（京津鲁琼版）2020版高考物理总复习 第十一章 第1节 交变电流的产生及描述课件

第十一章交变电流传感器新课程标准通过实验，认识交变电流．能用公式和图象描述正弦交变电流．通过实验，探究并了解变压器原、副线圈电压与匝数的关系．了解从变电站到用户的输电过程，知道远距离输电时用高电压的道理．了解发电机和电动机工作过程中的能量转化．认识电磁学在人类生活和社会发展中的作用．知道非电学量转化成电学量的技术意义．通过实验，了解常见传感器的工作原理．会利用传感器设计并制作简单的自动控制装置．列举传感器在生产生活中的应用.第十一章交变电流传感器核心素养提炼交变电流变压器的工作原理远距离输电发电机和电动机工作过程中的能量转化常见传感器的工作原理利用传感器设计并制作简单的自动控制装置第十一章交变电流传感器第1节交变电流的产生及描述【基础梳理】提示：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【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)大小变化而方向不变的电流也叫交变电流．()(3)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．()(4)在一个周期内，正弦交流电的方向改变两次．()(5)交变电压的有效值与峰值之间的关系是U＝Um2.()(6)交流电压表及交流电流表的读数均为瞬时值．()提示：(1)√(2)×(3)×(4)√(5)×(6)×做一做(人教版选修3－2·P34·T3改编)图中，设磁感应强度为0.01T，单匝线圈边长AB为20cm，宽AD为10cm，转速n为50r/s，则线圈转动时感应电动势的最大值为()A．1×10－2VB．3.14×10－2VC．2×10－2VD．6.28×10－2V提示：D做一做(鲁科版选修3－2·P61·T1)两只相同的电阻，分别通以正弦波形的交流电和方波形的交流电，两种交流电的最大值相等，且周期相等(如图所示)．在正弦波形交流电的一个周期内，正弦波形的交流电在电阻上产生的焦耳热为Q1，其与方波形交流电在电阻上产生的焦耳热Q2之比Q1∶Q2等于()A．1∶1B．2∶1C．1∶2D．4∶3提示：C交变电流的产生和描述【知识提炼】1．正弦式交变电流的产生(1)线圈绕垂直于磁场方向的轴匀速转动．(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)电流方向的改变：线圈通过中性面时，电流方向发生改变，一个周期内线圈两次通过中性面，因此电流的方向改变两次．(4)交变电动势的最大值Em＝nBSω，与转轴位置无关，与线圈形状无关．2．正弦式交变电流的图象(线圈在中性面位置开始计时)函数表达式图象磁通量Φ＝Φmcosωt＝BScosωt电动势e＝Emsinωt＝nBSωsinωt电流i＝Imsinωt＝EmR＋rsinωt电压u＝Umsinωt＝REmR＋rsinωt【题组突破】1．(2019·北京西城联考)如图所示为交流发电机的示意图，从线圈通过如图所示的位置开始计时．如果发电机产生的交变电流的频率为50Hz，电动势的最大值为400V，则发电机产生的电动势瞬时值表达式为()A．e＝400sin50t(V)B．e＝400cos50t(V)C．e＝400sin100πt(V)D．e＝400cos100πt(V)解析：选D.因f＝50Hz，可知ω＝2πf＝100πrad/s，线圈从垂直中性面开始转动，则瞬时值表达式是：e＝400·cos100πt(V)．2．(2019·百校联盟猜题卷)甲、乙两矩形单匝金属线圈分别绕与磁感线垂直的轴在同一匀强磁场中匀速转动，输出交流电的感应电动势图象如图中甲、乙所示，则()A．甲的频率是乙的频率的2倍B．甲线圈的截面积是乙线圈截面积的6倍C．t＝1s时，两线圈中的磁通量均为零D．t＝2s时，两线圈均与磁感线平行解析：选B.由图象知甲的周期为2s，乙的周期为1s，所以f甲∶f乙＝1∶2，选项A错误；甲的最大值为6V，乙的最大值为2V，所以Em甲∶Em乙＝3∶1，由Em＝BSω可知S甲∶S乙＝6∶1，选项B正确；当线圈处于中性面时磁通量最大，而感应电动势为零，当线圈平行磁感线时，通过线圈的磁通量为零，而感应电动势最大，t＝1s和t＝2s时两线圈均处于中性面位置，选项C、D错误．3.(2019·广西南宁模拟)某矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴做匀速转动，通过线圈的磁通量随时间按如图所示的规律变化，当t＝0时，Φ＝Φ0，图中Φ0、t1、t2均已知，则下列说法正确的是()A．t1时刻，线圈中的感应电流为零B．t1～t2时间内，线圈中的电流先增大后减小C．线圈转动的角速度大小为ω＝2πt1D．若将线圈的转速增大为原来的2倍，则线圈中感应电流的电功率是原来的4倍解析：选D.t1时刻，磁通量的变化率不为零，因此感应电动势不为零，电流不为零，A项错误；t1～t2时间内，磁通量的变化率先变小后变大，因此感应电流先变小后变大，B项错误；线圈转动的角速度大小为ω＝2π4t1＝π2t1，C项错误；由Em＝NBSω＝NΦ02πn可知，转速增大为原来的2倍，感应电动势的最大值变为原来2倍，感应电动势的有效值变为原来2倍，由P＝E2R可知，电功率是原来的4倍，D项正确．4.(2019·湖南益阳联考)如图所示为一个小型发电机的示意图，矩形金属线圈在匀强磁场中绕与磁感线垂直的固定轴OO′匀速转动，线圈匝数n＝200，发电机输出端接有纯电阻用电器，其阻值R恒为4Ω，电路中其他部分电阻不计，已知线圈匀速转动过程中穿过线圈的磁通量随时间的变化规律Φ＝0.01·sin2πt(Wb)，取π2＝10，下列说法正确的是()A．t＝0时，穿过回路的磁通量最大B．t＝10s时，回路中的电流改变方向C．t＝2.5s时，回路中的瞬时电流最大D．从t＝0到t＝10s时间内，回路中产生的焦耳热为500J解析：选C.t＝0时，线圈平面与磁场方向平行，穿过回路的磁通量为0，故A错误；由题意可知周期T＝2πω＝1s，t＝10s时，线圈平面与磁场方向平行，穿过回路的磁通量为0，感应电动势最大，回路中的电流最大，电流不改变方向，故B错误；t＝2.5s时，线圈平面与磁场方向平行，穿过回路的磁通量为0，感应电动势最大，回路中的瞬时电流最大，故C正确；知线圈匀速转动过程中，Em＝nBSω＝4π(V)，从t＝0到t＝10s时间内，回路中产生的焦耳热为Q＝Em22Rt＝4π224×10J＝200J，故D错误．有效值的理解与计算【知识提炼】有效值的求解(1)计算有效值的根据是电流的热效应，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)利用公式Q＝I2Rt和Q＝U2Rt可分别求得电流有效值和电压有效值．【典题例析】电阻R1、R2与交流电源按照图甲所示方式连接，R1＝10Ω，R2＝20Ω.合上开关S后，通过电阻R2的正弦式交变电流i随时间t变化的情况如图乙所示．则()A．通过R1的电流有效值是1.2AB．R1两端的电压有效值是6VC．通过R2的电流有效值是1.22AD．R2两端的电压最大值是62V[解析]首先从交流电图象中找出交变电流的最大值即通过R2的电流最大值为0.62A，由正弦式交变电流最大值与有效值的关系Im＝2I可知其有效值为0.6A，由于R1与R2串联，所以通过R1的电流有效值也是0.6A，选项A、C错；R1两端电压有效值为U1＝IR1＝6V，选项B对；R2两端电压最大值为U2m＝ImR2＝0.62×20V＝122V，选项D错．[答案]B【变式训练】[变式1]把图象下半部分翻到t轴的上面正弦交流电是由闭合线圈在匀强磁场中匀速转动产生的．线圈中感应电动势随时间变化的规律如图所示，则此感应电动势的有效值为________V.解析：由有效值的定义式得：31122R×T2×2＝U2RT，得：U＝220V.答案：220[变式2]仅余12周期的波形家用电子调光灯的调光功能是用电子线路将输入的正弦交流电压的波形截去一部分来实现的，由截去部分的多少来调节电压，从而实现灯光的可调，比过去用变压器调压方便且体积小．某电子调光灯经调整后电压波形如图所示，求灯泡两端的电压的有效值．解析：从u－t图象看出，每个周期的前半周期是正弦图形，其有效值为U1＝Um2；后半周期电压为零．根据有效值的定义，U2RT＝Um22R·T2＋0，解得U＝Um2.答案：Um2[变式3]仅余14周期的波形如图所示为一个经双可控硅调节后加在电灯上的电压，正弦交流电的每一个二分之一周期中，前面四分之一周期被截去，则现在电灯上电压的有效值为()A．UmB.Um2C.Um3D.Um2解析：选D.从U－t图象上看，每个14周期正弦波形的有效值U1＝Um2，根据有效值的定义：U2RT＝Um22R×T4×2＋0，解得：U＝Um2，D正确．[变式4]把正余弦波形变成矩形波形(2018·高考全国卷Ⅲ)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流电源上，在一个周期内产生的热量为Q正．该电阻上电压的峰值均为u0，周期均为T，如图所示．则Q方∶Q正等于()A．1∶2B.2∶1C．1∶2D．2∶1解析：选D.根据焦耳定律知热量与方波中的电流方向的变化无关，故Q方＝u20RT；而正弦交流电电压的有效值等于峰值的12，故Q正＝（u02）2RT＝12·u20RT，所以Q方Q正＝21，D正确．[变式5]上下波形的最大值不一致电压u随时间t的变化情况如图所示，求电压的有效值．解析：由有效值的定义式得：15622R×T2＋31122R×T2＝U2RT，得：U＝5510V.答案：5510V[变式6]电路中有二极管在电阻两端并联二极管如图所示电路，电阻R1与电阻R2阻值相同，都为R，和R1并联的D为理想二极管(正向电阻可看作零，反向电阻可看作无穷大)，在A、B间加一正弦交流电u＝202sin100πtV，则加在R2上的电压有效值为()A．10VB．20VC．15VD．510V解析：选D.电压值取正值时，即在前半个周期内，二极管电阻为零，R2上的电压等于输入电压值，电压值取负值时，即在后半周期内，二极管电阻无穷大可看作断路，R2上的电压等于输入电压值的一半，据此可设加在R2的电压有效值为U，根据电流的热效应，在一个周期内满足U2RT＝202R·T2＋102R·T2，可求出U＝510V．故选项D正确．几种典型交变电流的有效值电流名称电流图象有效值正弦式交变电流I＝Im2正弦半波电流I＝Im2电流名称电流图象有效值矩形脉动电流I＝t0TIm非对称性交变电流I＝12（I21＋I22）交变电流“四值”的理解和应用【知识提炼】对交变电流“四值”的比较和理解物理量表达式适用情况及说明瞬时值e＝Emsinωtu＝Umsinωti＝Imsinωt计算线圈某时刻的受力情况最大值(峰值)Em＝nBSωIm＝EmR＋r讨论电容器的击穿电压物理量表达式适用情况及说明有效值对正(余)弦交流电有：E＝Em2U＝Um2I＝Im2(1)计算与电流的热效应有关的量(如电功、电功率、电热等)(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(4)电表的读数为有效值平均值E－＝BLv－E－＝nΔΦΔtI－＝E－R＋r计算通过电路截面的电荷量【题组突破】1.(2019·安徽安庆模拟)小型手摇发电机线圈共有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，磁感应强度大小为B，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，该发电机外接负载电阻，则()A．当线圈处于中性面位置时磁通量的变化率最大B．线圈从中性面位置转过180°过程中，线圈中磁通量的变化量为零C．线圈转动过程中电动势的有效值为22NE0D．线圈转动过程中电动势的最