福建省长泰县第一中学高考物理二轮复习 专题五 第10讲 恒定电流与交变电流课件.ppt

专题五电路与电磁感应第10讲恒定电流与交变电流 体系构建 核心自查 一 闭合电路欧姆定律1 闭合电路的电流i 2 闭合电路的路端电压u 当外电阻r增大时 路端电压u 用图像表示其变化规律 增大 二 正弦交流电的 四值 1 最大值 em 电容器的击穿电压等于对应交流电的最大值 2 瞬时值3 有效值 由电流的 来定义 计算交流电路的电功 电功率 测定交流电路的电压 电流都是指 热效应 有效值 4 平均值 平均电动势 常用来计算 通过电路的电荷量 三 变压器和远距离输电1 理想变压器的基本关系 2 为减小远距离输电的功率损失和电压损失 远距离输电采用 输电 高压 热点考向1 直流电路的动态分析 典题训练1 2013 和平区一模 电动势为e 内阻为r的电源与定值电阻r1 r2及滑动变阻器r连接成如图所示的电路 当滑动变阻器的触头由中点滑向b端时 下列说法正确的是 a 电压表和电流表读数都增大b 电压表和电流表读数都减小c 电压表读数增大 电流表读数减小d 电压表读数减小 电流表读数增大 解题探究 1 电路图中电压表和电流表测量范围 电压表直接连在电源的两端 测量的是 电流表位于支路中 测量的是 2 闭合电路路端电压的表达式为u 路端电压 流过r2的电流 e ir 3 当滑动变阻器的触头下滑时 分析下列物理量的变化情况 增大 增大 减小 增大 解析 选a 法一程序法 触头由中点滑向b端时 外电路总电阻增大 干路电流减小 由u e ir知路端电压u增大 故示数增大 由u1 ir1知定值电阻r1上的电压u1减小 电阻r2两端的电压u2 u u1将增大 则流过r2的电流增大 故的示数增大 选项a正确 法二结论法 滑片向b端滑动 r增大 与之并联的支路中示数将增大 r增大 总电阻增大 干路电流减小 路端电压增大 则示数增大 故a正确 典题训练2 某同学做电学实验 电源内阻r不能忽略 通过改变滑动变阻器电阻大小 观察到电压表和电流表的读数同时变大 则他所连接的电路可能是下图中的 解题指导 解答本题可以采用假设法和排除法 假设电路中电压表示数变大 分析电路中电流表示数是否变大 排除错误选项 得出正确答案 解析 选c 在a b d图中 电路的电压表读数变大 表示电源 或等效电源 的路端电压变大 则内电压变小 电流表的读数一定减小 与题目已知条件相矛盾 可排除 c图中电压表示数为定值电阻两端的电压 由欧姆定律可以判断电流 电压可以同时增大 选项c正确 拓展提升 考题透视 直流电路的动态变化分析在高考试题中是以选择题形式考查的 是近年来高考的重点 往往以下列变化方式探究整个电路的电流 电压变化情况 1 某一支路的滑动变阻器的阻值变化 2 某一支路电键闭合或断开 3 热敏电阻或光敏电阻的阻值变化 借题发挥 直流电路动态分析问题的解题方法1 程序法 闭合电路中 由于局部电阻变化或开关的通断 引起各部分电压 电流或灯泡明暗发生变化 分析此类问题的基本步骤 2 可直接应用 部分电路中r i u的关系 中的两个结论 1 任一电阻r阻值增大 必引起通过该电阻的电流i的减小和该电阻两端电压u的增大 即 2 任一电阻r阻值增大 必将引起与之并联的支路中电流i并的增大和与之串联的各电阻两端电压u串的减小 即i并 u串 i u 2013 咸阳二模 如图所示电路中 电源电动势为e 内电阻为r r1 r2为定值电阻 r3为可变电阻 c为电容器 在可变电阻r3由较小逐渐变大的过程中 a 电容器放电b 流过r2的电流方向是由a到bc 电容器的带电量在逐渐增大d 电源内部消耗的功率变大 通关题组 解析 选c 当可变电阻r3逐渐变大时 总电阻增大 干路电流减小 则电容器上电压u e i r1 r 将增大 电容器的带电量增大 即电容器充电 a错误 c正确 因为电容器上极板带正电 所以充电电流方向为b r2 a 故b错误 电源内部消耗的功率为pr i2r变小 d错误 热点考向2 交流电的产生和描述 典题训练3 如图正方形线框abcd长为l 每边电阻均为r 在磁感应强度为b的匀强磁场中绕cd轴以角速度 转动 c d两点与外电路相连 外电路电阻也为r 则下列说法中正确的是 a s断开时 电压表读数为b s断开时 电压表读数为c s闭合时 电流表读数为 d s闭合时 线框从图示位置转过过程中流过电流表的电量为 解题指导 解答此题应明确以下几点 1 线框绕cd轴转动产生正弦交流电 其电动势最大值em b l2 2 电压表示数为电路中电压的有效值 s断开时 电压表两端的电压为cd边上的电压有效值 3 s闭合时 电流表的示数为流过外电路电阻r电流的有效值 而流过电流表的电量利用电流的平均值计算 解析 选b 正方形线框在磁感应强度为b的匀强磁场中绕cd轴以角速度 转动 产生的感应电动势最大值为b l2 电源电动势有效值为 s断开时 内电路电流 电压表读数等于cd两点之间电压为 选项b正确 a错误 s闭合时 电路总电阻为 ab中电流为 电流表读数为 选项c错误 s闭合时 线框从图示位置转过过程中 磁通量变化 bl2 时间 产生感应电动势的平均值为 电流平均值为 流过电流表的电流平均值为 电量为 选项d错误 典题训练4 2013 厦门二模 一台小型发电机产生的电动势随时间变化的规律图像如图甲所示 已知发电机线圈内阻为20 0 现外接一只 100v125w 的灯泡 如图乙所示 则 a 此时刻线圈中感应电流为0b 通过灯的电流随时间t的变化规律是i cos100 t a c 灯泡能正常发光d 灯泡的实际功率是80w 解题探究 1 试分析当线圈平面处于以下两个位置时的磁通量 感应电流的情况 处于中性面时 a 磁通量 b 感应电流为 垂直中性面时 a 磁通量为 b 感应电流 最大 零 零 最大 2 灯泡能正常发光的判断依据是什么 提示 判断灯泡能否正常发光的依据是分析灯泡工作时的功率是否达到额定功率 或分析灯泡的工作电压或工作电流是否等于灯泡的额定值 解析 选b 图示位置为交流电最大值 感应电流最大 a错误 灯泡电阻r 80 最大电流im 1a 故电流瞬时值表达式i cos100 t b正确 由于灯泡两端电压有效值达不到100v 灯泡不能正常发光 c错误 灯泡电流有效值为 实际功率p实 i2r 40w d错误 拓展提升 考题透视 交变电流的产生与描述是每年高考的热点 常以选择题形式考查 考题主要考查交变电流的两种表达方式 函数表示法与图像表示法 以及交流电的有效值 最大值等基本知识 高考命题一般从以下两方面进行考查 1 交变电流的产生 图像 公式及相关物理量 2 交变电流的 四值 的物理意义及其不同方面的应用 借题发挥 交流电的产生及 四值 的应用1 交变电流的产生 2 交流电的 四值 的应用 通关题组 1 2013 山东高考改编 图甲是小型交流发电机的示意图 两磁极n s间的磁场可视为水平方向的匀强磁场 为交流电流表 线圈绕垂直于磁场的水平轴oo 沿逆时针方向匀速转动 从图示位置开始计时 产生的交变电流随时间变化的图像如图乙所示 以下判断正确的是 a 电流表的示数为10ab 线圈转动的角速度为50 rad sc 0 01s时线圈平面与磁场方向垂直d 0 02s时电阻r中电流的方向自右向左 解析 选a 电流表示数显示的是交流电的有效值 正弦交流电的电流有效值等于最大值的倍 电流表的示数为10a 选项a正确 因为交流电的瞬时值为i cos t 根据图乙可知 交流电的周期为t 2 10 2s 则线圈转动的角速度为 100 rad s 选项b错误 0时刻线圈平面与磁场平行 t 0 01s t时间内线圈转过 弧度 线圈平面与磁场方向平行 选项c错误 0 02s时的情况与0时刻的情况相同 根据右手定则可以判定 此时通过电阻r的电流方向自左向右 选项d错误 2 某交流电源的电动势与时间成正弦函数关系 如图所示 此电源与一个r 10 的电阻构成闭合电路 不计其他电阻 下列说法正确的是 a 交变电流的周期为2sb 交变电流的频率为0 5hzc 交变电流的有效值为2ad 交变电流的有效值为2a 解析 选d 交变电流的周期为0 02s 频率为50hz 选项a b错误 交变电流的最大值为2a 有效值为2a 选项c错误 d正确 典题训练5 图甲是某燃气炉点火装置的原理图 转换器将直流电压转换为图乙所示的正弦交变电压 并加在一理想变压器的原线圈上 变压器原 副线圈的匝数分别为n1 n2 为交流电压表 当变压器副线圈电压的瞬时值大于5000v时 就会在钢针和金属板间引发电火花进而点燃气体 以下判断正确的是 热点考向3 变压器和远距离输电问题 a 电压表的示数等于5vb 电压表的示数等于5vc 实现点火的条件是 1000d 实现点火的条件是 1000 解题指导 解答本题应把握以下两点 1 根据u t图像确定交流电的峰值和有效值 进而确定电压表示数 2 根据变压器的电压关系确定点火条件 解析 选c 由u t图像可知最大电压值为5v 故有效值为v 交流电压表测量的是有效值 a b错 由变压器电压与线圈匝数的关系可知 变压器副线圈电压的瞬时值大于5000v 即 5000 所以 1000 c对 d错 典题训练6 有一台交流发电机e 通过理想升压变压器t1和理想降压变压器t2向远处用户供电 输电线的总电阻为r t1的输入电压和输入功率分别为u1和p1 它的输出电压和输出功率分别为u2和p2 t2的输入电压和输入功率分别为u3和p3 它的输出电压和输出功率分别为u4和p4 设t1的输入电压u1一定 当用户消耗的电功率变大时 有 a u2不变 u3变大b u2减小 u4变大c p1变小 p2变小d p2变大 p3变大 解题指导 解答此题应注意以下两点 1 分析电压关系 从u1保持不变开始 u2不变 u3 u2 ir 最后由变压器关系确定u4 2 分析功率关系 从p4变大开始 p3和p4相同 p2 p3 i2r p1 p2 解析 选d 因u1和两线圈的匝数不变 根据得u2不变 b错误 根据i u损 ir u3 u2 u损 因p变大 i变大 所以u损变大 所以降压变压器初级电压u3变小 故选项a错误 用户消耗的电功率变大时 则p3变大 从而i变大 线路消耗的电功率变大 由能量守恒得p2变大 所以选项d正确 c错误 考题透视 本考点为每年高考的重点和热点 常以选择题的形式考查 命题规律有以下两点 1 多数题目与交变电流的图像 瞬时值表达式等相结合进行综合考查 2 变压器电压 电流及功率关系与远距离输电相结合进行综合考查 拓展提升 借题发挥 理想变压器的动态分析技巧 1 根据题意弄清变量和不变量 如原线圈电压不变 原副线圈的匝数比不变 其他物理量可能随电路的变化而发生变化 2 弄清动态变化过程中的决定关系 如u2由u1决定 p1 i1由p2 i2决定 3 分析流程如下 由分析u2的情况 由分析i2的情况 由p1 p2 i2u2判断输入功率的情况 由p1 i1u1分析i1的变化情况 通关题组 1 如图所示 匝数为100匝的矩形线圈abcd处于磁感应强度t的水平匀强磁场中 线圈面积s 0 5m2 内阻不计 线圈绕垂直于磁场的轴以角速度 10 rad s匀速转动 线圈通过金属滑环与理想变压器原线圈相连 变压器的副线圈接入一只 12v 12w 的灯泡 灯泡正常发光 下列说法中正确的是 a 通过灯泡的交变电流的频率是50hzb 变压器原 副线圈匝数之比为10 1c 矩形线圈中产生的电动势的最大值为120vd 若将灯泡更换为 12v 24w 且保证其正常发光 需要增大矩形线圈的转速 解析 选b 由 2 f可得通过灯泡的交变电流的频率是5hz 选项a错误 矩形线圈在水平匀强磁场中转动产生感应电动势的最大值为 变压器输入电压为120v 由变压器变压公式可知 变压器原 副线圈匝数之比为10 1 选项b正确 c错误 若将灯泡更换为 12v 24w 且保证其正常发光 不需要增大矩形线圈的转速 选项d错误 2 2013 泉州一模 将电能从发电站输送到用户 在输电线上会损失一部分功率 关于输电线上损失的功率 甲同学的推导为 设输电电压为u 则功率损失为p损 ui 而i 两者联立得到p损 由此可知 要减小功率损失p损 就应当用低压送电和增大输电线的电阻r 乙同学的推导为 设输电电压为u 输送的电功率为p 则功率损失为p损 i2r 而i 两者联立得到p损 由此可知 要减小功率损失p损 就应当用高压送电和减小输电线的电阻r 对于甲 乙两同学的推导方法及所得结论 下列判断正确的是 a 甲 乙两同学的推导方法及所得结论都是正确的b 甲 乙两同学的推导方法及所得结论都是错误的c 甲同学的推导方法及所得结论是正确的d 乙同学的推导方法及所得结论是正确的 解析 选d 输电线路示意图如图所示 由图可知p损 i2r 而p ui 得p损 2 r 故乙同学的推导方法及所得结论正确 选d 甲同学错误地将输电电压等同于损耗电压 从而误认为p损 ui 交变电流的综合问题交变电流的综合问题 涉及交流电路最大值 有效值 平均值 瞬时值的计算 与电磁感应 安培力 闭合电路欧姆定律的综合应用等 解答时应注意以下几点 1 分清交流电路最大值 有效值 平均值 瞬时值的不同计算方法和物理意义 2 学会将直流电路 闭合电路欧姆定律的知识应用在交流电路中 3 掌握交流发电机问题中安培力问题 能量转化问题的分析方法 典题例证 典例 2012 江苏高考 15分 某兴趣小组设计了一种发电装置 如图所示 在磁极和圆柱状铁芯之间形成的两磁场区域的圆心角 均为 磁场均沿半径方向 匝数为n的矩形线圈abcd的边长ab cd l bc ad 2l 线圈以角速度 绕中心轴匀速转动 bc和ad边同时进入磁场 在磁场中 两条边所经过处的磁感应强度大小均为b 方向始终与两边的运动方向垂直 线圈的总电阻为r 外接电阻为r 求 1 线圈切割磁感线时 感应电动势的大小em 2 线圈切割磁感线时 bc边所受安培力的大小f 3 外接电阻上电流的有效值i 解题关键 1 计算感应电动势可以用导体切割磁感线公式 需注意的是 且两个边切割磁感线相当于两个电源串联 2 确定电源内 外电路 根据闭合电路欧姆定律求出线圈中电流 进而求出安培力的大小 3 明确有效值的物理意义 根据焦耳定律和磁场分布特点求出电流有效值 规范解答 1 bc ad边的运动速度v 感应电动势em 4nblv 解得em 2nbl2 4分 2 电流 安培力f 2nbiml 3分 解得 2分 3 一个周期内 通电时间t r上产生的热量q 且q i2rt 解得 6分 答案 见规范解答 拓展训练 1 图甲是线圈绕垂直于磁场的轴在匀强磁场中匀速转动时所产生的正弦交流电压随时间变化的图像 把该交流电压加在图乙中变压器的a b两端 已知理想变压器原线圈 和副线圈 的匝数比为5 1 交流电流表和交流电压表均为理想电表 电阻r 1 其他各处电阻不计 以下说法正确的是 a 在t 0 1s 0 5s时 穿过线圈的磁通量最大b 线圈转动的角速度为10 rad sc 电压表的示数为vd 电流表的示数为0 40a 解析 选d 在t 0 1s 0 5s时 电压达到最大值 此时线圈平面与磁场平行 a错误 由图甲知t 0 4s 角速度 5 rad s b错误 由得输出电压的最大值为2v 所以电压表示数应为2v c错误 r中电流ir 2a 由变压器的电流与匝数关系知电流表示数为0 40a d正确 2 2012 安徽高考 图甲是交流发电机模型示意图 在磁感应强度为b的匀强磁场中 有一矩形线圈abcd可绕线圈平面内垂直于磁感线的轴oo 转动 由线圈引出的导线ae和df分别与两个跟线圈一起绕oo 转动的金属圆环相连接 金属圆环又分别与两个固定的电刷保持滑动接触 这样矩形线圈在转动中就可以保持和外电路电阻r形成闭合电路 图乙是线圈的主视图 导线ab和cd分别用它们的横截面来表示 已知ab长度为l1 bc长度为l2 线圈以恒定角速度 逆时针转动 只考虑单匝线圈 1 线圈平面处于中性面位置时开始计时 试推导t时刻整个线圈中的感应电动势e1的表达式 2 线圈平面处于与中性面成 0夹角位置时开始计时 如图丙所示 试写出t时刻整个线圈中的感应电动势e2的表达式 3 若线圈电阻为r 求线圈每转动一周电阻r上产生的焦耳热 其他电阻均不计 解析 1 矩形线圈abcd在磁场中转动时 ab cd切割磁感线 且转动的半径为 转动时ab cd的线速度 且线圈平面与中性面的夹角为 t 所以整个线圈中的感应电动势e1 2bl1vsin t bl1l2 sin t 2 当t 0时 线圈平面与中性面的夹角为 0 则某时刻t时 线圈平面与中性面的夹角为 t 0 故此时感应电动势的瞬时值e2 2bl1vsin t 0 bl1l2 sin t 0 3 线圈匀速转动时 感应电动势的最大值em bl1l2 故有效值回路中电流的有效值 根据焦耳定律知转动一周电阻r上的焦耳热为q i2rt 2 r 答案 1 e1 bl1l2 sin t 2 e2 bl1l2 sin t 0 3 1 2013 漳州一模 电学元件的正确使用对电路安全工作具有重要作用 某电解电容器上标有 25v450 f 字样 下列说法中正确的是 a 此电容器在25v的交流 直流电压时都能正常工作b 此电容器只有在不超过25v的直流电压下才能正常工作c 当工作电压是直流电压25v时 电容才是450 fd 若此电容器在交流电压下工作 交流电压的最大值不能超过25v 解析 选b 电解电容器的极性是固定的 因此只能在直流电压下工作 在正常情况下 电容器的电容不受电压影响 故b正确 2 2013 广东高考 如图 理想变压器原 副线圈匝数比n1 n2 2 1 和均为理想电表 灯泡电阻rl 6 ab端电压u1 12sin100 t v 下列说法正确的是 a 电流频率为100hzb 的读数为24vc 的读数为0 5ad 变压器输入功率为6w 解析 选d 由ab端电压u1 12sin100 t v 知 100 又 2 f 得频率f 50hz a错误 由理想变压器规律 u2 6v b错误 又i2 1a c错误 p2 u2i2 6w p1 p2 d正确 3 如图所示 有一矩形线圈 面积为s 匝数为n 内阻为r 绕垂直磁感线的对称轴oo 以角速度 匀