2020高考物理一轮总复习 第十一章 交变电流 传感器 基础课1 交变电流的产生与描述课件 新人教版

第十一章交变电流传感器考纲要求三年真题常考角度201820172016交变电流、交变电流的图象Ⅰ正弦交变电流的函数表达式、峰值和有效值Ⅰ理想变压器Ⅱ远距离输电Ⅰ实验十二：传感器的简单使用卷Ⅰ·T16卷Ⅲ·T16—卷Ⅰ·T6卷Ⅲ·T19、T21(1)根据线框在磁场中的转动求解描述交变电流的物理量(2)根据交变电流的图象或表达式求解描述交变电流的物理量(3)变压器的基本原理和动态分析(4)远距离输电问题交变电流的产生与描述栏目导航1234板块一双基巩固板块二考点突破板块三素养培优板块四跟踪检测双基巩固固双基、明易错、强化记忆板块一填一填|——知识体系一、交变电流、交变电流的图象1．交变电流(1)定义：____________和____________都随时间做周期性变化的电流．(2)按正弦规律变化的交变电流叫正弦式交变电流．大小方向2．正弦式交变电流的产生和图象(1)产生：在匀强磁场里，线圈绕__________________方向的轴匀速转动．(2)图象：用以描述交变电流随时间变化的规律，如果线圈从中性面位置开始计时，其图象为正弦曲线．如图甲、乙、丙所示．垂直于磁场二、正弦式交变电流的函数表达式、峰值和有效值1．周期和频率(1)周期(T)：交变电流完成________________变化(线圈转一周)所需的时间，单位是秒(s)，公式T＝2πω.(2)频率(f)：交变电流在1s内完成周期性变化的__________.单位是赫兹(Hz)．(3)周期和频率的关系：T＝_____或f＝_____.一次周期性次数1f1T2．正弦式交变电流的函数表达式(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＝_____________.(2)负载两端的电压u随时间变化的规律：u＝____________.(3)电流i随时间变化的规律：i＝____________.其中ω等于线圈转动的____________，Em＝____________.EmsinωtUmsinωtImsinωt角速度nBSω3．交变电流的瞬时值、峰值、有效值(1)瞬时值：交变电流某一时刻的值，是时间的函数．(2)峰值：交变电流(电流、电压或电动势)所能达到的最大的值，也叫最大值．(3)有效值：跟交变电流的热效应等效的恒定电流的值叫做交变电流的有效值．对正弦式交变电流，其有效值和峰值的关系为E＝____，U＝____，I＝____.Em2Um2Im2判一判|——易混易错(1)矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时，一定会产生正弦式交变电流．()(2)线圈在磁场中转动的过程中穿过线圈的磁通量最大时，产生的感应电动势也最大．()(3)矩形线圈在匀强磁场中匀速转动经过中性面时，线圈中的感应电动势为零，电流方向发生改变．()(4)交流电气设备上所标的电压和电流值是交变电流的有效值．()(5)交流电压表和电流表测量的是交流电的峰值．()××√√×(6)交变电流的峰值总是有效值的2倍．()(7)线圈在磁场中每转动一周，感应电动势和感应电流的方向都改变一次．()(8)二极管的耐压值是指电压的峰值．()××√记一记|——规律结论1．正弦交流电的产生：中性面垂直于磁场方向，当线圈平面转动到平行于磁场方向时电动势最大：Em＝nBSω.(1)线圈从中性面开始转动：e＝Emsinωt.(2)线圈从平行于磁场方向开始转动：e＝Emcosωt.2．正弦交变电流的有效值与最大值的关系，对整个波形、半个波形都成立、甚至14个波形时有时也可能成立．3．非正弦交流电的有效值的求法：I2RT等于一个周期内产生的总热量．4．交变电流电热的计算用有效值、电表的读数为有效值、电荷量的计算用平均值.考点突破记要点、练高分、考点通关板块二考点一交变电流的产生和描述——自主练透|记要点|1．交流电产生过程中的两个特殊位置图示B⊥SB∥SΦ＝BS，最大Φ＝0，最小e＝nΔΦΔt＝0，最小e＝nΔΦΔt＝nBSω，最大特点感应电流为零，方向改变感应电流最大，方向不变2.正弦式交变电流的变化规律|练高分|1．如图所示，矩形线圈abcd在匀强磁场中可以分别绕垂直于磁场方向的轴P1和P2以相同的角速度匀速转动，当线圈平面转到与磁场方向平行时()A．线圈绕P1转动时的电流等于绕P2转动时的电流B．线圈绕P1转动时的电动势小于绕P2转动时的电动势C．线圈绕P1和P2转动时电流的方向相同，都是a→b→c→d→aD．线圈绕P1转动时dc边受到的安培力大于绕P2转动时dc边受到的安培力解析：选A绕圈绕垂直于磁场方向的轴转动产生交变电流，产生的电流、电动势及线圈各边所受安培力大小与转轴所在位置无关，故A对，B、D错；图示时刻产生电流的方向为a→d→c→b→a，故C错．2．(多选)一个矩形线框在匀强磁场中绕与磁感线垂直的转轴匀速转动，产生的感应电动势随时间变化的图象如图所示，以下说法正确的是()A．感应电动势瞬时值表达式为e＝311sin100πt(V)B．0.01～0.03s，穿过线框的磁通量先增加再减小C．0.01～0.02s，磁通量变化率一直减小D．线框转动的频率为25Hz解析：选BCD由图象知，线框产生的感应电动势的最大值Em＝311V，周期T＝0.04s，频率f＝1T＝25Hz，角速度ω＝2πT＝50πrad/s，从线框位于中性面位置时开始计时，感应电动势的瞬时值表达式为e＝311sin50πt(V)，选项A错误，D正确；t＝0.01s时，线框位于与中性面垂直的位置，此时穿过线框的磁通量为零，t＝0.02s时，线框位于中性面位置，此时穿过线框的磁通量最大，t＝0.03s时，线框再次位于与中性面垂直的位置，此时穿过线框的磁通量为零，所以在0.01～0.03s内，穿过线框的磁通量先增加再减小，选项B正确；由E＝nΔΦΔt可知，感应电动势和磁通量的变化率成正比，0.01～0.02s内，感应电动势逐渐减小，故磁通量变化率一直减小，选项C正确．3．图甲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分别与两个跟线圈一起绕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．图乙是线圈的正视图，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，如图丙所示，试写出t时刻整个线圈中的感应电动势e2的表达式．解析：(1)矩形线圈abcd在磁场中转动时，只有ab和cd切割磁感线，且转动的半径为r＝L22，设ab和cd的转动速度为v，则v＝ω·L22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＝BL1v⊥由图可知v⊥＝vsinωt则整个线圈的感应电动势为e1＝2E1＝BL1L2ωsinωt.(2)当线圈由图丙位置开始运动时，在t时刻整个线圈的感应电动势为e2＝BL1L2ωsin(ωt＋φ0)．答案：(1)e1＝BL1L2ωsinωt(2)e2＝BL1L2ωsin(ωt＋φ0)|反思总结|交变电流图象的五个确定及瞬时值表达式的书写1．交变电流图象的五个确定(1)确定交变电流的最大值(峰值)；(2)确定不同时刻交变电流的瞬时值；(3)确定周期T频率f＝1T；(4)确定中性面对应的时刻；(5)确定交变电流方向改变时对应的时刻．|反思总结|2．书写交变电流瞬时值表达式的基本思路(1)确定正弦式交变电流的峰值，根据已知图象读出或由公式Em＝nBSω求出．(2)明确线圈的初始位置，找出对应的函数关系式．①若线圈从中性面位置开始计时，则i­t图象为正弦函数图象，函数式为i＝Imsinωt.②若线圈从垂直中性面位置开始计时，则i­t图象为余弦函数图象，函数式为i＝Imcosωt.考点二交变电流有效值的计算——自主练透|记要点|1．公式法利用E＝Em2、U＝Um2、I＝Im2计算，只适用于正(余)弦式交变电流．2．有效值的定义计算法(非正弦式电流)计算时要抓住“三同”：“相同时间”内“相同电阻”上产生“相同热量”，列式求解，注意时间至少取一个周期或为周期的整数倍．3．能量关系法当有电能和其他形式的能转化时，可利用能的转化和守恒定律来求有效值．|练高分|1．如图所示，表示一交流电的电流随时间而变化的图象，此交流电的有效值是()A．52AB．3.52AC．3.5AD．5A解析：选D交流电的有效值是根据其热效应定义的，它是从电流产生焦耳热相等的角度出发，使交流电与恒定电流等效．设交流电的有效值为I，令该交变电流通过一阻值为R的纯电阻，在一个周期内有I2RT＝I12RT2＋I22RT2.所以该交流电的有效值为I＝I12＋I222＝5A.2．如图所示为一个经双可控硅调节后加在电灯上的电压，正弦交流电的每一个二分之一周期中，前面四分之一周期被截去，则现在电灯上电压的有效值为()A．UmB.Um2C.Um3D.Um2解析：选D从U­t图象上看，每个14周期正弦波形的有效值U1＝Um2，根据有效值的定义：U2RT＝Um22R×T4×2＋0，解得U＝Um2，D正确．3．(2019届沈阳质检)如图所示为一交流电压随时间变化的图象．每个周期内，前三分之一周期电压按正弦规律变化，后三分之二周期电压恒定．根据图中数据可得，此交流电压的有效值为()A．7.5VB．8VC．215VD．313V解析：选C根据电流的热效应有6V22·1R·T3＋9V2R·2T3＝U2RT，解得U2＝60V2，所以U＝215V，C项正确．4．(2018年全国卷Ⅲ)一电阻接到方波交流电源上，在一个周期内产生的热量为Q方；若该电阻接到正弦交流电源上，在一个周期内产生的热量为Q正．该电阻上电压的峰值均为u0，周期均为T，如图所示．则Q方∶Q正等于()A．1∶2B.2∶1C．1∶2D．2∶1解析：选D根据焦耳定律知热量与方波中的电流方向的变化无关，故Q方＝u02RT；而正弦交流电电压的有效值等于峰值的12，故Q正＝u022RT＝12·u02RT，所以Q方Q正＝21，D正确．考点三交变电流“四值”的理解及应用——师生共研|记要点|物理含义重要关系适用情况瞬时值交变电流某一时刻的值e＝Emsinωtu＝Umsinωti＝Imsinωt计算线圈某一时刻的受力情况峰值最大的瞬时值Em＝NBSωIm＝EmR＋r确定用电器的耐压值，电容器的击穿电压有效值跟交变电流的热效应等效的恒定电流值对正(余)弦交流电有：E＝Em2U＝Um2I＝Im2(1)计算与电流热效应相关的量(如功率、热量)(2)交流电表的测量值(3)电器设备标注的额定电压、额定电流(4)保险丝的熔断电流平均值交变电流图象中图线与时间轴所夹面积与时间的比值E＝BLvE＝nΔΦΔtI＝ER＋r计算通过电路横截面的电荷量|析典例|【例】如图所示，匀强磁场的磁感应强度B＝0.5T，边长L＝10cm的正方形线圈共100匝，线圈总电阻r＝1Ω，线圈绕垂直于磁感线的对称轴OO′匀速转动，角速度ω＝2πrad/s，外电路中的电阻R＝4Ω，求：(1)感应电动势的最大值；(2)由图示位置(线圈平面与磁感线平行)转过60°时的瞬时感应电动势；(3)交流电压表的示数；(4)线圈转动一周产生的总热量；(5)在前16周期内通过电阻R的电荷量．[思路点拨](1)由Em＝NBSω→确定感应电动势的最大值→确定感应电动势的有效值→产生的热量；(2)由交流电的平均值→通过电阻的电荷量．[解析](1)感应电动势的最大值为Em＝NBSω＝100×0.5×0.12×2πV＝3.14V.(2)由图示位置转过60°时的瞬时感应电动势为e＝Emcos60°＝3.14×0.5V＝1.57V.(3)交流电压表的示数为外电路两端电压的有效值，即U＝ER＋rR＝3.