第十五单元电磁感应定律的应用讲义上海市高三物理二轮专题等级总复习精讲

第十五单元电磁感应定律的应用目录TOC\o"13"\h\u第1讲自感、涡流和交变电流 1第2讲变压器、发电机和电动机 10课标要求:1.通过实验,了解自感现象和涡流现象。能举例说明自感现象和涡流现象在生产生活中的应用。2.通过实验,认识交变电流。能用公式和图像描述正弦交变电流。3.通过实验,探究并了解变压器原、副线圈电压与匝数的关系。知道远距离输电时通常采用高压输电的原因。4.了解发电机和电动机工作过程中的能量转化。认识电磁学在人类生活和社会发展中的作用。知识结构第1讲自感、涡流和交变电流内容梳理【概念规律】1.自感现象(1)概念:当一个线圈中的电流变化时,它所产生的变化的磁场在线圈本身激发出__________这种现象称为自感,由于自感而产生的感应电动势叫做自感电动势。(2)自感电动势表达式:__________。(3)自感系数L的影响因素:与线圈的__________、形状、__________以及是否有铁芯有关。2.涡流现象(1)涡流：块状金属放在__________磁场中,或者让它在非均匀磁场中运动时,金属块内产生的漩浴状感应电流。(2)产生原因：金属块内__________变化→感应电动势→感应电流。3.电磁阻尼当导体在磁场中运动时,感应电流会使导体受到安培力,安培力总是__________导体的运动。4.电磁驱动如果磁场相对于导体转动,在导体中会产生__________使导体受到安培力而运动起来。5.交变电流(1)产生:线圈绕__________匀强磁场方向的轴匀速转动。(2)两个特殊位置的特点(a)线圈平面转到中性面时,S⊥B,Φ(b)线圈平面与中性面垂直时,S//B,Φ=0,ΔΦΔt__________(3)一个周期内线圈中电流的方向改变__________次。(4)描述交变电流的物理量(a)最大值Em=__________,与转轴位置__________(b)周期和频率周期(T):交变电流完成__________变化所需的时间。单位是秒(s),公式频率(f):交变电流在单位时间内完成周期性变化的__________,单位是赫兹(Hz)。周期和频率的关系:T=答案:1.感应电动势E=LΔ2.变化磁通量3.阻碍4.感应电流5.垂直于最大发生改变最大不改变两NBSω无关无关一次周期性次数【问题情境举隅】自感线圈自感线圈是交流电路中的重要元件,在广播电台和电视台的无线电设备中,用它和电容器组成振荡电路来发射电磁波;而在收音机和电视机中,同样也用这样的振荡电路来接收电磁波。收音机里的自感线圈电磁炉电磁炉就是利用浴流产生大量的热量用于烹饪食物的,它的内部结构如图所示。在台面下面有励磁线圈、电力转换装置和控制系统等。交变电流通过电力转换装置产生20∼40kHz的高频电压,再通过底盘上铜线绕制的励磁线圈产生快速变化的磁场。当铁质锅具放在炉面上时,锅底处在快速变化的磁场中,从而在锅底内会产生无数小浴流,致使锅体本身快速发热,从而加热锅内的食物。电磁炉内部结构关键点拨自感现象【例题1】如图所示,L是自感系数很大的线圈,但其自身的电阻几乎为0。A和B(1)当开关S由断开变为闭合时,A、(2)当开关S由闭合变为断开时,A、课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨1】分析自感问题的三个技巧1.通电自感,通电时自感线圈相当于一个变化的电阻,阻值由无穷大逐渐减小;2.断电自感,断电时自感线圈相当于电源,电动势由某值逐渐减小到零;3.电流稳定时,自感线圈相当于导体,是否需要考虑其电阻,根据题意而定。涡流【例题2】(多选)右图所示,电磁炉是利用感应电流(浴流)的加热原理工作的。则 ()A.电磁炉面板采用陶瓷材料,发热部分为铁锅底部B.电磁炉面板采用金属材料,通过面板发热加热锅内食品C.电磁炉可用陶瓷器血作为锅具对食品加热D.可通过改变电子线路的频率来改变电磁炉的功率课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨2】电磁炉的上表面如果用金属材料制成,使用电磁炉时,上表面材料发生电磁感应要损失电能,因此电磁炉上表面要用绝缘材料制作,发热部分为铁锅底部;因此电磁炉产生变化的电磁场,导致加热锅底出现涡流，从而产生热量，锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关。交变电流【例题3】在匀强磁场中有一矩形线圈,绕线圈平面内垂直于磁感线的轴匀速转动。线圈中产生的感应电动势随时间变化的图像如图所示,试求出该感应电动势的最大值、周期和频率,写出该感应电动势随时间变化的关系式。课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨3】由图像确定交变电流的特征量和表达式时,可直接从图像读出最大值、周期,再由相关关系求出其他特征量。确定最大值和周期时要注意弄清坐标轴表示的物理量及其单位。确定表达式时,要注意图像与瞬时表达式的关系,计时起点决定表达式是正弦函数还是余弦函数。交变电流有效值【例题4】如图所示为一交流电电流随时间变化的图像,此交流电电流的有效值为 ()A.7A B.5A C.3.52A 课堂笔记:_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨4】有效值的计算(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”,先分段计算热量,求和得出一个周期内产生的总热量,然后根据Q总=I(2)若图像部分是正弦(或余弦)式交变电流,其中的14周期(必须是从零至最大值或从最大值至零)和12周期部分可直接应用正弦式交变电流有效值与最大值间的关系过关演练【经典过关】1.如图所示,LA、LB是两个电阻值都为r的完全相同的小灯泡,小灯泡的电阻值大于定值电阻R的电阻值。L是一个自感很大的线圈,它的电阻值与定值电阻的电阻值相等。由于自感现象,当开关A.S接通时,灯泡LA先亮,LB后亮 B.SC.S断开时,LB立即灭,LA先闪亮一下再灭 D.S2.如图所示,关于涡流的下列说法中错误的是 ()A.真空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置B.家用电磁炉锅体中的涡流是由恒定磁场产生的C.阻尼摆摆动时产生的涡流总是阻碍其运动D.变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成能减小涡流3.题图是某一线圈通过的交流电的电流一时间关系图像(前半个周期为正弦波形的12),则一个周期内该电流的有效值为 A.32I0 B.52I04.如题图所示,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'以角速度ω匀速转动,外电路电阻为(1)判断图示位置电路中的电流方向;(2)求线圈从图示位置转过60∘(3)线圈转动过程中,电压表的示数为多大?【综合演练】5.题图1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。题图2是线圈的主视图,导线ab和cd分别用它们的横截面来表示,已知ab长度为L1(1)下列电流随时间变化的图像中,属于交变电流的是 ()(2)关于交变电压的有效值U和最大值Um,下列说法中正确的是 A.任何形式的交变电流都具有U=B.正弦式交变电流具有U=C.照明电压220V、动力电压380V指的都是最大值D.交流电压表和交流电流表测的都是最大值(3)一个标有“220V60W”的灯泡__________(选填:能、不能)接在220V的交流电源上;一个耐压值为220V的电容__________(选填:能、不能)接在220V的交流电源上,其理由是:____________________________________________________________________________________________________。(4)线圈平面处于中性面位置时开始计时,任意选用一种方法推导t时刻整个线圈中的感应电动势e1的瞬时表达式__________;若线圈电阻为r,求从中性面开始的T4内通过电阻的电荷量q的大小(5)若线圈电阻为r,求线圈每转动一周电阻R上产生的焦耳热Q。(其他电阻均不计)第2讲变压器、发电机和电动机内容梳理【概念规律】1.变压器(1)构造和原理①构造:如图所示,变压器是由__________和绕在铁芯上的__________组成的。②原理:电磁感应的互感现象。(2)基本关系式①功率关系:__________ ②电压关系:__________③电流关系:只有一个副线圈时__________ ④频率关系:__________2.远距离输电如图所示,若发电站输出电功率为P,输电电压为U,用户得到的电功率为P',用户的电压为U',输电电流为I,输电线总电阻为(1)输电电流:__________(2)电压损失:ΔU(3)功率损失:Δ(4)降低输电损耗的两个途径①减小输电线的电阻R。由R=ρlS知,可加大导线的②减小输电导线中的电流。在输电功率一定的情况下,根据P=UI3.发电机(1)发电机是将__________转化为电能的装置,可以分为__________发电机和__________发电机两种。(2)发电机基本部分有产生感应电动势的__________和产生磁场的__________。不论哪种发电机,转动的部分都叫__________,静止的部分都叫__________。(3)发电机里产生感应电动势的线圈通常叫__________。电枢转动、磁极不动的发电机叫做旋转__________式发电机。如果磁极转动、电枢不动,这种发电机叫做旋转__________式发电机。4.电动机(1)电动机是把电能转化为__________的装置。电动机的种类很多,从基本结构来说,主要也是由__________和__________构成。(2)实际使用的电动机也分为__________电动机和__________电动机。答案:1.闭合铁芯两个线圈2.I=PU=U3.机械能直流交流线圈磁极转子定子电枢电枢磁极4.机械能定子转子直流交流【问题情境举隅】变压器变压器是由右图所示的闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成。一个线圈与交流电源连接,叫作原线圈,也叫初级线圈;另一个线圈与负载连接,叫作副线圈,也叫次级线圈。交流输电大型发电机设计输出的电压一般都达不到远距离输电的要求。因此,在发电厂(站)内,要用变压器升压,然后向远处送电;到达目的地后,根据不同的需求,再用降压变压器经过两三次降压,最后输送给用户。旋转电枢式发电机旋转电枢式发电机的原理如图所示。旋转电枢式发电机的转子产生的电流必须经过裸露的滑环电刷引到外电路,如果电压很高,容易发生火花放电,滑环和电刷可能被烧坏。同时,转动的电枢结构不能太大,线圈匝数不能很多,产生的感应电动势也就不会很高。这种发电机输出的电压一般不超过500V,小型发电机通常是旋转电枢式发电机。旋转磁极式发电机旋转磁极式发电机的原理如图所示。磁极转动、电枢不动,线圈内磁通量发生改变,电枢同样会产生感应电动势,这种发电机叫做旋转磁极式发电机,电枢是定子。旋转磁极式发电机由于不通过滑环向外提供电力,所以能输出几千伏到几万伏的高电压,输出功率可达几百兆瓦,因此大型发电机几乎都是旋转磁极式的。关键点拨实验:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系【例题1】某同学在实验室进行探究变压器原、副线圈电压与匝数关系的实验。他准备了可拆变压器、多用电表、开关和导线若干。(1)实验需要以下__________；A.低压直流电源 B.高压直流电源C.低压交流电源 D.高压交流电源(2)该同学认真检查电路无误后,先保证原线圈匝数不变,改变副线圈匝数;再保证副线圈匝数不变,改变原线圈匝数。分别测出相应的原、副线圈电压值。由于交变电流电压是变化的,所以,我们实际上测量的是电压的__________值(填“有效”或“最大”)。其中一次多用电表读数如图所示,此时电压表读数为__________；(3)理想变压器原、副线圈电压应与其匝数成__________(填“正比”或“反比”),实验中由于变压器的铜损和铁损,导致原线圈与副线圈的电压之比一般__________(填“大于”“小于”或“等于”)原线圈与副线圈的匝数之比。(4)实验中原、副线圈的电压之比与它们的匝数之比有微小差别。原因不可能为__________(填字母代号)A.原、副线圈上通过的电流发热 B.铁芯在交变磁场作用下发热C.变压器铁芯漏磁 D.原线圈输入电压发生变化课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨1】该实验采用了控制变量法:(1)n1、U1一定,研究n2和U2的关系。(2)n2、U1一定,研究n1和U2的关系。保持原线圈的匝数(1)在改变学生电源电压、线圈匝数前均要先断开电源开关,再进行操作。(2)为了人身安全,学生电源的电压不能超过12V,通电时不能用手接触裸露的导线和接线柱。(3)为了多用电表的安全,使用交流电压挡测电压时,先用最大量程挡试测,大致确定被测电压后再选用适当的挡位进行测量。理想变压器的原理及应用【例题2】一理想变压器原、副线圈匝数比n1:n2=11:5,原线圈与正弦交流电源连接,其输入电压uA.流过电阻的电流是20AB.与电阻并联的电压表的示数是100C.经过1min,电阻产生的热量是6×D.变压器的输入功率是1×课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨2】1.理想变压器的制约关系电压原线圈电压U1和匝数比决定副线圈电压功率副线圈的输出功率P出决定原线圈的输入功率电流副线圈电流I2和匝数比决定原线圈电流含有多个副线圈的变压器计算具有两个或两个以上副线圈的变压器问题时,需注意三个关系:电压关系:U功率关系:P电流关系:n理想变压器的动态分析【例题3】(多选)在右图所示的电路中,P为滑动变阻器的滑片,保持理想变压器的输入电压U1不变,闭合开关S,则 A.P向下滑动时,灯泡L变亮B.P向下滑动时,变压器的输出电压U2C.P向上滑动时,变压器的输入功率变小D.P向上滑动时,变压器的输入功率变大课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨3】1.匝数比不变的分析思路(1)U1不变,根据U1U2=n1n2(2)当负载电阻发生变化时,I2变化,输出电流I2决定输入电流I1(3)I2变化引起P2变化,P12.负载电阻不变的分析思路(1)U1不变,n1n(2)R不变,U2变化时,I(3)根据P2=U22R,P2远距离输电【例题4】某个小水电站发电机的输出功率为100kW,发电机的电压为250V。通过升压变压器升压后向远处输电,输电线的总电阻为8Ω,在用户端用降压变压器把电压降为220V。要求在输电线上损失的功率控制在5kW(即用户得到的功率为95kW)。请你设计两个变压器的匝数比。为此,请计算:(1)降压变压器输出的电流为多少?输电线上通过的电流是多少?(2)输电线损失的电压为多少?升压变压器输出的电压是多少?(3)两个变压器的匝数比各应等于多少?课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨4】1.理清输电电路图的三个回路(如图)(1)在电源回路中,P发电机(2)在输送回路中,I2(3)在用户回路中,P2.抓住两组关联式(1)理想的升压变压器联系着电源回路和输送回路,由理想变压器原理可得:U1U2(2)理想的降压变压器联系着输送回路和用户回路,由理想变压器原理可得:U3U43.掌握一个守恒观念功率关系:P2=Δ发电机【例题5】题图甲为一小型发电机的示意图,发电机线圈内阻为1Ω,灯泡L的电阻为9Ω,电压表为理想交流电压表。发电机产生的电动势e随时间t按图乙的正弦规律变化,则 ()A.0.01s时穿过线圈的磁通量为零 B.线圈转动的角速度为50rad/sC.电压表的示数为10V D.灯泡L的电功率为9W课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨5】当线框经过中性面时通过线圈的磁通量最大,感应电动势最小为零;当线框与磁场平行时,通过线圈的磁通量为零