（北京專用）2020版高考物理大一輪復習 專題十三 交變電流課件.ppt

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1、考點清單,考點一交流電 考向基礎(chǔ) 一、交變電流及正弦式交變電流的產(chǎn)生 1.交變電流 大小和方向都隨時間做周期性變化的電流。如圖甲、乙、丙、丁所示都屬于交變電流,其中按正弦規(guī)律變化的交變電流叫正弦式交變電流,簡稱正弦式電流,如圖甲所示。,2.正弦式交變電流的產(chǎn)生 (1)產(chǎn)生方法:如圖所示,將一個平面線圈置于勻強磁場中,并使它繞垂直于磁感線的軸做勻速轉(zhuǎn)動時,線圈中就會產(chǎn)生正弦式交變電流。 (2)中性面與最大值面 a.中性面:與磁場方向垂直的平面叫中性面。線圈處于中性面位置時,各邊都不切割磁感線(選填“切割”或“不切割”),線圈中沒有感應電動勢(選填“有”或“沒有”),此位置磁通量最,大,磁通量的變

2、化率最小。 b.最大值面:與磁場方向平行的平面叫最大值面。線圈處于最大值面位置時,切割方向垂直于磁場方向,感應電動勢最大。此位置磁通量最小,磁通量的變化率最大。 二、正弦式交變電流的圖像和三角函數(shù)的表達 1.正弦式交變電流:正弦式交變電流的電動勢最大值Em=nBS,其 中n是線圈的匝數(shù),B是勻強磁場的磁感應強度,S 是線圈面積,是線圈繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的角速度。若從線圈經(jīng)過中性 面即線框與磁場垂直開始計時,則電動勢瞬時值E=Em sin t,而 磁通量瞬時值=nBS cos t,即當電動勢按照正弦規(guī)律隨時間變 化時,磁通量按照余弦規(guī)律隨時間變化。,2.正弦式交變電流的變化規(guī)律及對應圖像,四、周期與頻率

3、,周期和頻率:交變電流完成一次周期性變化所用的時間叫周期;1 s內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)叫頻率。它們和角速度間的關(guān)系為:= =2f。 考向突破 考向一交變電流及正弦式交變電流的產(chǎn)生 1.正弦式交變電流的產(chǎn)生 矩形線圈繞垂直于勻強磁場的軸O轉(zhuǎn)動時,線圈的兩條邊切割磁感線產(chǎn)生感應電動勢,如圖所示,設(shè)線圈的匝數(shù)為n,轉(zhuǎn)動角速度為,ab邊的長度為l1,ad邊的長度為l2。 若從中性面開始計時,經(jīng)時間t轉(zhuǎn)到如圖所示位置,線圈轉(zhuǎn)過t。,ab邊產(chǎn)生的電動勢 e1=nBl1l2 sin t cd邊產(chǎn)生的電動勢 e2=nBl1l2 sin t 據(jù)右手定則可知總電動勢e=e1+e2=nBl1l2 sin t=nBS

4、 sin t。其中nBS為電動勢的最大值。,2.相關(guān)結(jié)論 (1)一個周期內(nèi)電流的方向改變兩次。 (2)線圈平面每經(jīng)過中性面一次,電流方向改變一次。 (3)線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場的軸勻速轉(zhuǎn)動時,所產(chǎn)生的正弦式,交變電流與轉(zhuǎn)軸的位置無關(guān),與線圈的形狀無關(guān)。,例1圖1是交流發(fā)電機模型示意圖。在磁感應強度為B的勻強磁場中,有一矩形線圈abcd可繞線圈平面內(nèi)垂直于磁感線的軸OO轉(zhuǎn)動,由線圈引出的導線ae和df分別與兩個跟線圈一起繞OO轉(zhuǎn)動的金屬圓環(huán)相連接,金屬圓環(huán)又分別與兩個固定的電刷保持滑動接觸,這樣矩形線圈在轉(zhuǎn)動中就可以保持和外電路電阻R形成閉合電路。圖2是線圈的主視圖,導線ab和cd分別用它

5、們的橫截面來表示。已知ab長度為L1,bc長度為L2,線圈以恒定角速度逆時針轉(zhuǎn)動。(只考慮單匝線圈),(1)線圈平面處于中性面位置時開始計時,試推導t時刻整個線圈中的感應電動勢e1的表達式; (2)線圈平面處于與中性面成0夾角位置時開始計時,如圖3所示,試寫出t時刻整個線圈中的感應電動勢e2的表達式; (3)若線圈電阻為r,求線圈每轉(zhuǎn)動一周電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱。(其他電阻均不計),解析(1)矩形線圈abcd轉(zhuǎn)動過程中,只有ab和cd切割磁感線,設(shè)ab和cd的轉(zhuǎn)動速度為v,則 v= 在t時刻,導線ab和cd因切割磁感線而產(chǎn)生的感應電動勢均為 E1=BL1vy 由圖可知vy=v sin t 則整個

6、線圈的感應電動勢為,e1=2E1=BL1L2 sin t (2)當線圈由圖3位置開始運動時,在t時刻整個線圈的感應電動勢為 e2=BL1L2 sin (t+0) (3)由閉合電路歐姆定律可知 I= E= 則線圈轉(zhuǎn)動一周在R上產(chǎn)生的焦耳熱為 QR=I2RT 其中T= 于是QR=R()2,答案(1)見解析 (2)e2=BL1L2 sin (t+0) (3)R()2,考向二正弦式交變電流的圖像和三角函數(shù)的表達 例2(多選)如圖1所示,在勻強磁場中,一矩形金屬線圈兩次分別以不同的轉(zhuǎn)速,繞與磁感線垂直的軸勻速轉(zhuǎn)動,產(chǎn)生的交變電動勢圖像如圖2中曲線a、b所示,則() A.兩次t=0時刻線圈平面均與中性面重

7、合,B.曲線a、b對應的線圈轉(zhuǎn)速之比為23 C.曲線a表示的交變電動勢頻率為25 Hz D.曲線b表示的交變電動勢有效值為10 V,解析由題圖2知t=0時兩次轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的瞬時電動勢都等于零,故A正確。由圖2知兩次轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的交變電動勢的周期之比TaTb=23,再由周期與轉(zhuǎn)速的關(guān)系n=得nanb=32,故B錯誤。因Ta=410-2 s,故fa= =25 Hz,C正確。因Ema=15 V,而Em=NBS=,故Emb=Ema=10 V, Eb=5 V,D錯誤。,答案AC,考向三最大值、瞬時值、有效值與平均值 1.對描述交變電流“四值”的比較和理解,2.幾種典型的電流及其有效值,例3如圖所示,單匝矩形閉

8、合導線框abcd一半處于磁感應強度為B的水平有界勻強磁場中,線框面積為S,電阻為R。線框繞與其中心線重合的豎直固定轉(zhuǎn)動軸OO以角速度勻速轉(zhuǎn)動,固定轉(zhuǎn)動軸恰好位于勻強磁場的右邊界。則線框中感應電流的有效值為() A.B. C.D.,解析線框中產(chǎn)生感應電動勢的最大值:Em=BS, 設(shè)感應電動勢的有效值為E,則:E=BS, 感應電流的有效值I=, 聯(lián)立解得:I=, 故選A。,答案A,考點二變壓器、電能的輸送 考向基礎(chǔ) 一、電阻、感抗與容抗 1.電阻R:對直流電、交流電均有阻礙作用。 2.電感L:通直流、阻交流,通低頻、阻高頻。 3.電容C:隔直流、通交流,通高頻、阻低頻。 二、變壓器 1.構(gòu)造和原理

9、 (1)主要構(gòu)造:由原線圈、副線圈和閉合鐵芯組,成。 (2)工作原理:電磁感應的互感現(xiàn)象。 2.理想變壓器的基本關(guān)系式 (1)功率關(guān)系:P1=P2。 (2)電壓關(guān)系:=,若n1n2,為升壓變壓器;若n1n2,為降壓 變壓器。 (3)電流關(guān)系:只有一個副線圈時,I1I2=n2n1。 (4)頻率關(guān)系:原、副線圈中電流的頻率相等。 3.理想變壓器的特點 (1)變壓器無漏磁,故原、副線圈中的、相同。,(2)線圈無電阻,因此無電壓降,U=E=n。 (3)無電能損失,因此P入=P出,無論副線圈有一個還是多個,總有U1I1=U2I2+U3I3+,將電壓關(guān)系代入可得n1I1=n2I2+n3I3+。 4.常見的

10、變壓器 (1)自耦變壓器只有一個線圈,可升壓,也可降壓。,(2)互感器:分成電壓互感器和電流互感器,比較如下,考向突破 考向一電阻、感抗與容抗,注意電感、電容接到交流電源上時,電能與磁場能或電場能往復轉(zhuǎn)化,所以不會消耗電能。而電流通過電阻時,一定會產(chǎn)生焦耳熱,從而造成電能的損耗。,例4如圖所示,交流電流表A1、A2、A3分別與電阻R、電容器C和電感線圈L串聯(lián)后接在同一個正弦式交流電源上。交流電流表A4與電阻R串聯(lián)后接在理想變壓器副線圈兩端。如果保持供電電壓的最大值不變,而增大供電電壓的頻率,電流表示數(shù)不變的是() A.電流表A1和A2,B.電流表A1和A4 C.電流表A3和A2 D.電流表A3

11、和A4,解析電阻對交流電的阻礙作用與其頻率無關(guān),而感抗XL=2fL,容抗XC=,均會隨f變化相應變化,因此f變大時,A3示數(shù)減小,A2示數(shù)增大,A1、A4示數(shù)不變。,答案B,考向二變壓器,理想變壓器原、副線圈基本量的關(guān)系,例5如圖所示,用理想變壓器為一個“6 V、12 W”的小燈泡供電,變壓器原線圈中的輸入電壓為220 V。閉合開關(guān)S,小燈泡恰好正常發(fā)光。則下列說法中錯誤的是() A.變壓器原、副線圈的匝數(shù)之比為1103 B.變壓器原線圈中的輸入電流為2 A C.變壓器原線圈中的輸入功率為12 W D.變壓器副線圈中的輸出功率為12 W,解析由題意知,U1=220 V,U2=6 V,所以=,A

12、對;I2=2 A,所 以I1=0.055 A,B錯;由理想變壓器的特點知P1=P2=12 W,故C、D正 確。只有B項符合題意。,答案B,考向三電能的輸送 1.高壓輸電的幾個基本關(guān)系,(1)功率關(guān)系: P1=P2,P3=P4,P2=P損+P3。 (2)電壓、電流關(guān)系: =,=,U2=U+U3,I2=I3=I線。 (3)輸電電流:I線=。 (4)輸電線上損耗的功率(純電阻電路): P損=I線U=R線=R線。 當輸送的電功率一定時,輸電電壓增大到原來的n倍,輸電線上損耗的功率就減小到原來的。 (5)輸電效率:=100%。 2.關(guān)于遠距離輸電問題的處理思路 (1)畫出輸電線路圖,將已知量和未知量標在

13、圖中相應位置。,(2)將輸電線路劃分為幾個獨立回路。 (3)根據(jù)串并聯(lián)電路特點、歐姆定律、電功率公式等確定各部分回路物理量之間的關(guān)系。 (4)根據(jù)升壓、降壓,原、副線圈的電壓、電流關(guān)系和功率關(guān)系列式求解。,例6某小型發(fā)電站的發(fā)電機輸出交流電壓為500 V,輸出電功率為50 kW,(1)如果用電阻為3 的輸電線向遠處用戶送電,這時用戶獲得的電壓和電功率是多少?(2)如果要求輸電線上損失的電功率是輸送功率的0.6%,則發(fā)電站要安裝一個升壓變壓器,到達用戶前再用降壓變壓器變?yōu)?20 V供用戶使用,不考慮變壓器的能量損失,這兩個變壓器原、副線圈的匝數(shù)比各是多少?,解析(1)用500 V電壓送電時示意圖

14、如圖所示 輸電線上的電流I0= A=100 A 用戶獲得電壓U1=U0-I0R=(500-1003) V=200 V 用戶獲得的電功率P1=I0U1=2104 W (2)改用高壓輸送時,示意圖如圖所示,要求P損=0.6%P,即P損=501030.6% W=300 W 輸電電流I= A=10 A 發(fā)電站升壓后輸電電壓U1= V=5 000 V 升壓變壓器原、副線圈匝數(shù)比= 輸電線上損失的電壓 U=IR=103 V=30 V 降壓變壓器的輸入電壓 U2=U1-U=5 000 V-30 V=4 970 V 降壓變壓器原、副線圈匝數(shù)比 =,答案(1)200 V2104 W(2)11049722,考點三

15、傳感器與電磁振蕩、電磁波 考向基礎(chǔ) 一、傳感器 1.傳感器 把非電學物理量轉(zhuǎn)換成易于傳送、處理的物理量(通常是電壓、電流等電學量),或轉(zhuǎn)換為電路的通斷的一類元件。 2.常見傳感器:光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件、力傳感器。,二、電磁振蕩 電磁振蕩的周期和頻率 (1)概念 周期T:電磁振蕩完成一次周期性變化需要的時間叫周期。 頻率f:一秒鐘內(nèi)完成的周期性變化的次數(shù)叫頻率。 (2)LC電路的周期和頻率 T=2, f= 。,說明(1)LC電路的周期和頻率只取決于電容C和線圈的自感系數(shù)L,跟電容器的電荷量Q、板間電壓U和線路中的電流I無關(guān)。 (2)T、L、C、f的單位分別是秒(s)、亨利(H)、法拉(F

16、)、赫茲(Hz)。 三、電磁場和電磁波 1.電磁場和電磁波的產(chǎn)生 (1)麥克斯韋電磁場理論的要點 a.變化的磁場(電場)能夠在周圍空間產(chǎn)生電場(磁場); b.均勻變化的磁場(電場)能夠在周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的電場(磁場); c.振蕩磁場(電場)能夠在周圍空間產(chǎn)生同頻率的振蕩電場(磁場)。 (2)電磁場和電磁波:變化的電場和變化的磁場相互聯(lián)系在一起,形成一,個不可分割的統(tǒng)一體,即電磁場。電磁場由近及遠地向周圍傳播就形成了電磁波。 2.電磁波的發(fā)射 有效發(fā)射電磁波的條件:(1)高頻;(2)開放電路。 3.電磁波的傳播 電磁波以橫波形式傳播,其傳播不需要介質(zhì),傳播方式有天波、地波和空間波。傳播速度和頻率

17、、波長的關(guān)系為v=f。 4.電磁波的接收 天線接收到所有的電磁波,經(jīng)調(diào)諧選擇出所需要的電磁波,再經(jīng)檢波提取出攜帶的信號,放大后再還原成聲音或圖像。,5.電磁波的應用 電視和雷達等。 6.電磁波譜 (1)概念:無線電波、紅外線、可見光、紫外線、倫琴射線(X射線)、射線等合起來,構(gòu)成了范圍廣闊的電磁波譜。 (2)電磁波譜的特性與應用,A.天黑時,Y處于高電勢 B.天黑時,Y處于低電勢 C.當R1調(diào)大時,天更暗時,燈(發(fā)光二極管)點亮 D.當R1調(diào)大時,天較亮時,燈(發(fā)光二極管)就能點亮,解析天黑時,RG阻值增大到一定值,斯密特觸發(fā)器輸入端A的電壓上升到某個值,輸出端Y突然由高電勢跳到低電勢;R1調(diào)

18、大時,A端電壓降低,只有天更暗時,RG電阻更大時,路燈才點亮,故B、C正確。,答案BC,考向二電磁振蕩 LC電路中振蕩過程及i-t圖、q-t圖,考向三電磁場和電磁波 1.感應電場與靜電場 變化的磁場產(chǎn)生的電場,稱為感應電場,也叫渦旋場,跟前面學過的靜電場一樣,處于電場中的電荷受力的作用,且F=qE。,但它們也有顯著的區(qū)別,最明顯的莫過于以下幾點: (1)靜電場的電場線是非閉合曲線,而感應電場的電場線是閉合曲線; (2)靜電場中有電勢的概念,而感應電場中無電勢的概念; (3)在同一靜電場中,電荷運動一周(曲線閉合),電場力做功一定為零,而在感應電場中,電荷沿閉合線路運動一周,電場力做功不一定為零

19、; (4)靜電場的“源”起于“電荷”,而感應電場的“源”起于變化的磁場。 2.麥克斯韋電磁場理論產(chǎn)生過程的分析變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生電場。 實驗基礎(chǔ):法拉第電磁感應現(xiàn)象。如圖甲所示帶有小燈泡的導體環(huán),放在通有交流電的線圈附近,小燈泡會發(fā)光。這是由于穿過導體環(huán)的變化,磁場,在環(huán)中產(chǎn)生了電場從而驅(qū)使電荷運動,形成電流。 變化的磁場產(chǎn)生電場(磁場增強時) 麥克斯韋的推廣:沒有導體環(huán),變化的磁場在其周圍空間同樣會產(chǎn)生電場(圖乙)。導體環(huán)的作用僅是用來顯示電場的存在而已。,例8(2014安徽理綜,20,6分)英國物理學家麥克斯韋認為,磁場變化時會在空間激發(fā)感生電場。如圖所示,一個半徑為r的絕緣細圓環(huán)水

20、平放置,環(huán)內(nèi)存在豎直向上的勻強磁場B,環(huán)上套一帶電荷量為+q的小球。已知磁感應強度B隨時間均勻增加,其變化率為k,若小球在環(huán)上運動一周,則感生電場對小球的作用力所做功的大小是() A.0B.r2qkC.2r2qkD.r2qk,解析變化的磁場使回路中產(chǎn)生的感生電動勢E=S=kr2,則感 生電場對小球的作用力所做的功W=qU=qE=qkr2,選項D正確。,答案D,3.電磁波與機械波的比較,例92016課標,34(1),5分(多選)關(guān)于電磁波,下列說法正確的是。 A.電磁波在真空中的傳播速度與電磁波的頻率無關(guān) B.周期性變化的電場和磁場可以相互激發(fā),形成電磁波 C.電磁波在真空中自由傳播時,其傳播方

21、向與電場強度、磁感應強度均垂直 D.利用電磁波傳遞信號可以實現(xiàn)無線通信,但電磁波不能通過電纜、光纜傳輸 E.電磁波可以由電磁振蕩產(chǎn)生,若波源的電磁振蕩停止,空間的電磁波隨即消失,解析電磁波在真空中的傳播速度為3108 m/s,與頻率無關(guān),選項A正確;由麥克斯韋電磁場理論可知,選項B正確;變化的電場和磁場相互激發(fā),且相互垂直,形成的電磁波的傳播方向與電場和磁場均垂直,選項C正確;電磁波可以通過電纜、光纜傳輸,選項D錯誤;電磁振蕩停止后,電磁波可以在空間繼續(xù)傳播,直到能量消耗完為止,選項E錯誤。,答案ABC,方法技巧,方法1交變電流的產(chǎn)生和電路的綜合分析方法 部分電路和閉合電路的有關(guān)公式仍適用于正

22、弦交流電路,應用時仍要分清電源(如發(fā)電機)和外電路、電動勢和路端電壓等,而對交流電路特別要注意正確選用交變電流的“四值”。一般常從圖像或瞬時值表達式入手,得出交流電的最大值、有效值,然后再按照電路知識解決相關(guān)問題。 例1一個電阻為r、邊長為L的正方形線圈abcd共N匝,線圈在磁感應強度為B的勻強磁場中繞垂直于磁感線的軸OO以如圖所示的角速度勻速轉(zhuǎn)動,外電路電阻為R。 (1)在圖中標出此刻線圈中感應電流的方向。,(2)轉(zhuǎn)動過程中感應電動勢的最大值為多大? (3)線圈平面與磁感線夾角為60時的感應電動勢為多大? (4)設(shè)發(fā)電機由柴油機帶動,其他能量損失不計,線圈轉(zhuǎn)一周,柴油機做多少功? (5)從圖

23、示位置開始,線圈轉(zhuǎn)過60的過程中通過R的電荷量是多少?,解析(1)由楞次定律或右手定則可知電流方向為順時針方向(圖略)。 (2)Em=NBS=NBL2。 (3)線圈平面與B成60時的瞬時感應電動勢e=Emcos 60=NBL2。 (4)電動勢的有效值E=;電流的有效值I=;柴油機做的功等于產(chǎn) 生的電能,線圈轉(zhuǎn)一周,柴油機做的功W=EIT=T= 。 (5)I平均=,所以電荷量q=I平均t=。,答案見解析,方法2理想變壓器的動態(tài)分析方法,理想變壓器的幾個因果關(guān)系 當理想變壓器的匝數(shù)比不變時,如圖所示,各量相互關(guān)系如下: (1)輸入電壓U1決定輸出電壓U2。這是因為輸出電壓U2=U1,當U1不變 時

24、,不論負載電阻R變化與否,U2都不會改變。 (2)輸出電流I2決定輸入電流I1,在輸入電壓U1一定的情況下,輸出電壓U2也被確定。當負載電阻R增大時,I2減小,則I1相應減小;當負載電阻R減小,時,I2增大,則I1相應增大。因此在使用變壓器時,不能使變壓器副線圈短路。 (3)輸出功率P2決定輸入功率P1,理想變壓器的輸入功率與輸出功率相等,即P1=P2。在輸入電壓U1一定的情況下,當負載電阻R增大時,I2減小,則變壓器輸出功率P2=I2U2減小,輸入功率P1也將相應減小;當負載電阻R減小時,I2增大,變壓器的輸出功率P2=I2U2增大,則輸入功率P1也將增大。 利用上述因果關(guān)系,可解決變壓器動

25、態(tài)變化問題。,注意變壓器只能改變交流電壓,若原線圈加直流電壓,則副線圈輸出電壓為零,并且由于線圈對直流電無感抗,而使電流很大(相當于短路),易損壞直流電源。 對“日”字形鐵芯的變壓器 ,因為穿過原、副線圈的磁通量 的變化率不等。,解題導引,解析變壓器輸出電壓由輸入電壓和匝數(shù)比決定,S斷開后輸入電壓和匝數(shù)比不變,所以電壓表的示數(shù)不變;但負載電阻變大,則輸出電流變小,電流表A2的示數(shù)變小,輸入電流變小,則電流表A1的示數(shù)變小;因R上電壓變小,則L1上電壓變大,亮度變亮。故只有C對。,答案C,方法3遠距離輸電的分析方法 1.熟悉“交流發(fā)電機升壓變壓器輸電線降壓變壓器用戶”這一過程,并畫出這一過程的示

26、意圖,把需要的物理量都標在圖中的相應位置上。 2.利用逆算法解決電能的輸送問題往往比較方便,方法是先從負載的功率算起,一直倒推到升壓變壓器的輸入端。,例3有一臺發(fā)電機通過升壓和降壓變壓器給用戶供電,已知發(fā)電機的輸出功率是20 kW,電壓為400 V,升壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為n1n2=15,兩變壓器之間輸電導線的總電阻R=1.0 ,降壓變壓器輸出電壓U4=220 V,求: (1)升壓變壓器的輸出電壓; (2)輸送電能的效率; (3)降壓變壓器的原、副線圈的匝數(shù)比n3n4; (4)如果不用變壓器,輸電導線的熱損耗是用變壓器時的幾倍。,A=10 A 輸電線損失的功率為:P損=R=1021 W=100 W 根據(jù)能量守恒得:P4=P3=P2-P損=19 900 W 輸電線路輸送電能的效率=100%=99.5% (3)輸電線上的電壓損失為:U=I2R=101 V=10 V 則降壓變壓器的輸入電壓為:U3=U2-U=1 990 V 降壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為= (4)如果不用變壓器,輸電導線的熱損耗:P損=()2R=()21 W=2 50 0 W,=25,答案(1)2 000 V(2)99.5%(3)19922(4)25,