高二物理导学案(选修3-2交变电流)

1 第二章第二章 交变电流交变电流 导学案导学案 编稿 甘生存编稿 甘生存 2 12 1 交变电流交变电流 自主学习案自主学习案 1 叫做交流电 叫做正弦交流电 2 线圈位于中性面时 穿过线圈的磁通量最 磁 通量的变化率最 感应电动势最 线圈中的电流方向要发生改变 线圈平行于中 性面时 穿过线圈的磁通量最 磁通量的 变化最 感应电动势最 3 交变电流的瞬时值 如线圈在中性面位置计 时时 瞬时电动势 e 瞬时电压 u 瞬时电流 i 如线圈平行于磁场时计时 则瞬时电动势 e 瞬时电压 u 瞬 时电流 i 4 交变电流的有效值 它是根据电流的 正 弦交流电的有效值与最大值之间的关系是 E有 U有 I 探究案探究案 探究一 交变电流的产生探究一 交变电流的产生 1 为什么矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时线 圈里能产生交变电流 2 当 abcd 线圈在磁场中绕 OO 轴转动时 哪 些边切割磁感线 3 当 ab 边向右 cd 边向左运动时 线圈中感 应电流的方向 4 当 ab 边向左 cd 边向右运动时 线圈中感 应电流的方向如何 5 线圈平面与磁感线平行时 ab 边与 cd 边线 速度方向都跟磁感线方向垂直 即两边都垂直 切割磁感线 此时产生感应电动势有什么特点 6 线圈转到什么位置时 产生的感应电动势最 小 7 当线圈平面跟磁感线垂直时 ab 边和 cd 边 线速度方向都跟磁感线平行 此时感应电动势 为多少 8 中性面 1 中性面 2 线圈处于中性面位置时 穿过线圈 最 大 但 t 3 线圈越过中性面 线圈中 I感方向要改变 线圈转一周 感应电流方向改变 次 探究二 交变电流的变化规律探究二 交变电流的变化规律 1 1 设线圈平面从中性面开始转动 角速度是 经过时间 t 线圈转过的角度是 t ab 边 的线速度 v 的方向跟磁感线方向间的夹角也等 于 t 如右图所示 设 ab 边长为 L1 bc 边长 L2 磁感应强度为 B 这时 ab 边产生的感应电 动势多大 2 2 此时整个线框中感应电动势多大 3 3 若线圈有N 匝呢 4 电动势 电流与电压的瞬时值与时间的关系 可以用正弦曲线来表示 如下图所示 5 几种常见的交变电波形 训练案训练案 题型一 题型一 交变电流的概念 1 下列各图中 表示交变电流的是 2 矩形线框绕垂直于匀强磁场且沿线框平面的 轴匀速转动时产生了交变电流 下列说法正确 的是 A 当线框位于中性面时 线框中感应电动势最 大 B 当穿过线框的磁通量为零时 线框中的感应 电动势也为零 C 每当线框经过中性面时 感应电动势或感应 电流方向就改变一次 D 线框经过中性面时 各边不切割磁感线 3 下图中哪些情况线圈中产生了交流电 题型二 交变电流的规律题型二 交变电流的规律 4 如图所示 一矩形线圈abcd 已知ab边长 为l1 bc边长为l2 在磁感应强度为B的匀强 磁场中绕OO 轴以角速度 从图示位置开始 匀速转动 则t时刻线圈中的感应电动势为 2 A 0 5Bl1l2 sin t B 0 5Bl1l2 cos t C Bl1l2 sin t D Bl1l2 cos t 5 如图所示 一单匝闭合线圈在匀强磁场中绕 垂直于磁场方向的转轴匀速转动 转动过程中 线框中产生的感应电动势的瞬时值为 e 0 5sin 20t V 由该表达式可推知以下哪 些物理量 A 匀强磁场的磁感应强度 B 线框的面积 C 穿过线框的磁通量的最大值 D 线框转动的角速度 6 如图所示为演示交变电流产生的装置图 关 于这个实验 正确的说法是 A 线圈每转动一周 指针左右摆动两次 B 图示位置为中性面 线圈中无感应电流 C 图示位置ab边的感应电流方向为a b D 线圈平面与磁场方向平行时 磁通量变化率 为零 题型三 交变电流的图象题型三 交变电流的图象 7 处在匀强磁场中的矩形线圈abcd 以恒定的 角速度绕ab边转动 磁场方向平行于纸面并与 ab垂直 在t 0 时刻 线圈平面与纸面重合 如图所示 线圈的cd边离开纸面向外运 动 若规定由a b c d a方向的感应电流 为正 则能反映线圈中感应电流i随时间t变 化的图线是 8 如图所示 面积均为S的线圈均绕其对称轴 或中心轴在匀强磁场B中以角速度 匀速转动 能产生正弦交变电动势e BS sin t的图是 9 矩形线圈在匀强磁场中匀速转动 所产生的 交变电流的波形如图所示 下列说法中正确的 是 A t1时刻穿过线圈的磁通量达到峰值 B 在t2时刻穿过线圈的磁通量达到峰值 C 在t3时刻穿过线圈的磁通量的变化率达到 峰值 D 在t4时刻穿过线圈的磁通量的变化率达到 峰值 3 2 22 2 描述交变电流的物理量描述交变电流的物理量 学习目标学习目标 1 知道交变电流的周期和频率 以及它们与转 子角速度 的关系 2 知道交变电流和电压的最大值 瞬时值 有效值等及其关系 3 知道我国供电线路交变电流的周期和频率 重点 难点重点 难点 1 周期 频率的概念 有效值的概念和计算 2 有效值的概念和计算 自主学习案自主学习案 1 交变电流的周期和频率 1 周期 T 交变电流完成 所需要的 时间 用 表示 单位 2 频率 1 秒内完成 的次数 用 f 表 示 单位 3 周期和频率的关系 或 4 物理意义 表征交变电流变化的快慢 5 线圈转动角速度 与频率 f 的关系 2 交变电流的峰值 1 交变电流在一个周期内所能达到的最大值叫 做交变电流的峰值 以此可以表示交变电流的强 弱或电压的高低 2 意义 磁场中旋转线圈与中性面垂直时交变 电流的瞬时值 对单匝线圈而言 其电压的峰值 可表示为 Em 或 Em 电流的峰值可表示为 Im 或 Im 3 交变电流的有效值 1 根据电流的 来规定 让交变电流和 直流通过相同阻值的电阻 如果它们在相等的时 间内产生的 相等 就把这一直流电的 数值叫做这一交变电流的有效值 2 有效值和峰值的关系 E U I 这一关系只适用于 电流 3 在没有特别说明时 通常所说的交变电压 电压 电动势都是指有效值 交流电表测量的值 也是有效值 交流用电设备铭牌标出的电压 电 流值也是指有效值 探究案探究案 探究一 周期和频率探究一 周期和频率 1 什么是周期 频率 它们之间有什么关系 2 与周期 T 频率 f 之间的关系是什么 3 如图所示 这个交流电的周期是多少 频率 是多少 探究二 峰值和有效值探究二 峰值和有效值 一 峰值 交变电流的峰值 Im 或 Um 表示什么 二 有效值 1 如图所示 通过一个 R 1 的电阻 i 随时间 变化的曲线 这个电流不是恒定电流 2 怎样计算通电 1s 内电阻 R 中产生的热量 3 如果有一个大小 方向都不变的恒定电流通 过这个电阻 R 也能在 1s 内产生同样的热 这 个电流是多大 4 什么是交流电的有效值 5 理论计算表明 正弦交变电流的有效值 I U 与峰值 I m Um之间有什么关系 探究三 交流电的相位 了解 探究三 交流电的相位 了解 1 什么是相位 2 什么是相位差 训练案训练案 题型一 题型一 交变电流的周期和频率 1 某交变电流的方向在 1 s 内改变 100 次 则 其周期T和频率f分别为 A T 0 01 s B T 0 02 s C f 100 Hz D f 50 Hz 2 某交变电压随时间的变化规律如图所示 则 此交变电流的频率为 Hz 线圈转动的角 速度是 rad s 若将此电压加在 10 F 的电容器上 则电容器的耐压值不应小于 V 3 我国照明电压的瞬时值表达式为 e 220sin 100 t V 它的周期是 2 4 频率是 在 1 s 内电流的 方向改变 次 电压最大值为 题型二 交流电的有效值和最大值题型二 交流电的有效值和最大值 4 关于交流电的有效值U和最大值Um 下列 说法中正确的是 A 任何形式的交流电都具有U 的关系 Um 2 B 只有正弦交流电才具有U 的关系 Um 2 C 照明电压 220 V 动力电压 380 V 指的都是 最大值 D 交流电压表和交流电流表测的都是最大值 5 已知负载上的交变电流u 311sin 314t V i 14 1sin 314t A 根据这两式判断 下 述结论中正确的是 A 电压的有效值为 311 V B 负 载电阻的大小为 22 C 交变电流的频率是 55 Hz D 交变电 流的周期是 0 01 s 6 在电路的MN间加一如图所示的正弦交流电 负载电阻为 100 若不考虑电表内阻对电路 的影响 则交流电压表和交流电流表的读数分 别为 A 220 V 2 20 A B 311 V 2 20 A C 220 V 3 11 A D 311 V 3 11 A 7 一台小型发电机产生的电动势随时间变化的 正弦规律图象如图甲所示 已知发电机线圈内 阻为 5 0 现外接一只电阻为 95 0 的灯 泡 如图 5 2 14 乙所示 则 A 电压表 V 的示数为 220 V B 电路中的电流方向每秒钟改变 50 次 C 灯泡实际消耗的功率为 484 W D 发电机线圈内阻每秒钟产生的焦耳热为 24 2 J 8 在图所示电路中 A是熔断电流I0 2 A 的 保险丝 R是可变电阻 S是交流电源 交流电 源的内电阻不计 其电动势随时间变化的规律 是e 220sin 314t V 为了不使保险丝熔 2 断 可变电阻的阻值应该大于 A 110 2 B 110 C 220 D 220 2 5 2 32 3 电感和电容对交变电流的影响电感和电容对交变电流的影响 学习目标学习目标 1 理解为什么电感对交变电流有阻碍作用 2 知道用感抗来表示电感 电感对交变电流阻 碍作用的大小 知道感抗与哪些因素有关 3 知道交变电流能通过电容 知道为什么电容 器对交变电流有阻碍作用 4 知道用容抗来表示电容对交变电流阻碍作用 的大小 知道容抗与哪些因素有关 重点 难点重点 难点 1 电感对交变电流的阻碍作用大小及感抗与哪 些因素有关 2 电容对交变电流的阻碍作用大小及容抗与哪 些因素有关 3 交变电流能够通过电容器的本质 自主学习案自主学习案 1 实验表明电感对交变电流有阻碍作用 电 感对交变电流阻碍作用的大小用感抗表示 线 圈的 越大 交变电流的 越高 阻碍作用越大 感抗也越大 低频扼流圈的 自感系数很大 它有 的作用 高频扼流圈的自感系数较小 它有 的作用 2 电容对交变电流的阻碍作用 1 通过实验 可以看到交变电流能够通过电容器 其实自由 电荷并未通过极板间的绝缘介质 只是在交变 电压的作用下 电容器交替进行 电 路中就有了电流 2 容抗 表示电容对交流的 阻碍作用的大小 越大 交流的 越高 电容器对交流的阻碍作用越小 容抗也越小 3 电容在电路中的作用是 探究案探究案 探究一 电感对交变电流的阻碍作用探究一 电感对交变电流的阻碍作用 1 连接实验电络图 2 1 2 3 三个电路图中交流电源与直流 电源的电动势相同 A1 A2 A3为三个完全相 同的小灯泡 闭合电键 观察 A1 A2 A3亮度 3 实验结果是什么 如何解释 4 什么是感抗 它的大小与什么因素有关 探究二 探究二 电容对交变电流的作用 1 连接实验电路图 2 2 1 2 两个电路中交流电源与直流电源电 动势相同 A1 A2 为两个完全相同的小灯泡 闭合电键 观察 A1 A2 的亮暗情况 3 实验结果是什么 如何解释 4 什么是感抗 它的大小与什么因素有关 训练案训练案 题型一 题型一 感抗和容抗 1 如图所示交流电源的电压有效值跟直流电源 的电压相等 当将双 刀双掷开关接到直流电源上时 灯泡的实际功 率为P1 而将双刀双掷开关接在交流电源上时 灯泡的实际功率为P2则 A P1 P2 B P1 P2 C P1 P2 D 不能比较 2 某信号源中有直流成分 交流高频成分和交 流低频成分 为使放大器仅得到交流低频成分 如下图所示电路中可行的是 3 交变电流通过一段长直导线时 电流为I 如果把这根长直导线绕成线圈 再接入原电路 通过线圈的电流为I 则 A I I B I I C I I D 无法比 较 4 如图所示 两个同学利用图示装置做实验 第一位同学使导体杆ab在导轨上匀速运动 第 二位同学使杆ab在导轨上做变速运动 但两位 同学对ab杆做的功一样多 第一位同学的方法 使小灯泡消耗的电能为W1 第二位同学的方法 使小灯泡消耗的电能为W2 它们相比较 6 A W1 W2 B W1 W2 C W1 W2 D 不能比较 5 对电容器能通交变电流的原因 下列说法正 确的是 A 当电容器接到交流电源上时 因为有自由电 荷通过电容器 电路中才有交变电流 B 当电容器接到交流电源上时 电容器交替进 行充电和放电 电路中才有交变电流 C 在有电容器的交流电路中 没有电荷定向移 动 D 在有电容器的交流电路中 没有电荷通过电 容器 6 一个灯泡通过一个线圈与一交流电源相连接 如图所示 一块铁插进线圈之后 该灯将 A 变亮 B 变暗 C 没有影响 D 无法判断 题型二 电阻 电感 电容的作用比较 7 如图所示的电路中 正弦交流电源电压的有 效值为 220 V 则关于交流电压表的示数 以 下说法中正确的是 A 等于 220 V B 大于 220 V C 小于 220 V D 等于零 8 在收音机线路中 经天线接收下来的电信号 既有高频成分又有低频成分 经放大后送给下 一级 需要把低频成分和高频成分分开 只让 低频成分输入给下一级 我们采用了如图装置 电路 其中代号a b应选择的元件是 A a是电容较大的电容器 b是低频扼流线圈 B a是电容较大的电容器 b是高频扼流线圈 C a是电容较小的电容器 b是高频扼流线圈 D a是电容较小的电容器 b是低频扼流线圈 9 在频率为f的交变电流电路中 如图所示 当开关 S 依次分别接通R C L支路 这时通 过各支路的电流有效值相等 若将交变电流的 频率提高到 2f 维持其他条件不变 则下列几 种情况不正确的是 A 通过R的电流有效值不变 B 通过C的电流有效值最大 C 通过L的电流有效值最小 D 流过R C L的电流有效值都不变 7 2 42 4 变压器变压器 学习目标学习目标 1 了解变压器的构造及工作原理 2 掌握理想变压器的电压 电流与匝数间关系 3 掌握理想变压器工作规律并能运用解决实际 问题 重点 难点 1 变压器工作原理及工作规律 2 理解副线圈两端的电压为交变电压 3 推导变压器原副线圈电流与匝数关系 4 掌握公式中各物理量所表示对象的含义 预习案预习案 1 变压器 1 构造 由 和绕在铁芯上的两个线圈组成 原线圈 与 连接的线圈 副线圈 与 连接的线圈 2 变压器的工作原理 变压器工作的基础是互 感现象 电流通过原线圈时在铁芯中激发的磁 场不仅穿过原线圈 也同时穿过副线圈 由于 电流的大小 方向在不断变化 铁芯中的磁场 也在不断变化 变化的磁场在副线圈中产生 3 作用 改变交变电流的电压 不改变交变电 流的 和 2 电压与匝数的关系 1 理想变压器 没有 的变压器 2 电压与匝数的关系 理想变压器原 副线圈 的电压之比 等于两个线圈的 之比 即 3 两类变压器 副线圈的电压比原线圈电压低 的变压器叫 变压器 副线圈的电压比原 线圈电压高的变压器叫 变压器 探究案探究案 探究一 变压器原理探究一 变压器原理 1 思考与讨论 2 变压器的构造以及原理 探究二 探究二 变压器线圈两端的电压与匝数的关系 实验目的 探究变压器线圈两端的电压与匝数 的关系 实验器材 可拆变压器 学生电源 多用电表 导线若干 实验步骤 1 按图示电路连接电路 2 原线圈接低压交流电源 6V 保持原线圈 匝数n1不变 分别取副线圈匝数 n2 n1 n1 2 n1 用多用电表交流电压档分 2 1 别测出副线圈两端的电压 记入表格 3 原线圈接低压交流电源 6V 保持副线圈 匝数n2不变 分别取原线圈匝数 n1 n2 n2 2 n2 用多用电表交流电压档分 2 1 别测出副线圈两端的电压 记入表格 U1 6V 实验 次数 123456 原线 圈匝 数 n1 n1n1n1n2n2n2 副线 圈匝 数 n2 n1 2 1 n12 n1n2 2 1 n22 n2 副线 圈输 出电 压 U2 结论 4 总结实验现象 得出结论 注意事项 1 连接好电路后 同组同学分别 独立检查 然后由老师确认 电路连接无误才 能接通电源 2 注意人身安全 只能用低压交流电源 电 源电压不能超过 12V 3 使用多用电表交流电压档测电压时 先用 最大量程测试 然后再用适当的挡位进行测量 探究三 探究三 理想变压器原线圈的输入功率与副线 圈的输出功率关系 训练案训练案 题型一 变压器的工作原理题型一 变压器的工作原理 1 关于理想变压器的工作原理 以下说法正确 的是 A 通有正弦交变电流的原线圈产生的磁通量不 变 B 穿过原 副线圈的磁通量在任何时候都不相 8 等 C 穿过副线圈磁通量的变化使得副线圈产生感 应电动势 D 原线圈中的电流通过铁芯流到了副线圈 2 理想变压器在正常工作时 原 副线圈中一 定相同的物理量是 A 每匝线圈中磁通量的变化率 B 交变电流的频率 C 原线圈的输入功率和副线圈的输出功率 D 原线圈的感应电动势和副线圈的感应电动势 3 对理想变压器作出的判断正确的是 A 高压线圈匝数多 电流大 导线粗 B 低压线圈匝数少 电流小 导线细 C 高压线圈匝数多 电流大 导线细 D 低压线圈匝数少 电流大 导线粗 题型二 变压器的基本规律题型二 变压器的基本规律 4 一理想变压器原 副线圈的匝数比为 10 1 原线圈输入电压的变化规律如图甲所示 副线圈所接电路如图乙所示 P为滑动变阻器 的触头 下列说法正确的是 A 副线圈输出电压的频率为 50 Hz B 副线圈输出电压的有效值为 31 V C P向右移动时 原 副线圈的电流比减小 D P向右移动时 变压器的输入功率增加 5 一台理想变压器从 10 kV 的线路中降 压并提供 200 A 的负载电流 已知两个 线圈的匝数比为 40 1 则变压器原线圈 的电流 输出电压及输出功率是 A 5 A 250 V 50 kW B 5 A 10 kV 50 kW C 200 A 250 V 50 kW D 200 A 10 kV 2 103 kW 6 理想变压器正常工作时 原 副线圈中的电 流为I1 I2 电压为U1 U2 功率为P1 P2 关于它们之间的关系 下列说法中正确的是 A I1由I2决定 B U2与负载有关 C P1由P2决定 D 以上说法都不正确 题型三 变压器的应用题型三 变压器的应用 7 调压变压器是一种自耦变压器 它的构造如 图所示 线圈AB绕在一个圆环形的铁芯上 AB 间加上正弦交流电压U 移动滑动触头P的位 置 就可以调节输出电压 在输出端连接了滑 动变阻器R和理想交流电流表 变阻器的滑动 触头为Q 则 A 保持P的位置不动 将Q向下移动时 电流 表的读数变大 B 保持P的位置不动 将Q向下移动时 电流 表的读数变小 C 保持Q的位置不动 将P沿逆时针方向移动 时 电流表的读数变大 D 保持Q的位置不动 将P沿逆时针方向移动 时 电流表的读数变小 8 在绕制变压器时 某人将 2 个线圈误绕在如 图所示的变压器铁芯的左右两个臂上 当通以 交流电时 每个线圈产生的磁通量都只有一半 通过另一个线圈 而另一半则通过中间的臂 已知线圈 1 和 2 的匝数比为 2 1 在不接负载 的情况下 A 当线圈 1 输入电压为 220 V 时 线圈 2 输出 电压为 110 V B 当线圈 1 输入电压为 220 V 时 线圈 2 输出 电压为 55 V C 当线圈 2 输入电压为 110 V 时 线圈 1 输出 电压为 220 V D 当线圈 2 输入电压为 110 V 时 线圈 1 输 出电压为 110 V 9 理想变压器原 副线圈匝数比 原线圈 n1 n2 2 1 接在有效值为 200 V 的正弦交流电源上 当原 线圈电流方向如图所示 大小逐渐减小到零的 时刻 副线圈a b两端 A a b间电势差为 100 V a端电势较高 2 B a b间电势差为 100 V b端电势较高 2 C a b间电势差为 V b端电势较高 100 2 D a b间电势差为零 9 2 52 5 电能的输送电能的输送 学习目标学习目标 1 知道 便于远距离输送 是电能的优点 知 道输电过程 2 知道降低输电损耗的两个途径 3 了解电网供电的优点和意义 重点 难点重点 难点 重点 重点 找出影响远距离输电损失的因素 使学 生理解高压输电可减少功率与电压损失 难点难点 理解高压输电原理 区别导线上的输电 电压 U 和损失电压 U 自主学习案自主学习案 一 电能的输送一 电能的输送 1 电能相比煤 石油等能源便于远距离输送 2 输送电能的基本要求 二 输电线上的功率损失二 输电线上的功率损失 1 任何输电线都有 存在功率损失 设输电电流 I 输电线电阻为 R 则输电线上的 功率损失为 P 设输送的电功率为 P 输电电压为 U 输电线的 总长度为l 横截面积为 S 电阻率为 则 输电电流为 I 输电电线电阻为 R 输电线上的功率损失可表示 为 P 2 减少输电线上功率损失的方法 1 减小输电线的电阻 R 2 减小输电电流 I 采用 是减小输电线上功 率损失最有效 最经济的措施 探究案探究案 探究一 降低输电损耗的两个途径探究一 降低输电损耗的两个途径 1 输送电能的基本要求是什么 2 远距离大功率输电面临的困难是什么 3 输电线上功率损失的原因是什么 功率损失 的表达式是什么 降低输电损耗的两个途径是 什么 4 如何减小输电线的电阻呢 5 如何减小输电线中的电流呢 阅读并回答教 材 45 页 思考与讨论 中的问题 6 以上两个途径中 哪一个对于降低输电线路 的损耗更有效 举例说明 7 大型发电机发出的电压不符合远距离输电的 要求 怎么办 而到达目的地的电压也不符合 用户的要求 怎么办 8 目前 我国常用的远距离输电采用的电压有 哪几种 9 是不是输电电压越高越好 为什么 探究二 电网供电探究二 电网供电 采用电网供电的优点是什么 训练案训练案 题型一 题型一 电能输送中损耗问题 1 远距离输送交流电都采用高压输电 我国正 在研究用比 330 kV 高得多的电压进行输电 采 用高压输电的优点是 A 可节省输电线的材料 B 可根据需要调节交流电的频率 C 可减小输电线上的能量损失 D 可加快输电的速度 10 2 如图所示为远距离高压输电的示意图 关于 远距离输电 下列表述正确的是 A 增加输电导线的横截面积有利于减少输电过 程中的电能损失 B 高压输电是通过减小输电电流来减小电路的 发热损耗 C 在输送电压一定时 输送的电功率越大 输 电过程中的电能损失越小 D 高压输电必须综合考虑各种因素 不一