2020版高考物理总复习 第十一章 第1节 交变电流的产生和描述课件

第十一章交变电流传感器高考导航(教师备用)考点内容要求高考(全国卷)三年命题情况对照分析201620172018交变电流、交变电流的图像ⅠⅠ卷T16:变压器原、副线圈的三个基本关系以及电路的相关知识(原线圈中串有电阻)Ⅲ卷T19:变压器原、副线圈的三个基本关系(原线圈中串有灯泡)Ⅲ卷T21:考查交变电流的产生及描述未命题Ⅲ卷T16:将正弦交变电流和方波交变电流、有效值、焦耳定律有机融合Ⅲ卷T20:考查交变电流图像、法拉第电磁感应定律、楞次定律及其相关的知识点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1.考查方式:高考涉及考点有交变电流的产生规律、图像及变压器的工作原理,一般难度中等或者中等偏下,以选择题居多.本章还将重点考查:(1)交变电流产生的原理、图像表达式及有效值的计算;(2)变压器原理中的电压比、电流比、功率关系及输电过程中的能量损耗.说明:(1)不要求讨论交变电流的相位和相位差的问题;(2)只限于单相理想变压器.2.命题趋势:变压器结合电路分析仍将是今后命题的热点.第1节交变电流的产生和描述基础过关考点研析素养提升基础知识一、交变电流1.交变电流:大小和方向随时间做变化的电流.周期性基础过关紧扣教材·自主落实2.正弦交流电的产生和图像(1)产生:如图所示,在匀强磁场里,线圈绕方向的轴匀速转动.垂直于磁场(2)中性面①定义:与磁场方向的平面.垂直②特点:线圈位于中性面时,穿过线圈的磁通量,磁通量的变化率为,感应电动势为.线圈每经过中性面一次,电流的方向就改变一次.(3)图像: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,其图像为曲线,如图所示.最大零零正弦教材解读1.人教版教材选修3-2P31手摇教学发电机产生交变电流;转动手柄,观察红黄二极管的发光情况,请问观察到什么现象?说明什么问题?答案:转动速度较慢的时候,观察到两个二极管轮流发光且比较暗;转速稍微加快,两个发光二极管亮度增大且几乎同时闪闪发光,分不出前后,说明电流的方向不断改变,改变快慢与线圈转动的速度有关.2.人教版教材选修3-2P32图5.1-3交流发电机线圈的平面示意图中,设匀强磁场磁感应强度为B,正方形线圈边长为L,匝数为n,以O1O2为起点、角速度ω匀速转动,经过时间t转至实线位置,试推导此时线圈中感应电动势的表达式.教材解读答案:AB边产生的感应电动势e1=nBLvsinθ,θ为线圈转过的角度,因为v=ωr=12ωL,θ=ωt,可得e1=12nBL2ω·sinωt;同理CD边产生的感应电动势e2=12nBL2ω·sinωt.则线圈中感应电动势e=nBL2ω·sinωt.二、描述交变电流的物理量1.交变电流的周期和频率的关系:T=.1f2.交变电流的“四值”(1)值:交变电流某一时刻的值,是时间的函数.(2)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)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.对正弦交流电,其有效值和峰值的关系为:E=,U=,I=.(4)平均值:用=n来计算.瞬时峰有效m2Em2Um2IEt特别提醒通常所说交变电流、电压的数值,各种交流电气设备所标的额定电压和额定电流的数值,一般交流电表测量的数值,都是指有效值(除非有特殊说明).自主探究阅读教材选修3-2P35内容回答,生活中提到的哪些方面指的是交变电流的有效值?答案:人们通常说的家庭用电电压为220V;交流电气设备上标出的额定电压、额定电流;保险丝的熔断电流;交流电表的示数等均为有效值.(1)交变电流的主要特征是电流的方向随时间周期性变化.()过关巧练√1.思考判断(2)线圈经过中性面位置时产生的感应电动势最大.()(3)我国使用的交流电周期是0.02s,电流方向每秒钟改变100次.()(4)任何交变电流的最大值Im与有效值I之间的关系是Im=I.()(5)交流电压表及电流表的读数均为峰值.()×√××22.小型交流发电机中,矩形金属线圈在匀强磁场中匀速转动,产生的感应电动势与时间呈正弦函数关系,如图所示.此线圈与一个R=10Ω的电阻构成闭合电路,电路中的其他电阻不计.下列说法正确的是()CA.交变电流的周期为0.125sB.交变电流的频率为8HzC.交变电流的有效值为AD.交变电流的最大值为4A2解析:由题图可知交变电流的周期是0.250s,A项错误;线圈中产生的交变电流为正弦式交变电流,交变电流的频率f=1T=10.250Hz=4Hz,B项错误;感应电动势的最大值为20V,从而可推出:交变电流的最大值Im=mER=2010A=2A,D项错误;交变电流的有效值I=m2I=2A,C项正确.3.[人教版选修3-2·P34·T5改编]电阻不计的单匝矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动,产生的交流电压瞬时值表达式为u=1002cos100πt(V).下列说法正确的是()A.当线圈平面与磁感线平行时,磁通量变化率最大B.该交变电压的频率为100HzC.穿过线圈的磁通量最大值是2WbD.用理想电压表测量该电压,其示数约为141VA解析:当线圈平面与磁感线平行时,产生的感应电动势最大,此时磁通量变化率最大,故A正确;频率f=100π2πHz=50Hz,故B错误;感应电动势的最大值Em=1002V,根据Em=BSω可知BS=mE=1002100πWb=2πWb,故C错误;电压表测量的是有效值,E=m2E=100V,故D错误.考点一交变电流的产生及变化规律1.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考点研析核心探究·重难突破电压u=Umsinωt=mRERrsinωt电流i=Imsinωt=mERrsinωt2.两个特殊位置及其特点两个特殊位置特点中性面线圈处于中性面时,S⊥B,Φ最大,t=0,e=0,i=0,交变电流方向发生改变与中性面垂直的位置线圈平面与中性面垂直时,S∥B,Φ=0,t最大,e最大,i最大,交变电流方向不改变3.三点注意(1)只要线圈平面在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动,就产生正弦式交变电流,其变化规律与线圈的形状、转动轴处于线圈平面内的位置无关.(2)Φ-t图像与对应的e-t图像是互余的.(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.【典例1】在匀强磁场中,一矩形金属线框绕与磁感线垂直的转轴匀速转动,如图(甲)所示,产生的交变电动势的图像如图(乙)所示,则()A.t=0.005s时线框的磁通量变化率为零B.t=0.01s时线框平面与中性面重合C.线框产生的交变电动势有效值为311VD.线框产生的交变电动势频率为100HzB解析:线框中感应电动势与磁通量的变化率成正比,而t=0.005s时e最大,A项错误;t=0.01s时e=0,B项正确;电动势有效值E=311×22V≈220V,C项错误;周期T=0.02s,频率f=1T=50Hz,D项错误.【针对训练】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)所示为计时起点,并规定当电流自a流向b时电流方向为正,则四幅图正确的是()D解析:从图(甲)可以看出线圈从垂直于中性面位置开始旋转,由楞次定律可判断,初始时刻电流方向由b到a,故瞬时电流的表达式为i=-Imaxcosωt,若从题图(乙)所示位置开始计时,电流方向为adcb,与规定正方向相反,再转过π4,电流将改变方向.并且电流表达式i=-Imaxcos（π4+ωt）,选项D正确.考点二交变电流有效值的求解1.正弦交变电流的有效值可利用公式E=m2E,U=m2U,I=m2I直接计算,其中Em,Um,Im表示正弦交流电的峰值.2.交变电流的有效值是根据电流的热效应(电流通过电阻生热)进行定义的,所以进行有效值计算时,要紧扣电流通过电阻生热(或热功率)进行计算.注意“三同”即“相同电阻”上,“相同时间”内产生“相同热量”.计算时“相同时间”至少要取一个周期的时间.3.几种典型的交变电流及其有效值名称电流(电压)图像有效值正弦式交变电流I=m2IU=m2U正弦式半波交变电流I=m2IU=m2U正弦单向脉动电流I=m2IU=m2U矩形脉动电流I=1tTImU=1tTUm非对称性交变电流I=221212IIU=221212UU4.在交流电路中,在没有具体说明的情况下,电压表、电流表、功率表等电工仪表的示数均为交变电流的有效值.【典例2】如图所示是某种交变电流的电流随时间变化的图线,i0部分的图线是一个正弦曲线的正半周,i0部分的图线是另一个正弦曲线的负半周,其最大值如图中所示,则这种交变电流的有效值为()CA.I0B.3I0C.2I0D.6I0〚思路探究〛(1)0～T周期内,电流的有效值怎么计算?答案:连续的正弦式交变电流的有效值等于最大值除以.2(2)0～3T周期内,电流的有效值怎么计算?答案:非连续的正弦式交变电流的有效值按热效应来计算.解析:取一个周期时间,由电流的热效应求解,设电流的有效值为I,则I2R·3T=(0222I)2RT+(022I)2R·2T,解得I=2I0,故选项C正确.反思总结(1)高中阶段可以定量求解有效值的只有正弦式交变电流(或其一部分),方波式电流及其组合.(2)遇到完整的正弦(余弦)函数图像,正弦式正向脉动交变电流可根据I有=m2I,E有=m2E,U有=m2U求解.(3)正弦式半波、矩形脉动等交变电流只能利用电流热效应计算有效值.(4)其他情况的有效值一般不能进行定量计算,但有的可以与正弦式交变电流定性比较.如图1交变电流与如图2正弦式交变电流比较,可知其有效值小于22Im.1.[定义法]通过一阻值R=100Ω的电阻的交变电流如图所示,其周期为1s.电阻两端电压的有效值为()B题组训练A.12VB.410VC.15VD.85V解析:21IR·2t1+22IR·2t2=2UR·T代入I1=0.1A,I2=0.2A,t1=0.4s,t2=0.1s,解得U=410V.2.[公式法]如图(甲)所示,将电阻R1,R2并联后再与R3串联,并通过开关S与交流电源连接成闭合回路.已知R1=R3=20Ω,R2=10Ω,合上开关S后,通过电阻R2的正弦交变电流i随时间t变化的情况如图(乙)所示.则()A.通过R1的电流的有效值是0.6AB.通过R2的电流的有效值是0.6AC.R1两端的电压有效值是62VD.R3两端的电压有效值是62VB解析:根据通过电阻R2的正弦交变电流i随时间t的变化关系图线可得通过R2的电流的有效值为I2=m2I=0.622A=0.6A,所以选项B正确;R2两端电压的有效值为U2=I2R2=0.6×10V=6V,因R1与R2并联,所以R1两端的电压有效值和R2两端电压的有效值相同,即U1=U2=6V,所以选项C错误;通过R1的电流的有效值是I1=11UR=0.3A,所以选项A错误;R3电压的有效值U3=I3R3=(I1+I2)R3=0.9×20V=18V,所以选项D错误.考点三交变电流“四值”的比较和应用对交变电流“四值”的比较物理量物理意义适用情况及说明瞬时值e=Emsinωtu=Umsinωti=Imsinωt计算任意时刻或任意位置交变电流的电压或电流的大小,计算线圈某时刻的受力情况峰值(最大值)Em=nBSωIm=mERr讨论电容器或二极管的击穿电压有效值对正(余)弦式交变电流有E=m2EU=m2UI=m2I(1)计算与电流的热效应有关的量(如电功、电功率、电热等)(2)电气设备“铭牌”上所标的一般是有效值(3)保险丝的熔断电流为有效值(4)电表的读数为有效值平均值E=BLvE=ntI=ERr计算通过电路截面的电荷量【典例3】如图所示,线圈abcd的面积是0.05m2,共1