2011高三物理一轮复习 13.1 交变电流的产生和描述精品课件

内容要求说明交流发电机及其产生正弦式电流的原理，正弦式电流的图象和三角函数表达式、最大值与有效值，周期与频率Ⅱ只要求讨论单相理想变压器电阻、电感和电容对交变电流的作用Ⅰ内容要求说明变压器的原理．电压比和电流比Ⅱ只要求讨论单相理想变压器电能的输送Ⅰ电磁场．电磁波．电磁波的周期、频率、波长和波速Ⅰ无线电波的发射和接收Ⅰ电视．雷达本章知识是电磁感应的应用和延伸，高考对本章知识的考查主要体现在“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．对于电磁场和电磁波只作一般的了解．本章知识易与力学和电学知识综合，如带电粒子在加有交变电压的平行金属板间的运动，交变电路的分析与计算等．同时，本章知识也易与现代科技和信息技术相联系，如“电动自行车”“磁悬浮列车”等．另外，远距离输电也要引起重视．同学们在复习时，对正弦交变电流的产生过程要做到“情、数、形”三者相统一；对交变电流的“最大值、瞬时值、有效值、平均值”一定要注意各类值的不同用法，尤其是不同情况下的有效值计算是高考考查的主要内容；对变压器的原理理解的同时，还要掌握变压器的静态计算和动态分析．第1课时交变电流的产生和描述一、交变电流的产生和变化规律1．定义：大小和方向都随时间做_______________的电流，叫做交变电流，下图所示均为交变电流．【注意】方向随时间做周期性的变化是交变电流的重要特征．周期性变化2．正弦式交变电流的产生在匀强磁场中，绕垂直于磁场方向且在线圈平面内的轴匀速转动的线圈产生的电流是正弦交变电流．3．正弦式交变电流的变化规律(1)两个特殊位置线圈平面与中性面重合时，磁通量最大，电动势为____，磁通量的变化率为零；线圈平面与中性面垂直时，磁通量为___，电动势_____，磁通量的变化率最大．零零最大(2)变化规律若线圈转到中性面开始计时，则感应电动势与感应电流的表达式分别为：e＝__________，i＝___________.EmsinωtImsinωt若线圈转到与中性面垂直位置开始计时，则感应电动势与感应电流的表达式分别为：e＝Emcosωt，i＝Imcosωt.二、描述交变电流的物理量1．交变电流的“四值”(1)瞬时值：表示当线圈转到某一位置或某一时刻，线圈中产生的感应电动势或感应电流的值．正弦式交变电流的电动势、电压和电流的瞬时值的表达式分别为：NBSω

NΦmω

【注意】此时不要误认为Φmω最大时，电动势最大，这只是一个计算公式．(3)有效值：有效值是利用电流的________定义的，即如果在相同的时间内，交变电流通过电阻时产生的热量与直流电通过同一电阻时产生的热量相等，则直流电的数值就是该交变电流的有效值．热效应【注意】以上关系式仅对正弦式交变电流适用，对其他形式的交变电流并不适用，其他情况需按照有效值的定义进行计算．2．周期、频率、角速度交变电流的周期、频率、角速度都是表征交变电流变化快慢的物理量．(1)周期T：交变电流完成一次周期性变化所需的时间．(2)频率f：交变电流在1s内完成周期性变化的次数．三、电感和电容对交变电流的阻碍作用1．电感是“通______，阻______；通低频，阻高频”．【说明】电感对直流电的阻碍作用很小，而当通交变电流时，由于线圈的自感作用，对交变电流有阻碍作用，所以“通直流，阻交流”．交变电流的频率越高，电感对它的阻碍作用越大，所以“通低频，阻高频”．直流交流2．电容器对直流电路来说是断路，而交变

电流可以通过对电容器______、______、

使电路中有电流，故表现为交变电流，“通

过”了电容器．交变电流的频率越高，电容

对它的阻碍作用越小，所以“通______，阻

______”．充电放电高频低频一、交变电流的产生及变化特点关于交变电流产生及变化特点注意以下几个方面：1．正(余)弦交流电的产生条件为：匀强磁场、转轴垂直磁场方向、线圈匀速转动，三者缺一不可，否则所产生的就不是正(余)弦交变电流．2．交变电流的变化规律与线圈的形状及转动轴处于线圈平面内的某个位置无关．3．线圈过中性面一次，电流方向改变一次，线圈转一周，电流方向改变两次．2．利用有效值的定义计算即有效值等于一直流电在相同时间内通过同一电阻产生相等的热量．此法只适用于求矩形脉冲电流或不连续正弦交变电流以及它们的组合电流的有效值．具体方法为：取一个周期T的时间，计算出直流和交流分别通过相同的电阻产生的热量，列方程求解．一、交流电的产生如右图所示，矩形线圈边长为ab＝20cm，bc＝10cm，匝数N＝100匝，磁场的磁感应强度B＝0.01T．当线圈以n＝50r/s的转速从图示位置开始逆时针匀速转动时，求：(1)线圈中交变电动势瞬时值表达式；(2)从线圈开始转起动，经0.01s时感应电动势的瞬时值．【解析】

(1)线圈的角速度为ω＝2πn＝100πrad/s产生的感应电动势的最大值为Em＝NBωS＝NBω·ab·bc＝6.28V又刚开始转动时线圈平面与中性面夹角为30°＝π/6故线圈中交变电动势的瞬时值表达式为e＝Emsin(ωt＋π/6)＝6.28sin(100πt＋π/6)V.(2)把t＝0.01s代入上式，可得此时感应电动势的瞬时值：e＝3.14V.【答案】(1)e＝6.28sin(100πt＋π/6)V(2)3.14V【点评】

公式e＝Emsinθ中的θ为线圈平面与中性面的夹角．1．如下图所示，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．则四幅图中正确的是()【答案】

D二、求电热、电荷量的问题【点评】

要知道正弦交变电流的最大值、瞬时值、有效值、平均值的区别，不可混淆，应用时要视情况的不同灵活选择不同的值进行计算．2．如右图所示，边长为L的正方形线圈abcd的匝数为n，线圈电阻为r，外电路的电阻为R，ab的中点和cd的中点的连线OO′恰好位于匀强磁场的边界上，磁感应强度为B，现在线圈以OO′为轴，以角速度ω匀速转动，求：(1)闭合电路中电流瞬时值的表达式；(2)线圈从图示位置转过90°的过程中电阻R上产生的热量；(3)线圈从图示位置转过90°的过程中电阻R上通过的电荷量；(4)电阻R上的最大电压．【答案】见解析三、电感、电容对交变电流的作用(2008年北京海淀期末)两个相同的白炽灯泡A1和A2接到如右图所示的电路中，灯A1与电容器串联，灯A2与电感线圈串联．当a、b间接电压最大值为Um、频率为f的正弦交流电源时，两灯都发光，且亮度相同．更换一个新的正弦交流电源后，灯A1的亮度低于灯A2的亮度．新电源两极的电压最大值和频率可能是()A．最大值仍为Um，而频率大于fB．最大值仍为Um，而频率小于fC．最大值大于Um，而频率仍为fD．最大值小于Um，而频率仍为f【解析】若新电源两极的电压最大值小于Um，而频率f不变，则感抗和容抗不变，A1、A2应同时亮度减小，故C、D错．而当Um不变，频率大于f时，感抗增大，容抗减小，则A1的亮度应大于A2的亮度，故实际情况可能是Um不变，频率小于f，故B正确．【答案】

B【点评】

上面求解是根据选项推导的，也可由题干推导，灯A1变暗，容抗变大，故频率变小．3．如下图所示，L1、L2和L3是相同型号的白炽灯，L1与电容器C串联，L2与带铁芯的线圈L串联，L3与一个定值电阻R串联．当a、b间接电压有效值为U、频率为f的正弦交流电源时，三只灯泡的亮度相同．现将a、b间接另一正弦交流电源时，发现灯泡L1变亮、L2变暗、L3亮度不变．由此可知，另一正弦交流电源可能是()A．电压有效值仍为U，而频率大于fB．电压有效值大于U，而频率大于fC．电压有效值仍为U，而频率小于fD．电压有效值小于U，而频率大于f【解析】由题述中与一个定值电阻R串联的灯泡L3亮度不变可知，所接的另一正弦交流电源的电压有效值仍为U.灯泡L1变亮，说明与L1串联的电容器C容抗变小．由影响容抗的因素可知，这是由于正弦交流电的频率增大．所以正确选项是A.【答案】A(2009年高考福建卷)一台小型发电机产生的电动势随时间变化的正弦规律图象如图甲所示．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()命题研究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【答案】

D本题是对交流电产生、交流电“四值”、闭合电路欧姆定律、功率公式、焦耳定律的综合考查．部分考生因为没有注意电压表示数应该为有效值，还有的考生不注意分析电路，把电动势当作电压表示数，显然是没有理解有效值的意义，不能把交流电和电路综合起来应用而出错．从中得到启示：在备考阶段，同学们要重点掌握交流电有效值的概念及应用，注意整合知识、把前后相关知识联系起来，形成一个完整的结构框架和知识体系，便于综合解决遇到的问题，提高综合素质和综合能力．(2008年高考北京卷)一理想变压器原、副线圈匝数比n1∶n2＝11∶5.原线圈与正弦交变电源连接，输入电压u如下图所示．副线圈仅接入一个10Ω的电阻，则()【解析】

本题考查正弦交变电流有效值、最大值意义及理想变压器的相关知识．由输入电压图象可知输入电压的有效值为220V，故副线圈输出电压的有效值为100V，接入副线圈的电阻为10Ω，故电流有效值为10A，A项错；与电阻并联的电压表读数即为副线圈电压有效值100V，B项错；根据Q＝I2Rt＝102×10×60J＝6×104J，C项错；由变压器输入功率等于输出功率可知，P＝IU＝10×100＝1000W，D项正确．【答案】

D1．如下图所示中各图面积均为S的线圈均绕其对称轴或中心轴在匀强磁场B中以角速度ω匀速转动，能产生正弦交变电动势e＝BSωsinωt的图是(设从图示时刻开始计时)()【解析】

线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴(轴在线圈所在平面内)匀速转动，从线圈平面和中性面重合时开始计时，线圈中产生的正弦交变电动势为e＝BSωsinωt，由这一原则判断，A图中感应电动势均为e＝BSωsinωt；B图中的转动轴不在线圈所在平面内；D图转动轴与磁场方向平行，而不是垂直．C图中产生的交变电动势为e＝BSωcosωt.【答案】A2．收录机等小型家用电器所用的稳压电源，是将220V的正弦交流电变为稳定的直流电的装置，其中的关键部分是整流电流．有一种整流电路可以将正弦交流电变成如右图所示的脉动直流电(每半个周期都按正弦规律变化)，则该脉动直流电电流的有效值为()【答案】B3．如右图所示，矩形线圈abcd，面积为S，匝数为N，线圈电阻为R，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ω匀速转动，(P1以ab边为轴，P2以ad边中点为轴)当线圈平面从与磁场方向平行开始计时，线圈转过90°的过程中，绕P1及P2轴转动产生的交流电的电流大小，电荷量及焦耳热分别为