2014届高考物理一轮复习 10-1交变电流的产生及描述课件

1．交变电流、交变电流的图像(Ⅰ)2．正弦式交变电流的函数表达式、峰值和有效值(Ⅰ)3．理想变压器(Ⅰ)4．远距离输电(Ⅰ)实验十一：传感器的简单使用1．从近几年的命题情况看，总体上难度不大，热点较为集中，主要集中在以下两个方面：一是交变电流的产生、图像和有效值问题；二是变压器、电压、功率、电流关系及远距离输电问题．2．高考对本部分知识的考查主要以选择题的形式出现，但也出现过关于交变电流的计算题．在增加应用型和能力型试题的今天，应注意本部分知识与现代科技的联系.交变电流的产生及描述一、交变电流的产生和变化规律1．交变电流：大小和方向都随时间做①________的电流．2．正弦式交变电流(1)定义：按②________变化的交变电流．(2)产生：将闭合矩形线圈置于③________磁场中，并绕④________方向的轴做⑤________转动．(3)线圈平面与磁场垂直时，线圈中没有感应电流，这样的位置叫⑥__________，在此位置时，磁通量⑦__________，磁通量的变化率⑧__________，线圈中感应电动势⑨__________，线圈每次经过此位置时，电流方向就改变一次，一周内电流方向改变⑩__________次，50Hz的交流电，在1秒内电流改变⑪________次方向．3．正弦式交变电流的变化规律(线圈在中性面位置开始计时)(1)电动势e随时间变化的规律：e＝⑫________.(2)负载两端的电压u随时间变化的规律：u＝⑬________.(3)电流i随时间变化的规律：i＝⑭________其中ω为线圈转动的⑮________，Em＝⑯________.(4)正弦交变电流的图像(如图所示)．【重点提示】(1)电流大小变化但方向不变的电流仍然是直流电，即只要方向不改变的电流就是直流电．(2)若线圈有n匝，线圈的面积为S，线圈转动的角速度为ω，则Em＝nBSω.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(线圈转一周)所需的⑰________，单位是秒(s)．表达式为⑱________.(2)频率f：交变电流在1s内完成⑲________的次数，单位是赫兹(Hz)．(3)周期和频率的关系：T＝⑳________或f＝○21________.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○22________的值，是时间的函数．(2)峰值：交变电流的电流或电压所能达到的○23________.(3)有效值：让交流与恒定电流通过相同的电阻，如果它们在一个周期内○24________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＝○25________，U＝○26________，E＝○27________.(5)平均值：交变电流图像中波形与横轴所围面积跟时间的比值，其数值可以用E＝○28________计算．【重点提示】(1)有效值和平均值是不同的．求电流的热效应要用有效值，求流过导体截面的电量要用平均值．(2)用电器铭牌上所标的电压都是额定电压的有效值．(3)只有正(余)弦交变电流的有效值是最大值的12，其他交变电流的有效值要根据有效值的定义求解．三、电感和电容对交变电流的影响(1)感抗：表示电感线圈对交变电流阻碍作用的大小．①线圈的自感系数越大，交变电流的频率越大，电感对交变电流的阻碍作用越○29________.②作用：通○30________、阻○31________(低频扼流圈)，通低频、阻高频(高频扼流圈)．(2)容抗：表示电容对交变电流阻碍作用的大小．①电容器的电容越大，交流的频率越高，电容器对交流的阻碍作用就越○32________.②作用：通○33________、隔○34________；通高频、阻低频.①周期性变化②正弦规律③匀强④垂直于磁场⑤匀速⑥中性面⑦最大⑧为零⑨为零⑩两⑪100⑫Emsinωt⑬Umsinωt⑭Imsinωt⑮角速度⑯nBSω⑰时间⑱2πω⑲周期性变化⑳1f○211T○22某一时刻○23最大值○24产生的热量○25Im2○26Um2○27Em2○28nΔΦΔt○29大○30直流○31交流○32小○33交流○34直流自我校对一、交变电流的产生及变化规律规律方法1．交变电流的“四值”的比较物理量物理含义重要关系适用情况及说明瞬时值交变电流某一时刻的值e＝Emsinωti＝Imsinωt计算线圈某时刻的受力情况峰值最大的瞬时值Em＝nBSωIm＝EmR＋r讨论电容器的击穿电压物理量物理含义重要关系适用情况及说明有效值跟交变电流的热效应等效的恒定电流值对正(余)弦交变电流有：E＝Em2U＝Um2I＝Im2(1)计算与电流的热效应有关的量(如功、功率、热量等)(2)电气设备“铭牌”所标的一般是有效值(3)保险丝的熔断电流为有效值物理量物理含义重要关系适用情况及说明平均值交变电流图像中图线与时间轴所夹的面积与时间的比E＝BLvE＝nΔΦΔtI＝ER＋r计算通过电路截面的电荷量2.对交变电动势的表达式e＝NBSωsinωt的理解应注意的几个问题(1)交流电瞬时值表达式的具体形式是由开始计时的时刻和正方向的规定共同决定的．若从中性面开始计时，该瞬时虽然穿过线圈的磁通量最大，但线圈两边的运动方向恰和磁场方向平行，不切割磁感线，感应电动势为零，故其表达式为：e＝Emsinωt；但若从线圈平面和磁场平行时开始计时，虽然该时刻穿过线圈的磁通量为零，但由于此时线圈两边的速度方向和磁场方向垂直，感应电动势最大，故其表达式为：e＝Emcosωt.(2)若线圈匝数为N，当其在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时，所产生的感应电动势的最大值为：Em＝NBSω.即Em仅由N、B、S、ω四个量决定，与轴的具体位置和线圈的形状都是无关的．例1(2012·安徽)图1是交流发电机模型示意图．在磁感应强度为B的匀强磁场中，有一矩形线圈abcd可绕线圈平面内垂直于磁感线的轴OO′转动，由线圈引出的导线ae和df分别与两个随线圈一起绕OO′转动的金属圆环相连接，金属圆环又分别与两个固定的电刷保持滑动接触，这样矩形线圈在转动中就可以保持和外电路电阻R形成闭合电路．图2是线圈的主视图，导线ab和cd分别用它们的横截面来表示．已知ab长度为L1，bc长度为L2，线圈以恒定角速度ω逆时针转动．(只考虑单匝线圈)(1)线圈平面处于中性面位置时开始计时，试推导t时刻整个线圈中的感应电动势e1的表达式；(2)线圈平面处于与中性面成φ0夹角位置时开始计时，如图3所示，试写出t时刻整个线圈中的感应电动势e2的表达式；(3)若线圈电阻为r，求线圈每转动一周电阻R上产生的焦耳热．(其他电阻均不计)【解析】(1)矩形线圈abcd转动过程中，只有ab和cd切割磁感线，设ab和cd的转动速度为v，则v＝ω·L22①在t时刻，导线ab和cd因切割磁感线而产生的感应电动势均为E1＝BL1vy②由图可知vy＝vsinωt③则整个线圈的感应电动势为e1＝2E1＝BL1L2ωsinωt④(2)当线圈由图3位置开始运动时，在t时刻整个线圈的感应电动势为e2＝BL1L2ωsin(ωt＋φ0)⑤(3)由闭合电路欧姆定律，可知I＝ER＋r⑥这里E为线圈产生的电动势有效值E＝Em2＝BL1L2ω2⑦则线圈转动一周在R上产生的焦耳热为QR＝I2RT⑧其中T＝2πω⑨于是QR＝πRω(BL1L2R＋r)2⑩例2如图所示，矩形线圈abcd在磁感应强度B＝2T的匀强磁场中绕轴OO′以角速度ω＝10πrad/s匀速转动，线圈共10匝，电阻r＝5Ω，ab＝0.3m，bc＝0.6m，负载电阻R＝45Ω.求：(1)写出从图示位置开始计时线框中感应电动势的瞬时值表达式；(2)电阻R在0.05s内产生的热量；(3)0.05s内流过电阻R上的电量(设线圈从垂直中性面开始转动)．【解析】(1)电动势有最大值为Em＝nBSω＝10×2×0.3×0.6×10πV≈113.04V故瞬时值表达式e＝Em·cosωt＝113.04cos10πtV(2)电流的有效值I＝Im2＝Em2R＋r＝1.6A所以0.05s内R上产生的热量Q＝I2Rt＝5.76J(3)平均感应电动势为E＝nΔФΔt＝72V平均感应电流为I＝ER＋r＝1.44A所以通过电阻R的电荷量为q＝I·t＝0.072C【答案】(1)e＝113.04cos10πtV(2)5.76J(3)0.072C题后反思(1)正弦交流电的电动势、电流、电压瞬时值表达式中最关键的是首先要正确地写出电动势的瞬时值表达式e＝NBSωsinωt(t＝0时，线圈位于中性面)，其中NBSω是最大值，以Em表示．Em只由N、B、S、ω四个量决定，只要转动轴跟磁场垂直，且这四个量是一定的，则最大值Em＝NBSω就是确定的．跟转动轴的位置以及线圈的形状都无关．(2)书写电动势表达式时应注意ω是线圈在磁场中转动的角速度，即ω＝φt，而线圈的转速n与角速度ω是不同的．正确地写出了电动势的表达式，利用闭合电路欧姆定律i＝eR＋r＝EmR＋rsinωt就可以计算电路中的瞬时电流或写出电流瞬时值表达式了．而路端电压u＝iR＝EmRR＋rsinωt，即可写出表达式．(3)对一般交流电有效值计算时，必须按有效值的定义——即电流的热效应来计算．具体计算时，所取的时间为整周期数，通常取一个周期来计算电热即可．跟踪训练1一周期性变化的电压其变化规律如图所示，周期为2T.由图中数据可求出此交流电压()A．有效值为2aB．最大值为22aC．有效值为5aD．最大值为10a诱思启导(1)可以由U＝Um2计算有效值吗？(2)按有效值的定义计算有效值．【解析】让这种交变电压和直流电压U加在相同阻值R的电阻上，在相等的时间(设为一个周期)内产生的热量相等，则U为该交变电压的有效值，即Q＝U2R·2T＝3a2R·T＋a2R·T则U＝5a即有效值为5a，最大值为3a.选项C正确．【答案】C跟踪训练2一台小型发电机产生的电动势随时间变化的正弦规律图像如图甲所示．已知发电机线圈内阻为5.0Ω，现外接一只电阻为95.0Ω的灯泡，如图乙所示，则()A．电压表○V的示数为220VB．电路中的电流方向每秒钟改变50次C．灯泡实际消耗的功率为484WD．发电机线圈内阻每秒钟产生的焦耳热为24.2J诱思启导(1)转动的线圈相当于电源，线圈电阻为内电阻．(2)计算灯泡或内阻产生的焦耳热应使用有效值．【解析】由图像可知电动势的有效值为220V，而电压表测量的是路端电压，其大小为U＝ER＋rR＝22095＋5×95V＝209V，选项A错误；B选项，由图像读出交变电流的周期为T＝0.02s，则频率f＝1T＝50Hz，一个周期内电流的方向要改变2次，故每秒钟电流方向要改变2×50＝100(次)；C选项，灯泡的实际功率为P＝(ER＋r)2R＝(22095＋5)2×95W＝459.8W；D选项，由焦耳定律得Q＝(ER＋r)2rt＝(20095＋5)2×5×1J＝24.2J．本题正确选项为D.【答案】D二、电感、电容对交变电流的作用规律方法电感线圈和电容器在交变电路中相当于一个电阻，但表示它们对交变电流阻碍作用大小的感抗和容抗与导体的电阻有很大的不同，导体的电阻由导体本身性质决定，与接在导体两端的电源无关，而感抗和容抗不但与电感和电容有关，还与交变电流的频率有关．(1)对于感抗，随线圈的自感系数和交变电流频率的增大而增大，它在电路中的作用是“通直流、阻交流，通低频、阻高频”．(2)容抗的大小是随电容值的增大而减小，随交变电流频率的增大而减小，它在电路中的作用是：“通交流、隔直流，通高频、阻低频”．例3如图所示，三个灯泡是相同的，而且耐压足够大，电源内阻忽略．当单刀双掷开关S接A时，三个灯亮度相同，当S接B时()A．三个灯亮度相同B．甲灯最亮，丙灯不亮C．甲灯和乙灯亮度相同，丙灯不亮D．只有丙灯不亮，乙灯最亮【解析】开关S接A时，甲、乙、丙三个支路均有交流电通过．开关S接B时，电路处于直流工作状态，电容C