d端输出脉冲电压的频率是圆盘转速的4倍 D.增加小磁体个数,传感器转速测量更准确 【答案】CD [霍尔元件有电子或空穴导电,根据左手定则,载流子向上表面偏转,即c点,所以d点电势不一定高于c点,故A项错误;最终电子或空穴在电场力和洛伦兹力的作用下处于平衡,设霍尔元件的长、宽、厚分别为l1、l2、l3,电子或空穴定向移动的速度为v,有q =qvB,所以U=Bvl2,输出脉冲电压峰值与圆盘转动快慢无关,故B项错误;当小磁体靠近霍尔元件时,就是会产生一个脉冲电压,因此c、d端输出脉冲电压的频率是圆盘转动频率的4倍,即为转速的4倍,故C项正确;当增加小磁体个数,传感器c、d端输出一个脉冲电压频率变高,那么传感器转速测量更准确,故D项正确。 ] 6、(2019·宣城市第二次调研) 图甲为小型旋转电枢式交流发电机的原理图,其矩形线圈在磁感应强度为B的匀强磁场中,绕垂直于磁场方向的固定轴OO′(OO′沿水平方向)匀速转动,线圈的两端经集流环和电刷与电阻R=10Ω连接,与电阻R并联的交流电压表为理想电压表,示数是10V。 图乙是矩形线圈中磁通量随时间t变化的图象。 线圈内阻不计,则( ) 甲 乙 A.此交流发电机的电动势平均值为10 V B.t=0.02s时R两端的电压瞬时值为零 C.R两端的电压u随时间t变化的规律是u=10 cos(100πt)V D.当ab边速度方向向上时,它所受安培力的方向也向上 【答案】C [矩形线圈绕垂直于磁场的转轴匀速转动,产生正弦交流电,外电阻R=10Ω,电压表示数为10V,说明 =10V,即电动势最大值为Em=10 V,所以平均值一定比Em=10 V小,选项A错;根据题图乙知t=0时磁通量等于0,可判断t=0时电动势最大,所以电动势随时间变化的规律为u=Emcosωt=10 cos(100πt)V,选项C对;将t=0.02s代入电动势瞬时值表达式,得U=10 V,选项B错;根据楞次定律,感应电流总是阻碍线圈的转动,所以当ab边速度方向向上时,它所受安培力的方向向下,选项D错。 ] 7、如图所示的电路中: T为一降压式自耦调压变压器.开始时灯泡L正常发光,现在电源电压U略降低,为使灯泡L仍能正常发光,可采用的措施是( ) A.将自耦调压变压器的滑片P适当上滑 B.将自耦调压变压器的滑片P适当下滑 C.适当增大滑动变阻器R2的阻值 D.适当减小滑动变阻器R2的阻值 解析: 选AC.若保持负载总电阻不变,电源电压U略降低时,为使灯泡L仍能正常发光,只需输出电压U2保持不变.根据变压比 = ,可得U2= U,由此可知,n2应增大,自耦调压变压器的滑片P应适当上滑,选项A正确,选项B错误;若保持匝数比不变,根据变压比 = ,可得U2减小,为使灯泡L仍能正常发光,加在L两端的电压应不变,则加在R1两端的电压应减小,故总电流应减小,负载总电阻应增大,R2应增大,选项C正确,选项D错误. 8、(多选)如图甲为远距离输电示意图,变压器均为理想变压器,升压变压器原、副线圈匝数比为1∶100,其输入电压如图乙所示,远距离输电线的总电阻为100Ω。 降压变压器右侧部分为一火警报警系统原理图,其中R1为一定值电阻,R2为用半导体热敏材料制成的传感器,当温度升高时其阻值变小。 电压表V显示加在报警器上的电压(报警器未画出)。 未出现火警时,升压变压器的输入功率为750kW。 下列说法正确的是( ) 甲 乙 A.降压变压器副线圈输出的交变电流频率为50Hz B.远距离输电线路损耗功率为180kW C.当出现火警时,电压表V的示数变小 D.当出现火警时,输电线上的电流变小 【答案】AC [由题图乙知交变电流的周期为0.02s,所以频率为50Hz,A正确;由题图乙知升压变压器输入电压有效值为250V,根据变压比公式知升压变压器副线圈两端电压为25000V,所以输电线中的电流为I= =30A,输电线损失的电压为ΔU=IR=30×100V=3000V,输电线路损耗功率为ΔP=ΔU·I=90kW,B错误;当出现火警时传感器R2阻值减小,降压变压器副线圈中电流增大,输电线上电流变大,输电线损失的电压变大,降压变压器输入、输出电压都变小,定值电阻的分压增大,电压表V的示数变小,C正确,D错误。 ] 9、(多选)霍尔传感器测量转速的原理图如图所示,传感器固定在圆盘附近,圆盘上固定4个小磁体,在a、b间输入方向由a到b的恒定电流,圆盘转动时,每当磁体经过霍尔元件,传感器c、d端输出一个脉冲电压,检测单位时间内的脉冲数可得到圆盘的转速。 关于该测速传感器,下列说法中正确的有( ) A.在图示位置时刻d点电势高于c点电势 B.圆盘转动越快,输出脉动电压峰值越高 C.c、d端输出脉冲电压的频率是圆盘转速的4倍 D.增加小磁体个数,传感器转速测量更准确 【答案】CD [霍尔元件有电子或空穴导电,根据左手定则,载流子向上表面偏转,即c点,所以d点电势不一定高于c点,故A项错误;最终电子或空穴在电场力和洛伦兹力的作用下处于平衡,设霍尔元件的长、宽、厚分别为l1、l2、l3,电子或空穴定向移动的速度为v,有q =qvB,所以U=Bvl2,输出脉冲电压峰值与圆盘转动快慢无关,故B项错误;当小磁体靠近霍尔元件时,就是会产生一个脉冲电压,因此c、d端输出脉冲电压的频率是圆盘转动频率的4倍,即为转速的4倍,故C项正确;当增加小磁体个数,传感器c、d端输出一个脉冲电压频率变高,那么传感器转速测量更准确,故D项正确。 ] 10、为了节能和环保,一些公共场所使用光控开关控制照明系统。 光控开关可采用光敏电阻来控制,光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱,光越强照度越大,照度单位为lx)。 某光敏电阻RP在不同照度下的阻值如下表: 照度/lx 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 电阻/kΩ 75 40 28 23 20 18 (1)根据表中数据,请在图甲所示的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线,并说明阻值随照度变化的特点。 (2)如图乙所示,当1、2两端所加电压上升至2V时,控制开关自动启动照明系统。 请利用下列器材设计一个简单电路,给1、2两端提供电压,要求当天色渐暗照度降低至1.0lx时启动照明系统,在虚线框内完成电路原理图。 (不考虑控制开关对所设计电路的影响) 提供的器材如下: 光敏电阻RP(符号 ,阻值见上表); 直流电源E(电动势3V,内阻不计); 定值电阻: R1=10kΩ,R2=20kΩ,R3=40kΩ(限选其中之一,并在图中标出);开关S及导线若干。 甲 乙 [解析] (1)光敏电阻的阻值随照度变化的曲线如图1所示,光敏电阻的阻值随照度的增大而减小。 图1 (2)根据串联电阻的正比分压关系,E=3V,当照度降低至1.0lx时,1、2两端电压升至2V,由图线1知,此时光敏电阻阻值RP=20kΩ,URP=2V,串联电阻分压UR=1V,由 = =2,得R= =10kΩ,故选定值电阻R1,电路原理图如图2所示。 图2 [答案] 见解析 11、发电机的端电压为220V,输出电功率为44kW,输电导线的电阻为0.2Ω,如果用原、副线圈匝数之比为1∶10的升压变压器升压,经输电线路后,再用原、副线圈匝数比为10∶1的降压变压器降压供给用户. (1)画出全过程的线路图; (2)求用户得到的电压和功率; (3)若不经过变压而直接送到用户,求用户得到的功率和电压. 解析: (1)线路图如图所示: (2)升压变压器副线圈上的输出电压 U2= U1=2200V 升压变压器副线圈上的输出电流I2= I1 升压变压器原线圈上的输入电流,由P=U1I1得 I1= = A=200A 所以I2= I1= ×200A=20A. 输电线路上的电压损失和功率损失分别为 UR=I2R=4V PR=I R=0.08kW 降压变压器原线圈上的输入电流和电压分别为 I3=I2=20A U3=U2-UR=2196V 降压变压器副线圈上的输出电压和电流分别为 U4= U3=219.6V I4= I3=200A 用户得到的功率P4=U4I4=43.92kW. (3)若不采用高压输电,线路损失电压为 U′R=I1R=40V 用户得到的电压U′=U1-U′R=180V 用户得到的功率为P′=U′I1=36kW. 答案: 见解析 12、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化,可在受电线圈中产生电动势最大值为20V的正弦交流电,设磁场竖直向上。 求: 甲 乙 (1)在t=π×10-3s时,受电线圈中产生电流的大小,c、d两端哪端电势高? (2)在一个周期内,电阻R上产生的热量; (3)从t1到t2时间内,通过电阻R的电荷量。 [解析] (1)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= =2.0A 由楞次定律可以得到此时c端电势高。 (2)通过电阻的电流的有效值为I= = A 电阻在一个周期内产生的热量Q=I2RT≈5.7×10-2J (3)线圈中感应电动势的平均值 =n 通过电阻R的电流的平均值为 = , 通过电阻R的电荷量q= ·Δt 由题图乙知,在 ~ 的时间内,ΔΦ=4×10-4Wb 解得q=n =2×10-3C。 [答案] (1)2.0A c端电势高 (2)5.7×10-2J (3)2×10-3C
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