天之骄子高考物理一轮总复习 第10章 第1节交变电流的产生和描述课件 新人教版.ppt

2017高三一轮总复习 物理 选修3 2 第十章交变电流传感器 第一节交变电流的产生和描述 栏目导航 基础知识整合 热门考点研析 方法技巧归纳 考题随堂演练 物理模型构建 基础知识整合 风力发电机是将风能 气流的动能 转化为电能的装置 在能源危机日趋严重的今天日渐被更多的国家重视和开发 世界上最大海上风电场 伦敦阵列于2013年7月正式投入运营 此风电场位于伦敦泰晤士河口外 长达20公里 面积约100平方公里 安装有175台着床式风车 风力发电机主要部件包括风轮机 齿轮箱 发电机等 如图1所示 风车风轮机叶片长度r 60m 风轮机叶片旋转所扫过的面积为发电机可接受风能的面积 已知风能的利用率为k 25 1 3kg m3 1 依据现有技术 大约是v 3m s的速度 微风的程度 便可以开始发电 此时风电场一台风车的发电功率为多少 2 若考虑轮休和检修 发电时风电场有的风车处于关闭状态 又因发电机自身的损耗 发电机输出效率为 请写出当风速为v时 此风电场的总输出功率的表达式 用题中所给的符号 3 发电机原理可以简化为以下两种模型 模型一 如图2所示 两磁极固定 让n匝矩形线圈在磁感应强度为b的匀强磁场中绕线圈的中轴线匀速转动 转动的角速度为 线圈的面积为s 求当线圈处于图示位置 线圈平面与磁场平行 时 线圈上产生的感应电动势e为多大 模型二 仍如图2所示 线圈固定 让两磁极绕线圈中轴线逆时针转动 设转动过程中垂直于线圈平面的磁感应强度分量b 随时间变化可以简化为如图3所示 请定性画出感应电动势随时间的变化图 思路引导 1 单位时间内多少质量的空气的动能转化为电能 2 线圈旋转切割磁感线 产生感应电动势 当线圈平面与磁场平行时 是否有最大值 如何表示最大值 3 根据交流电产生的规律可知 模型一中 图中线圈处于与磁场平行的位置 其电动势具有最大值 e nbs 交变电流1 直流电流的 不随时间变化的电流称为直流 恒定不变的直流称为恒定电流 2 交变电流 和 随时间做周期性变化的电流 简称交流 如图所示为正弦式交变电流 知识点1 方向 大小 大小 方向 正弦式交变电流的产生1 定义 按 的交变电流 简称正弦式电流 2 产生条件在匀强磁场中 线圈绕 于磁场方向的轴匀速转动 如图所示 知识点2 正弦式规律变化 垂直 3 中性面 1 定义 线圈与磁场 的平面 2 特点 线圈与中性面重合时 磁通量 磁通量的变化率 感应电动势 感应电流 方向 线圈转动一周 感应电流方向改变 线圈平面与中性面垂直时 穿过线圈平面的磁通量 但磁通量的变化率 产生的感应电动势 4 过程分析当闭合线圈由 位置 上图o1o2位置 开始在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时 线圈中产生的感应电动势随时间而变的函数是正弦函数 电动势e 其中em 这就是正弦交变电流 垂直 最大 为零 为零 改变 两次 为零 最大 最大 中性面 emsin t nbs 描述交变电流的物理量交变电流的周期 频率 瞬时值 峰值 有效值 平均值都是描述交变电流变化 的物理量 1 周期和频率 1 周期t 定义 交变电流完成一次 变化 线圈转一周 所需的时间 单位是秒 符号为s 物理意义 周期越大 交变电流变化越 在一个周期内 交变电流的方向变化 次 知识点3 快慢 周期性 慢 两 2 频率f 定义 交变电流在1s内完成周期性变化的 单位是赫兹 符号为hz 物理意义 频率越大 交变电流变化越 3 周期和频率的关系 f 4 我国生活用电的电压是220v 周期是0 02s 频率是50hz 每秒钟电流方向变化 次 次数 快 100 2 峰值 有效值 瞬时值和平均值 1 峰值 定义 交变电流的电流或电压所能达到的 值 物理意义 表示电流强弱或电压高低的物理量 大小 当线圈平面与中性面垂直时 穿过线圈的磁通量为0 感应电动势达到峰值 表达式为em em由匝数n 线圈面积s 磁感应强度b和角速度 四个量决定 与转轴 线圈的 及线圈是否闭合无关 应用 研究电容器的击穿电压时用到交变电压的 即电容器的击穿电压要 交变电压的峰值 最大 nbs 位置 形状 峰值 大于 2 有效值 定义 有效值是根据电流的 来规定的 如果交变电流与某恒定电流在相同时间内通过 电阻时其产生的热效应 则将该恒定电流的数值叫做该交变电流的有效值 物理意义 表示电流的热效应的物理量 大小 正弦式交变电流的有效值i u与峰值im um有如下关系 i u 热效应 相同 相同 3 瞬时值交变电流某一时刻的值 是时间的函数 4 平均值交变电流图象中波形与横轴围成的面积跟时间的比值 利用法拉第电磁感应定律求解的感应电动势即平均值 特别提醒1 除正弦式交流电外 其它形式的交变电流的有效值必须根据电流的热效应来求 注意 三个相同 即 相同电阻 相同时间 内产生 相同热量 计算时 相同时间 要取周期的整数倍 一般取一个周期 2 在交流电路中 电压表 电流表等电工仪表的示数均为交变电流的有效值 一般用电器铭牌上直接标出的是交变电流的有效值 在没有具体说明的情况下 所给出的交变电流的电压 电流指的是有效值 热门考点研析 1 正弦式交流电的产生 1 正弦式交变电流产生条件在匀强磁场中 绕垂直于磁场方向的轴匀速转动的线圈产生正弦式交变电流 2 中性面中性面是与磁场方向垂直的平面 线圈平面位于中性面时 穿过线圈平面的磁通量最大 而磁通量的变化率为零 产生的感应电动势为零 正弦式交流电的产生和规律应用 考点1 线圈平面与中性面垂直时 穿过线圈平面的磁通量为零 磁通量的变化率最大 产生的感应电动势最大 线圈每经过中性面一次电流方向就改变一次 线圈转动一周 两次经过中性面 所以电流的方向改变两次 2 交变电流的图象问题交变电流的图象问题结合交流电的产生 考查了线圈在匀强磁场中转动时 通过线圈磁通量与磁通量变化率这两个不同物理量的变化情况 解题思路通过具体问题考查考生对两个有联系但根本不同的物理概念的理解程度 类似的如速度与加速度的概念等 在平时学习中注意理解磁通量与磁通量变化率问题 关键是将图象与线圈转动过程中的实际位置对应起来 尤其是中性面和中性面的垂直面位置分别对应图象中的哪一个时刻 深刻理解并牢记线圈经过两个特殊面位置时的特点 磁通量随时间的变化如图所示 对应的感应电动势随时间的变化如图所示 交变电动势是由电磁感应产生的 其大小取决于磁通量的变化率 当线圈平面处于中性面时 磁通量最大 但磁通量的变化率却为零 感应电动势和感应电流也为零 用交变电流的图象能够较全面的考查描述交变电流和各物理量 还可以结合交变电流的产生 变压器 电阻定律等命题 遇到此类问题 应尽量先写出交变电流的表达式 然后才进一步作答 例1 a 电阻r2上的热功率为1wb 0 02s时滑动变阻器r0两端的电压瞬时值为零 0 02s时 通过线圈的磁通量为零 根据交变电流的规律可知 电动势最大 故滑动变阻器两端的电压瞬时值不为零 b选项错误 答案 d 总结提升 正弦式交变电流的变化规律 线圈在中性面位置开始计时 图1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oo 轴转动 由线圈引起的导线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2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 针对训练1 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3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 2 线圈平面处于与中性面成 0夹角位置时开始计时 则在 1 中的瞬时表达式中加个相位 e2 bl1l2 sin t 0 描述交变电流的物理量1 瞬时值 从中性面开始计时 感应电动势的瞬时值为e nbs sin t 2 最大值 em nbs 与线圈的面积和转动角速度有关 与线圈的形状 转动轴位置无关 涉及到电容器的击穿电压时 指的是交变电压的最大值 3 有效值 利用电流的热效应定义的 交流电通过电阻时产生的热量与直流电通过同一电阻在相同时间内产生的热量相等 则直流电的数值就是该交流电的有效值 交流电的 四值 考点2 2015年四川高考 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2e0 例2 思路引导 1 交变电流是如何产生的 2 正弦式交流电的峰值和有效值具有什么关系 答案 d 总结提升 解决交变电流 四值 问题的注意点1 在交变电流的电路中 首先要搞清电路的结构 再注意最大值 有效值 平均值 瞬时值等概念的区分 2 将交变电流和恒定电流知识结合起来 用已有的知识和方法处理该部分问题 注意闭合电路欧姆定律和焦耳定律的适用条件 1 感应电动势的最大值 2 由图示位置转过60 时的瞬时感应电动势 3 交流电压表的示数 4 线圈转动一周产生的总热量 针对训练2 2 感应电动势的瞬时值为e emcos nbs cos 由图示位置转过60 时的瞬时感应电动势为e emcos60 2 82 0 5v 1 41v 答案 1 2 82v 2 1 41v 3 1 6v 4 2 5j 5 0 141c 方法技巧归纳 非正弦式交变电流有效值的求解方法1 求解有效值的步骤 1 首先要分析交变电流的变化规律 在一个交变电流中可能存在几种形式的交流电 2 一个交变电流中存在几种形式时 可在一个周期内分段求出产生的热量 求其和 4 在一个周期内 分段计算交变电流的有效值时 不是代数的平均值 而是用焦耳定律求解 2 几种典型的交变电流的有效值 1 正弦式交变电流 2 正弦半波电流 3 正弦单向脉动电流 4 矩形脉冲电流 5 非对称性交变电流 图甲 图乙分别表示两种电压的波形 其中图甲所示电压按正弦规律变化 下列说法正确的是 a 图甲表示交流电 图乙表示直流电b 电压的有效值都是311vc 电压的有效值图甲大于图乙d 图甲所示电压的瞬时值表达式为u 220sin100 t v 思路引导 1 如何区分交流电和直流电 2 如何计算非正弦式交流电的有效值 例4 解析 直流电是指电流方向不发生变化的电流 交流电指的是电流方向发生变化的电流 故图甲和图乙均为交流电 a选项错误 答案 c 图甲 图乙分别表示两种电压的波形 其中图甲所示的电压按正弦规律变化 图乙所示的电压是正弦函数的一部分 下列说法错误的是 针对训练3 a 图甲 图乙均表示交流电b 图甲所示电压的瞬时值表达式为u 20sin100 tc 图乙所示电压的有效值为20vd 图乙所示电压的有效值为10v解析 直流电是指电流方向不发生变化的电流 交流电指的是电流方向发生变化的电流 故图甲和图乙均为交流电 a选项正确 答案 c 物理模型构建 发电机模型1 模型简介 1 导体在外力作用下做切割磁感线的运动均可以看作发电机模型 2 发电机模型综合考查了电磁感应 恒定电流 交变电流以及能量转化等知识 发电机的工作原理是闭合线圈在磁场中受力转动 产生感应电动势 从而使机械能转化为电能 2 解题思路 1 建立模型闭合线圈在磁场中受力转动时 线圈相当于电源 其他电路相当于负载 能量的来源是外力做功 机械能转化为电能 2 规律应用感应电动势的大小需要根据法拉第电磁感应定律来计算 判断感应电动势的方向需要用到右手定则知识 结合电路和能量守恒定律正确运用最大值 瞬时值 有效值和平均值列式求解 3 明确联系线圈转动产生交变电流的过程中 明确两个特殊位置 中性面和与中性面垂直的平面 线圈在磁场中转动产生的电动势等于每匝线圈产生的电动势之和 线圈受到安培力作用 等于每匝线圈受到安培力之和 如图甲所示是某人设计的一种振动发电装置 它的结构是一个套在辐向形永久磁铁槽中的半径为r 0 1m 匝数n 20的线圈 磁场的磁感线均沿半径方向均匀分布 其右视图如图乙所示 在线圈所在位置磁感应强度b的大小均为0 2t 线圈的电阻为2 它的引出线接有8 的小电珠l 外力推动线圈框架的p端 使线圈沿轴线做往复运动 便有电流通过电珠 当线圈向右的位移x随时间t变化的规律如图丙所示时 x取向右为正 求 例4 1 线圈运动时产生的感应电动势e的大小 2 线圈运动时产生的感应电流i的大小 并画出感应电流随时间变化的图象 在图甲中取电流由c向上流过电珠l到d为正 3 每一次推动线圈运动过程中作用力f的大小 4 该发电机的输出功率p 摩擦等损耗不计 5 某同学说 该线圈在运动过程中 磁感线始终与线圈平面平行 线圈中的磁通量始终为零 磁通量保持不变 因此线圈中应该没有感应电流产生 但实际却产生了电流 如何解释这个问题呢 对这个问题说说你的看法 思路引导 1 分析图丙 能否确定线圈的运动情况 如何结合导体切割磁感线知识确定感应电动势 2 推动线圈运动的过程中 推力和安培力具有什么关系 3 磁感线是闭合曲线吗 内部磁感线是怎么分布的 3 线圈做匀速直线运动 运动过程中推力等于安培力 f f安 nbil 2ni rb 代入数据解得f 0 5n 4 根据能量守恒定律 发电机的输出功率等于灯泡的功率 p i2rl 代入数据解得 p 0 32w 5 磁感线是闭合曲线 在磁铁的内部也有磁感线 这些磁感线穿过线圈 线圈中的磁通量不为0 运动的过程中 磁通量发生变化 不能只看到外部的磁感线 答案 1 2v 2 0 2a图象见解析 3 0 5n 4 0 32w 5 磁感线是闭合曲线 在磁铁的内部也有磁感线 这些磁感线穿过线圈 线圈中的磁通量不为0 运动的过程中 磁通量发生变化 不能只看到外部的磁感线 2016届江苏一模 如图是某学习小组在空旷的场地上做 摇绳发电实验 的示意图 他们将一铜芯线像甩跳绳一样匀速摇动 铜芯线的两端分别通过细铜线与灵敏交流电流表相连 摇绳的两位同学的连线与所在处的地磁场 可视为匀强磁场 垂直 摇动时 铜芯线所围成半圆周的面积s 2m2 针对训练4 1 求该处地磁场的磁感应强度b 2 从铜芯线所在平面与该处地磁场平行开始计时 求其转过四分之一周的过程中 通过电流表的电量q 3 求铜芯线转动一周的过程中 电路产生的焦耳热q 答案 1 2 10 5t 2 4 10 6c 3 7 2 10 9j 考题随堂演练 1 2016届泰安期中 在下