广东省高中物理第一轮总复习 第11章第1讲交流电的产生及描述 粤教版 新课标.ppt

1 本章所讲的交变电流的知识 是前面学过的电和磁的知识的发展和应用 交流电相比于直流电 有许多优点 这使得交流电与生产生活有着比直流电更广泛和密切的联系 对照新课标及2010年高考考试说明 不难看出对学生的要求并不高 但从新课标的精神及高考的方向来看 本章内容应该会在高考中有一定程度的体现 交流电的产生原理和变化规律 交流电的图象 特点 变压器及电能的输送等问题是考生必须掌握的内容 2 从近几年各地高考试题来看 交流电的产生 图象 规律及有效值 理想变压器电压关系及功率 电流关系 远距离输电等知识点在高考试题中频繁出现 这些高考热点内容 是同学们复习的重点 3 在新课标中 要求学生知道传感器作用 意义以及常见的传感器的基本工作原理 了解传感器在生产和生活中的应用 虽然在2010高考考纲中对这部分内容并没有提出明确的要求 但并不排除高考中出现涉及传感器的可能性 这在新课标实施前的高考题中都已经得到了验证 因此 学生在复习时对传感器的问题还是应该适当的关注 1 以 交流电的规律 为复习中心 掌握交流电的产生 特点及特征物理量 交流电是电流的大小和方向均随时间发生变化的电流 它按正弦或余弦规律变化 既可以用函数公式来分析或进行有关计算 也可以利用图象的方法来研究交流电 无论是哪一种方法 必须正确掌握交流电的特征物理量的计算 包括周期 频率和有效值等 2 以 变压器的原理 为复习核心 掌握变压器传输电能的特点 研究远距离输电问题 变压器是利用互感原理将交流电的电压改变的一个重要的电力处理装置 必须掌握变压器的基本原理和传输电能特点 要了解远距离输电的基本模式 弄清输电规律 正确设计出输电方案 更好的传送能源 电阻 电感和电容对交变电流的作用高压输电变压器 正弦交变电流 产生 矩形线圈在匀强磁场中匀速转动 描述 瞬时值 i imsin t峰值 im nbs r周期t和频率f图象 正弦曲线 输送 一 交变电流的产生1 交变电流的概念 和都随时间做周期性变化的电流 2 交变电流的产生 线圈在中绕匀速转动时 就能产生正弦交流电 大小 方向 匀强磁场 垂直于磁场方向的轴 1 交变电流产生的过程分析如下图所示为矩形线圈abcd在磁场中绕轴oo 转动时的截面图 转动过程中 穿过线圈的磁通量发生变化 其中ab和cd两条边在切割磁感线 产生感应电动势 线圈上就有了感应电流 具体分析可从图中看出 图 时 导体不切割磁感线 线圈中无电流 图 时 导体垂直切割磁感线 线圈中有电流 且电流从a端流入 图 同图 图 中电流从a端流出 图 同图 这说明电流方向发生了改变 2 关于中性面线圈平面时 线圈中的 为零 这一位置叫中性面 如图 和图 位置 线圈平面经过中性面时 最大 发生改变 线圈绕轴转一周经过中性面两次 因此感应电流方向改变两次 垂直于磁感线 感应电 流 磁通量 电流方 向 3 交流电动势的最大值在交变电流的产生过程中 当线圈平面处于中性面时尽管磁通量最大 但电动势的瞬时值为零 而当线圈平面与中性面垂直时 尽管磁通量为零 但由于切割磁感线的两条边速度和磁场方向垂直 使得最大 所以电动势的瞬时值e达到最大值 磁通量的变化率 em nbs 二 交变电流的变化规律1 正弦式交变电流的瞬时表达式 正弦式交变电流的电动势瞬时表达式的推导 以线圈平面过中性面为计时开始 经过时间t 线圈与中性面的夹角为 t ab cd两边的线速度大小均为由右图可知 该速度在垂直于磁场方向上的分量为 e emsin t nbs sin t ab中产生的感应电动势为 在回路中 cd ab两边产生的感应电动势大小相等 且两感应电动势的方向一致 所以单匝线圈中的感应电动势为e 2eab b lbclabsin t bs sin t 若是n匝线圈 则产生的感应电动势的表达式为e nbs sin t 2 正弦式交变电流的图象线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动的过程中 从线圈平面离开中性面开始计时 线圈中产生的感应电动势是按正弦规律变化 其交流电动势瞬时值图象如图甲 实验表明欧姆定律也适用于交变电流的纯电阻电路 有 i imsin t 其中im r为电路中的总电阻 电流瞬时值图象如图乙 三 表征交流电的物理量1 交流电的周期 频率和角频率交流电的周期 t 频率 f 和角频率 都是用来描述交流电变化快慢的物理量 它们之间存在如下关系 2 交流电的有效值 1 有效值定义 让交流电和直流电通过同一个电阻 如果在相同时间内产生的 这一直流电的数值就叫做这一交流电的有效值 2 正弦交流电的有效值与最大值的关系 电动势有效值电压有效值电流有效值 热量相 同 3 注意有效值与平均值的区别 有效值是指交流电在产生热效应方面跟直流电等效 通常交流电压表和电流表测量的数值 以及各种使用交流电的电气设备上所标的和的数值 都是指有效值 根据法拉第电磁感应定律 可以计算在一段时间 t内的平均电动势 交流电的平均值与热效应无关 但一段时间内通过电路的决定于电流的平均值 额定电压 额定电流 电荷量 主题 1 掌握交流电的变化规律 会进行交流电物理量的计算 双选 2010 普宁模拟 一矩形金属线圈共10匝 绕垂直磁场方向的转轴在匀强磁场中匀速转动 线圈中产生的交变电流的电动势e随时间t变化的情况为e 10sin10t v 下列说法中正确的是 a 该交变电流的频率是10hzb 当t s时 通过线圈的磁通量恰好为零c 线圈转动过程中穿过线圈的最大磁通量为wbd 该交变电流电动势的有效值为5v cd 交变电流的函数表达式由e 10sin10pt v 得电动势的有效值e em 5v 频率f 5hz 把t s代入e表达式 得e 0 此时通过线圈的磁通量恰好最大 c项要用em nbsw nfmw 得到 联系正弦交变电流感应电动势的瞬时值 最大值的桥梁是感应电动势瞬时值表达式 一个在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动的线框 当线框转至中性面时开始计时 t1 1 60s 线框中感应电动势为50v 当t2 1 30s时 线框中感应电动势为50v 求 1 感应电动势的最大值 2 线框转动的角速度的大小 3 线框中感应电动势的瞬时表达式 线框匀速转动时产生正弦交变电流 题目还给出了计时起点为中性面 因此正弦交变电流的瞬时值表达式为e emsin t 利用瞬时值表达式来求解 将已知条件代入得到 将 式化成 得所以 10 rad s 将 代入 得em 100v瞬时表达式为e 100sin10 tv 如图11 1 1所示 匀强磁场的磁感应强度b 0 1t 矩形线圈的匝数n 100匝 边长ab 0 2m bc 0 5m 转动角速度 图11 1 1 100 rad s 转轴在正中间 试求 1 从图示位置开始计时 该线圈电动势的瞬时表达式 2 当转轴移动至ab边 其他条件不变 再求电动势的瞬时表达式 3 当线圈做成半径为r 的圆形 再求电动势的瞬时表达式 根据e emsin t nbs sin t可以知道 1 e 314cos100 tv 2 与 1 相同 3 与 1 相同 主题 2 掌握交流电的图象知识 会利用图象解答交流电的相关问题城市美化或者每逢节日 同学们往往能看到许多霓虹灯发出鲜艳绚丽的灯光 将城市装扮得异彩纷呈 赏心悦目 频率为50hz的交变电流 其电压u 120sin tv 把它加在激发电压 熄灯电压均为84v的霓虹灯的两端 求在半个周期内霓虹灯点亮的时间 交流电的图象 设交变电压的周期t 0 02s 电压的最大值um 120v 168v 为便于求解 作交变电压的u t图象如图所 示 当电压高于84v时霓虹灯才发光 由图象易知 半个周期内灯管点亮的时间为 t t2 t1 因84 168sin t sin t sin2 ft 所以得则 本题采用图象辅助的方法使解题过程流畅 思维清晰 需注意的是 不管是在霓虹灯上加正向电压还是反向电压 只要电压瞬时值超过其激发电压 霓虹被点亮 所以在交流电变化的一个周期内 霓虹灯被点亮两次 主题 3 关注交变电流在生活中的应用 学会处理交流电的应用问题 单选 一只电饭煲和一台洗衣机同时并联接入u 311sin314tv的交流电源上 均正常工作 用电流表分别测得流过电饭煲的电流是5a 流过洗衣机的电流是0 5a 则下列说法中正确的是 a 电饭煲的电阻为44 洗衣机电动机线圈的电阻为440 b 电饭煲消耗的功率为1555w 洗衣机电动机消耗的功率为155 5w c 1分钟内电饭煲消耗的电能为6 6 104j 洗衣机电动机消耗的电能为6 6 103jd 电饭煲发热功率是洗衣机电动机发热功率的10倍交流电结合电路知识由u 311sin314tv知 电源电压的有效值220v 电饭煲是纯电阻器件 遵循欧姆定律 但洗衣机中有电动机存在 因此不遵循欧姆定律 c 虽然电饭煲和洗衣机是并联在电路中的 但由于两个用电器的性质上的差异 因此 不能根据相同的规律来进行计算 在实际应用中 特别要注意这种差异 要注意区分纯电阻电路和非纯电阻电路 有一正弦交流电源 电压有效值u 120v 频率为f 50hz向一霓虹灯供电 若霓虹灯的激发电压和熄灭电压均为u0 60v 试估算在一个小时内 霓虹灯发光时间有多长 为什么人眼不能感到这种忽明忽暗的现象 由正弦交流电的最大值与有效值u的关系得 um 120v设t 0时交流电的瞬时电压u 0 则交流电的瞬时表达式为u 120sin100 tv 如图所示 画出一个周期内交流电的u t图象 其中阴影部分对应的时间t1表示霓虹灯不能发光的时间 根据对称性 一个周期内霓虹灯不能发光的时间为4t1 当u u0 60v时 由上式得t1 1 600s 再由对称性求得一个周期内能发光的时间 再由比例关系求得一小时内霓虹灯发光的时间为 很明显霓虹灯在工作过程中是忽明忽暗的 而熄灭的时间只有1 300s 如图t2时刻到t3时刻 由于人的眼睛具有视觉暂留现象 而这个视觉暂留时间约为1 16s远大于1 300s 因此经过灯光刺激的人眼不会因为短暂的熄灭而有所感觉 主题 4 正确理解交流电有效值的意义 会利用能量守恒计算有效值 图11 1 2 单选 两只阻值相等的电阻分别通以正弦交流电与方形交流电 它们电流的最大值相等 如图11 1 2所示 则两只电阻的热功率之比是 a 1 4b 1 c 1 2d 1 1 b 交流电的有效值正弦交流电的有效值为 则电阻在一周期内产生的热量为电阻在通以方形交流电一周期内产生的热量易知两只电阻的热功率之比为1 2 若不是正弦交流电则应特别小心应该使用能量守恒计算有效值 区分正弦交流电和非正弦交流电的有效值计算 图11 1 3中是某一交流电电流随时间变化的图象 此交流电的有效值是 图11 1 3 周期为0 03s 前t内的有效值为后t内的有效值为5a所以i 5a 主题 5 利用力学和电学的规律 正确解答交流电的综合问题交流发电机转子有n匝线圈 每匝线圈所围面积为s 匀强磁场的磁感应强度为b 匀速转动的角速度为 图11 1 4 线圈内电阻为r 外电路电阻为r 当线圈由图11 1 4中实线位置匀速转动90 到达虚线位置过程中 求 1 通过r的电荷量q为多少 2 r上产生电热qr为多少 3 外力做的功w为多少 力学和电学的综合解析能力 1 由电流的定义 计算电荷量应该用平均值 即这里电流和电动势都必须要用平均值 不能用有效值 最大值或瞬时值 2 求电热应该用有效值 先求总电热q 再按照内外电阻之比求r上产生的电热qr 3 根据能量守恒 外力做功的过程是机械能向电能转化的过程 电流通过电阻 又将电能转化为内能 即放出电热 因此 2 3 问的电流必须要用有效值 不能用平均值 最大值或瞬时值 一定要学会用能量转化和守恒定律来分析功和能 平行金属板a b两板相距为d 如图11 1 5 a 所示 板间加有如图 b 所示的随时间变化的电压u u0和t已知 ux未知 a板上o处有一质量为m 电荷量为q的静止带电粒子 重力不计 在t 0时刻受板间电压u0加