全国通用版2018高考物理大一轮复习第十一章交变电流第1课时交变电流的产生和描述课件

第十一章交变电流统计考情·有的放矢明考情考点内容全国新课标卷命题实况课时考点名称201120122013201420152016Ⅰ卷Ⅱ卷Ⅰ卷Ⅱ卷Ⅰ卷Ⅱ卷Ⅰ卷Ⅱ卷Ⅲ卷交变电流的产生和描述交变电流的产生及变化规律T21有效值的理解与计算T21交变电流“四值”的理解和应用变压器电能的输送理想变压器的原理和基本关系T17T17T21理想变压器的动态分析远距离输电原线圈电路中含有用电器的变压器问题T16T16T19传感器的简单使用高频考点解读1.变压器的考查:重要考查形式是选择题,考查内容是理想变压器的原理、理想变压器的基本关系式,多以实际问题的形式呈现.复习时应理清各个基本概念,熟记各公式及适用条件,提高解决与实际生活、生产科技相结合的实际问题的能力.2.近几年高考对变压器的考查呈现两种趋势:(1)突出了对原线圈上存在用电器的考查,如2015,2016年的高考题.(2)对于特殊情况下的变压器的考查,如自耦变压器、与二极管相连的变压器、与电容器相连的变压器.要抓住其电压关系和特殊元件对交变电流的作用,从功率关系、有效值的计算等方面进行突破,是解题的关键.第1课时交变电流的产生和描述回扣教材考点扫描回扣教材·梳理知识夯基础知识整合一、正弦式交变电流的产生1.线圈绕方向的轴匀速转动.2.两个特殊位置的特点(1)线圈平面与中性面重合时,S⊥B,Φ,=0,e=0,i=0,电流方向将.(2)线圈平面与中性面垂直时,S∥B,Φ=0,,e最大,i最大,电流方向.3.电流方向的改变:一个周期内线圈中电流的方向改变次.4.交变电动势的最大值Em=,与转轴位置无关,与线圈形状无关.5.交变电动势随时间的变化规律e=.tt垂直于磁场最大发生改变最大不改变两nBSωnBSωsinωt二、描述交变电流的物理量1.周期和频率(1)周期T:交变电流完成一次周期性变化(线圈转动一周)所需的,单位是秒(s).表达式为T=2π=1n(n为转速).(2)频率f:交变电流在1s内完成的次数,单位是.(3)周期和频率的关系:T=1f或f=1T.2.交变电流的瞬时值、峰值、有效值和平均值(1)瞬时值:交变电流的值,是时间的函数.(2)峰值:交变电流或电压所能达到的.时间周期性变化赫兹(Hz)某一时刻最大值(3)有效值:让交变电流与恒定电流分别通过相同的电阻,如果在交变电流的一个周期内它们相等,则这个恒定电流I、恒定电压U就是这个交变电流的有效值.(4)正弦式交变电流的有效值与峰值之间的关系I=m2I,U=m2U,E=m2E.(5)交变电流的平均值:E=nt,I=()nRrt.产生的热量问题思考1.如图所示是交流发电机的示意图,线圈的匝数为N,线圈的面积为S,线圈匀速转动的角速度为ω,匀强磁场的磁感应强度为B.选修3-2P32图5.1-3(1)当线圈转到什么位置时线圈的磁通量最大?此时线圈中的磁通量的变化率为多大?线圈中的感应电流为多大?(2)当线圈转到什么位置时线圈中的感应电动势最大?最大感应电动势Em为多少?感应电动势的有效值为多少?(3)若从甲位置开始计时,线圈中产生的电动势e随时间变化规律的表达式是怎样的?交变电流的周期T是多少?(2)当线圈转到乙、丁位置时,线圈中的感应电动势最大;最大感应电动势Em=NBSω;感应电动势的有效值E=m2E=22NBSω.解析:(1)当线圈转到甲、丙位置时,线圈的磁通量最大;此时线圈中的磁通量的变化率为0;线圈中的感应电流为0.(3)线圈中产生的电动势e随时间的变化规律为e=Emsinωt=NBSωsinωt,交变电流的周期T=2π.答案:(1)甲、丙00(2)乙,丁NBSω22NBSω(3)e=NBSωsinωt2π2.如图所示是通过一个R=1Ω的电阻的电流i随时间变化的曲线.选修3-2P35图5.2-2(1)通电1s内电阻R中产生的热量Q为多少?(2)这个电流的有效值I是多少?解析:(1)这个电流在四个小阶段是恒定电流,通过分阶段计算可得Q=21IRt1+22IRt2=2.8J.(2)在1s内产生相同的热量Q,则Q=I2Rt,即2.8J=I2×1Ω×1s,得出I=2.8A≈1.67A.答案:(1)2.8J(2)1.67A考点扫描·重点透析通热点考点一交变电流的产生及变化规律要点透析1.正弦式交变电流的产生(1)线圈绕垂直于磁场方向的轴匀速转动.(2)两个特殊位置的特点①线圈平面与中性面重合时,S⊥B,Φ最大,t=0,e=0,i=0,电流方向将发生改变.②线圈平面与中性面垂直时,S∥B,Φ=0,t最大,e最大,i最大,电流方向不改变.(3)电流方向的改变:线圈通过中性面时,电流方向发生改变,一个周期内线圈两次通过中性面,因此电流的方向改变两次.(4)交变电动势的最大值Em=nBSω,与转轴位置无关,与线圈形状无关.2.正弦式交变电流的变化规律(线圈在中性面位置开始计时)规律物理量函数表达式图像磁通量Φ=Φmcosωt=BScosωt电动势e=Emsinωt=nBSωsinωt电压u=Umsinωt=mRERrsinωt电流i=Imsinωt=mERrsinωt典例突破【例1】(2016·广东揭阳模拟)在磁场区域中有一粗细均匀的正方形导体线框abcd,线框平面与磁场方向垂直,其中左、右两边的匀强磁场以ab为分界线,磁感应强度大小均为B,方向分别垂直纸面向里、向外.现使线框以ab边为转轴匀速转动,转动方向如图所示,规定abcda方向为电流的正方向,并以图示位置为计时起点,则下列图像中能正确表示线框中的感应电流i和ab两端电压Uab随时间变化的是()〚核心点拨〛(1)线圈在匀强磁场中旋转,具备了产生正弦式交变电流的条件.(2)由于转轴两侧的磁场等大反向,因此不是一个完整的正弦式交变电流,需要在其转折点时刻进行判断.解析:设cd边长为L,转动角速度为ω,则产生的感应电动势的表达式为e=BL2ωsinωt,当转过时,产生的感应电动势的表达式为e=BL2ωcosωt,根据右手定则可知电流方向与开始相反,电压和电流与时间的关系类似,因此选项A,B,D错误,C正确.答案:C4T4T题后反思正弦式交变电流产生过程的分析与判断利用特殊点进行判断,抓住特殊位置分析,中性面的特点:线圈平面与磁场垂直、磁通量最大、磁通量的变化率为零(感应电动势、感应电流为零);与中性面垂直的位置:线圈平面与磁场平行、磁通量为零、磁通量的变化率最大(感应电动势、感应电流最大),结合题目给出的转动方向和规定的电流正方向进行分析判断.1.[交变电流的产生](2016·全国Ⅲ卷,21)(多选)如图,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TC.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即时巩固BC8T解析:根据楞次定律可知,导线框进入磁场时,两线框中都会产生感应电流,由E=BRv=BR(ωR)/2=12BR2ω,可知过程中产生的感应电动势恒定,电流不变,则选项A错误,C正确;当导线框进入磁场和穿出磁场过程中,由楞次定律可得感应电流方向先是逆时针,后是顺时针,则感应电流的周期与运动周期T相等;选项B正确;导线框N在进出磁场的0～4T和2T～34T时间内有磁通量的变化,而完全进入磁场后有4T时间内无感应电流,而导线框M在整个过程中都有感应电流,所以即使两导线框电阻相等,两者的电流有效值也不会相等,选项D错误.2.[交变电流的图像]有一个小型发电机,机内的矩形线圈匝数为50匝,电阻为5Ω.线圈在匀强磁场中,以恒定的角速度绕垂直于磁场方向的固定轴转动.穿过每匝线圈的磁通量Φ随时间的变化规律如图所示.由此可知发电机电动势瞬时值表达式为()A.e=31.4sin50πt(V)B.e=31.4cos50πt(V)C.e=157cos100πt(V)D.e=157sin100πt(V)C解析:根据图像可知,T=2×10-2s,所以ω=2πT=100πrad/s,Φm=1.0×10-2Wb,所以Em=nωΦm=157V,所以发电机电动势瞬时值表达式为e=Emcosωt=157cos100πt(V),选项C正确.3.导学号00622738[交变电流的产生及变化规律]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.则图(丙)中正确的是()D解析:矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时,产生的电流按正弦规律变化,由于t=0时,线圈的转动方向如图(乙),由右手定则判断可得,此时ad中电流方向为由a到d,线圈中电流方向为a→d→c→b→a,与规定的电流正方向相反,电流为负值.又因为此时ad,bc两边的切割速度方向与磁场方向成45°夹角,由E=2BLv⊥,可得E=2·22BLv=22Em,即此时的电动势为最大值的22倍,电流当然也是最大值的22倍,由图(乙)还能观察到,线圈在接下来45°的转动过程中,ad,bc两边的切割速度越来越小,所以感应电动势应减小,感应电流应减小,故D正确.考点二有效值的理解与计算要点透析1.交变电流的有效值是根据电流的热效应来定义的,利用有效值的定义计算(非正弦式交变电流)时“相同时间”至少取一个周期或周期的整数倍.2.公式法,利用E=m2E,U=m2U,I=m2I计算,只适用于正(余)弦式交变电流.3.交变电流的有效值是交变电流的默认值,在没有特殊说明的情况下均指有效值,交流用电器的额定值、交流电表的测量值、计算电功和电热时均是有效值.典例突破【例2】(2016·山东烟台质检)如图所示,图(甲)和图(乙)分别表示正弦脉冲波和方波的交变电流与时间的变化关系.若使这两种电流分别通过两个完全相同的电阻,则经过1min的时间,两电阻消耗的电功之比W甲∶W乙为()A.1∶B.1∶25C.1∶3D.1∶752〚核心点拨〛(1)由公式W=I2Rt求电功,其中I为有效值.(2)利用有效值的定义,取一个周期分别求其有效值,图(甲)中一个周期为6×10-2s.解析:电功的计算中,电流要用有效值计算,题图(甲)中,由有效值的定义得122R×2×10-2+0+122R×2×10-2=21IR×6×10-2,得I1=33A;图(乙)中,由有效值的定义得242×R×0.01+232×R×0.01=22IR×0.02,则I2=5A,由W=UIt=I2Rt,可以得到W甲∶W乙=1∶75.故选D.答案:D题后反思交变电流有效值的求解等效是有条件的,交变电流的有效值是根据电流的热效应规定的.对于非正弦式交变电流,在计算其有效值时,一定要根据有效值的定义求解,对于各种复杂的交变电流在一个周期产生的热量可采用分段求和的方法,没有电流的时间段,也要记入总时间内.即时巩固1.[有效值的理解](2016·黄冈模拟)匀强磁场中有一长方形闭合导线框,分别以相同的角速度绕下列四个图所示的固定轴旋转,用Ia,Ib,Ic,Id表示四种情况下线框中电流的有效值,则()A.IaIdB.IaIbC.IbIcD.Ic=IdD解析:由于四个图中的转轴都垂直于磁场,均产生正弦式交变电流,由最大值的表达式Em=NBSω可知,它们的最大值相同,则它们产生的交变电流是完全相同的,即为e=Emsinωt,i=Imsinωt,故它们的有效值为相同,则选项D正确.m2I2.导学号00622739[有效值的计算]如图所示为一交流发电机的原理示意图,其中矩形线圈abcd的边长ab=cd=L1,bc=ad=L2,匝数为n,线圈的总电阻为r,