（新课标）2020高中物理 第五章 交变电流 章末小结课件 新人教版选修3-2

第五章交变电流章末小结素养脉络构建交变电流产生：线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动两个特殊位置B⊥S中性面：Φ最大、ΔΦΔt＝0，e＝0、i＝0、电流将改变方向B∥S：Φ＝0、ΔΦΔt最大，e最大nBSω、i最大、电流方向不变描述瞬时值e＝Emsinωt最大值Em＝NBSω有效值E＝Em/2适用于正弦式电流平均值E＝NΔΦ/Δt，周期和频率T＝1/f＝2π/ω图象：描述交流电随时间的变化规律交变电流简单交流电路纯电阻电路电感在电路中的作用：通直流，阻交流；通低频，阻高频电容在电路中的作用：通交流，隔直流；通高频，阻低频理想变压器原理：电磁互感规律功率：P入＝P出一个副线圈：I1U1＝I2U2多个副线圈：I1U1＝I2U2＋I3U3＋…电压：U1/U2＝n1/n2电流：I1n1＝I2n2，I1n1＝I2n2＋I3n3＋…电能的输送输送功率P＝UI功率损失ΔP＝I2R电压损失ΔU＝IR远距离输电的输电线路与计算核心素养提升•一、交流电瞬时值、最大值、有效值、平均值的计算和应用•1．瞬时值•它反映的是不同时刻交流电的大小和方向，瞬时值是时间的函数，正弦交流电瞬时值表达式为：e＝Emsinωt，i＝Imsinωt，应当注意此式表示从中性面开始计时。•2．最大值•线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴旋转所产生的交变电流的电动势，其最大值Em＝nBSω，在考虑电容器的耐压值时，应根据交流电的最大值。3．平均值平均值需用E＝nΔΦΔt和I＝ER进行计算，求一段时间内通过导体横截面的电荷量时要用平均值，q＝It。4．有效值正弦式交流电的有效值I＝Im2，其他交变电流的有效值根据有效值的定义计算，求电功、电功率，确定保险丝的熔断电流，要用到有效值；没有特殊说明时，交流电的电流、电压、电动势指有效值，交流电表的测量值是有效值，交流用电设备上所标的额定电压、额定电流是有效值。例1如图所示，在匀强磁场中有一个内阻r＝3Ω、面积S＝0.02m2的半圆形导线框可绕OO′轴旋转。已知匀强磁场的磁感应强度B＝52πT。若线框以ω＝100πrad/s的角速度匀速转动，且通过电刷给“6V12W”的小灯泡供电,灯泡电阻不变。则：•(1)若从图示位置开始计时，求线框中感应电动势的瞬时值表达式；•(2)从图示位置开始，线框转过90°的过程中，通过导线横截面的电荷量是多少？该电荷量与线框转动的快慢是否有关？•(3)由题目所给已知条件，外电路所接小灯泡能否正常发光？如不能，则小灯泡的实际功率为多大？•解题指导：交变电流的“四值”是易于混淆的问题。要认真掌握“四值”的辨析及应用。解析：(1)线框转动时产生感应电动势的最大值Em＝BSω＝102V，因线框转动从平行于磁感线位置开始计时，则感应电动势的瞬时值表达式e＝Emcosωt＝102cos100πt(V)(2)线框转过90°过程中，产生的平均电动势E＝ΔΦΔt＝2BSωπ流过的电荷量q＝I·14T＝BSR＋r灯泡电阻R＝U20P0＝3Ω故q＝BSR＋r＝260πC，与线框转动的快慢无关。(3)线框产生的感应电动势的有效值E＝Em2＝10V，灯泡两端电压U＝ER＋rR＝5V。因U6V，故灯泡不能正常发光，其实际功率P＝U2R＝253W。答案：(1)e＝102cos100πt(V)(2)q＝260πC，与线框转动的快慢无关(3)灯泡不能正常发光，其实际功率P＝U2R＝253W二、交变电流的图象及应用交变电流的图象反映了交流电动势(电流)随时间的变化规律，对正弦交变电流来说，我们可以从图象中获取如下信息：1．交变电源的周期(T)一个完整的正弦波对应的时间段。知道了周期便可以算出线圈转动的角速度ω＝2π/T。2．交变电流的最大值(Em，Im)图象上的峰值。知道了最大值，便可计算出交流电动势(交变电流)的有效值。E＝Em/2，I＝Im/2。•3．任意时刻交变电流的瞬时值•图象上每个“点”表示某一时刻交变电流的瞬时值。•4．交流电图象问题的分析方法•(1)分析要点：一看、二变、三判。•一看：看“轴”、看“线”、看“斜率”、看“截距”、看“面积”、看“拐点”，并理解其物理意义。•二变：掌握“图与图”“图与式”和“图与物”之间的变通关系。•三判：在此基础上进行正确的分析和判断。•(2)对于正弦交变电流的变化规律，不应只从其随时间按正弦规律变化这一点去认识，还应看到交流电动势随线圈在匀强磁场中空间位置的变化而变化，随线圈的磁通量变化而变化。例2(多选)(2019·黑龙江大庆实验中学高二下学期检测)如图(1)所示，在匀强磁场中，一矩形金属线圈两次分别以不同的转速，绕与磁感线垂直的轴匀速转动，产生的交变电动势图像如图(2)中曲线a、b所示，则()A．曲线a、b对应的t＝6×10－2s时刻线圈平面均与中性面重合B．曲线a、b对应的线圈转速之比为2∶3C．曲线a表示的交变电动势频率为25HzD．曲线b表示的交变电动势有效值为10VAC•解题指导：①开始计时时，线圈切割磁感线吗？②转速与周期是什么关系？③电动势的最大值如何表示？解析：A对：曲线a、b对应的t＝6×10－2s时刻两线圈中感应电动势均为零，则线圈平面均与中性面重合。B错：从图像可知，曲线a、b对应的线圈转动的周期之比为2∶3，则转速之比为3∶2。C对：由图像可知曲线a的周期Ta＝4×10－2s，则曲线a表示的交变电动势频率fa＝1Ta＝25Hz。D错：交变电动势的峰值Em＝NBSω，则曲线a、b表示的交变电动势的峰值之比为Ema∶Emb＝ωa∶ωb＝3∶2，即Emb＝23Ema＝10V，所以曲线b表示的交变电动势的有效值为E有＝102V＝52V。•三、理想变压器动态问题分析•1．匝数比不变的情况•如图所示(1)U1不变，根据U1U2＝n1n2，输入电压U1决定输出电压U2，不论负载电阻R如何变化，U2也不变；(2)当负载电阻发生变化时，I2变化，输出电流I2决定输入电流I1，故I1发生变化；(3)I2变化引起P2变化，P1＝P2，故P1发生变化。•2．负载电阻不变的情况•如图所示(1)U1不变，n1n2发生变化，故U2变化；(2)R不变，U2改变，故I2发生变化；(3)根据P2＝U22R，P2发生变化，再根据P1＝P2，故P1变化，P1＝U1I1，U1不变，故I1发生变化。3．分析动态问题的程序U1――――→U1U2＝n1n2决定U2―――――→I2＝U2R负数决定I2I2――――――――――――→P1＝P2，I1U1＝I2U2决定I1―――――→P1＝I1U1决定P1例3(2019·河北省阜城中学高二上学期期末)如图所示，理想变压器原、副线圈的匝数比为10∶1，b是原线圈的中心抽头，电压表和电流表均为理想电表，从某时刻开始在原线圈c、d两端加上交变电压，其瞬时值表达式为u1＝2202sin100πt(V)，则()A．当单刀双掷开关与a连接时，电压表的示数为22VB．当t＝1600s时，c、d间的电压瞬时值为110VC．单刀双掷开关与a连接，在滑动变阻器触头P向上移动的过程中，电压表和电流表的示数均变小D．当单刀双掷开关由a扳向b时，电压表和电流表的示数均变小A解析：原线圈c、d两端加上交变电压的瞬时值表达式u1＝2202sin100πtV，可知U1＝220V，根据理想变压器的电压比关系U1U2＝n1n2可知，220VU2＝101，U2＝22V，即为电压表的读数，A正确。当t＝1600s时，c、d间的电压瞬时值u1＝2202sin100π×1600V＝1102V，B错误。单刀双掷开关与a连接，在滑动变阻器触头P向上移动的过程中，电压表测的是副线圈两端的电压U2不变，R增大，电流表的示数变小，C错误。当单刀双掷开关由a扳向b时，U1、n2不变，n1减小，由U1U2＝n1n2知U2增大，电压表和电流表的示数均变大，D错误。•四、高压输电问题的一般解题思路•1．解决高压输电问题时，应先画输电电路草图，并在草图上标出各量，然后依次逐级计算；•2．以升压变压器和降压变压器原、副线圈为参考将输电线路划分为几个独立回路；•3．根据串联电路特点、欧姆定律、电功率公式等确定各部分回路电学量之间的关系；•4．根据升压变压器和降压变压器原、副线圈的电压、电流关系和功率关系列式求解，利用好能量守恒这条主线。•一个小型水力发电站(如图所示)，发电机输出电压U0＝250V，内电阻可以忽略不计，最大输出功率为Pm＝30kW，它通过总电阻R线＝2.0Ω的输电线直接向远处的居民区供电。设居民区所有用电器都是额定电压U用＝220V的白炽灯，总功率为P用＝22kW，不计灯丝电阻随温度的变化。例4•(1)当居民区的电灯全部使用时，电灯两端的电压是多少伏？发电机实际输出的电功率多大？•(2)若采用高压输电，在发电机端用升压变压器，在用户端用降压变压器，且不计变压器和用户线路的损耗。已知用户变压器的降压比为40∶1，当全部用户电灯正常发光时，输电线上损耗的功率多大？•解题指导：明确高压输电的原理，然后结合功率公式P＝UI，欧姆定律U＝IR和变流比公式列式求解。解析：(1)如题图所示，由P用＝U2用R用求得用户总的电阻R用＝2.2Ω，电路中的电流为I＝U0R用＋R线＝250V4.2Ω＝59.5AU灯＝IR用＝130.9V≈131VP输＝U0I＝14875W≈14.9kW。(2)如题图，P用＝U4I4，U4＝220V，I4＝P用U4＝100A，I3I4＝n4n3，I3＝I440＝2.5AP损＝I23R线＝12.5W。•答案：(1)131V14.9kW(2)12.5W触及高考演练•本章内容是高考的热点，命题频率比较高的知识点有：交变电流的产生及变化规律、交变电流的有效值、理想变压器的规律及动态分析、远距离输电等。,在高考试题中基本上是以选择题和填空题的形式出现。计算题常与电学的其他知识相联系，在学习中应注意知识的整合性。另外由于电能输送与生产生活实际联系密切，符合高考趋于实际问题分析的命题趋势，应引起重视。•一、高考真题探析•(多选)(2019·天津，8)单匝闭合矩形线框电阻为R，在匀强磁场中绕与磁感线垂直的轴匀速转动，穿过线框的磁通量Φ与时间t的关系图象如图所示。下列说法正确的是()例题A．T2时刻线框平面与中性面垂直B．线框的感应电动势有效值为2πΦmTC．线框转一周外力所做的功为2π2Φ2mRTD．从t＝0到t＝T4过程中线框的平均感应电动势为πΦmTBC解析：A错：中性面的特点是线框平面与磁场垂直，穿过的磁通量最大，磁通量变化率最小，则T2时刻线框在中性面上。B对：电动势最大值为Em＝Φmω＝Φm2πT，对正弦交流电，E有＝Em2＝2πΦmT。C对：由功能关系知，线框转一周外力做的功等于产生的电能，W＝E电＝E2有R·T＝2π2Φ2mRT。D错：由法拉第电磁感应定律知，E＝ΔΦΔt＝ΦmT4＝4ΦmT。•二、临场真题练兵•1．(多选)(2018·江苏卷，8)如图所示，电源E对电容器C充电，当C两端电压达到80V时，闪光灯瞬间导通并发光，C放电。放电后，闪光灯断开并熄灭，电源再次对C充电。这样不断地充电和放电，闪光灯就周期性地发光。该电路()•A．充电时，通过R的电流不变•B．若R增大，则充电时间变长•C．若C增大，则闪光灯闪光一次通过的电荷量增大•D．若E减小为85V，闪光灯闪光一次通过的电荷量不变BCD解析：A错：给电容器充电过程中，随着两极板间所带电荷量增多，电路中的电流逐渐减小。B对：充满一次电，电容器增加的电荷量是相同的，即通过R的电荷量Q是一定的。电源恒定，R增大，则电流I减小，根据I＝Qt可知，充电时间变长。C对：若C增大，电容器充满时所带电荷增多，即闪光时电容器释放的电荷也增多，通过闪光灯的电荷量也增多。D对：因为C两端电压达到80V时，电容器就不再充电，外接电源只要提供电压超过80V，产生的效果均相同