（浙江选考）2021版高考物理一轮复习 第九章 电磁感应 交变电流 第3节 交变电流课件

第九章电磁感应交变电流第3节交变电流【基础梳理】大小方向周期性变化正弦式锯齿形正弦式交变电流一次周期性变化1s内T＝1f在某一时刻最大值在相同的时间内产生的热量相等平均值原线圈副线圈闭合铁芯互感P出＝P入U1U2＝n1n2n1I1＝n2I2＋n3I3＋…把高电压变成低电压把大电流变成小电流升压变压器降压变压器P－P′I2RΔU2RU－U′RPU【自我诊断】判一判(1)交变电流的主要特征是电流的方向随时间周期性变化．()(2)线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时，经过中性面时产生的感应电动势最大．()(3)交流电压表及交流电流表的读数均为瞬时值．()(4)变压器不但能改变交变电流的电压，还能改变交变电流的频率．()(5)理想变压器的基本关系式中，电压和电流可以均为有效值．()(6)在输送电压一定时，输送的电功率越大，输送过程中损失的功率越小．()√×××√×做一做(1)如图所示为一交变电流随时间变化的图象，此交流电的有效值是()A．52AB．5AC．3.52AD．3.5A(2)某理想变压器原、副线圈的匝数之比为1∶10，当输入电压增加20V时，输出电压()A．降低2VB．增加2VC．降低200VD．增加200V提示：(1)选B.选择一个周期(0.02s)的时间，根据交流电有效值的定义和焦耳定律，有：I2R×0.02s＝(42A)2R×0.01s＋(32A)2R×0.01s，解得：I＝5A，即B项正确．(2)选D.假设理想变压器原线圈的输入电压为U1，则由变压器的工作原理可知U1n1＝U2n2，变压器副线圈的输出电压为U2＝10U1；当输入电压增加20V时，即输入电压为(U1＋20)V，则变压器的输出电压为U′2＝10(U1＋20)V，则输出电压的变化量为ΔU＝U′2－U2＝(10U1＋200－10U1)V＝200V，即输出电压增加200V，A、B、C错误，D正确．交变电流的产生和描述【题组过关】1．(2020·湖州质检)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解析：选D.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．2．(2020·舟山模拟)如图甲所示，矩形线圈abcd在匀强磁场中逆时针匀速转动时，线圈中产生的交变电流如图乙所示，设沿abcda方向为电流正方向，则()A．乙图中Oa时间段对应甲图中A至B图的过程B．乙图中c时刻对应甲图中的C图C．若乙图中d等于0.02s，则1s内电流的方向改变了50次D．若乙图中b等于0.02s，则交流电的频率为50Hz解析：选A.由交变电流的产生原理可知，甲图中的A、C两图中线圈所在的平面为中性面，线圈在中性面时电流为零，再经过14个周期电流达到最大值，再由楞次定律判断出电流的方向，因此甲图中A至B图的过程电流为正，且从零逐渐增大到最大值，A正确；甲图中的C图对应的电流为零，B错误；每经过中性面一次线圈中的电流方向就要改变一次，所以一个周期内电流方向要改变两次，所以在乙图中对应Od段等于交变电流的一个周期，若已知d等于0.02s，则频率为50Hz，1s内电流的方向将改变100次，C错误；若乙图中b等于0.02s，则交流电的频率应该为25Hz，D错误．3．一只矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，穿过线圈的磁通量随时间变化的图象如图甲所示，则下列说法正确的是()A．t＝0时刻，线圈平面与中性面垂直B．t＝0.01s时刻，Φ的变化率最大C．t＝0.02s时刻，交流电动势达到最大D．该线圈产生的交流电动势的图象如图乙所示解析：选B.由Φ－t图知，t＝0时，Φ最大，即线圈处于中性面位置，此时e＝0，故A、D两项错误；由图知T＝0.04s，在t＝0.01s时，Φ＝0，ΔΦΔt最大，e最大，则B项正确；在t＝0.02s时，Φ最大，ΔΦΔt＝0，e＝0，则C项错误．1．两个特殊位置及其特点(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．2．正弦式交变电流的变化规律(线圈在中性面位置开始计时)函数图象磁通量Φ＝Φmcosωt＝BScosωt电动势e＝Emsinωt＝nBSωsinωt函数图象电压u＝Umsinωt＝REmR＋rsinωt电流i＝Imsinωt＝EmR＋rsinωt3.书写交变电流瞬时值表达式的基本思路(1)确定正弦式交变电流的峰值，根据已知图象读出或由公式Em＝nBSω求出相应峰值．(2)明确线圈的初始位置，找出对应的函数关系式①若线圈从中性面位置开始转动，则i－t图象为正弦函数图象，函数式为i＝Imsinωt.②若线圈从垂直中性面位置开始转动，则i－t图象为余弦函数图象，函数式为i＝Imcosωt.交变电流“四值”的应用【题组过关】1．小型手摇发电机线圈共N匝，每匝可简化为矩形线圈abcd，磁极间的磁场视为匀强磁场，方向垂直于线圈中心轴OO′，线圈绕OO′匀速转动，如图所示．矩形线圈ab边和cd边产生的感应电动势的最大值都为e0，不计线圈电阻，则发电机输出电压()A．峰值是e0B．峰值是2e0C．有效值是22Ne0D．有效值是2Ne0解析：选D.因每匝矩形线圈ab边和cd边产生的电动势的最大值都是e0，每匝中ab和cd串联，故每匝线圈产生的电动势的最大值为2e0.N匝线圈串联，整个线圈中感应电动势的最大值为2Ne0，因线圈中产生的是正弦交流电，则发电机输出电压的有效值E＝2Ne0，故选项D正确．2．(2020·宁波调研)小型交流发电机中，矩形金属线圈在匀强磁场中匀速转动，产生的感应电动势与时间呈正弦函数关系，如图所示．此线圈与一个R＝10Ω的电阻构成闭合电路，不计电路的其他电阻，下列说法正确的是()A．交变电流的周期为0.125sB．交变电流的频率为8HzC．交变电流的有效值为2AD．交变电流的最大值为4A解析：选C.由图象可知交变电流的周期T＝0.250s，频率f＝1T＝4Hz，故选项A、B错误；交变电流的有效值I＝Um2R＝202×10A＝2A，故选项C正确；交变电流的最大值Im＝UmR＝2010A＝2A，故选项D错误．3．(2020·湖州联考)一台小型发电机产生的电动势随时间变化的正弦规律图象如图甲所示．电路组成如图乙所示，已知发电机线圈内阻为5.0Ω，外接灯泡阻值为95.0Ω，灯泡正常发光，则()A．电压表V的示数为220VB．电路中的电流方向每秒钟改变50次C．灯泡消耗的功率为509WD．发电机线圈内阻每秒钟产生的焦耳热为24.2J解析：选D.电压表V的示数应为有效值，U＝Um2·RR＋r＝209V，A项错误；电路中的电流方向每秒钟改变100次，B项错误；P灯＝U2R＝459.8W，C项错误；发电机线圈内阻的发热功率为P′＝I2r＝(UR)2r＝24.2W，每秒生热24.2J，D项正确．交变电流的瞬时值、峰值、有效值、平均值的比较物理量物理含义重要关系适用情况及说明瞬时值交变电流某一时刻的值e＝Emsinωti＝Imsinωt计算线圈某时刻的受力情况峰值最大的瞬时值Em＝nBSωIm＝EmR＋r讨论电容器的击穿电压物理量物理含义重要关系适用情况及说明有效值跟交变电流的热效应等效的恒定电流值、电压值对正弦式交变电流有：E＝Em2U＝Um2I＝Im2(1)计算与电流的热效应有关的量(如功、功率、热量等)(2)电气设备“铭牌”上所标的一般是有效值(3)保险丝的熔断电流为有效值物理量物理含义重要关系适用情况及说明平均值交变电流图象中图线与时间轴所夹的面积与时间的比值E－＝nΔΦΔtI－＝E－R＋r计算通过电路截面的电荷量变压器的分析与计算【题组过关】1．如图，一理想变压器原、副线圈的匝数比为1∶2；副线圈电路中接有灯泡，灯泡的额定电压为220V，额定功率为22W；原线圈电路中接有电压表和电流表．现闭合开关，灯泡正常发光．若用U和I分别表示此时电压表和电流表的读数，则()A．U＝110V，I＝0.2AB．U＝110V，I＝0.05AC．U＝1102V，I＝0.2AD．U＝1102V，I＝0.22A解析：选A.直接求出副线圈中的电压、电流分别为：220V、0.1A．故原线圈中的电压、电流分别为110V、0.2A.2.(2020·金华质检)原、副线圈的匝数均可调节，原线圈两端接一正弦交变电流，为了使变压器输入功率增大，可以采取的措施有()A．只增加原线圈的匝数n1B．只减少副线圈的匝数n2C．只减少负载电阻R的阻值D．只增大负载电阻R的阻值解析：选C.由n1n2＝U1U2知，当n1增大时，U2减小，当减小n2时，U2也减小，又根据P入＝P出＝U22R知，A、B、D均错误，C正确．3．(2020·1月浙江选考)如图所示，甲乙两图中的理想变压器以不同的方式接在高压电路中．甲图中变压器原副线圈的匝数比为k1，电压表读数为U，乙图中变压器原副线圈的匝数比为k2，电流表读数为I.则甲图中高压线电压和乙图中高压线电流分别为()A．k1U，k2IB．k1U，Ik2C.Uk1，k2ID.Uk1，Ik2答案：B理想变压器中的相互作用关系(1)变压器基本关系中的U1、U2、I1、I2均为有效值．(2)利用U1U2＝n1n2时，U1必须是原线圈两端的电压，它不一定等于电源电压(当原线圈回路里串联电阻或灯泡时，U1小于电源电压)；U2是副线圈两端的电压，它是副线圈与用电器构成的回路的总电压，等于回路各部分电压之和．(3)对理想变压器，P入＝P出，P出为副线圈回路中消耗的总的电功率，变压器可以改变交变电压、电流，但不能改变功率，也不能改变交流电的频率．远距离输电【题组过关】1．在如图所示的远距离输电电路图中，升压变压器和降压变压器均为理想变压器，发电厂的输出电压和输电线的电阻均不变．随着发电厂输出功率的增大，下列说法中正确的有()A．升压变压器的输出电压增大B．降压变压器的输出电压增大C．输电线上损耗的功率减小D．输电线上损耗的功率占总功率的比例增大答案：D2．(多选)(2020·舟山质检)在远距离输电时，输送的电功率为P，输电电压为U，所用导线电阻率为ρ，横截面积为S，总长度为l，输电线损失的电功率为P′，用户得到的电功率为P用，则下列关系式中正确的是()A．P′＝U2SρlB．P′＝P2ρlU2SC．P用＝P－U2SρlD．P用＝P(1－PρlU2S)解析：选BD.输电线电阻R＝ρlS，输电电流I＝PU，故输电线上损失的电功率为P′＝I2R＝PU2ρlS＝P2ρlU2S，用户得到的电功率为P用＝P－P′＝P1－PρlU2S.远距离高压输电的几个基本关系(以图示为例)(1)功率关系：P1＝P2，P3＝P4，P2＝P损＋P3.(2)电压、电流关系：U1U2＝n1n2＝I2I1，U3U4＝n3n4＝I4I3U2＝ΔU＋U3，I2＝I3＝I线．(3)输电电流：I线＝P2U2＝P3U3＝U2－U3R线.(4)输电线上损耗的电功率：P损＝I线ΔU＝I2线R线＝P2U22R线．当输送的电功率一定时，输电电压增大到原来的n倍，输电线上损耗的功率就减小到原来的1n2.实验：探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系【题组过关】1．(2017·4月浙江选考)(1)为完成“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”的实验，必须要选用的是________(多选)．A．有闭合铁