2019-2020学年高中物理 第五章 交变电流 章末优化总结课件 新人教版选修3-2

章末优化总结01核心素养规律归纳02热点素养分类聚焦章末过关检测核心素养构建知识体系1.正弦式交变电流(1)产生：线圈绕垂直匀强磁场的轴匀速转动(2)表述图象：正弦函数曲线三角函数表达式(3)表征参量瞬时值：e＝Emsinωt或e＝Emcosωt峰值：Em＝NBSω有效值：E＝Em2，I＝Im2，U＝Um2周期：T频率：fT＝1f知识体系2.电阻、电感、电容对交变电流的阻碍作用(1)电阻：与交变电流的频率无关(2)电感：随线圈的自感系数和交变电流频率的增大而增大(3)电容：随电容器电容和交变电流频率的增大而减小3.理想变压器(1)原理：互感现象(2)规律电压与匝数关系：U1n1＝U2n2＝U3n3＝…电流与匝数关系只有一个副线圈：I1I2＝n2n1有多个副线圈：I1n1＝I2n2＋I3n3＋…功率关系：P入＝P出知识体系4.远距离输电(1)功率损失P损＝I2R＝(PU)2R(2)电压损失U损＝IR(3)高压输电原理：输电功率一定时，提高电压可使电流减小，从而减小功率损失和电压损失素养1交变电流“四值”的辨析及应用1．最大值：最大值是指交变电流在变化过程中电动势、电压、电流所能达到的最大值，它反映的是交变电流的变化范围．当线圈平面与磁感应强度B平行时，交变电流的电动势最大Em＝NBSω.N为线圈的匝数，S为线圈的面积，ω为线圈转动的角速度，Em的大小与线圈的形状及转轴的位置无关．在考虑电容器的耐压程度时，应注意交变电流电压的最大值．2．有效值：反映交变电流通过用电器把电能转化为其他形式能的本领强弱，是根据电流的热效应来规定的，即在同一时间内，能使同一电阻产生相等热量的直流电的数值，叫作该交流电的有效值．正弦式交变电流的有效值与最大值之间的关系是E＝Em2，U＝Um2，I＝Im2，各种交流电气设备的铭牌上标示的、交变电表所测量的以及在叙述中没有特别说明的数值，都是指交流电的有效值．在计算交变电流通过导体产生的热量、电功率以及确定电阻丝的熔断电流时，应用交变电流的有效值．3．瞬时值：瞬时值是指交变电流在变化过程中某一时刻的电压、电流的数值，它反映的是某一时刻交变电流某物理量的大小．当线圈平面处于中性面时开始计时，瞬时电动势的表达式为e＝Emsinωt.在求用电器某一时刻的电压、电流、消耗功率时常用瞬时值．4．平均值：交变电流的平均值是交变电流图象中图形与横轴所围面积跟时间的比值．求一段时间内通过导体横截面的电荷量时要用平均值，平均电动势E＝NΔΦΔt，平均电流I＝ER，通过导体横截面的电荷量q＝I·Δt＝NΔΦR.[典例1]如图所示为交流发电机示意图，矩形线圈的匝数N＝50匝，每匝线圈的边长lab＝0.4m，lbc＝0.2m，矩形线圈所在处的匀强磁场的磁感应强度B＝0.2T，线圈总电阻r＝1Ω，外接电阻R＝9Ω.线圈以n＝100πr/s的转速在磁场中匀速转动．求：(1)线圈中产生的感应电动势的最大值；(2)若线圈从通过中性面时开始计时，写出回路中电流随时间变化的关系式；(3)交流电压表和电流表的读数；(4)此交流发电机的总功率和输出功率．[解析](1)Em＝NBSω＝NBlablbcω＝50×0.2×0.4×0.2×100π×2πV＝160V.(2)ω＝2πn＝200rad/s，Im＝Emr＋R＝16A，i＝16sin200tA.(3)电流表的读数I＝12Im＝82A.电压表的读数U＝IR＝722V(4)发电机的总功率P＝IE，E＝12Em，所以P＝82×12×160W＝1280W.发电机的输出功率等于外电路电阻消耗的电功率．即PR＝IU＝82×722W＝1152W.[答案](1)160V(2)i＝16sin200tA(3)722V82A(4)1280W1152W1．某正弦交流发电机产生的电动势波形如图所示，已知该发电机线圈匝数n＝100匝，线圈面积为S＝0.1m2，线圈内阻为r＝1Ω，用一理想交流电压表接在发电机的两个输出端．由此可知()A．线圈在匀强磁场中转动的角速度为50πrad/sB．线圈所在处的磁感应强度是B＝1TC．交流电压表的读数为220VD．0～T4时间内交变电动势的平均值为E＝200V解析：由正弦交流发电机产生的电动势波形图可知，周期T＝0.02s，而T＝2πω，解得线圈在匀强磁场中转动的角速度为ω＝100πrad/s，选项A错误；由正弦交流发电机产生的电动势波形图可知，电动势最大值为Em＝314V，而Em＝nBSω，解得B＝0.1T，选项B错误；由于电压表是理想交流电压表，测量值等于交变电压的有效值，为U＝Um2＝Em2＝314×22V＝222V，选项C错误；由法拉第电磁感应定律，交变电压的平均值为E＝nΔΦΔt，0～T4时间内，磁通量变化量ΔΦ＝BS，所以E＝nBST4＝200V，选项D正确．答案：D素养2理想变压器的思想分析1．电压思路变压器原、副线圈的电压之比为U1U2＝n1n2；当变压器有多个副绕组时U1n1＝U2n2＝U3n3＝….2．功率思路理想变压器的输入、输出功率关系为P入＝P出，即P1＝P2；当变压器有多个副绕组时：P1＝P2＋P3＋….3．电流思路(方法上同功率思路)由I＝PU知，对只有一个副绕组的变压器有I1I2＝n2n1；当变压器有多个副绕组时：n1I1＝n2I2＋n3I3＋….4．制约思路(变压器动态问题)(1)电压制约：当变压器原、副线圈的匝数比n1n2一定时，输入电压U1决定输出电压U2，即U2＝n2U1n1.(2)电流制约：当变压器原、副线圈的匝数比n1n2一定，且输入电压U1确定时，副线圈中的电流I2决定原线圈中的电流I1，即I1＝n2I2n1.(3)负载制约①变压器副线圈中的电流I2由用户负载及电压U2决定，I2＝P2U2.②变压器副线圈中的功率P2由用户负载决定，P2＝P负1＋P负2＋….5．原理思路变压器原线圈中磁通量发生变化，铁芯中ΔΦΔt相等，即ΔΦ1Δt＝ΔΦ2Δt.此式适用于交流电或电压(电流)变化的直流电，但不适用于恒定电流．[典例2](多选)如图所示，T为理想变压器，A1、A2为理想交流电流表，V1、V2为理想交流电压表，R1、R2、R3为电阻，原线圈两端接电压一定的正弦式交变电流，当开关S闭合时，各交流电表的示数变化情况应是()A．电压表V1读数变小B．电压表V2读数变大C．电流表A1读数变大D．电流表A2读数变小[解析]理想变压器，开关S闭合时，V2示数不变，R总变小，A2示数变大，由电流关系知A1示数也变大，V1示数减小，B、D错误，故A、C正确．[答案]AC2．(多选)理想自耦变压器的原线圈接有如图乙所示的正弦式交变电压，副线圈接有可调电阻R，触头P与线圈始终接触良好，下列判断正确的是()A．交变电源的电压u随时间t变化的规律是u＝U0cos100πt(V)B．若仅将触头P向A端滑动，则电阻R消耗的电功率增大C．若仅使电阻R增大，则原线圈的输入电功率增大D．若使电阻R增大的同时，将触头P向B端滑动，则通过A处的电流一定增大解析：由题图乙可得交变电源的周期为T＝0.02s，最大值为U0，则电源的电压u＝U0cos(2πT·t)＝U0cos100πt(V)，选项A正确；由U1U2＝n1n2，若仅将触头P向A端滑动，即n2增大，则副线圈的输出电压U2增大，电阻R消耗的电功率P＝U22R增大，选项B正确；若仅使电阻R增大，则输出电压U2一定时，输出电功率P＝U22R减小，原线圈的输入电功率减小，选项C错误；若使电阻R增大的同时，将触头P向B端滑动，则输出电压U2减小，输出和输入的电功率减小，通过A处的电流I1＝PU1一定减小，选项D错误．答案：AB素养3远距离输电问题1．输电示意图(如图)远距离输电的示意图包括发电机、两台变压器、输电线等效电阻和用户电阻．可设两个变压器的原、副线圈的匝数分别为n1、n2、n3、n4，相应的电压、电流、功率也应该采用相应的符号来表示．2．正确理解几个基本关系(1)功率关系：P1＝P2，P2＝P损＋P3，P3＝P4.(2)电压关系：U1U2＝n1n2，U2＝U线＋U3，U3U4＝n3n4.(3)电流关系：I1I2＝n2n1，I2＝I线＝I3，I3I4＝n4n3.(4)输电电流：I线＝P2U2＝P3U3＝U线R线.(5)输电导线上损耗的电功率P损＝P2－P3＝I2线R线＝U2线R线＝U线I线．(6)输电导线上的电压损失U线＝I线·R线＝U2－U3.[典例3]某村在距村庄较远的地方修建了一座小型水电站，发电机输出功率为9kW，输出电压为500V，输电线的总电阻为10Ω，线路损耗的功率为输出功率的4%.求：(1)村民和村办小企业需要220V电压时，所用升压变压器和降压变压器的原、副线圈的匝数比各为多少？(不计变压器的损耗)(2)若不用变压器而由发电机直接输送，村民和村办小企业得到的电压和功率是多少？[解析]建立如图所示的远距离输电模型，要求变压器原、副线圈的匝数比，先要知道原、副线圈两端的电压之比．本题可以线路上损耗的功率为突破口，先求出输电线上的电流I线，再根据输出功率求出U2，然后再求出U3.(1)由线路损耗的功率P线＝I2线R线可得I线＝P线R线＝9000×4%10A＝6A，又因为P输出＝U2I线，所以U2＝P输出I线＝90006V＝1500V，U3＝U2－I线R线＝(1500－6×10)V＝1440V.根据理想变压器规律得n1n2＝U1U2＝500V1500V＝13，n3n4＝U3U4＝1440V220V＝7211.所以升压变压器和降压变压器原、副线圈的匝数比分别是1∶3和72∶11.(2)若不用变压器而由发电机直接输送(模型如图所示)，由P输出＝UI线′可得I线′＝P输出U＝9000500A＝18A，所以线路损耗的功率P线＝I线′2R线＝182×10W＝3240W，用户得到的电压U用户＝U－I线′R线＝(500－18×10)V＝320V.用户得到的功率P用户＝P输出－P线＝(9000－3240)W＝5760W.[答案](1)1∶372∶11(2)320V5760W3．图甲为某水电站的电能输送示意图，升压变压器原、副线圈匝数比为1∶15，降压变压器的副线圈接有负载R，升压、降压变压器之间的输电线路的总电阻为10Ω，变压器均为理想变压器，现在a、b两端输入如图乙所示的交流电压，输送功率为33kW.下列说法正确的是()A．输送的交变电流的周期为0.01sB．输电线中电流为150AC．降压变压器原线圈输入电压为3200VD．输电线上功率损失为500W解析：由题图乙所示的正弦式电压图象知周期T＝2×10－2s，选项A错误；升压变压器原线圈电压的有效值U1＝3112V＝220V，由U1U2＝n1n2得升压变压器副线圈的输出电压U2＝n2n1U1＝15×220V＝3300V，输电线中电流为I2＝PU2＝10A，选项B错误；输电线电压损失ΔU＝I2R线＝100V，降压变压器原线圈输入电压为U＝U2－ΔU＝3200V，选项C正确；输电线上功率损失为P损＝I22R线＝1000W，选项D错误．答案：C