2018届二轮复习　交变电流课件（42张）全国通用

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专题 十二 交变电流 高考物理 交变电流的产生及描述 1.交变电流 大小和方向都随时间① 　做周期性变化     的电流叫做交变电流。如图 (a)、(b)、(c)、(d)所示都属于交变电流。其中按② 　正弦     规律变化 的交变电流叫正弦式交变电流,如图(a)所示 考点一    交变电流的产生及描述 < 基础知识 > 知识清单   2.正弦式交变电流的产生和变化规律 (1)产生:在匀强磁场里,绕垂直于磁场方向的轴③ 　匀速     转动的线圈 里产生的是正弦式交变电流。 a.函数形式:若 N 匝面积为 S 的线圈以角速度 ω 绕垂直于磁场方向的轴匀 速转动,磁感应强度为 B ,从中性面开始计时,其函数形式为 e =④   NBSω sin ωt      ,用 E m =⑤      NBSω      表示电动势的最大值,则有 e = E m sin ωt 。其 电流大小为 i =   =   sin ωt =⑥      I m sin ωt      。 b.图像:用以描述正弦交流电电流随时间变化的规律,如图(a)所示。 3.表征交变电流的物理量 (1)瞬时值:交变电流某一时刻的值。 (2)最大值:即最大的瞬时值。 (3)有效值:跟交变电流的⑦ 　热效应     等效的恒定电流的值叫做交变 电流的有效值。 (4)周期和频率:交变电流完成⑧ 　一次周期性变化     所用的时间叫周 (2)规律 期;1 s内完成周期性变化的次数叫频率。它们和角速度间的关系为 ω =   =2π f 。 一、正弦式交变电流的描述 计时起点 物理量 函数 图像 从 S ⊥ B (中性面) 开始计时 磁通量 Φ = Φ m cos ωt   电动势 e = E m sin ωt   从 S ∥ B (磁通量 为零)开 始计时 磁通量 Φ = Φ m sin ωt   电动势 e = E m cos ωt   说明 Φ m = BS ; E m = NBSω < 重点难点 > 例1     (2014天津理综,7,6分)如图1所示,在匀强磁场中,一矩形金属线圈 两次分别以不同的转速,绕与磁感线垂直的轴匀速转动,产生的交变电 动势图像如图2中曲线 a 、 b 所示,则   (　　)   A.两次 t =0时刻线圈平面均与中性面重合 B.曲线 a 、 b 对应的线圈转速之比为2∶3 C.曲线 a 表示的交变电动势频率为25 Hz D.曲线 b 表示的交变电动势有效值为10 V   解析     由图2知 t =0时两次转动产生的瞬时电动势都等于零,故A正 确。由图2知两次转动所产生的交变电动势的周期之比 T a ∶ T b =2∶3,再 由周期与转速的关系 n =   得 n a ∶ n b =3∶2,故B错误。因 T a =4 × 10 -2 s,故 f a =   =25 Hz,C正确。因 E m a =15 V,而 E m = NBSω =   ,故 E m b =   E m a =10 V, E b =   =5   V,D错误。   答案     AC 物理量 物理含义 重要关系 适用情况及说明   交变电流某一时刻的值 e = E m sin ωt i = I m sin ωt 计算线圈某时刻的受力情况的瞬 时值 峰 值 最大的瞬时值 E m = NBSω E m = N Φ m ω I m =   讨论电容器的击穿电压   跟交变电流的热效应等效的恒定 电流值 对正弦式交变电流有: E = E m /   U = U m /   I = I m /   (1)计算与电流热效应有关的量 (如功、功率、热量等) (2)电器设备“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 平 均 值 交变电流图像中图线与时间轴所 围的面积与时间的比值   = BL     = n     =   计算一段时间内通过导体横截面 的电荷量 二、正弦式交变电流的瞬时值、峰值、有效值、平均值的比较 三、有效值和平均值的计算 1.有效值 (1)各种交流电器设备上所标的额定电压和额定电流,一般交变电流 表、电压表测量的值均为有效值。 (2)求电功、电功率、焦耳热以及确定保险丝的熔断电流等物理量时, 要用有效值计算。 (3)有效值的计算方法 ①正弦式交变电流的有效值 U =   U m   ; ②非正弦式交变电流的有效值由有效值定义计算。 例2     (2014课标Ⅱ,21,6分)如图,一理想变压器原、副线圈的匝数分别 为 n 1 、 n 2 。原线圈通过一理想电流表   接正弦交流电源,一个二极管和 阻值为 R 的负载电阻串联后接到副线圈的两端。假设该二极管的正向 电阻为零,反向电阻为无穷大。用交流电压表测得 a 、 b 端和 c 、 d 端的电 压分别为 U ab 和 U cd ,则   (　　)   A. U ab ∶ U cd = n 1 ∶ n 2 B.增大负载电阻的阻值 R ,电流表的读数变小 C.负载电阻的阻值越小, cd 间的电压 U cd 越大 D.将二极管短路,电流表的读数加倍   解析      a 、 b 端的电压为正弦式交变电压,故电压表测得的电压 U ab =   。副线圈两端电压也为正弦式交变电压,但由于二极管的单向导电 特性,从而使 c 、 d 两端的电压成为脉动直流电,由有效值定义可得   T =   ×   ,即 U cd =   ,故 U ab ∶ U cd =   =   n 1 ∶ n 2 ,A错误。因 R 增大时 消耗的功率 P =   减小,原线圈输入功率减小,故 U 1 不变时 I 1 减小,B正 确。由 U ab ∶ U cd =   n 1 ∶ n 2 可知 U cd 与负载的阻值无关,C错误。将二极管 短路时 R 两端电压成为正弦式交变电压,其有效值 U cd ‘=   ,故此时 R 消耗的功率 P ‘=   为原来的2倍,原线圈中的电流也变为原来的2倍,故D正确。   答案     BD 2.平均值 (1)求一段时间内通过导体横截面的电荷量时要用平均值。 q =   · t ,   =   (2)   的计算:①   = n   ;②   = BL   (导体切割磁感线),其中   =   ( s 为切割 部分的位移)。 例3　 如图所示,矩形线圈面积为 S ,匝数为 N ,线圈电阻为 r ,线圈在磁感应 强度为 B 的匀强磁场中绕 OO '轴以角速度 ω 匀速转动,外电路电阻为 R ,当 线圈由图示位置转过60 ° 的过程中,下列判断正确的是   (　　)   A.电压表的读数为   B.通过电阻 R 的电荷量为 q =   C.电阻 R 所产生的焦耳热为 Q =   D.当线圈由图示位置转过60 ° 时的电流为     解析 　线圈在磁场中转动产生了正弦式电流,其电动势的最大值 E m = NBSω ,电动势的有效值 E =   ,电压表的读数等于交流电源路端电压, 且为有效值,则 U =   × R ,A错误;求通过电阻 R 的电荷量要用交流 电的平均电流,则 q =   × t =   =   =   ,故B正确;电阻 R 产生的热量应该用有效值来计算,则电阻 R 产生的热量 Q = I 2 Rt =   R ×   =   ,故C错误;线圈由图示位置转过60 ° 时的电 流为瞬时值,则符合瞬时值的表达式为 i =   × sin ωt =   × sin   =   ,故D错误。   答案     B 一    电阻、感抗与容抗 电阻 感抗 容抗 产生的 原因 定向移动的自由电荷与不动的粒 子间的碰撞 电感线圈的自感现象阻碍电流的 变化 电容器两极板上积累的电荷对向 这个方向定向移动的电荷的反抗 作用 在电路 中的 特点 对直流电、交流电均有阻碍作用 只对变化的电流(如交流电)有阻 碍作用。可分为:高频轭流圈,通 低频阻高频;低频轭流圈,通直流 阻交流 不能通直流电,只能通变化的电 流。对直流电的阻碍作用无限 大,对交流电的阻碍作用随频率 的降低而增大。 C 较大的电容器: 通交流阻直流, C 较小的电容器:通 高频阻低频 决定 因素 由导体本身(长短、粗细、材料) 决定,与温度有关 由线圈本身的自感系数和交流电 的频率决定 由电容的大小和交流电的频率决 定 电能的 转化与 做功 电流通过电阻做功,电能转化为 内能 电能和磁场能往复转化 电能与电场能往复转化 考点二    变压器、电能的输送 < 基础知识 > 二    变压器及其原理 1.主要构造: 原线圈、副线圈和闭合铁芯。 常见变压器的模型与符号如图甲、乙所示。 甲   乙 注:与电源相连的为原线圈,其余则为副线圈。 2.工作原理:根据① 　电磁感应     原理来改变交流电压。 3.理想变压器:不考虑铜损、铁损和漏磁的变压器,即它的输入功率和输 出功率② 　相等     。 4.几种常用的变压器 a.自耦变压器——调压变压器。 b.互感器   一、理想变压器各量间的基本关系 理想变压器的磁通量全部集中在铁芯内,变压器没有能量损失,输入功 率等于输出功率。 (1)电压跟匝数的关系:   =   。 (2)功率关系: P 输入 = P 输出 。 (3)电流跟匝数的关系:原、副线圈各有一个时,   =   。 根据以上关系有 ①匝数比一定时, U 2 由 U 1 决定。 ②输入电流由输出电流决定。 < 重点难点 > ③输入功率由输出功率决定。 ④增加负载是增加用户,总电阻减小,而增加负载电阻是总电阻增加。 说明    原、副线圈电流和匝数成反比的关系只适用于原、副线圈各有 一个的情况,一旦有多个副线圈时,反比关系就不适用了,可根据输入功 率与输出功率相等的关系推导出 U 1 I 1 = U 2 I 2 + U 3 I 3 + U 4 I 4 + … 再根据 U 2 =   U 1 , U 3 =   U 1 , U 4 =   U 1 … 可得出 n 1 I 1 = n 2 I 2 + n 3 I 3 + n 4 I 4 + … 例1     (2017河北唐山一模,16)一含有理想变压器的电路如图所示,变压 器原、副线圈匝数比 n 1 ∶ n 2 =2∶1,图中电阻 R 1 、 R 2 和 R 3 的阻值分别是4 Ω、2 Ω和3 Ω,正弦交流电源的电压有效值恒为 U 。当开关S断开时,理 想电流表的示数为 I ,当S闭合时,电流表的示数为   (　　)   A.   I 　    B.   I 　    C.   I 　    D.2 I 解题导引   解析 　设S闭合时,电流表示数为 I ',对理想变压器有 P 入 = P 出 ,   =   ,则开 关闭合时有 I ' U - I ' 2 R 1 =(2 I ') 2 R 2 ,开关断开时有 IU - I 2 R 1 =(2 I ) 2 ( R 2 + R 3 ),两式联立 解得 I '=2 I ,故D项正确。   答案     D 二、高压输电 1.高压输电原因 为减少输电线路上的电能损失,常采用高压输电,这是因为输送功率一 定时,线路电流 I =   ,输电线上损失的功率 P 损 = I 2 R 线 =   ,可知 P 损 ∝   。 2.“线损”中 U 的含义 输电线上的功率损失 P 损 = UI 、 P 损 =   R 、 P 损 =   中的“ U ”是指同一 电压吗? a. P 损 = UI 、 P 损 =   中, U 是指输电线上损失的电压,相当于Δ U 或 U 线 ,所以 此公式可写为 P 损 =Δ UI = U 线 I 、 P 损 =   =   。 b. P 损 =   R , U 是指输送的总电压,即从发电站发出后,经过变压器升高 后的电压。 c.注意三个公式中 U 的不同,切记不要混淆。   4.输电过程功率的关系 3.输电过程的电压关系 例2     (2014浙江理综,15,6分)如图所示为远距离交流输电的简化电路 图。发电厂的输出电压是 U ,用等效总电阻是 r 的两条输电线输电,输电 线路中的电流是 I 1 ,其末端间的电压为 U 1 。在输电线与用户间连有一理 想变压器,流入用户端的电流为 I 2 。则   (　　)   A.用户端的电压为   B.输电线上的电压降为 U C.理想变压器的输入功率为   r D.输电线路上损失的电功率为 I 1 U   解析 　由理想变压器输入、输出功率相等可知 P 1 = P 2 ,即 U 1 I 1 = U 2 I 2 , U 2 =   ,A正确。输电线上的电压降为Δ U = U - U 1 ,B错。理想变压器的输入 功率 P = U 1 I 1 = UI 1 -   r ,C错。输电线路上损失的电功率为Δ P =   · r = I 1 U - I 1 U 1 ,D错。   答案    A 评析     本题考查学生对远距离输电知识的掌握情况,侧重于基础知识、 基本概念的考查,属基础题。 交变电流的产生和电路的综合分析 部分电路和闭合电路的有关公式仍适用于正弦式交流电路,应用时仍要 分清电源(如发电机)和外电路、电动势和路端电压等,而对交流电路特 别要注意正确选用交变电流的“四值”。一般常从图像或瞬时值表达 式入手,得出交变电流的最大值、有效值,然后再按照电路知识解决相 关问题。 方法 1 方法技巧 例1 　一个电阻为 r 、边长为 L 的正方形线圈 abcd 共 N 匝,线圈在磁感应强 度为 B 的匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴 OO '以如图所示的角速度 ω 匀 速转动,外电路电阻为 R 。 (1)在图中标出此刻线圈感应电流的方向。 (2)转动过程中感应电动势的最大值有多大? (3)线圈平面与磁感线夹角为60 ° 时的感应电动势多大? (4) 设发电机由柴油机带动 , 其他能量损失不计 , 线圈转一周 , 柴油机做多 少功 ? (5) 从图示位置开始 , 线圈转过 60 ° 的过程中通过 R 的电荷量是多少 ? 解题导引   解析 　(1)电流方向为 dcba (图略)。 (2) E m = NBSω = NBωL 2 。 (3)线圈平面与磁感线夹角为60 ° 时的瞬时感应电动势 e = E m ·cos 60 ° =   NBωL 2 。 (4)电动势的有效值 E =   电流的有效值 I =   柴油机的功转化为电能,转一周的功 W = EIT =   T =   ·   =   。 (5) I 平均 =   =   所以电荷量 q = I 平均 ·Δ t =   =   。   答案 　(1)见解析　(2) NBωL 2 　(3)   NBωL 2 (4)   　(5)   　 理想变压器的动态分析 理想变压器的几个因果关系。 当理想变压器的匝数比不变时,如图所示,各量相互关系如下:   (1)输入电压 U 1 决定输出电压 U 2 。这是因为输出电压 U 2 =   U 1 ,当 U 1 不变 时,不论负载电阻 R 变化与否, U 2 都不会改变。 (2)输出电流 I 2 决定输入电流 I 1 ,在输入电压 U 1 一定的情况下,输出电压 U 2 方法 2 也被确定。当负载电阻 R 增大时, I 2 减小,则 I 1 相应减小;当负载电阻 R 减小 时, I 2 增大,则 I 1 相应增大。因此在使用变压器时,不能使变压器副线圈短路。 (3)输出功率 P 2 决定输入功率 P 1 ,理想变压器的输入功率与输出功率相 等,即 P 1 = P 2 。在输入电压 U 1 一定的情况下,当负载电阻 R 增大时, I 2 减小, 则变压器输出功率 P 2 = I 2 U 2 减小,输入功率 P 1 也将相应减小;当负载电阻 R 减小时, I 2 增大,变压器的输出功率 P 2 = I 2 U 2 增大,则输入功率 P 1 也将增大。 利用上述因果关系,可解决变压器动态变化问题。 注意     ①变压器只能改变交流电压,若原线圈加直流电压,则副线圈输 出电压为零,并且由于线圈对直流电无感抗,而使电流很大(相当于短路) 易损坏直流电源。 ②对“日”字形铁芯的变压器   ≠   ,因为穿过原副线圈的磁通量的 变化率不等。 例2 　图中 B 为理想变压器,接在交变电压有效值保持不变的电源上。 指示灯L 1 和L 2 完全相同(其阻值均恒定不变), R 是一个定值电阻,电压 表、电流表都为理想电表。开始时开关S是闭合的,当S断开后,下列说 法正确的是   (　　)   A.电流表A 2 的示数变大 B.电压表的示数变大 C.电流表A 1 的示数变小 D.灯L 1 的亮度变暗 解题导引   解析 　变压器输出电压由输入电压和匝数比决定,S断开后输入电压 和匝数比不变,所以电压表的示数不变;但负载电阻变大,则输出电流变 小,A 2 的示数变小,输入电流变小,则A 1 的示数变小;因 R 上电压变小,则L 1 上电压变大,亮度变亮。故只有C对。   答案     C