广东省高中物理第一轮总复习-第11章第1讲交流电的产生及描述-粤教版-新课标.ppt

内容内容要求要求说明说明交变电流、交变电流的图象交变电流、交变电流的图象正正弦弦交交变变电电流流的的函函数数表表达达式式、峰峰值和有效值值和有效值理想变压器理想变压器远距离输电远距离输电1.本本章章所所讲讲的的交交变变电电流流的的知知识识，是是前前面面学学过过的的电电和和磁磁的的知知识识的的发发展展和和应应用用，交交流流电电相相比比于于直直流流电电，有有许许多多优优点点，这这使使得得交交流流电电与与生生产产生生活活有有着着比比直直流流电电更更广广泛泛和和密密切切的的联联系系.对对照照新新课课标标及及2010年年高高考考考考试试说说明明，不不难难看看出出对对学学生生的的要要求求并并不不高高，但但从从新新课课标标的的精精神神及及高高考考的的方方向向来来看看，本本章章内内容容应应该该会会在在高高考考中中有有一一定定程程度度的的体体现现.交交流流电电的的产产生生原原理理和和变变化化规规律律、交交流流电电的的图图象象、特特点点、变变压压器器及及电能的输送等问题是考生必须掌握的内容电能的输送等问题是考生必须掌握的内容.2.从从近近几几年年各各地地高高考考试试题题来来看看，交交流流电电的的产产生生、图图象象、规规律律及及有有效效值值；理理想想变变压压器器电电压压关关系系及及功功率率、电电流流关关系系；远远距距离离输输电电等等知知识识点点在在高高考考试试题题中中频频繁繁出出现现，这这些些高高考考热热点点内内容容，是是同同学学们们复复习的重点习的重点.3.在在新新课课标标中中，要要求求学学生生知知道道传传感感器器作作用用、意意义义以以及及常常见见的的传传感感器器的的基基本本工工作作原原理理，了了解解传传感感器器在在生生产产和和生生活活中中的的应应用用.虽虽然然在在2010高高考考考考纲纲中中对对这这部部分分内内容容并并没没有有提提出出明明确确的的要要求求，但但并并不不排排除除高高考考中中出出现现涉涉及及传传感感器器的的可可能能性性，这这在在新新课课标标实实施施前前的的高高考考题题中中都都已已经经得得到到了了验验证证.因因此此，学学生生在在复复习习时时对对传传感感器器的的问问题题还还是是应该适当的关注应该适当的关注.1.以以“交交流流电电的的规规律律”为为复复习习中中心心，掌掌握握交交流流电电的的产产生生、特特点点及及特特征征物物理理量量.交交流流电电是是电电流流的的大大小小和和方方向向均均随随时时间间发发生生变变化化的的电电流流，它它按按正正弦弦或或余余弦弦规规律律变变化化，既既可可以以用用函函数数公公式式来来分分析析或或进进行行有有关关计计算算，也也可可以以利利用用图图象象的的方方法法来来研研究究交交流流电电，无无论论是是哪哪一一种种方方法法，必必须须正正确确掌掌握握交交流流电电的的特特征征物物理理量量的的计计算算，包包括括周周期期、频率和有效值等频率和有效值等.2.以以“变变压压器器的的原原理理”为为复复习习核核心心，掌掌握握变变压压器器传传输输电电能能的的特特点点，研研究究远远距距离离输输电电问问题题.变变压压器器是是利利用用互互感感原原理理将将交交流流电电的的电电压压改改变变的的一一个个重重要要的的电电力力处处理理装装置置.必必须须掌掌握握变变压压器器的的基基本本原原理理和和传传输输电电能能特特点点，要要了了解解远远距距离离输输电电的的基基本本模模式式，弄弄清清输输电电规规律律，正正确确设设计出输电方案，更好的传送能源计出输电方案，更好的传送能源.电阻、电感和电容对交变电流的作用电阻、电感和电容对交变电流的作用高压输电高压输电变压器：变压器：正正弦弦交交变变电电流流产生：矩形线圈在匀强磁场中匀速转动产生：矩形线圈在匀强磁场中匀速转动描述描述瞬时值：瞬时值：i=Imsint峰值：峰值：Im=NBS/R周期周期T和频率和频率f图象：正弦曲线图象：正弦曲线输送输送一、交变电流的产生一、交变电流的产生1.交交变变电电流流的的概概念念：和和都都随随时时间做周期性变化的电流间做周期性变化的电流.2.交交变变电电流流的的产产生生：线线圈圈在在中中绕绕匀匀速速转转动动时时，就就能能产产生正弦交流电生正弦交流电.大小大小方向方向匀强磁场匀强磁场垂直于磁场方向的轴垂直于磁场方向的轴(1)交变电流产生的过程分析交变电流产生的过程分析如如下下图图所所示示为为矩矩形形线线圈圈abcd在在磁磁场场中中绕绕轴轴OO转转动动时时的的截截面面图图.转转动动过过程程中中，穿穿过过线线圈圈的的磁磁通通量量发发生生变变化化.其其中中ab和和cd两两条条边边在在切切割割磁磁感感线线，产产生生感感应应电电动动势势，线线圈圈上上就就有有了了感感应应电电流流.具具体体分分析析可可从从图图中中看看出出，图图时时，导导体体不不切切割割磁磁感感线线，线线圈圈中中无无电电流流；图图时时，导导体体垂垂直直切切割割磁磁感感线线，线线圈圈中中有有电电流流，且且电电流流从从a端端流流入入；图图同同图图；图图中中电电流流从从a端端流流出出，图图同图同图，这说明电流方向发生了改变，这说明电流方向发生了改变.(2)关于中性面关于中性面线圈平面线圈平面 时时.线圈中的线圈中的。为为零零，这这一一位位置置叫叫中中性性面面.如如图图和和图图位位置置.线圈平面经过中性面时，线圈平面经过中性面时，最大，最大，_发发生生改改变变.线线圈圈绕绕轴轴转转一一周周经经过过中中性性面面两两次次，因此感应电流方向改变两次因此感应电流方向改变两次.垂直于磁感线垂直于磁感线感应电感应电流流磁通量磁通量电流方电流方向向(3)交流电动势的最大值交流电动势的最大值在在交交变变电电流流的的产产生生过过程程中中，当当线线圈圈平平面面处处于于中中性性面面时时尽尽管管磁磁通通量量最最大大，但但电电动动势势的的瞬瞬时时值值为为零零.而而当当线线圈圈平平面面与与中中性性面面垂垂直直时时，尽尽管管磁磁通通量量为为零零，但但由由于于切切割割磁磁感感线线的的两两条条边边速速度度和和磁磁场场方方向向垂垂直直，使使得得最最大大，所所 以以 电电 动动 势势 的的 瞬瞬 时时 值值 e达达 到到 最最 大大 值值 .磁通量的变化率磁通量的变化率Em=NBS二、交变电流的变化规律二、交变电流的变化规律1.正弦式交变电流的瞬时表达式：正弦式交变电流的瞬时表达式：.正正弦弦式式交交变变电电流流的的电电动动势势瞬瞬时时表表达达式式的的推推导：导：以以线线圈圈平平面面过过中中性性面面为为计计时时开开始始，经经过过时时间间t，线线圈圈与与中中性性面面的的夹夹角角为为=t.ab、cd两两边边的的线速度大小均为线速度大小均为由由右右图图可可知知，该该速速度度在在垂垂直直于于磁磁场场方方向向上上的分量为的分量为e=Emsint=NBSsintab中中产产生生的的感感应应电电动动势为势为在回路中，在回路中，cd、ab两边产生的感应电动势大小相等，且两两边产生的感应电动势大小相等，且两感应电动势的方向一致，所以单匝线圈中的感应电动势为感应电动势的方向一致，所以单匝线圈中的感应电动势为e=2eab=Blbclabsint=BSsint.若是若是N匝线圈，则产生的感应电动势的表达式为匝线圈，则产生的感应电动势的表达式为e=NBSsint.2.正弦式交变电流的图象正弦式交变电流的图象线线圈圈在在匀匀强强磁磁场场中中绕绕垂垂直直于于磁磁场场方方向向的的轴轴匀匀速速转转动动的的过过程程中中，从从线线圈圈平平面面离离开开中中性性面面开开始始计计时时，线线圈圈中中产产生生的的感感应应电电动动势势是是按按正正弦弦规规律变化律变化.其交流电动势瞬时值图象如图甲：其交流电动势瞬时值图象如图甲：实实验验表表明明欧欧姆姆定定律律也也适适用用于于交交变变电电流流的的纯纯电电阻阻电电路路，有有：i=Imsint，其其中中Im=，R为为电电路路中中的的总总电电阻阻.电电流流瞬瞬时时值图象如图乙值图象如图乙.三、表征交流电的物理量三、表征交流电的物理量1.交流电的周期、频率和角频率交流电的周期、频率和角频率交交流流电电的的周周期期(T)、频频率率(f)和和角角频频率率()都都是是用用来来描描述述交交流流电电变变化化快快慢慢的的物物理理量量，它它们们之之间存在如下关系：间存在如下关系：2.交流电的有效值交流电的有效值(1)有有效效值值定定义义：让让交交流流电电和和直直流流电电通通过过同同一个电阻，如果在相同时间内产生的一个电阻，如果在相同时间内产生的。，这这一一直直流流电电的的数数值值就就叫叫做做这这一一交交流流电电的的有效值有效值.(2)正弦交流电的有效值与最大值的关系：正弦交流电的有效值与最大值的关系：电动势有效值电动势有效值电压有效值电压有效值电流有效值电流有效值热量相热量相同同(3)注意有效值与平均值的区别：注意有效值与平均值的区别：有有效效值值是是指指交交流流电电在在产产生生热热效效应应方方面面跟跟直直流流电电等等效效.通通常常交交流流电电压压表表和和电电流流表表测测量量的的数数值值，以及各种使用交流电的电气设备上所标的以及各种使用交流电的电气设备上所标的和和的数值，都是指有效值的数值，都是指有效值.根据法拉第电磁感应定律根据法拉第电磁感应定律，可以，可以计计算算在在一一段段时时间间t内内的的平平均均电电动动势势.交交流流电电的的平平均均值值与与热热效效应应无无关关，但但一一段段时时间间内内通通过过电电路路的的 决定于电流的平均值决定于电流的平均值.额定电压额定电压额定电流额定电流电荷量电荷量 主主题题(1)掌掌握握交交流流电电的的变变化化规规律律，会会进进行行交流电物理量的计算交流电物理量的计算 (双双选选)(2010普普宁宁模模拟拟)一一矩矩形形金金属属线线圈圈共共10匝匝，绕绕垂垂直直磁磁场场方方向向的的转转轴轴在在匀匀强强磁磁场场中中匀匀速速转转动动，线线圈圈中中产产生生的的交交变变电电流流的的电电动动势势e随随时时间间t变变化化的的情情况况为为e=10sin10 t(V)下列说法中正确的是下列说法中正确的是()A该交变电流的频率是该交变电流的频率是10HzB当当t=s时，通过线圈的磁通量恰好为零时，通过线圈的磁通量恰好为零C线圈转动过程中穿过线圈的最大磁通量为线圈转动过程中穿过线圈的最大磁通量为 WbD该交变电流电动势的有效值为该交变电流电动势的有效值为5 VCD 交变电流的函数表达式交变电流的函数表达式 由由e=10sin10p pt(V)得得电电动动势势的的有有效效值值E=Em=5 V，频频率率f=5Hz；把把t=s代代入入e表表达达式式，得得e=0，此此时时通通过过线线圈圈 的的 磁磁 通通 量量 恰恰 好好 最最 大大；C项项 要要 用用Em=NBSw w=NF Fmw w，得到，得到 联联系系正正弦弦交交变变电电流流感感应应电电动动势势的的瞬瞬时时值值、最大值的桥梁是感应电动势瞬时值表达式最大值的桥梁是感应电动势瞬时值表达式一一个个在在匀匀强强磁磁场场中中绕绕垂垂直直于于磁磁感感线线的的轴轴匀匀速速转转动动的的线线框框，当当线线框框转转至至中中性性面面时时开开始始计计时时.t1=1/60s，线线框框中中感感应应电电动动势势为为50V，当当t2=1/30s时，线框中感应电动势为时，线框中感应电动势为50 V，求：，求：(1)感应电动势的最大值；感应电动势的最大值；(2)线框转动的角速度的大小；线框转动的角速度的大小；(3)线框中感应电动势的瞬时表达式线框中感应电动势的瞬时表达式.线线框框匀匀速速转转动动时时产产生生正正弦弦交交变变电电流流，题题目目还还给给出出了了计计时时起起点点为为中中性性面面，因因此此正正弦弦交交变变电电流流的的瞬瞬时时值值表表达达式式为为e=Emsint.利利用瞬时值表达式来求解：用瞬时值表达式来求解：将已知条件代入得到：将已知条件代入得到：将将式化成式化成得得所以所以=10rad/s将将代入代入得得Em=100V瞬时表达式为瞬时表达式为e=100sin10tV如如 图图 11-1-1所所示示，匀匀强强磁磁场场的的磁磁感感应应强强度度B=0.1T，矩矩形形线线圈圈的的匝匝数数N=100匝匝，边边长长ab=0.2m，bc=0.5m，转转动动角角速速度度=图图11-1-1 100rad/s，转轴在正中间转轴在正中间.试求：试求：(1)从图示位置开始计时，该线圈电动势的瞬时从图示位置开始计时，该线圈电动势的瞬时表达式；表达式；(2)当转轴移动至当转轴移动至ab边边(其他条件不变其他条件不变)，再求电，再求电动势的瞬时表达式；动势的瞬时表达式；(3)当线圈做成半径为当线圈做成半径为r=的圆形，再求电的圆形，再求电动势的瞬时表达式动势的瞬时表达式.根根 据据 e=Emsint=NBSsint可可以以知知道道(1)e=314cos100tV;(2)与与(1)相相同同;(3)与与(1)相同相同.主主题题(2)(2)掌掌握握交交流流电电的的图图象象知知识识，会会利利用用图象解答交流电的相关问题图象解答交流电的相关问题城城市市美美化化或或者者每每逢逢节节日日，同同学学们们往往往往能能看看到到许许多多霓霓虹虹灯灯发发出出鲜鲜艳艳绚绚丽丽的的灯灯光光，将将城城市市装装扮扮得得异异彩彩纷纷呈呈，赏赏心心悦悦目目.频频率率为为50Hz的的交交变变电电流流，其其电电压压u=120 sintV，把把它它加加在在激激发发电电压压、熄熄灯灯电电压压均均为为84V的的霓霓虹虹灯灯的的两两端端，求在半个周期内霓虹灯点亮的时间求在半个周期内霓虹灯点亮的时间.交流电的图象交流电的图象设设交交变变电电压压的的周周期期T=0.02s，电电 压压 的的 最最 大大 值值Um=120V=168V.为为便便于于求求解解，作作交交变变电电压的压的u-t图象如图所图象如图所示，当电压高于示，当电压高于84V时霓虹灯才发光，由图象时霓虹灯才发光，由图象易知，半个周期内灯管点亮的时间为易知，半个周期内灯管点亮的时间为t=t2-t1.因因84=168sint,sint=sin2ft=所以所以得得则则本本题题采采用用图图象象辅辅助助的的方方法法使使解解题题过过程程流流畅畅，思思维维清清晰晰.需需注注意意的的是是，不不管管是是在在霓霓虹虹灯灯上上加加正正向向电电压压还还是是反反向向电电压压，只只要要电电压压瞬瞬时时值值超超过过其其激激发发电电压压，霓霓虹虹被被点点亮亮，所所以以在在交交流流电电变变化化的的一一个个周周期期内内，霓虹灯被点亮两次霓虹灯被点亮两次.主主题题(3)(3)关关注注交交变变电电流流在在生生活活中中的的应应用用，学会处理交流电的应用问题学会处理交流电的应用问题（单单选选）一一只只电电饭饭煲煲和和一一台台洗洗衣衣机机同同时时并并联联接接入入U=311sin314tV的的交交流流电电源源上上，均均正正常常工工作作.用用电电流流表表分分别别测测得得流流过过电电饭饭煲煲的的电电流流是是5A，流流过过洗洗衣衣机机的的电电流流是是0.5A，则则下下列说法中正确的是列说法中正确的是()A.电电饭饭煲煲的的电电阻阻为为44，洗洗衣衣机机电电动动机机线圈的电阻为线圈的电阻为440B.电电饭饭煲煲消消耗耗的的功功率率为为1555W，洗洗衣衣机机电动机消耗的功率为电动机消耗的功率为155.5WC.1分分钟钟内内电电饭饭煲煲消消耗耗的的电电能能为为6.6104J，洗衣机电动机消耗的电能为洗衣机电动机消耗的电能为6.6103JD.电电饭饭煲煲发发热热功功率率是是洗洗衣衣机机电电动动机机发发热热功功率的率的10倍倍交流电结合电路知识交流电结合电路知识由由U=311sin314tV知知，电电源源电电压压的的有有效效值值220V.电电饭饭煲煲是是纯纯电电阻阻器器件件，遵遵循循欧欧姆姆定定律律，但但洗洗衣衣机机中中有有电电动动机机存存在在，因因此此不不遵遵循循欧欧姆定律姆定律.C虽虽然然电电饭饭煲煲和和洗洗衣衣机机是是并并联联在在电电路路中中的的，但但由由于于两两个个用用电电器器的的性性质质上上的的差差异异，因因此此，不不能能根根据据相相同同的的规规律律来来进进行行计计算算，在在实实际际应用中，特别要注意这种差异应用中，特别要注意这种差异.要注意区分纯电阻电路和非纯电阻电路要注意区分纯电阻电路和非纯电阻电路.有有一一正正弦弦交交流流电电源源，电电压压有有效效值值U=120V，频频率率为为f=50Hz向向一一霓霓虹虹灯灯供供电电，若若霓霓虹虹灯灯的的激激发发电电压压和和熄熄灭灭电电压压均均为为U0=60V，试试估估算算在在一一个个小小时时内内，霓霓虹虹灯灯发发光光时时间间有有多多长长？为什么人眼不能感到这种忽明忽暗的现象？为什么人眼不能感到这种忽明忽暗的现象？由由正正弦弦交交流流电电的的最最大大值值与与有有效效值值U的关系得：的关系得：Um=120 V设设t=0时时交交流流电电的的瞬瞬时时电电压压U=0，则则交交流流电电的瞬时表达式为的瞬时表达式为U=120 sin100tV如如图图所所示示，画画出出一一个个周周期期内内交交流流电电的的U-t图图象象，其其中中阴阴影影部部分分对对应应的的时时间间t1表表示示霓霓虹虹灯灯不不能能发发光光的的时时间间，根根据据对对称称性性，一一个个周周期期内内霓霓虹虹灯灯不不能能发发光的时间为光的时间为4t1，当当U=U0=60 V时，由上式得时，由上式得t1=1/600s，再由对称性求得一个周期内能发光的时间：再由对称性求得一个周期内能发光的时间：再再由由比比例例关关系系求求得得一一小小时时内内霓霓虹虹灯灯发发光光的时间为：的时间为：很很明明显显霓霓虹虹灯灯在在工工作作过过程程中中是是忽忽明明忽忽暗暗的的，而而熄熄灭灭的的时时间间只只有有1/300s(如如图图t2时时刻刻到到t3时时刻刻)由由于于人人的的眼眼睛睛具具有有视视觉觉暂暂留留现现象象，而而这这个个视视觉觉暂暂留留时时间间约约为为1/16s远远大大于于1/300s，因因此此经经过过灯灯光光刺刺激激的的人人眼眼不不会会因因为为短短暂暂的的熄熄灭灭而有所感觉而有所感觉.主主题题(4)(4)正正确确理理解解交交流流电电有有效效值值的的意意义义，会会利利用能量守恒计算有效值用能量守恒计算有效值图图11-1-2(单选单选)两只阻值相两只阻值相等的电阻分别通以正弦交等的电阻分别通以正弦交流电与方形交流电，它们流电与方形交流电，它们电流的最大值相等，如图电流的最大值相等，如图11-1-2所示，则两只电阻的所示，则两只电阻的热功率之比是热功率之比是()A.1 4 B.1 C.1 2 D.1 1B交流电的有效值交流电的有效值正正弦弦交交流流电电的的有有效效值值为为，则则电阻在一周期内产生的热量为电阻在一周期内产生的热量为电电阻阻在在通通以以方方形形交交流流电电一一周周期期内内产产生生的的热量热量易知两只电阻的热功率之比为易知两只电阻的热功率之比为1 2.若若不不是是正正弦弦交交流流电电则则应应特特别别小小心心应该使用能量守恒计算有效值应该使用能量守恒计算有效值.区区分分正正弦弦交交流流电电和和非非正正弦弦交交流流电电的的有有效效值计算值计算.图图11-1-3中中是是某某一一交交流流电电电电流流随随时时间间变变化化的的图图象象，此此交交流流电电的的有效值是有效值是_.图图11-1-3 周期为周期为0.03s,前前T内的有效值为内的有效值为后后T内的有效值为内的有效值为5 A所以所以I=5A.主主题题(5)(5)利利用用力力学学和和电电学学的的规规律律，正正确确解解答答交交流流电电的的综合问题综合问题交交流流发发电电机机转转子子有有n匝匝线线圈圈，每每匝匝线线圈圈所所围围面面积积为为S，匀匀强强磁磁场场的的磁磁感感应应强强度度为为B，匀速转动的角速度为，匀速转动的角速度为图图11-1-4，线圈内电阻为，线圈内电阻为r，外电路电阻为，外电路电阻为R.当线圈当线圈由图由图11-1-4中实线位置匀速转动中实线位置匀速转动90到达虚线到达虚线位置过程中，求：位置过程中，求：(1)通过通过R的电荷量的电荷量q为多少？为多少？(2)R上产生电热上产生电热QR为多少？为多少？(3)外力做的功外力做的功W为多少？为多少？力学和电学的综合解析能力力学和电学的综合解析能力(1)由由电电流流的的定定义义，计计算算电电荷荷量量应应该用平均值：即该用平均值：即这这里里电电流流和和电电动动势势都都必必须须要要用用平平均均值，不能用有效值、最大值或瞬时值值，不能用有效值、最大值或瞬时值.(2)求求电电热热应应该该用用有有效效值值，先先求求总总电电热热Q，再按照内外电阻之比求再按照内外电阻之比求R上产生的电热上产生的电热QR.(3)根根据据能能量量守守恒恒，外外力力做做功功的的过过程程是是机机械械能能向向电电能能转转化化的的过过程程，电电流流通通过过电电阻阻，又又将将电能转化为内能，即放出电热电能转化为内能，即放出电热.因此因此(2)、(3)问问的的电电流流必必须须要要用用有有效效值值，不不能能用用平平均均值值、最最大大值值或或瞬瞬时时值值.一一定定要要学学会会用用能量转化和守恒定律来分析功和能能量转化和守恒定律来分析功和能.平平行行金金属属板板A、B两两板板相相距距为为d,如如图图11-1-5(a)所所示示，板板间间加加有有如如图图(b)所所示示的的随随时时间间变变化化的的电电压压U，U0和和T已已知知，-Ux未未知知，A板板上上O处处有有一一质质量量为为m、电电荷荷量量为为q的的静静止止带带电电粒粒子子(重重力力不不计计),在在t=0时时刻刻受受板板间间电电压压U0加加速速向向B板板运动，则运动，则图图11-1-5(1)为为使使t=T时时粒粒子子恰恰好好能能回回到到O点点，Ux应满足什么条件？回到应满足什么条件？回到O点时的动能多大？点时的动能多大？(2)满满足足上上述述带带电电粒粒子子运运动动情情况况,U0的的取取值范围如何？值范围如何？(1)要使要使t=T时粒子恰好能回到时粒子恰好能回到O点，点，则一个周期内的位移则一个周期内的位移为为0,画出画出v-t图线如图所图线如图所示示:由由得得v2=-2v1所以加速度大小之比所以加速度大小之比a2/a1=3又因为又因为a=qU/md,所以所以Ux/U0=3(2)由由比比例例关关系系从从图图线线可可求求出出t1的的值值为为t1=2T/3要要满满足足上上述述带带电电粒粒子子运运动动情情况况,必必须须在在0t1内的位移小于内的位移小于d，即，即dv1t1/2=v1T/3=qU0T26md所以所以U06md2qT2