【名师号】高考物理交流电电磁场电磁波复习教案人教.doc

第十三章交变电流电磁场电磁波高考调研考 纲 导 航内容要求说明82.交流发电机及其产生正弦式电流的原理.正弦式电流的图象和三角函数表达.最大值与有效值,周期与频率只要求讨论单相理想变压器83.电阻,电感和电容对交变电流的作用.84.变压器的原理.电压比和电流比85.电能的输送86.电磁场.电磁波.电磁波的周期,频率,波长和波速87.无线电波的发射和接收88.电视.雷达只要求讨论单相理想变压器命 题 取 向1.本章高考的热点有三个:一是交流电的规律及描述,交流电有关物理量的考查.包括交流电的产生,瞬时值表达式,e-t图线及与之对应的线圈方位关系,有效值计算等;二是单相变压器的有关问题;三是电能的输送问题.2.本章知识和电学其他部分相联系的综合性考查,特别是带电粒子在加有交变电压的平行板电容器板间的运动问题,在加强能力考查的现代高考中,更是一个热点.3.由电磁振荡所激起的电磁波,在高科技和现代信息传递中起着重要的作用.因此本章内容易与现代化技术综合;同时,因许多动物也具有发射和接收电磁信号的功能,这部分内容可与生物学科命题结合,这也是本章内容的一个综合点.备 考 方 略本部分内容是电磁感应知识的应用和延伸,在解决交流电的产生过程,变压器的原理,远距离高压输电的过程等问题时用到的规律都是以前已学过的知识,如:法拉第电磁感应定律,楞次定律,闭合电路的欧姆定律,焦耳定律等等.因此本部分知识是众多物理规律的综合运用.1.复习交变电流知识时,要注意区分瞬时值,有效值,最大值,平均值.瞬时值随时间做周期性变化,表达式为e=nBSsint;有效值是利用电流的热效应定义的,计算电功率,交流电表示数和用电器所标数值均为有效值;最大值是用Em=nBS来计算.在正弦交流电中,最大值是有效值的2倍;平均值只能用来计算交流电在一段时间内通过导体截面的电量:为该回路的电阻.2.对理想变压器问题应从电磁感应的本质,电压比,功率的关系,掌握输送电能过程中电能损失的计算方法和提高输电效率的方法.3.交变电流知识和力学知识的综合应用.(1)由于交变电流的大小和方向,交变电压的大小和正负都随时间周期性变化,这就引起磁场,电场的强弱和方向周期性变化.因此,在研究带电粒子在电磁场中受力时,一定要仔细地进行动态受力分析.(2)分析有关问题时还应注意因交变电流的周期性变化而引起的分析结果出现多解的情况.第一课时交变电流的产生和描述第一关：基础关展望高考基 础 知 识一、交变电流知识讲解大小和方向都随时间做周期性变化的电流叫做交变电流.如图（a）(b)(c)(d)所示都属于交变电流.其中按正弦规律变化的交变电流叫正弦交流电，如图（a）所示.说明：方向不随时间变化的电流称为直流.二、正弦式交变电流的产生及变化规律知识讲解(1)产生:在匀强磁场中,绕垂直于磁场方向的轴匀速转动的线圈里产生的是正弦式交变电流.(2)规律:中性面特点:穿过线圈的磁通量最大,但磁通量的变化率为零,感应电动势为零.线圈经过中性面时,内部的电流方向要发生改变.函数形式:N匝面积为S的线圈以角速度转动,从中性面开始计时,则e=Emaxsint.用Emax表示峰值NBS,则e=Emaxsint.电流若线圈从磁感线与线圈平面平行的位置开始计时,上面表达式变为:e=NBScost,i=Imaxcost.活学活用1.如图所示，有一闭合的正方形线圈，匝数N=100匝，边长为10 cm，线圈总电阻为10 .线圈绕OO轴在B=0.5 T的匀强磁场中匀速转动，每分钟转1500转.求线圈平面从图示位置转过30时，感应电动势的值是多少？解析：由题意，先求出角速度f=1500 r/min=25 Hz,=2f=50 rad/s感应电动势的最大值为Em=NBS=1000.5500.01 V=78.5 V由题图可以看出，线圈是从中性面开始计时的，产生交变电动势的瞬时值表达式应为e=Emsint.所以转过30角时的电动势为e=Emsin30=78.5 V=39.3 V.答案：39.3 V三、描述交变电流的物理量知识讲解1.瞬时值:交变电流某一时刻的值.2.峰值:即最大的瞬时值.3.有效值:跟交变电流的热效应等效的恒定电流值叫做交变电流的有效值.对正弦式交流电,其有效值和峰值间关系为:说明:各种交流电电器设备上所标的,交流电表所测量的,均为有效值.(4) 周期和频率:交变电流完成一次周期性变化所用的时间叫周期;1s内完成周期性变化的次数叫频率,它们和角速度间的关系为 (5) 平均值:交流电图象中波形与t轴所围面积与时间的比值叫交流电平均值.在计算通过导体电荷量时,只能用交流电平均值.活学活用2.交变电流电压表达式为u=20sin314t V,求这个交变电压的最大值Um、有效值U、周期T、频率f.画出交变电流的u-t图象.解析：据题意，交变电流电压最大值Um=20 V，有效值，周期画出交变电流的电压随时间变化图象如图所示.答案：20 V; V;0.02 s;50 Hz图见解析第二关：技法关解读高考解 题 技 法一、关于交流电的四值问题技法讲解1.求交变电流的有效值(1)重点理解交流电有效值的含义.根据电流的热效应，即交流和直流通过同样的电阻，在相同时间内产生的热量相等，这一直流电流的数值为交流电流的有效值，即可求得有效值(2)对正弦交流电可直接利用求解.对非正弦交变电流，求有效值一定要紧扣定义抓住三个相同：相同的时间内，通过相同的电阻，产生相同的热量，利用焦耳定律列式求解2.如何区别应用交变电流的四值(1)最大值感应电动势的最大值EmnBS，它仅由线圈匝数、磁感应强度、角速度、线圈面积决定，和轴的位置及线圈的形状无关，很多试题在线圈的形状和转轴的位置上设置干扰因素，做题时应注意讨论电容器耐压问题时应根据交流电的最大值(2)有效值在研究交变电流做功、电功率以及产生热量时，只能用有效值另外，各种交流电表指示的电压、电流和交流电器上标注的额定电流、额定电压，指的都是有效值.与热效应有关的计算，如保险丝的熔断电流等都必须用有效值(3)平均值交变电流随时间变化的图像中图线与时间轴所围成的面积与时间的比值叫平均值，常用公式有等.在研究交变电流通过导体截面电荷量时，只能用平均值(4)瞬时值交流电瞬时值表达式有两种，若从中性面开始计时其表达式为iImsint；若从线圈平面和磁场方向平行时开始计时其表达式为i=Imcost.在研究某一时刻线圈受到的电磁力时，只能用瞬时值.典例剖析例1如图所示，边长为L的正方形线框abcd的匝数为n，ad边的中点和bc边的中点连线OO恰好位于匀强磁场的边界上，磁感应强度为B，线圈与外电阻R构成闭合电路，整个线圈的电阻为r.现在让线框以OO连线为轴，以角速度匀速转动，求：（1）闭合电路中电流瞬时值表达式.（2）线框从图示位置时转过90的过程中电阻R上产生的热量、通过R的电荷量和电阻R上的最大电压分别为多少？解析：（1）线框转动时，只有一条边切割磁感线，且ab边和cd边的转动线速度大小相等，当线框平行于磁场时，产生的感应电动势最大，为：由闭合电路欧姆定律得流过R的电流最大值为当以图示时刻（线框垂直于磁场）为计时起点时，流过R的电流表达式为： (2)在线框由图示位置匀速转动90的过程中，流过R的电流由0变化到最大值，故可以用有效值计算电阻R产生的热量求流过R的电荷量须用电流的平均值计算.在转过90过程中的平均电动势为：流过R的平均电流所以流过R的电荷量由部分电路欧姆定律可得电阻R上的最大电压答案:（二、电感和电容对交变电流的影响技法讲解1.电感对恒定电流没影响，对变化的电流有阻碍其变化的作用，对交变电流也有阻碍作用.电感对交变电流阻碍作用的大小，用感抗来表示，感抗与线圈自感系数和交变电流的频率都有关系，线圈自感系数越大、交变电流的频率越高，感抗也越大.2.电容接在交流电路中，由于电容器交替进行充电和放电，使电路中有了电流，表明交流电能通过电容，电容虽能通过交变电流，但对交变电流也有阻碍作用，其大小用容抗来表示.容抗与电容器的电容和交变电流的频率都有关系，电容量越大、交变电流的频率越高，容抗越小.典例剖析例2如图所示，三个灯泡是相同的，而且耐压足够，电源内阻忽略.当单刀双掷开关S接A时，三个灯亮度相同，那S接B时（）A.三个灯亮度相同B.甲灯最亮，丙灯不亮C.甲灯和乙灯亮度相同，丙灯不亮D.只有丙灯不亮，乙灯最亮解析：开关S接A时，甲、乙、丙三个支路均有交流电通过.开关S接B时，电路处于直流工作状态，电容C“隔直、通交”；电感L“阻交、通直”；R对交、直流有相同的阻抗.可判断此时电路中I丙=0，I甲不变，I乙增大；又因为灯泡亮度与热功率（P=I2R）成正比.所以只有丙灯不亮，乙灯最亮，故选D.答案：D第三关：训练关笑对高考随 堂 训 练1.一矩形线圈abcd在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，线圈所围面积的磁通量随时间t变化的规律，如图所示，下列论述正确的是（）A.t1时刻线圈中感应电动势最大B.t2时刻导线ad的速度方向跟磁感线垂直C.t3时刻线圈平面与中性面重合D.t4、t5时刻线圈中感应电流方向相同解析：t1、t3、t5时刻线圈平面与中性面重合；0、t2、t4时刻线圈平面与磁感线平行.答案：BC2.一个边长为6 cm的正方形金属线框置于匀强磁场中，线框平面与磁场垂直，电阻为0.36 .磁感应强度B随时间t的变化关系如图所示，则线框中感应电流的有效值为（）答案：B3.如图所示,把电阻、电感器、电容器并联接到某一交流电源上,三个电流表的示数相同,若保持电源电压不变,而将频率加大,则三个电流表的示数I1、I2、I3的大小关系是（）A.I1=I2=I3B.I1I2I3C.I2I1I3D.I3I1I2解析：原来三个电流表的示数相同，说明三个支路中电阻、感抗、容抗相等，当交变电流的频率加大时，电阻值不变，感抗增大，容抗减小，因此I1不变，I2变小，I3变大，即有I3I1I2.答案：D4.电阻R1、R2与交流电源按照右图方式连接，R1=10 .R2=20 合上开关S后，通过电阻R2的正弦交变电流i随时间t变化的情况如下图所示.则A.通过R1的电流有效值是1.2 AB.R1两端的电压有效值是6 VC.通过R2的电流最大值是1.2 AD.R2两端的电压最大值是6 V解析:通过R2的电流最大值为0.6A,则有效值为0.6 A,由于R1与R2串联,所以通过R1的电流有效值也是0.6 A,选项AC错；R1两端电压有效值为U1=IR1=6 V，选项B对；R2两端电压最大值为U2m=ImR2=0.620 V=12V，选项D错.答案：B点评：能够从交变电流图像中找出交变电流的最大值，知道有效值与最大值的关系以及电路特点是解答该题的关键.5.正弦交变电压u=50sin314t V，加在一氖管的两端.已知当氖管两端电压达到25 V时，才开始发光，则此氖管在一周期内发光时间是多少？在5 min内发光次数是多少？解析：氖管两端电压的最大值为50 V的物理意义是：加在氖管两端电压按正弦规律变化，随时间由0 V变化到50 V，再由50 V变化到0 V.仅在氖管两端电压在25 V50 V之间时，氖管方能发光.为此，画出交流电压的正弦图象，有利于构建思路.如图为此交流电压的正弦图象，此交流电周期为：设在第一周期内电压的绝对值为25 V的时刻为t，则有|50 sin（314t）|=25.即：sin（314t）=/2，解得：对照上图知，在一周期内氖管发光时间，即电压绝对值大于25V的时间为t=（t2-t1）+（t4-t3）=因交变电压在一周期内两次达到最大值，即两次超过25V，故氖管在一周期内发光两次，5 min内的发光次数为：N=2t/T=（2560/0.02）次=30000次.答案： 30000次课时作业四十一交变电流的产生和描述1. 小型交流发电机中，矩形金属线圈在匀强磁场中匀速转动，产生的感应电动势与时间呈正弦函数关系，如图所示，此线圈与一个R=10 的电阻构成闭合电路，不计电路的其他电阻，下列说法正确的是()A.交变电流的周期为0.125 sB.交变电流的频率为8 HzC.交变电流的有效值为 AD.交变电流的的最大值为4 A解析:从图象中知T=0.25 s,则f=1/T=4 Hz，所以AB均错误，交流电的有效值A,所以C正确.电流的最大值Im=10 A，则D错误.答案:C2.图1、图2分别表示两种电压的波形，其中图1所示的电压按正弦规律变化.下列说法正确的是()A.图1表示交流电，图2表示直流电B.两种电压的有效值相等C.图1所示电压的瞬时值表达式为u=311sin100t VD.图1所示电压经匝数比为101的变压器变压后，频率变为原来的解析:因大小和方向均随时间做周期性变化的电流为交流电，故图2电压表示的也为交流电.A错误；由图象知，相同时间U1U2，故B错误；由图1知，该交流电压是正弦交流电压，Um=311 V，T=210-2 s，则瞬时值u=Umsin V=311sin100t V，故C正确；因变压器变压后输入电压与输出电压的频率相同，故D错误.答案:C2. 如图a所示，一矩形线圈abcd放置在匀强磁场中，并绕过ab、cd中点的轴OO以角速度逆时针匀速转动.若以线圈平面与磁场夹角=45时（如图b）为计时起点，并规定当电流自a流向b时电流方向为正.则下列四幅图中正确的是()解析:t=0时线圈中感应电流方向为cbad为负.经过时，线圈平面与磁场垂直，线圈中瞬时电流为零，所以D正确，A、B、C错误.答案:D4.正弦交流电源与电阻R1、R2、交流电压表按图甲所示的方式连接，R1=20,R2=10,交流电压表的示数是20V.图乙是交变电源输出电压u随时间t变化的图象，则()A.通过R1的电流i1随时间t变化的规律是i1=2cos10t(A)B.通过R1的电流i1随时间t变化的规律是i1=2cos100t(A)C.R2两端的电压u2随时间t变化的规律是u2=20cos10t(V)D.R2两端的电压u2随时间t变化的规律是u2=20cos100t(V)解析:由乙图可知，交流电的周期T=0.2s，角速度=10,由u=Umcost,则u2=Umcost=20cos10t,所以CD选项均错；通过R1的电流i1=得A选项正确，B选项错误.答案:A5.家用电子调光灯的调光原理是用电子线路将输入的正弦交流电压的波形截去一部分来实现的，由截去部分的多少来调节电压，从而实现灯光的可调，比过去用变压器调压方便且体积较小，某电子调光灯经调整后的电压波形如图所示，若用多用电表测灯泡两端的电压，多用电表示数为()解析:多用电表测得的电压值为有效值，根据电流的热效应，C正确.答案:C6.某同学在研究电容、电感对恒定电流与交变电流的影响时，采用了如图所示的电路，其中L1、L2是两个完全相同的灯泡，已知把开关置于3、4时，电路与交流电源接通，稳定后的两个灯泡发光亮度相同，则该同学在如下操作过程中能观察到的实验现象是()A.当开关置于1、2时，稳定后L1、L2两个灯泡均发光且亮度相同B.当开关置于1、2时，稳定后L1、L2两个灯泡均发光，且L1比L2亮C.当开关置于3、4时，稳定后，若只增加交变电流的频率，则L1变暗，L2变亮D.在开关置于3、4的瞬间，L2立即发光，而L1亮度慢慢增大解析:当开关置于1、2时，稳定后因电容器隔直流，故电路断开L2不发光，A、B错误；在开关置于3、4的瞬间，电容器通交流，L2立即发光，由于电感的自感作用，L1亮度慢慢增大，D正确.当开关置于3、4稳定后，增加交变电流频率，容抗减小，感抗增大，L1变暗，L2变亮，C正确.答案:CD7.如图甲所示，A、B为相同的环形线圈，它们共轴且相距很近，A线圈中通有图乙所示的交变电流，则()A.在t1时刻，A、B的相互作用力为零B.在t1到t2时间内，A、B相互吸引C.在t2到t3时间内，A、B相互排斥D.在t2时刻，A、B的相互作用力最大解析:A中通以交变电流，产生交变磁场，使B的磁通量发生变化，据楞次定律的推广含义，t1时刻磁通量变化率为零，无作用力，A对；t1到t2时间内，表现为引力，B对；t2到t3时间内表现为斥力，C对；t2时刻因A中电流为零，所以作用力为零，D错.答案:ABC8.如图所示，矩形线圈abcd在匀强磁场中可以分别绕垂直于磁场方向的轴P1和P2以相同的角速度匀速转动，当线圈平面转到与磁场方向平行时()A.线圈绕P1转动时的电流等于绕P2转动时的电流B.线圈绕P1转动时的电动势小于绕P2转动时的电动势C.线圈绕P1和P2转动时电流的方向相同，都是abcdD.线圈绕P1转动时dc边受到的安培力大于绕P2转动时dc边受到的安培力解析:产生正弦交流电的条件是轴和磁感线垂直，与轴的位置和线框形状无关，转到图示位置时产生的电动势E具有最大值Em=nBS由欧姆定律I=E/R总可知此时I相等，A对，B错.由右手定则可知电流方向为adcb，故C错.两种情况下cd边受的安培力均为F=BLcdI，故D错.答案:A9.一个面积为S的矩形线圈在匀强磁场中以其一条边为轴做匀速转动，磁场方向与转轴垂直，线圈中感应电动势e与时间t的关系图象如图所示，感应电动势的最大值和周期可在图中读出，则磁感应强度B=_.在t=时刻，线圈平面与磁感强度的夹角_.解析:线圈在t=0时刻感应电动势达最大值Em，这时线圈平面与磁感应强度B的夹角=0，由又t=0,=0,则当10.如图所示， N=50匝的矩形线圈abcd，边长ab=20 cm,ad=25 cm，放在磁感强度B=0.4 T的匀强磁场中，外力使线圈绕垂直于磁感线且通过线圈中线的OO轴以n=3000 r/min的转速匀速转动，线圈电阻r=1 ，外电路电阻R=9 ,t