高考物理大二輪總復(fù)習(xí)與增分策略 專(zhuān)題十八 交變電流(加試)
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專(zhuān)題十八 交變電流(加試) 考綱解讀 章 內(nèi)容 考試要求 說(shuō)明 必考 加試 交變電流 交變電流 c 1.不要求推導(dǎo)交流電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式 2.不要求計(jì)算線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的電動(dòng)勢(shì) 3.不要求證明正弦式交變電流有效值與峰值之間的關(guān)系 4.不要求計(jì)算方波等其他交變電流的有效值 5.不要求知道感抗、容抗的概念 6.不要求分析、計(jì)算兩個(gè)及以上副線(xiàn)圈和有兩個(gè)磁路的變壓器問(wèn)題 7.不要求計(jì)算同時(shí)涉及升壓、降壓的輸電問(wèn)題 描述交變電流的物理量 c 電感和電容對(duì)交變電流的影響 b 變壓器 c 電能的輸送 c 一、交變電流 1.定義 大小和方向都隨時(shí)間做周期性變化的電流. 2.常見(jiàn)類(lèi)型: 如圖1甲、乙、丙、丁所示都屬于交變電流.其中按正弦規(guī)律變化的交變電流叫正弦式交變電流,簡(jiǎn)稱(chēng)正弦交流電,如圖甲所示. 圖1 3.正弦交流電的產(chǎn)生和圖象 (1)產(chǎn)生:如圖2所示,在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,線(xiàn)圈繞垂直于磁場(chǎng)方向的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),可產(chǎn)生正弦式交變電流. 圖2 (2)中性面及其特點(diǎn): ①定義:與磁場(chǎng)方向垂直的平面. ②特點(diǎn): a.線(xiàn)圈位于中性面時(shí),穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通量最大,磁通量的變化率為零,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零. b.線(xiàn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)一周,兩次經(jīng)過(guò)中性面,線(xiàn)圈每經(jīng)過(guò)中性面一次,電流的方向就改變一次. (3)圖象:用以描述交流電隨時(shí)間變化的規(guī)律,如果線(xiàn)圈從中性面位置開(kāi)始計(jì)時(shí),其圖象為正弦函數(shù)曲線(xiàn),如圖3所示. 圖3 二、描述交變電流的物理量 1.周期和頻率 (1)周期(T):交變電流完成一次周期性變化(線(xiàn)圈轉(zhuǎn)一周)所需的時(shí)間,單位是秒(s),公式T=. (2)頻率(f):交變電流在1 s內(nèi)完成周期性變化的次數(shù).單位是赫茲(Hz). (3)周期和頻率的關(guān)系:T=或f=. 2.交變電流的瞬時(shí)值、峰值、有效值 (1)瞬時(shí)值:交變電流某一時(shí)刻的值,是時(shí)間的函數(shù). (2)峰值:交變電流(電流、電壓或電動(dòng)勢(shì))所能達(dá)到的最大的值,也叫最大值. (3)有效值:跟交變電流的熱效應(yīng)等效的恒定電流的值叫做交變電流的有效值.對(duì)正弦式交變電流,其有效值和峰值的關(guān)系為:E=Em,U=Um,I=Im. 三、電感和電容對(duì)交變電流的影響 1.電感器對(duì)交變電流的阻礙作用 (1)線(xiàn)圈的自感系數(shù)越大,交流的頻率越高,對(duì)交變電流的阻礙作用越大. (2)電感器的應(yīng)用 類(lèi)型 區(qū)別 低頻扼流圈 高頻扼流圈 自感系數(shù) 較大 較小 阻礙作用 較大 較小 應(yīng)用 通直流、阻交流 通低頻、阻高頻 2.電容器對(duì)交變電流的阻礙作用 (1)電容器的電容越大,交流的頻率越高,對(duì)交變電流的阻礙作用越小. (2)作用:“通交流,隔直流;通高頻,阻低頻”. 四、理想變壓器 1.構(gòu)造 如圖4所示,變壓器是由閉合鐵芯和繞在鐵芯上的兩個(gè)線(xiàn)圈組成的. 圖4 (1)原線(xiàn)圈:與交流電源連接的線(xiàn)圈,也叫初級(jí)線(xiàn)圈. (2)副線(xiàn)圈:與負(fù)載連接的線(xiàn)圈,也叫次級(jí)線(xiàn)圈. 2.原理 電流的磁效應(yīng)、電磁感應(yīng). 3.基本關(guān)系式及制約關(guān)系 (1)功率關(guān)系:P入=P出. (2)電壓關(guān)系:=. (3)電流關(guān)系:只有一個(gè)副線(xiàn)圈時(shí)=. 五、電能的輸送 1.輸電過(guò)程(如圖5所示) 圖5 2.電壓損失 (1)ΔU=U-U′.(2)ΔU=IR. 3.功率損失 (1)ΔP=P-P′. (2)ΔP=I2R=. 4.輸送電流 (1)I=. (2)I=. 加試基礎(chǔ)練 1.(多選)圖中閉合線(xiàn)圈都在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞虛線(xiàn)所示的固定轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng),能產(chǎn)生正弦式交變電流的是( ) 答案 ABD 解析 選項(xiàng)C情況下,穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通量始終為零,不能產(chǎn)生正弦式交變電流,而A、B、D情況均可產(chǎn)生. 2.(多選)某小型發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)為e=50sin 100πt(V).對(duì)此電動(dòng)勢(shì),下列表述正確的是( ) A.最大值是50 V B.頻率是100 Hz C.有效值是25 V D.周期是0.02 s 答案 CD 解析 從中性面開(kāi)始計(jì)時(shí),交變電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式為e=Emsin ωt,因e=50sin 100πt(V),所以最大值Em=50 V,A錯(cuò)誤;由ω=2πf=100π rad/s得f=50 Hz,B錯(cuò)誤;有效值E==25 V,C正確;T==0.02 s,D正確. 3.(多選)(2016杭州市月考)如圖6所示的實(shí)驗(yàn)電路中,若交流電壓的有效值與直流電壓相等,S為雙刀雙擲開(kāi)關(guān),下列敘述中正確的是( ) 圖6 A.當(dāng)S擲向a、b時(shí)燈較亮,擲向c、d時(shí)燈較暗 B.當(dāng)S擲向a、b時(shí)燈較暗,擲向c、d時(shí)燈較亮 C.S擲向c、d,把電感線(xiàn)圈中的鐵芯抽出來(lái)時(shí)燈變亮 D.S擲向c、d,電源電壓不變,而使頻率減小時(shí)燈變暗 答案 AC 解析 線(xiàn)圈對(duì)恒定電流幾乎無(wú)阻礙作用,對(duì)交變電流自感系數(shù)越大,頻率越高,阻礙作用越大. 4.(多選)如圖7所示,理想變壓器原、副線(xiàn)圈匝數(shù)比為2∶1,電池和交變電源的電動(dòng)勢(shì)都為6 V,內(nèi)阻均不計(jì).下列說(shuō)法正確的是( ) 圖7 A.S與a接通的瞬間,R中無(wú)感應(yīng)電流 B.S與a接通穩(wěn)定后,R中無(wú)感應(yīng)電流 C.S與b接通穩(wěn)定后,R兩端的電壓為3 V D.S與b接通穩(wěn)定后,原、副線(xiàn)圈中電流的頻率之比為2∶1 答案 BC 解析 變壓器只能改變交流電的電壓,在開(kāi)關(guān)S剛接通a時(shí),R中有感應(yīng)電流,但電路穩(wěn)定后則無(wú)感應(yīng)電流,故A錯(cuò)誤,B正確.當(dāng)開(kāi)關(guān)S接通b穩(wěn)定后,R上的電壓U2=U1=3 V,原、副線(xiàn)圈中電流的頻率相等,故D錯(cuò)誤,C正確. 5.輸電線(xiàn)的電阻共計(jì)為r,輸送的電功率為P,用電壓U送電,則用戶(hù)能得到的電功率為( ) A.P B.P-r C.P- D.r 答案 B 解析 輸電電流I=,輸電線(xiàn)上的損失功率P′=I2r=r,用戶(hù)得到的功率P用=P-P′=P-r,故本題只有B正確. 交變電流的產(chǎn)生和描述 1.交變電流的瞬時(shí)值、峰值、有效值和平均值的比較 物理量 物理含義 重要關(guān)系 適用情況及說(shuō)明 瞬時(shí)值 交變電流某一時(shí)刻的值 從中性面開(kāi)始計(jì)時(shí) e=Emsin ωt i=Imsin ωt 計(jì)算線(xiàn)圈某時(shí)刻的受力情況 峰值 最大的瞬時(shí)值 Em=nBSω Im= 討論電容器的擊穿電壓 有效值 跟交變電流的熱效應(yīng)等效的恒定電流的值 E= U= I= (只適用于正弦式交變電流) ①計(jì)算與電流的熱效應(yīng)有關(guān)的量(如電功、電功率、電熱等) ②電器設(shè)備“銘牌”上所標(biāo)的一般是指有效值 ③保險(xiǎn)絲的熔斷電流為有效值 ④交流電壓表和電流表的讀數(shù)為有效值 平均值 某段時(shí)間內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或電流的平均值 =BL =n = 計(jì)算通過(guò)電路截面的電荷量 2.有效值的計(jì)算方法 (1)正弦式交流電的有效值:I=,U=,E=. (2)非正弦式交流電的有效值:根據(jù)電流的熱效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算. 例1 如圖8所示,N=50 匝的矩形線(xiàn)圈abcd,ab邊長(zhǎng)l1=20 cm,ad邊長(zhǎng)l2=25 cm,放在磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.4 T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,外力使線(xiàn)圈繞垂直于磁感線(xiàn)的固定軸OO′以n=3 000 r/min的轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動(dòng),線(xiàn)圈電阻r=1 Ω,外電路電阻R=9 Ω,t=0時(shí)線(xiàn)圈平面與磁感線(xiàn)平行,ab邊正轉(zhuǎn)出紙外、cd邊轉(zhuǎn)入紙里.求: 圖8 (1)t=0時(shí)感應(yīng)電流的方向; (2)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式; (3)線(xiàn)圈轉(zhuǎn)一圈外力做的功. 答案 (1)感應(yīng)電流方向沿adcba (2)e=314cos (100πt) V (3)98.6 J 解析 (1)根據(jù)右手定則,線(xiàn)圈中感應(yīng)電流的方向?yàn)閍dcba. (2)線(xiàn)圈的角速度 ω=2πn=100π rad/s 圖示位置的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大,其大小為Em=NBl1l2ω 代入數(shù)據(jù)得Em=314 V 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式為 e=Emcos ωt=314cos (100πt) V. (3)電動(dòng)勢(shì)的有效值 E= 線(xiàn)圈勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的周期T==0.02 s 線(xiàn)圈勻速轉(zhuǎn)動(dòng)一圈,外力做功大小等于電功的大小,即 W=I2(R+r)T=T 代入數(shù)據(jù)得W≈98.6 J. 書(shū)寫(xiě)交變電流瞬時(shí)值表達(dá)式的基本思路 (1)確定正弦式交變電流的峰值,根據(jù)已知圖象讀出或由公式Em=nBSω求出相應(yīng)峰值. (2)明確線(xiàn)圈的初始位置,找出對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式. ①若線(xiàn)圈從中性面位置開(kāi)始計(jì)時(shí),則i-t圖象為正弦函數(shù)圖象,函數(shù)式為i=Imsin ωt. ②若線(xiàn)圈從垂直中性面位置開(kāi)始計(jì)時(shí),則i-t圖象為余弦函數(shù)圖象,函數(shù)式為i=Imcos ωt. 變式題組 1.(2016東陽(yáng)市聯(lián)考)如圖9所示,為演示交變電流產(chǎn)生的裝置圖,關(guān)于這個(gè)實(shí)驗(yàn),正確的說(shuō)法是( ) 圖9 A.線(xiàn)圈每轉(zhuǎn)動(dòng)一周,指針左右擺動(dòng)兩次 B.圖示位置為中性面,線(xiàn)圈中無(wú)感應(yīng)電流 C.圖示位置ab邊的感應(yīng)電流方向?yàn)閍→b D.線(xiàn)圈平面與磁場(chǎng)方向平行時(shí),磁通量變化率為零 答案 C 解析 線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),在電路中產(chǎn)生呈周期性變化的交變電流,線(xiàn)圈經(jīng)過(guò)中性面時(shí)電流改變方向,線(xiàn)圈每轉(zhuǎn)動(dòng)一周,有兩次通過(guò)中性面,電流方向改變兩次,指針左右擺動(dòng)一次,故A錯(cuò);線(xiàn)圈處于圖示位置時(shí),ab邊向右運(yùn)動(dòng),由右手定則,ab邊的感應(yīng)電流方向?yàn)閍→b,故C對(duì);線(xiàn)圈平面與磁場(chǎng)方向平行時(shí),ab、cd邊垂直切割磁感線(xiàn),線(xiàn)圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)最大,也可以這樣認(rèn)為,線(xiàn)圈平面與磁場(chǎng)方向平行時(shí),磁通量為零,但磁通量的變化率最大,B、D錯(cuò)誤. 2.小型手搖發(fā)電機(jī)線(xiàn)圈共N匝,每匝可簡(jiǎn)化為矩形線(xiàn)圈abcd,磁極間的磁場(chǎng)視為勻強(qiáng)磁場(chǎng),方向垂直于線(xiàn)圈中心軸OO′,線(xiàn)圈繞OO′勻速轉(zhuǎn)動(dòng),如圖10所示.矩形線(xiàn)圈ab邊和cd邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值都為e0,不計(jì)線(xiàn)圈電阻,則發(fā)電機(jī)輸出電壓( ) 圖10 A.峰值是e0 B.峰值是2e0 C.有效值是Ne0 D.有效值是Ne0 答案 D 解析 矩形線(xiàn)圈ab邊和cd邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值都為e0,所以發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)峰值為2Ne0,A、B錯(cuò)誤;由于不計(jì)線(xiàn)圈的電阻,所以發(fā)電機(jī)的輸出電壓峰值為2Ne0,有效值為=Ne0,故D正確. 3.一交流電壓為u=100sin (100πt) V,由此表達(dá)式可知( ) A.用電壓表測(cè)該電壓其示數(shù)為50 V B.該交流電壓的周期為0.02 s C.將該電壓加在“100 V 100 W”的燈泡兩端,燈泡的實(shí)際功率小于100 W D.t= s時(shí),該交流電壓的瞬時(shí)值為50 V 答案 B 解析 電壓有效值為100 V,故用電壓表測(cè)該電壓其示數(shù)為100 V,A項(xiàng)錯(cuò)誤;ω=100π rad/s,則周期T==0.02 s,B項(xiàng)正確;該電壓加在“100 V 100 W”的燈泡兩端,燈泡恰好正常工作,C項(xiàng)錯(cuò);t= s代入瞬時(shí)值表達(dá)式得電壓的瞬時(shí)值為100 V,D項(xiàng)錯(cuò). 4.(2016麗水一模)交流發(fā)電機(jī)線(xiàn)圈電阻r=1 Ω,用電器電阻R=9 Ω,電壓表示數(shù)為9 V,如圖11所示,那么該交流發(fā)電機(jī)( ) 圖11 A.電動(dòng)勢(shì)的峰值為10 V B.電動(dòng)勢(shì)的有效值為9 V C.交流發(fā)電機(jī)線(xiàn)圈通過(guò)中性面時(shí)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值為10 V D.交流發(fā)電機(jī)線(xiàn)圈自中性面轉(zhuǎn)過(guò)90的過(guò)程中的平均感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 V 答案 D 解析 電壓表示數(shù)等于路端電壓,電路中的電流為I== A=1 A,所以電動(dòng)勢(shì)的有效值為:E=I(R+r)=1(9+1) V=10 V,所以電動(dòng)勢(shì)的最大值為Em=E=10 V,故選項(xiàng)A、B錯(cuò);線(xiàn)圈通過(guò)中性面時(shí)Φ最大,但=0,故e=0,選項(xiàng)C錯(cuò);線(xiàn)圈從中性面轉(zhuǎn)過(guò)90的過(guò)程中,ΔΦ=BS,Δt==,所以=n=,由于Em=nBSω,所以== V,選項(xiàng)D對(duì). 變壓器和電能的輸送 1.基本關(guān)系式中物理量之間的決定關(guān)系 電壓 副線(xiàn)圈電壓U2由原線(xiàn)圈電壓U1和匝數(shù)比決定,即U2=U1(原制約副) 功率 副線(xiàn)圈中的功率P2由用戶(hù)負(fù)載決定,原線(xiàn)圈的輸入功率P1由副線(xiàn)圈的輸出功率P2決定,即P1=P2(副制約原) 電流 原線(xiàn)圈的電流I1由副線(xiàn)圈的電流I2和匝數(shù)比決定,即I1=I2(副制約原) 2.理想變壓器的動(dòng)態(tài)分析 常見(jiàn)的理想變壓器的動(dòng)態(tài)分析一般分匝數(shù)比不變和負(fù)載電阻不變兩種情況. (1)匝數(shù)比不變的情況(如圖12甲所示) ①U1不變,根據(jù)=,輸入電壓U1決定輸出電壓U2,不論負(fù)載電阻R如何變化,U2不變. ②當(dāng)負(fù)載電阻發(fā)生變化時(shí),I2變化,輸出電流I2決定輸入電流I1,故I1發(fā)生變化. ③I2變化引起P2變化,P1=P2,故P1發(fā)生變化. 圖12 (2)負(fù)載電阻不變的情況(如圖乙所示) ①U1不變,發(fā)生變化,故U2變化. ②R不變,U2變化,故I2發(fā)生變化. ③根據(jù)P2=,P2發(fā)生變化,再根據(jù)P1=P2,故P1變化,P1=U1I1,U1不變,故I1發(fā)生變化. 3.遠(yuǎn)距離輸電問(wèn)題 (1)遠(yuǎn)距離輸電示意圖(如圖13所示) 圖13 (2)減少輸電電能損失的兩種方法 ①理論依據(jù):P損=I線(xiàn)2R線(xiàn). ②減小輸電線(xiàn)的電阻:根據(jù)電阻定律R=ρ,要減小輸電線(xiàn)的電阻R,在保證輸電距離的情況下,可采用減小材料的電阻率、增大導(dǎo)線(xiàn)的橫截面積等方法. ③減小輸電導(dǎo)線(xiàn)中的電流:在輸電功率一定的情況下,根據(jù)P=UI,要減小電流,必須提高電壓. (3)輸電線(xiàn)路功率損失的計(jì)算方法 ①P損=P-P′,P為輸送的功率,P′為用戶(hù)所得功率. ②P損=I線(xiàn)2R線(xiàn),I線(xiàn)為輸電線(xiàn)路上的電流,R線(xiàn)為線(xiàn)路電阻. ③P損=,ΔU為在輸電線(xiàn)路上損失的電壓,R線(xiàn)為線(xiàn)路電阻. ④P損=ΔUI線(xiàn),ΔU為在輸電線(xiàn)路上損失的電壓,I線(xiàn)為輸電線(xiàn)路上的電流. 例2 (多選)(2015浙江9月選考樣題)理想變壓器原線(xiàn)圈與正弦交變電源連接,輸入電壓u隨時(shí)間t變化的規(guī)律如圖14所示,原、副線(xiàn)圈匝數(shù)比=100,副線(xiàn)圈只接入一個(gè)R=10 Ω的電阻,則( ) 圖14 A.與電阻R并聯(lián)的電壓表示數(shù)為3.11 V B.流過(guò)電阻R的電流最大值為0.311 A C.變壓器的輸入功率為0.484 W D.一個(gè)周期內(nèi),電阻R上產(chǎn)生的熱量為9.6810-3 J 答案 BCD 解析 由題圖可知原線(xiàn)圈兩端電壓的最大值為311 V,則有效值U1= V≈220 V,由=,解得U2=2.2 V,而電壓表示數(shù)為有效值,故選項(xiàng)A錯(cuò)誤;流過(guò)電阻R的最大電流為≈0.311 A,故選項(xiàng)B正確;變壓器的輸入功率等于輸出功率,即P入=P出=U2I2=0.484 W,故選項(xiàng)C正確;一個(gè)周期內(nèi),R上產(chǎn)生的熱量Q=I22 RT=()2RT=()2102.010-2 J=9.6810-3 J,故選項(xiàng)D正確. 關(guān)于理想變壓器的四點(diǎn)說(shuō)明 1.變壓器不能改變直流電壓. 2.變壓器只能改變交變電流的電壓和電流,不能改變交變電流的頻率. 3.理想變壓器本身不消耗能量. 4.理想變壓器基本關(guān)系中的U1、U2、I1、I2均為有效值. 變式題組 5.(多選)如圖15所示,理想變壓器的原線(xiàn)圈接交流電源,副線(xiàn)圈接阻值為R的負(fù)載電阻.若與原線(xiàn)圈連接的電壓表V1的示數(shù)為U1,與副線(xiàn)圈連接的電壓表V2的示數(shù)為U2,且U2- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來(lái)的問(wèn)題本站不予受理。
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