2020版高考物理一轮复习 第十一章 交变电流（第1课时）课件

第十一章交变电流返回导航考点内容要求2015～2018年全＋国课标卷考点考次统2016年Ⅲ卷21题交变电流、交变电流的图像Ⅰ正弦交变电流的函数表达式、峰值和有效值Ⅰ2018年Ⅲ卷16题理想变压器Ⅱ2016年Ⅰ卷16题Ⅲ卷19题2015年Ⅰ卷16题远距离输电Ⅰ实验十二传感器的使用2018年Ⅰ卷23题2016年Ⅰ卷23题返回导航说明(1)不要求讨论交变电流的相位和相位差的问题．(2)只限于单相理想变压器.命题特点1.高考对本专题的内容的考查主要通过交变电流的图像考查交变电流的四值、变压器等问题，难度不大．2．变压器和远距离输电电路的动态分析及交流电路中加入特殊元件(如二极管、电容器、传感器等)综合考查电路知识成为热点.返回导航一、正弦式交变电流的产生1．线圈绕______________方向的轴匀速转动．2．两个特殊位置的特点(1)线圈平面与中性面重合时，S⊥B，Φ______，ΔΦΔt＝0，e＝0，i＝0，电流方向将____________．垂直于磁场最大发生改变返回导航(2)线圈平面与中性面垂直时，S∥B，Φ＝0，ΔΦΔt______，e最大，i最大，电流方向________．3．电流方向的改变：一个周期内线圈中电流的方向改变两次．4．交变电动势的最大值Em＝________，与转轴位置无关，与线圈形状无关．5．交变电动势随时间的变化规律：e＝______________．最大不改变nBSωnBSωsinωt返回导航二、描述交变电流的物理量1．周期和频率(1)周期T：交变电流完成一次周期性变化(线圈转动一周)所需的______，单位是秒(s)．表达式为T＝2πω＝1n(n为转速)．(2)频率f：交变电流在1s内完成____________的次数，单位是___________．(3)周期和频率的关系：T＝1f或f＝1T.时间周期性变化赫兹(Hz)返回导航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___________的值，是时间的函数．(2)峰值：交变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相同的电阻，如果它们在交变电流的一个周期内___________相等，则这个恒定电流I、恒定电压U就是这个交变电流的有效值．(4)正弦式交变电流的有效值与峰值之间的关系I＝Im2，U＝Um2，E＝Em2.(5)交变电流的平均值：E＝nΔΦΔt，I＝nΔΦ（R＋r）Δt.某一时刻最大值产生的热量返回导航考点一交变电流的产生及变化规律1．正弦式电流的变化规律(线圈在中性面位置开始计时)规律物理量函数图象磁通量Φ＝Φmcosωt＝BScosωt电动势e＝Emsinωt＝nBSωsinωt返回导航电压u＝Umsinωt＝REmR＋rsinωt电流i＝Imsinωt＝EmR＋rsinωt返回导航2.两个特殊位置的特点(1)线圈平面与中性面重合时，S⊥B，Φ最大，ΔΦΔt＝0，e＝0，i＝0，电流方向将发生改变．(2)线圈平面与中性面垂直时，S∥B，Φ＝0，ΔΦΔt最大，e最大，i最大，电流方向不改变．3．Em仅由N、B、S、ω四个量决定，与轴的具体位置和线圈的形状都是无关的．返回导航【例1】(2018海南卷)如图，在磁感应强度大小为B的匀强磁场中，有一面积为S的矩形单匝闭合导线abcd,ab边与磁场方向垂直，线框的电阻为R。使线框以恒定角速度绕过ad、bc中点的轴旋转。下列说法正确的是()A．线框abcd中感应电动势的最大值是B．线框abcd中感应电动势的有效值是C．线框平面与磁场方向平行时，流经线框的电流最大D．线框平面与磁场方向垂直时，流经线框的电流最大答案：AC返回导航【变式1】(多选)(2016·全国卷Ⅲ·21)如图，M为半圆形导线框，圆心为OM；N是圆心角为直角的扇形导线框，圆心为ON；两导线框在同一竖直面(纸面)内；两圆弧半径相等；过直线OMON的水平面上方有一匀强磁场，磁场方向垂直于纸面．现使线框M、N在t＝0时从图示位置开始，分别绕垂直于纸面且过OM和ON的轴，以相同的周期T逆时针匀速转动，则()A．两导线框中均会产生正弦交流电B．两导线框中感应电流的周期都等于TC．在t＝T8时，两导线框中产生的感应电动势相等D．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返回导航BC解析：两导线框进入磁场过程中，匀速转动切割磁感线产生感应电动势的大小不变，选项A错误；导线框的转动周期为T，则感应电流的周期也为T，选项B正确；在t＝T8时，切割磁感线的有效长度相同，两导线框中产生的感应电动势相等，选项C正确；M导线框中一直有感应电流，N导线框中只有一半时间内有感应电流，所以两导线框的电阻相等时，感应电流的有效值不相等，选项D错误．返回导航【变式2】(2018·合肥模拟)一单匝闭合线框在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的转轴匀速转动．在转动过程中，线框中的最大磁通量为Φm，最大感应电动势为Em，下列说法中正确的是()A．当磁通量为零时，感应电动势也为零B．当磁通量减小时，感应电动势也减小C．当磁通量等于0.5Φm时，感应电动势等于0.5EmD．角速度ω等于EmΦm返回导航D解析：根据正弦式交变电流的产生及其变化规律，当磁通量最大时，感应电动势为零；当磁通量减小时，感应电动势在增大，磁通量减为零时，感应电动势最大，由此可知A、B项错误；设从线框位于中性面开始计时，则有e＝Emsinωt，式中Em＝BSω，因Φm＝BS，故角速度ω＝EmΦm，D项正确；设e＝0.5Em，则解出ωt＝π6，此时Φ＝B·Scosπ6＝32BS＝32Φm，所以C项错误．返回导航考点二交变电流有效值的理解与计算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；返回导航(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2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．返回导航(3)利用两个公式Q＝I2Rt和Q＝U2Rt可分别求得电流有效值和电压有效值．(4)若图象部分是正弦(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I＝Im2、U＝Um2求解．返回导航【例2】(多选)如图所示，先后用不同的交流电源给同一盏灯泡供电．第一次灯泡两端的电压随时间按正弦规律变化，如图(甲)所示；第二次灯泡两端的电压变化规律如图(乙)所示．若图(甲)、(乙)中的U0，T所表示的电压、周期是相等的，则以下说法正确的是()A．第一次灯泡两端电压的有效值是22U0B．第二次灯泡两端电压的有效值是32U0C．第一次和第二次灯泡的电功率之比是2∶9D．第一次和第二次灯泡的电功率之比是1∶5返回导航〖思路探究〗(1)图(甲)与(乙)的电压有效值是否都等于最大值的22倍？答案：图(甲)的等于，因为它是按照正弦规律变化的．(乙)不是正弦式交变电流，不满足U＝Um2关系．(2)依据什么来计算(乙)电压的有效值？答案：根据有效值的定义，(乙)电压的发热效果可分段进行求解，选定一个周期内，看(乙)电压的发热与多大的恒定电压发热等效，此恒定电压值即为有效值．返回导航AD解析：第一次所加正弦式交流电压的有效值为U1＝U02＝22U0；设第二次所加交流电压的有效值为U2，则根据有效值的定义有U22RT＝（2U0）2R·T2＋U20R·T2，解得U2＝102U0；根据电功率的定义式P＝U2R可知，P1∶P2＝1∶5.返回导航【变式3】(2018全国3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u0，周期为T，如图所示。则Q方：Q正等于()A．1：2B.2：1C．1：2D．2：1答案：D返回导航【变式4】如图所示的区域内有垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B.电阻为R、半径为L、圆心角为45°的扇形闭合导线框绕垂直于纸面的O轴以角速度ω匀速转动(O轴位于磁场边界)．则线框内产生的感应电流的有效值为()A.BL2ω2RB.2BL2ω2RC.2BL2ω4RD.BL2ω4R返回导航D解析：线框转动的角速度为ω，进磁场的过程用时18T，出磁场的过程用时18T，进、出磁场时产生的感应电流大小均为I′＝12BL2ωR，则转动一周产生的感应电流的有效值I满足I2RT＝(12BL2ωR)2R×14T，解得I＝BL2ω4R.返回导航拓展点含二极管的交流电有效值的求解【例3】如图所示电路，电阻R1与电阻R2串联接在交变电源上，且R1＝R2＝10Ω，正弦交流电的表达式为u＝202sin100πt(V)，R1和理想二极管D(正向电阻可看做零，反向电阻可看做无穷大)并联，则R2上的电功率为()A．10WB．15WC．25WD．30W返回导航C解析：由题图可知，当A端输出电流为正时，R1被短路，则此时R2上电压有效值为：U2＝Um2＝20V，当B端输出电流为正时，R1、R2串联，则R2两端电压有效值为U2′＝U22＝10V，在一个周期内R2两端的电压有效值为U，则U22R2×T2＋U22R2×T2＝U2R2×T，解得：U＝510V，则有：P2′＝U2R2＝25010W＝25W.返回导航【变式5】在如图甲所示的电路中，D为理想二极管(正向电阻为零，反向电阻为无穷大)．R1＝30Ω，R2＝60Ω，R3＝10Ω.在MN间加上如图乙所示的交变电压时，R3两端电压表的读数大约是()A．3VB．3.5VC．4VD．5V答案：B返回导航考点三交变电流“四值”的理解和应用交变电流的瞬时值、峰值、有效值和平均值的比较物理量物理含义重要关系应用及说明瞬时值交变电流某一时刻的值从中性面开始计时e＝Emsinωti＝Imsinωt计算线圈某时刻的受力情况峰值最大的瞬Em＝nBSω，讨论电容器返回导航有效值跟交变电流的热效应等效的恒定电流的值E＝Em2U＝Um2I＝Im2(只适用于正弦式交变电流)(1)计算与电流的热效应有关的量(如电功、电功率、电热等)(2)保险丝的熔断电流为有效值返回导航平均值某段时间内感应电动势或电流的平均值E＝BLvE＝nΔΦΔtI＝ER＋r计算通过电路截面的电荷量返回导航【例4】如图甲所示，一固定的矩形导体线圈水平放置，线圈的两端接一只小灯泡，在线圈所在空间内存在着与线圈平面垂直的均匀分布的磁场．已知线圈的匝数n＝100匝，总电阻r＝1.0Ω，所围成矩形的面积S＝0.040m2，小灯泡的电阻R＝9.0Ω，磁感应强度随时间按如图乙所示的规律变化，线圈中产生的感应电动势瞬时值的表达式为e＝nBmS2πTcos2πTt，其中Bm为磁感应强度的最大值，T为磁场变化的周期，不计灯丝电阻随温度的变化，求：返回导航(1)线圈中产生感应电动势的最大值；(2)小灯泡消耗的电功率．返回导航解析：(1)由图象知，线圈中产生的交变电流的周期T＝3.14×10－2s，所以Em＝nBmSω＝2πnBmST＝8.0V.(2)电流的最大值Im＝EmR＋r＝0.80A，有效值I＝Im2＝225A，小灯泡消耗的电功率P＝I2R＝2.88W.答案：(1)8.0V(2)2.88W返回导航【变式6】(2018·东北三省四市模拟)如图所示，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