2020年高考物理一轮复习课件：专题十 第1讲 交变电流的产生和描述.ppt

专题十　交变电流 考点内容 要求 热点考向 1. 交变电流、交变电流的 图象 Ⅰ 最近几年的考查主要体现为“三突 出”：一是突出考查交变电流的产 生过程；二是突出考查交变电流的 图象和交变电流的“四值”；三是 突出考查变压器 . 一般试题难度不 大，且多以选择题的形式出现 . 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 Ⅱ 4. 远距离输电 Ⅰ 5. 实验十一：传感器的简 单使用 — 第 1 讲　 交变电流的产生和描述 考点 1 正弦式交变电流的产生和变化规律 1. 正弦式交变电流 正弦规律 (1) 定义：按 __________________ 变化的交变电流 ，简称正 弦式电流 . 图 10-1-1 匀速 E m sin ωt NBSω (2) 产生：当闭合线圈由中性面位置 ( 图 10-1-1 中 O 1 O 2 位置 ) 开始在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴 ________ 转动时，线 圈中产生的感应电动势随时间而 变化的函数是正弦函数： e ＝ ________ ，其中 E m ＝ ________. 这就是正弦式交变电流 . 2. 对中性面的理解 电流方向 两 (1) 中性面是与磁场方向 ________ 的平面，是假想的参考面 . (2) 线圈平面位于中性面时，穿过线圈平面的磁通量 _____ ， 而磁通量的变化率为 ______ ，产生的感应电动势为 ______. (3) 线圈平面与中性面垂直时，穿过线圈平面的磁通量为 ____ ，但磁通量的变化率 _______ ，产生的感应电动势 _______. (4) 线圈每经过中性面一次 _____________ 就改变一次，线 圈转动一周，两次经过中性面，所以电流的方向改变 _____ 次 . 垂直 最大 0 0 0 最大 最大 考点 2 描述交变电流的物理量 220 V 0.02 s 1. 周期和频率：描述交变电流 ____________ 的物理量 . (1) 周期 T ：交变电流完成一次周期性变化 ( 线圈转一周 ) 所需 的时间，单位是秒 (s). 周期越大，交变电流变化越 ______ ，在一 个周期内，交变电流的方向变化 ______ 次 . 50 Hz (2) 频率 f ：交变电流在 1 s 内完成周期性变化的 ________ ， 单位是赫兹，符号为 Hz. 频率越大，交变电流变化越 _______. (3) 周期和频率的关系： f ＝ ______ ＝ ω 2π . 100 (4) 我国生活用电的电压是 ______ ，周期是 ______ ，频率是 ______ ，每秒钟电流方向变化 ______ 次 . 变化快慢 慢 两 次数 快 时刻 最大值 相同 热量 有效值 2. 交变电流的瞬时值、峰值、有效值和平均值 (1) 瞬时值：交变电流某一 ________ 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 ________. (3) 有效值：让交变电流与恒定电流分别通过 ________ 的电 阻，如果它们在一个周期产生的 ________ 相等，则这个恒定电 流 I 、恒定电压 U 就是这个交变电流的 ________. (4) 正弦式交变电流的有效值与峰值之间的关系 I ＝ ______ ， U ＝ _______ ， E ＝ ________. 【 基础自测 】 1. 交流发电机在工作时的电动势 e ＝ E m sin ωt . 若将线圈匝 数、线圈面积都提高到原来的两倍，其他条件不变，则电动势 变为 ( ) 解析： 由电动势最大值表达式 E m ＝ NBSω ， N 、 S 变为原来 的两倍，则最大值变为 4 E m ， B 正确 . 答案： B 2. 如图 10-1-2 所示，矩形 线框置于磁场中，该磁场可视为 匀强磁场 . 线框通过导线与电阻构成闭合电路，线框在磁场中绕 垂直于磁场方向的转轴逆时针匀速转动，下列说法正确的是 ( ) 图 10-1-2 A. 线框通过图中位置瞬间，线框中的电流方向由 A 到 B B. 线框通过图中位置瞬间，穿过线框的磁通量 最大 C. 线框通过图中位置瞬间，通过电阻的电流瞬时值最大 D. 若使线框转动的角速度增大一倍，那么通过电阻电流的 有效值变为原来的 倍 答案： C 3. ( 多选 ) 一正弦交流电的电压随时间变化的规律如图 10-1-3 所示 . 由图可知 ( ) 图 10-1-3 A. 该交流电的电压瞬时值的表达式为 u ＝ 100sin 25 t V B. 该交流电的频率为 25 Hz C. 该交流电的电压的有效值为 100 V D. 若将该交流电压加在阻值为 R ＝ 100 Ω 的电阻两端，则电 阻消耗的功率为 50 W 答案： BD 4.( 多选 ) 如图 10-1-4 甲是阻值为 5 Ω 的线圈与阻值为 15 Ω 的电阻 R 构成的回路 . 线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴 匀速转动，产生的电动势随时间变化的规律如图乙所示 . 则 ( ) 甲 乙 图 10-1-4 A. 电压表的示数为 14.14 V B. 通过电阻的电流为 0.707 A C. 电阻 R 上消耗的功率为 7.5 W D. 通过电阻的电流方向每秒变化 100 次 答案： BC 热点 1 交变电流的产生、描述及图象 [ 热点归纳 ] 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 ： 最大， e 最 ② 线圈平面与中性面垂直时， S ∥ B ， Φ ＝ 0 ， Δ Φ Δ t 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 E m ＝ NBSω ，与转轴位置无关，与 线圈形状无关 . 物理量 函数 图象 磁通量 Ф ＝ Ф m cos ωt ＝ BS cos ωt 电动势 e ＝ E m sin ωt ＝ NBSω sin ωt 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 ) 物理量 函数 图象 电压 电流 ( 续表 ) 考向 1 根据图象判断某两个特殊位置的特点 【 典题 1 】 ( 多选， 2017 年湖南长沙雅礼中学高三检测 ) 如 图 10-1-5 甲所示，一个矩形线圈 abcd 在匀强磁场中绕垂直于磁 场方向的轴匀速转动 . 线圈内磁通量随时间 t 的变化如图乙所 示，则下列说法正确的是 ( 甲 乙 ) 图 10-1-5 A. t 1 时刻线 圈中的感应电动势最大 B. t 2 时刻 ab 的运动方向与磁场 方向垂直 C. t 3 时刻线圈平面与中性面重合 D. t 4 、 t 5 时刻线圈中感 应电流的方向相同 等于零，故感应电动势为零， A 错误； t 2 时刻磁通量为零， 解析： t 1 时刻通过 线圈的磁通量最大，此时磁通量的变化 率 Δ Φ Δ t 线圈与磁场平行，故导线 ab 的速度方向跟磁感线垂直， B 正确； t 3 时刻线圈的磁通量最大，故此时线圈与中性面重合， C 正确； 由题图可知 t 5 时刻线圈中磁通 量最大，此时磁通量的变化率 Δ Φ Δ t 等于零，故没有感应电流， D 错误 . 答案： BC 易错提醒： 线圈在匀强磁场中转动产生正弦式交变电流， 穿过线圈的磁通量为零时，磁通量的变化率最大，感应电动势 最大；穿过线圈的磁通量最大时，磁通量的变化率为零，感应 电动势为零 . 考向 2 正弦式交变电流的产生及其图象 【 典题 2 】 有一不动的矩形线圈 abcd ，处于范围足够大的 可转动的匀强磁场中，如图 10-1-6 所示 . 该匀强磁场由一对磁极 N 、 S 产生，磁极以 OO ′ 为轴匀速转动 . 在 t ＝ 0 时刻，磁场的 方向与线圈平行，磁极 N 开始离开纸面向外转动，规定由 a → b → c → d → a 方向的感应电流为正，则如下列各图所示能反 映线圈中感应电流 i 随时间 t 变化的图象是 ( ) 图 10-1-6 A B C D 解析： 磁极以 OO ′ 为轴匀速转动可等效为磁场不动线圈 向相反方向转动，在 t ＝ 0 时刻，由右手定则可知，产生的感应 电流方向为 a → b → c → d → a ，磁场的方向与线圈平面平行，感 应电流最大， C 正确 . 答案： C 热点 2 交变电流有效值的计算 [ 热点归纳 ] 1. 交变电流有效值的规定 交变电流、恒定电流 I 直 分别通过同一电阻 R ，在交流的一 个周期内产生的焦耳热分别为 Q 交 、 Q 直 ，若 Q 交 ＝ Q 直 ，则交变 电流的有效值 I ＝ I 直 ( 直流有效值也可以这样算 ). 2. 对有效值的理解 (1) 交流电流表、交流电压表的示数是指有效值 . (2) 用电器铭牌上标的值 ( 如额定电压、额定功率等 ) 指的均 是有效值 . (3) 计算热量、电功率及保险丝的熔断电流指的是有效值 . (4) 没有特别加以说明的，是指有效值 . (5)“ 交流的最大值是有效值的 倍”仅用于正 ( 余 ) 弦式交 变电流 . 3. 计算交变电流有效值的方法 (1) 计算有效值时要根据电流的热效应，抓住“三同”： “ 相同时间”内“相同电阻”上产生“相同热量”列式求解 . (2) 分段计算电热求和得出一个周期内产生的总热量 . 和电压有效值 . 【 典题 3 】 (2018 年新课标 Ⅲ 卷 ) 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变 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 为 u 0 ，周期为 T ，如图 10-1-7 所示 . 则 Q 方 ∶ Q 正 等于 ( ) 甲 乙 图 10-1-7 答案： D 易错提醒： 解答此题常见错误是：一是把方波交变电流视 为正弦交变电流；二是认为在一个周期 T 内产生的热量与电压 有效值，导致错选 B ；三是比值颠倒，导致错选 C. 【 迁移拓展 】 一个“ U” 形金属线框在匀强磁场中绕 OO ′ 轴以相同的角速度匀速转动，通过导线给同一电阻 R 供电，如 图 10-1-8 甲、乙所示 . 其中图甲中 OO ′ 轴右侧有磁场，图乙中 整个空间均有磁场，两磁场磁感 应强度相同 . 则甲、乙两图中交 流电流表的示数之比为 ( 甲 乙 ) 图 10-1-8 答案： A 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 ＝ E m sin ωt i ＝ I m sin ωt 计算线圈某时刻 的受力情况 峰值 最大的瞬时值 E m ＝ nBSω I m ＝ 讨论电容器的击 穿电压 热点 3 交变电流 “ 四值”的 比较 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 恒定电流的值 适用于正 ( 余 ) 弦 式交变电流 (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 ( 续表 ) 物理量 物理含义 重要关系 适用情况及说明 平均值 交变电流图象 中图线与时间 轴所夹的面积 与时间的比值 计算通过电路横 截面的电荷量 ( 续表 ) 【 典题 4 】 ( 多选， 2018 届广东茂名五大联盟学校联考 ) 如 图 10-1-9 甲所示，一个匝数 N ＝ 200 、电阻 r ＝ 2 Ω 的矩形线圈 置于磁感应强度 B ＝ 1 T 的匀强磁场中，绕垂直于磁场的 轴 OO ′ 匀速转动，产生的电流通过滑环与电刷输送到外电路 . 电 路中的交流电压表为理想电表，可变电阻 R 接入电路的阻值为 18 Ω. 穿过线圈的磁通量随时间的变化规律如图乙所示，则下列 说法正确的是 ( ) 甲 乙 图 10-1-9 A. 线圈的面积为 0.02 m 2 B. 线圈内产生的感应电动势的峰值为 300V C. 理想交流电压表的读数约为 255 V D. 通过可变电阻的电流的瞬时值表达式为 i ＝ 20sin 100 t (A) 律 变化，所以电流的瞬时值表达式为 i ＝ 20cos 100 t (A) ， D 错误 . 所以 A 、 C 正确， B 、 D 错误 . 答案： AC 方法技巧： 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 E m ＝ nBSω 求出相应峰值 . (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转动，则 i - t 图象为正弦函数图 象，函数式为 i ＝ I m sin ωt . ② 若线圈从垂直中性面位置开始转动，则 i - t 图象为余弦函 数图象，函数式为 i ＝ I m cos ωt . 【 迁移拓展 】 ( 多选 )如图 10-1-10 所示 ，一矩形线圈面积为 S ，匝数为 N ，内阻为 r ，绕其垂直于磁感线的对称轴 OO ′ 以 角速度 ω 匀速转动，匀强磁场的磁感应强度为 B ，从图示位置转 90° 的过程中，下列说法正确的是 ( ) 图 10-1-10 D. 从图示位置开始计时，则感应电动势随时间变化的规律 为 e ＝ NBS ωsin ωt 答案： BC