物理第十一章 交变电流（第1课时）交变电流的产生和描述.ppt

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1、第十一章交变电流第十一章交变电流统计考情统计考情有的放矢有的放矢 明考情明考情考点内容考点内容全国新全国新课标课标卷命卷命题实题实况况课课时时考点考点名称名称201120112012201220132013201420142015201520162016卷卷卷卷卷卷卷卷卷卷卷卷卷卷卷卷卷卷交交变变电电流流的的产产生生和和描描述述交交变电变电流流的的产产生及生及变变化化规规律律T21T21有效有效值值的的理解与理解与计计算算T21T21交交变电变电流流“四四值值”的理的理解和解和应应用用变变压压器器电电能能的的输输送送理想理想变压变压器的原理器的原理和基本和基本关系关系T17T17T17T17T

2、21T21理想理想变压变压器的器的动态动态分析分析远远距离距离输电输电原原线线圈圈电电路中含有路中含有用用电电器的器的变压变压器器问题问题T16T16T16T16T19T19传传感器的感器的简单简单使用使用高高频频考考点点解解读读1.1.变压变压器的考器的考查查:重要考重要考查查形式是形式是选择题选择题,考考查查内容是理想内容是理想变压变压器的原理、理想器的原理、理想变压变压器器的基本关系式的基本关系式,多以多以实际问题实际问题的形式呈的形式呈现现.复复习时应习时应理清各个基本概念理清各个基本概念,熟熟记记各公式及适用条件各公式及适用条件,提高解决与提高解决与实际实际生活、生生活、生产产科技相

3、科技相结结合的合的实实际问题际问题的能力的能力.2.2.近几年高考近几年高考对变压对变压器的考器的考查查呈呈现现两种两种趋势趋势:(1)(1)突出了突出了对对原原线线圈上存在用圈上存在用电电器的考器的考查查,如如2015,20162015,2016年的高考年的高考题题.(2)(2)对对于特殊情况下的于特殊情况下的变压变压器的考器的考查查,如自耦如自耦变压变压器、与二极管相器、与二极管相连连的的变压变压器、与器、与电电容器相容器相连连的的变压变压器器.要抓住其要抓住其电压电压关系和特殊元件关系和特殊元件对对交交变电变电流的作用流的作用,从功率关系、有效从功率关系、有效值值的的计计算等方面算等方面

4、进进行突破行突破,是解是解题题的的关关键键.第第1 1课时交变电流的产生和描述课时交变电流的产生和描述回扣教材回扣教材考点扫描考点扫描回扣教材回扣教材梳理知识梳理知识 夯基础夯基础知识整合知识整合一、正弦式交变电流的产生一、正弦式交变电流的产生1.1.线圈绕线圈绕 方向的轴匀速转动方向的轴匀速转动.2.2.两个特殊位置的特点两个特殊位置的特点(1)(1)线圈平面与中性面重合时线圈平面与中性面重合时,SB,SB,=0,e=0,i=0,=0,e=0,i=0,电流方向电流方向将将 .(2)(2)线圈平面与中性面垂直时线圈平面与中性面垂直时,SB,=0,SB,=0,e,e最大最大,i,i最大最大,电流

5、电流方向方向 .3.3.电流方向的改变电流方向的改变:一个周期内线圈中电流的方向改变一个周期内线圈中电流的方向改变 次次.4.4.交变电动势的最大值交变电动势的最大值E Em m=,与转轴位置无关与转轴位置无关,与线圈形状无关与线圈形状无关.5.5.交变电动势随时间的变化规律交变电动势随时间的变化规律e=e=.垂直于磁场垂直于磁场最大最大发生改变发生改变最大最大不改变不改变两两nBSnBSnBSsinnBSsin tt二、描述交变电流的物理量二、描述交变电流的物理量1.1.周期和频率周期和频率(2)(2)频率频率f:f:交变电流在交变电流在1 s1 s内完成内完成 的次数的次数,单位是单位是

6、.2.2.交变电流的瞬时值、峰值、有效值和平均值交变电流的瞬时值、峰值、有效值和平均值(1)(1)瞬时值瞬时值:交变电流交变电流 的值的值,是时间的函数是时间的函数.(2)(2)峰值峰值:交变电流或电压所能达到的交变电流或电压所能达到的 .时间时间 周期性变化周期性变化赫兹赫兹(Hz)(Hz)某一时刻某一时刻最大值最大值(3)(3)有效值有效值:让交变电流与恒定电流分别通过相同的电阻让交变电流与恒定电流分别通过相同的电阻,如果在交变电流如果在交变电流的一个周期内它们的一个周期内它们 相等相等,则这个恒定电流则这个恒定电流I I、恒定电压、恒定电压U U就是这个交变电流的有效值就是这个交变电流的

7、有效值.产生的热量产生的热量问题思考问题思考1.1.如图所示是交流发电机的示意图如图所示是交流发电机的示意图,线圈的匝数为线圈的匝数为N,N,线圈的面积为线圈的面积为S,S,线线圈匀速转动的角速度为圈匀速转动的角速度为,匀强磁场的磁感应强度为匀强磁场的磁感应强度为B.B.选修选修3 3-2P2P3232图图5.15.1-3 3(1)(1)当线圈转到什么位置时线圈的磁通量最大当线圈转到什么位置时线圈的磁通量最大?此时线圈中的磁通量的变化率为多此时线圈中的磁通量的变化率为多大大?线圈中的感应电流为多大线圈中的感应电流为多大?(2)(2)当线圈转到什么位置时线圈中的感应电动势最大当线圈转到什么位置时

8、线圈中的感应电动势最大?最大感应电动势最大感应电动势E Em m为多少为多少?感应电动势的有效值为多少感应电动势的有效值为多少?(3)(3)若从甲位置开始计时若从甲位置开始计时,线圈中产生的电动势线圈中产生的电动势e e随时间变化规律的表达式是怎样随时间变化规律的表达式是怎样的的?交变电流的周期交变电流的周期T T是多少是多少?解析解析:(1)(1)当线圈转到甲、丙位置时当线圈转到甲、丙位置时,线圈的磁通量最大线圈的磁通量最大;此时线圈中的磁此时线圈中的磁通量的变化率为通量的变化率为0;0;线圈中的感应电流为线圈中的感应电流为0.0.2.2.如图所示是通过一个如图所示是通过一个R=1 R=1

9、的电阻的电流的电阻的电流i i随时间变化的曲线随时间变化的曲线.选修选修3 3-2P2P3535图图5.25.2-2 2(1)(1)通电通电1 s1 s内电阻内电阻R R中产生的热量中产生的热量Q Q为多少为多少?(2)(2)这个电流的有效值这个电流的有效值I I是多少是多少?答案答案:(1)2.8 J(1)2.8 J(2)1.67 A(2)1.67 A考点扫描考点扫描重点透析重点透析 通热点通热点考点一交变电流的产生及变化规律考点一交变电流的产生及变化规律要点透析要点透析1.1.正弦式交变电流的产生正弦式交变电流的产生(1)(1)线圈绕垂直于磁场方向的轴匀速转动线圈绕垂直于磁场方向的轴匀速转

10、动.(3)(3)电流方向的改变电流方向的改变:线圈通过中性面时线圈通过中性面时,电流方向发生改变电流方向发生改变,一个周期内一个周期内线圈两次通过中性面线圈两次通过中性面,因此电流的方向改变两次因此电流的方向改变两次.(4)(4)交变电动势的最大值交变电动势的最大值EmEm=nBSnBS,与转轴位置无关与转轴位置无关,与线圈形状无关与线圈形状无关.2.2.正弦式交变电流的变化规律正弦式交变电流的变化规律(线圈在中性面位置开始计时线圈在中性面位置开始计时)典例突破典例突破【例例1 1】(20162016广东揭阳模拟广东揭阳模拟)在磁场区域中有一粗细均匀的正方形导在磁场区域中有一粗细均匀的正方形导

11、体线框体线框abcdabcd,线框平面与磁场方向垂直线框平面与磁场方向垂直,其中左、右两边的匀强磁场以其中左、右两边的匀强磁场以abab为分界线为分界线,磁感应强度大小均为磁感应强度大小均为B,B,方向分别垂直纸面向里、向外方向分别垂直纸面向里、向外.现使线现使线框以框以abab边为转轴匀速转动边为转轴匀速转动,转动方向如图所示转动方向如图所示,规定规定abcdaabcda方向为电流的正方向为电流的正方向方向,并以图示位置为计时起点并以图示位置为计时起点,则下列图像中能正确表示线框中的感应则下列图像中能正确表示线框中的感应电流电流i i和和abab两端电压两端电压U Uabab随时间变化的是随

12、时间变化的是()核心点拨核心点拨(1)(1)线圈在匀强磁场中旋转线圈在匀强磁场中旋转,具备了产生正弦式交变电流的具备了产生正弦式交变电流的条件条件.(2)(2)由于转轴两侧的磁场等大反向由于转轴两侧的磁场等大反向,因此不是一个完整的正弦式交变电流因此不是一个完整的正弦式交变电流,需要在其转折点需要在其转折点 时刻进行判断时刻进行判断.解析解析:设设cdcd边长为边长为L,L,转动角速度为转动角速度为,则产生的感应电动势的表达式为则产生的感应电动势的表达式为e=BLe=BL2 2sin sin tt,当转过当转过 时时,产生的感应电动势的表达式为产生的感应电动势的表达式为e=BLe=BL2 2c

13、os cos tt,根据右手定则可知电流方向与开始相反根据右手定则可知电流方向与开始相反,电压和电流与时间的关系电压和电流与时间的关系类似类似,因此选项因此选项A,B,DA,B,D错误错误,C,C正确正确.答案答案:C C题后反思题后反思 正弦式交变电流产生过程的分析与判断正弦式交变电流产生过程的分析与判断利用特殊点进行判断利用特殊点进行判断,抓住特殊位置分析抓住特殊位置分析,中性面的特点中性面的特点:线圈平面与磁线圈平面与磁场垂直、磁通量最大、磁通量的变化率为零场垂直、磁通量最大、磁通量的变化率为零(感应电动势、感应电流为感应电动势、感应电流为零零););与中性面垂直的位置与中性面垂直的位置

14、:线圈平面与磁场平行、磁通量为零、磁通量线圈平面与磁场平行、磁通量为零、磁通量的变化率最大的变化率最大(感应电动势、感应电流最大感应电动势、感应电流最大),),结合题目给出的转动方向结合题目给出的转动方向和规定的电流正方向进行分析判断和规定的电流正方向进行分析判断.1.1.交变电流的产生交变电流的产生(20162016全国全国卷卷,21,21)()(多选多选)如图如图,M,M为半圆形导线为半圆形导线框框,圆心为圆心为O OM M;N;N是圆心角为直角的扇形导线框是圆心角为直角的扇形导线框,圆心为圆心为O ON N;两导线框在同一两导线框在同一竖直面竖直面(纸面纸面)内内;两圆弧半径相等两圆弧半

15、径相等;过直线过直线O OM MO ON N的水平面上方有一匀强磁的水平面上方有一匀强磁场场,磁场方向垂直于纸面磁场方向垂直于纸面.现使线框现使线框M,NM,N在在t=0t=0时从图示位置开始时从图示位置开始,分别绕分别绕垂直于纸面、且过垂直于纸面、且过O OM M和和O ON N的轴的轴,以相同的周期以相同的周期T T逆时针匀速转动逆时针匀速转动,则则()A.A.两导线框中均会产生正弦交流电两导线框中均会产生正弦交流电B.B.两导线框中感应电流的周期都等于两导线框中感应电流的周期都等于T TC.C.在在t=t=时时,两导线框中产生的感应电动势相等两导线框中产生的感应电动势相等D.D.两导线框

16、的电阻相等时两导线框的电阻相等时,两导线框中感应电流的有效值也相等两导线框中感应电流的有效值也相等即时巩固即时巩固BC BC 2.2.交变电流的图像交变电流的图像 有一个小型发电机有一个小型发电机,机内的矩形线圈匝数为机内的矩形线圈匝数为5050匝匝,电电阻为阻为5.5.线圈在匀强磁场中线圈在匀强磁场中,以恒定的角速度绕垂直于磁场方向的固定以恒定的角速度绕垂直于磁场方向的固定轴转动轴转动.穿过每匝线圈的磁通量穿过每匝线圈的磁通量随时间的变化规律如图所示随时间的变化规律如图所示.由此可知由此可知发电机电动势瞬时值表达式为发电机电动势瞬时值表达式为()A.e=31.4sin 50A.e=31.4s

17、in 50t(V)t(V)B.e=31.4cos 50B.e=31.4cos 50t(V)t(V)C.e=157cos 100C.e=157cos 100t(V)t(V)D.e=157sin 100D.e=157sin 100t(V)t(V)C C 3.3.导学号导学号 00622738 00622738 交变电流的产生及变化规律交变电流的产生及变化规律 如图如图(甲甲)所示所示,一矩形一矩形线圈线圈abcdabcd放置在匀强磁场中放置在匀强磁场中,并绕过并绕过ab,cdab,cd中点的轴中点的轴OOOO以角速度以角速度逆时逆时针匀速转动针匀速转动.若以线圈平面与磁场夹角若以线圈平面与磁场夹角

18、=45=45时如图时如图(乙乙)为计时起点为计时起点,并并规定当电流自规定当电流自a a流向流向b b时电流方向为正时电流方向为正.则图则图(丙丙)中正确的是中正确的是()D D 考点二有效值的理解与计算考点二有效值的理解与计算要点透析要点透析1.1.交变电流的有效值是根据电流的热效应来定义的交变电流的有效值是根据电流的热效应来定义的,利用有效值的定利用有效值的定义计算义计算(非正弦式交变电流非正弦式交变电流)时时“相同时间相同时间”至少取一个周期或周期的至少取一个周期或周期的整数倍整数倍.3.3.交变电流的有效值是交变电流的默认值交变电流的有效值是交变电流的默认值,在没有特殊说明的情况下在没

19、有特殊说明的情况下均指有效值均指有效值,交流用电器的额定值、交流电表的测量值、计算电功和交流用电器的额定值、交流电表的测量值、计算电功和电热时均是有效值电热时均是有效值.典例突破典例突破【例例2 2】(20162016山东烟台质检山东烟台质检)如图所示如图所示,图图(甲甲)和图和图(乙乙)分别表示正弦分别表示正弦脉冲波和方波的交变电流与时间的变化关系脉冲波和方波的交变电流与时间的变化关系.若使这两种电流分别通过若使这两种电流分别通过两个完全相同的电阻两个完全相同的电阻,则经过则经过1 min1 min的时间的时间,两电阻消耗的电功之比两电阻消耗的电功之比W W甲甲W W乙乙为为()A.1A.1

20、 B.125B.125C.13C.13 D.175 D.175核核心心点点拨拨 (1)(1)由由公公式式W=IW=I2 2RtRt求求电电功功,其其中中I I为为有有效效值值.(2).(2)利利用用有有效效值值的定义的定义,取一个周期分别求其有效值取一个周期分别求其有效值,图图(甲甲)中一个周期为中一个周期为610610-2-2 s.s.答案答案:D D 题后反思题后反思 交变电流有效值的求解交变电流有效值的求解等效是有条件的等效是有条件的,交变电流的有效值是根据电流的热效应规定的交变电流的有效值是根据电流的热效应规定的.对于非对于非正弦式交变电流正弦式交变电流,在计算其有效值时在计算其有效值

21、时,一定要根据有效值的定义求解一定要根据有效值的定义求解,对于对于各种复杂的交变电流在一个周期产生的热量可采用分段求和的方法各种复杂的交变电流在一个周期产生的热量可采用分段求和的方法,没有没有电流的时间段电流的时间段,也要记入总时间内也要记入总时间内.即时巩固即时巩固1.1.有效值的理解有效值的理解(20162016黄冈模拟黄冈模拟)匀强磁场中有一长方形闭合导线框匀强磁场中有一长方形闭合导线框,分别以相同的角速度绕下列四个图所示的固定轴旋转分别以相同的角速度绕下列四个图所示的固定轴旋转,用用I Ia a,I,Ib b,I,Ic c,I,Id d表示表示四种情况下线框中电流的有效值四种情况下线框

22、中电流的有效值,则则()A.IA.Ia aIId d B.IB.Ia a I Ib bC.IC.Ib b I Ic c D.ID.Ic c=I=Id dD D 解析解析:由于四个图中的转轴都垂直于磁场由于四个图中的转轴都垂直于磁场,均产生正弦式交变电流均产生正弦式交变电流,由最由最大值的表达式大值的表达式E Em m=NBSNBS可知可知,它们的最大值相同它们的最大值相同,则它们产生的交变电流则它们产生的交变电流是完全相同的是完全相同的,即为即为e=e=E Em msinsin t,it,i=I Im msinsin tt,故它们的有效值为故它们的有效值为 相同相同,则选项则选项D D正确正确

23、.2.2.导学号导学号 00622739 00622739 有效值的计算有效值的计算 如图所示为一交流发电机的原理如图所示为一交流发电机的原理示意图示意图,其中矩形线圈其中矩形线圈abcdabcd的边长的边长abab=cdcd=L=L1 1,bc=ad=L,bc=ad=L2 2,匝数为匝数为n,n,线圈的总线圈的总电阻为电阻为r,r,线圈在磁感应强度为线圈在磁感应强度为B B的匀强磁场中绕垂直于磁场的的匀强磁场中绕垂直于磁场的OOOO轴匀速轴匀速转动转动,角速度为角速度为.线圈两端通过电刷线圈两端通过电刷e,fe,f与阻值为与阻值为R R的定值电阻连接的定值电阻连接,从线从线圈经过中性面开始计

24、时圈经过中性面开始计时,则则()A.A.线圈中感应电动势的有效值为线圈中感应电动势的有效值为BLBL1 1L L2 2B.B.线圈中感应电动势随时间变化的函数表达式为线圈中感应电动势随时间变化的函数表达式为e=nBLe=nBL1 1L L2 2cos cos ttD D 考点三交变电流考点三交变电流“四值四值”的理解和应用的理解和应用对交变电流对交变电流“四值四值”的比较和理解的比较和理解典例突破典例突破【例例3 3】(20162016江苏徐州质检江苏徐州质检)如图所示如图所示,线圈线圈abcdabcd的面积是的面积是0.05 m0.05 m2 2,共共100100匝匝,线圈电阻为线圈电阻为1

25、,1,外接电阻外接电阻R R为为9,9,匀强磁场的磁感应强度为匀强磁场的磁感应强度为B=B=T,T,当线圈以当线圈以300 r/min300 r/min的转速匀速旋转时的转速匀速旋转时,求求:(1)(1)若从线圈处于中性面开始计时若从线圈处于中性面开始计时,写出线圈中感应电动势的瞬时值表写出线圈中感应电动势的瞬时值表达式达式;(2)(2)线圈转过线圈转过 s s时电动势的瞬时值多大时电动势的瞬时值多大?(3)(3)电路中电路中,电压表和电流表的示数各是多少电压表和电流表的示数各是多少?(4)(4)从中性面开始计时从中性面开始计时,经经 s s通过电阻通过电阻R R的电荷量为多少的电荷量为多少?

26、核心点拨核心点拨 由磁场情况和线圈转动情况可确定瞬时值表达式由磁场情况和线圈转动情况可确定瞬时值表达式,电压表电压表和电流表的示数为电路中电压和电流的有效值和电流表的示数为电路中电压和电流的有效值,而电荷量的计算则需用而电荷量的计算则需用该时间内的平均值该时间内的平均值.题后反思题后反思 交变电流交变电流“四值四值”的理解的理解(1)(1)交流电路中交流电路中,铭牌上表示的是有效值铭牌上表示的是有效值;电表电表(电压表、电流表电压表、电流表)测量的测量的都是有效值都是有效值.(2)(2)电容器电容器(或二极管或二极管)所能承受的电压要高于交流电压的峰值所能承受的电压要高于交流电压的峰值,否则电

27、容否则电容器器(或二极管或二极管)就可能被击穿就可能被击穿.(3)(3)交流电路中交流电路中,欧姆定律、焦耳定律同样适用欧姆定律、焦耳定律同样适用.功率、电热计算使用有功率、电热计算使用有效值效值.(4)(4)电荷量的计算用平均值电荷量的计算用平均值.1.1.导学号导学号 00622740 00622740 交变电流交变电流“四值四值”的理解的理解(2016(2016安徽池州一模安徽池州一模)(多选多选)如图所示如图所示,ABCD,ABCD为一矩形导体框为一矩形导体框,处于匀强磁场中处于匀强磁场中,O,O1 1O O1 1与与O O2 2O O2 2为为ABCDABCD的两条对称轴的两条对称轴

28、,开始时开始时ABCDABCD所在平面与磁场垂直所在平面与磁场垂直,若让线框分别以若让线框分别以角速度角速度1 1,2 2绕绕O O1 1O O1 1,O,O2 2O O2 2匀速转动匀速转动,已知已知AB=CD=AB=CD=a,ADa,AD=BC=2a,=BC=2a,则下列则下列说法正确的是说法正确的是()BD BD 即时巩固即时巩固 2.2.交变电流交变电流“四值四值”的应用的应用(20162016大连质检大连质检)在匀强磁场中在匀强磁场中,一矩形金一矩形金属线圈绕与磁感线垂直的转轴匀速转动属线圈绕与磁感线垂直的转轴匀速转动,如图如图(甲甲)所示所示,产生的交变电动产生的交变电动势的图像如

29、图势的图像如图(乙乙)所示所示,则则()A.tA.t=0.005 s=0.005 s时线圈平面与磁场方向平行时线圈平面与磁场方向平行B.tB.t=0.010 s=0.010 s时线圈的磁通量变化率最大时线圈的磁通量变化率最大C.C.线圈产生的交变电动势频率为线圈产生的交变电动势频率为100 Hz100 HzD.D.线圈产生的交变电动势有效值为线圈产生的交变电动势有效值为311 V311 V解析解析:t=0.005 st=0.005 s时线圈平面与磁场方向平行时线圈平面与磁场方向平行,感应电动势最大感应电动势最大,选项选项A A正正确确;t=0.010 s;t=0.010 s时线圈的磁通量最大时线圈的磁通量最大,变化率最小变化率最小,选项选项B B错误错误;线圈产生线圈产生的交变电动势周期为的交变电动势周期为0.02 s,0.02 s,频率为频率为50 Hz,50 Hz,选项选项C C错误错误;线圈产生的交变线圈产生的交变电动势最大值为电动势最大值为311 V,311 V,选项选项D D错误错误.A A