高考物理选修知识点知识讲解_交流电复习与巩固_提高

交流电复习与巩固编稿：张金虎 审稿：李勇康 【学习目标】1.知道交变电流，能用函数表达式和图像描述交变电流。2.理解电容、电感对交流电的导通和阻碍作用。3.掌握变压器电压与匝数的关系。4.了解从变电站到用户的输电过程，知道远距离输电时应用高电压的道理。【知识网络】特殊位置线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴转动产生定义：大小和方向都随时间做周期性变化的电流交变电流表征交变电流的物理量电感：通直流、阻交流，通低频、阻高频电容：通交流、隔直流，通高频、阻低频电感、电容结构：原线圈、副线圈、铁芯原理：互感现象基本规律理想变压器电能的输送交变电流中性面（）：磁通量最大，感应电动势最小，电流改变方向：磁通量为零，感应电动势最大， 表达方式：（从中性面开始计时），为角速度最大值： 有效值：根据电流热效应定义正弦式交变电流周期、频率：互为倒数平均值：变压规律：变流规律：（只有一个副线圈时）功率关系：电压互感器、电流互感器功率损失：电压损失：高压输电【要点梳理】要点一、交变电流的“四值”近几年高考在考查“交变电流”一章中的有关内容时，主要是考查了交变电流的四值，即最大值、有效值、平均值、瞬时值。下面举例说明在什么情况下应该使用交变电流的什么值。1研究电容器的耐压值时，只能用峰值（最大值）。2研究交变电流做功、电功率及产生的热量时，只能用有效值。 3研究交变电流通过导体截面的电荷量时，只能用平均值。4在研究交变电流某一时刻的电流、电压时，只能用瞬时值。5综合应用“四值”要点二、交变电流图象的应用 任何物理规律的表达都可以有表达式和图象两种方法，交变电流的变化除用瞬时值表达外，也可以用图象来进行表述，其主要结构是横轴为时间或角度，纵轴为感应电动势、交变电压或交变电流。 正弦式电流的电动势、电流、电压图象都是正弦（或余弦）曲线，其图象有如下应用： 1根据图象可求交变电流的最大值及各时刻瞬时值； 2根据图象可求线圈在磁场中转动的周期和角速度；3可判断出线圈在磁场中转动的位置，例如如图所示，可以判断出产生这种交变电流的线圈是从垂直于中性面的位置时开始计时的，表达式应为，图象中时刻线圈的位置为中性面，时刻线圈平面平行于磁场方向。 要点三、变压器的有关问题 理想变压器须具备以下条件：不计铜损，即变压器的原、副线圈的内阻很小，可以忽略，在有电流通过时认为不产生焦耳热；不计铁损，即变压器铁芯内不产生涡流，无热损耗；不计磁漏，即原、副线圈中的磁通量总保持相同。 变压器问题是近年来高考的热点，考查的重点是对单相理想变压器工作原理的理解和对变压器动态变化问题的分析。由于变压器与电能输送密切相关，贴近生活实际，触及能源利用的热点，应当作为备考的重点。 解题思路如下： （1）电压思路：变压器原、副线圈的电压之比，当变压器有多个副线圈时（2）功率思路：理想变压器的输入、输出功率相等，即，当变压器有多个副线圈时 （3）电流思路：变压器有一个副线圈时，有；当变压器有多个副线圈时，有要点诠释：有关变压器的考题主要有以下几种类型：1采用原理思路分析“”型理想变压器问题2理想变压器中的动态变化问题 3变压器原线圈中接有用电器的问题4有两组以上副线圈的变压器问题5远距离高压输电问题要点四、交变电流和力学的综合问题 在解决交变电流和力学的综合问题时应注意以下几点： 1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，从而引起磁场、电场的强弱和方向周期性变化，所以研究带电粒子在交变电场中受力时，要进行细致的动态受力分析。 2粒子在交变电场中，常见的运动情境有以下三种： （1）带电粒子做定向运动； （2）带电粒子以某位置为中心做往复运动； （3）带电粒子做偏转运动。 3分析时应注意由于交变电流的周期性变化而引起的分析结果出现多解的可能。【典型例题】类型一、交变电流的“四值”例1边长为的匝正方形线圈在磁感应强度为的匀强磁场中，以角速度绕垂直于磁感线的轴匀速转动，线圈的电阻为。求线圈从中性面开始转过角的过程中产生的热量。【思路点拨】把握好交变电流的四值：“最大值、有效值、平均值、瞬时值”，确定在什么情况下应该使用交变电流的什么值。【答案】【解析】线圈中产生的热量需从转动过程中交变电流的有效值考虑。因线圈中感应电动势的峰值为，故线圈中电流的有效值为，线圈转过角的时间为所以在转动过程中产生的热量 【总结升华】不仅热量用有效值，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。 例 2在例题1中，求线圈从中性面开始转过角的过程中，通过导线截面的电荷量。【答案】【解析】线圈转过角的过程中，感应电动势和感应电流的平均值分别为所以流过导体截面的电荷量为。【总结升华】电磁感应现象中通过截面的电荷量，解答选择、填空题时可直接用公式，解答计算题时必须进行推导。举一反三:【高清课堂：交流电复习与巩固 例1】【变式】如图所示，矩形线圈共匝， 。在磁感应强度为的匀强磁场中绕垂直磁场的轴以每秒转的速度转动。 （1）线圈在什么位置时感应电动势最大，为多少？（2）以图示位置为计时时刻，电动势的变化规律怎样？（3）从图示位置转过的过程中感应电动势的平均值为多少？（4）从图示位置开始计时，时，线圈中感应电动势是多少？【答案】（1）（2）（3）() 【解析】（1）线圈平面与磁感线平行时电动势最大， （2）（3）. (请注意到它与有效值的区别)() 例3有一个电子元件，当它两端的电压的瞬时值高于时则导电，低于时不导电，若把这个电子元件接到的正弦式电流的两端，则它在内导电_次，每个周期内的导电时间为_。 【思路点拨】根据题意画出电压随时间变化的图像，写出电压随时间变化的表达式。分别代入给定电压值。【答案】 【解析】由题意知，加在电子元件两端电压随时间变化的图象如图所示，表达式为。 其中，得。把代入上述表达式得到，。所以每个周期内的通电时间为。 由所画的图象知，一个周期内导电两次，所以内导电的次数为。 【总结升华】研究交变电流某一时刻的电流、电压或某一时刻线圈受到的安培力时，只能用瞬时值。举一反三:【高清课堂：交流电复习与巩固 例】【变式】如图所示的电表均为理想的交流电表，保险丝的熔断电流为，电容器的击穿电压为。若在间加正弦交流电压，并适当地调节和接入电路中的阻值，使恰好不被熔断，恰好不被击穿，则电流表的读数为 ，电压表的读数为_ 。【答案】 【解析】保险丝的熔断电流是指电流的有效值，而电容器的击穿电压是指电压的最大值，所以电流表的读数为。电压表的读数为 例4将交变电压V接到“”的灯泡两端，如灯泡灯丝电阻保持不变，求： （1）通过灯泡电流的最大值； （2）灯泡的实际功率； （3）每秒钟电流方向改变的次数； （4）通过灯泡电流的瞬时值表达式。【答案】（1） （2） （3）次 （4）【解析】（1）交变电压的有效值，灯的额定电压为，因此恰好正常发光。由“”知该灯电阻为。通过灯泡电流的最大值为。 （2）灯泡的实际功率与额定功率相同，。 （3）周期，秒钟电流方向改变的次数（次）。 （4）通过灯泡电流的瞬时值表达式为。举一反三:【高清课堂：交流电复习与巩固 例3】【变式】如图为电热毯的电路图，电热丝接在的电源上，电热毯被加热到一定温度后，通过装置使输入电压变为图所示波形，从而进入保温状态，若电热丝电阻保持不变，此时交流电压表的读数是（ ） A B C D 【答案】B【解析】电压表的读数是交流电的有效值，原电流的电压有效值是设图所示的电压的有效值为，最大值为，电压表的读数为: 类型二、交变电流图象的应用例5(2014 南京质检)如图所示，图线a是线圈在匀强磁场中匀速转动时产生的正弦交流电的图像，当调整线圈转速后，所产生的正弦交流电的图像如图线b所示。以下关于这两个正弦交流电的说法中正确的是()A线圈先后两次转速之比为12B交流电a的电压瞬时值u10sin 0.4t(V)C交流电b的电压最大值为VD在图中t0时刻穿过线圈的磁通量为零【答案】C【解析】产生的正弦交流电的周期之比为23，线圈先后两次转速之比为32 ，选项A错误；交流电a的周期为0.4 s，交流电a的电压瞬时值u10sin5t(V)，选项B错误；由最大值nBS可知，二者最大值之比为32，交流电b的电压最大值为 V，选项C正确；在图中t0时刻感应电动势为零，穿过线圈的磁通量最大，选项D错误。 例6一只矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动，穿过线圈的磁通量随时间变化的图象如图甲所示，则下列说法中正确的是（ ） A时刻线圈平面与中性面垂直 B时刻，的变化率达最大 C时刻，交流电动势达到最大 D该线圈相应的交流电动势图象如图乙所示 【答案】B【解析】由于时，有最大值，故线圈应在中性面位置，A错；从图象上可直观的判断出时刻的变化率达最大，B正确；时刻的变化率最小，交流电动势达到最小，C错误；时的变化率最小，交流电动势应有最小值，D错误。 类型三、变压器的有关问题例7(2014 黄山七校联考)如图所示的交流电路中，理想变压器输入电压为U1，输入功率为P1，输出功率为P2，各交流电表均为理想电表。当滑动变阻器R的滑动头向下移动时()A灯L变亮B各个电表读数均变大C因为U1不变，所以P1不变DP1变大，且始终有P1P2【答案】D【解析】当滑动变阻器R的滑动头向下移动时，电流表读数增大，变压器输出电流增大，电阻R两端电压增大，电压表读数减小，电灯L变暗，选项A、B错误；根据变压器功率关系，P1变大，且始终有P1P2 ，选项C错误D正确。 举一反三:【高清课堂：交流电复习与巩固 例5】【变式】如图所示，理想变压器原、副线圈匝数之比为，原线圈接正弦交流电源，副线圈接入“”灯泡一只，且灯泡正常发光。则（ ） A电流表的示数为B电源输出功率为C电流表的示数为D原线圈端电压为【答案】C【解析】由题意知，副线圈两端电压有效值，根据理想变压器的电压比公式，得；又，所以，电源输出功率等于原线圈输入功率，即为；由，得，电流表的示数为例8如图所示，理想变压器的线圈匝数比为，此时灯恰能正常发光；电阻消耗的功率为，则此变压器的输入电压为_，原线圈中的电流为_。 【思路点拨】把握好理想变压器的三个关系，即功率关系、电压关系、电流关系。审查题目中的已知条件，找到突破口，再结合三个关系分别求解。【答案】 【解析】两个副线圈消耗的能量均由原线圈提供，因此原线圈输入功率应等于两个副线圈消耗的总功率。 由及，所以。 由，得。 【总结升华】解答变压器问题离不开理想变压器的三个关系，即功率关系、电压关系、电流关系。无论是定性分析，还是定量计算，都必须注意审查题目中的已知条件，找到突破口，再结合三个关系分别求解。举一反三:【高清课堂：交流电复习与巩固 例7】【变式】电磁炉专用平底锅的锅底和锅壁均由耐高温绝缘材料制成。起加热作用的是安在锅底的一系列半径不同的同心导电环（导电环的分布如图所示）。导电环所用材料每米的电阻为，从中心向外第个同向圆环的半径为，已知。当电磁炉开启后，能产生垂直于锅底方向的变化磁场，该磁场的磁感应强度随时间的变化率为，求： （1）半径为的导电圆环中感应电流的最大值是多少？（2）若不计其他损失，所有导电圆环释放的总功率是多大？（计算中可取） 【答案】(1) (2)【解析】(1)磁感应强度随时间的变化率与面积的乘积就等于磁通量的变化率，故(2)计算热功率要用有效值, 例9某发电厂通过升压变压器、输电线和降压变压器把电能输送给生产和照明组成的用户，发电机输出功率为，输出电压是，升压变压器原、副线圈的匝数之比，输电线上功率损失为，用户所需要电压为，则 （1）输电线的电阻和降压变压器的匝数比各为多少？并画出输电线路示意图。 （2）若有分配给生产用电，其余电能用来照明，那么要装的电灯多少盏？【思路点拨】画出输电示意图，根据匝数比与原、副线圈电流成反比确定输电线中的电流，由输电线上消耗的功率确定输电线的电阻。在电能的分配上要能量守恒，在处理变压器的关系时，一般将副线圈作为电源，原线圈作为用电设备来处理。 【答案】（1） 图见解析 （2）盏【解析】（1）根据匝数比与原、副线圈电流成反比确定输电线中的电流，由输电线上消耗的功率确定输电线的电阻。在电能的分配上要能量守恒，在处理变压器的关系时，一般将副线圈作为电源，原线圈作为用电设备来处理。 输电示意图如图所示。 升压变压器副线圈两端电压，输电线上的电流，输电线上损失的功率为， 。降压变压器原线圈两端的电压。降压变压器原、副线圈的匝数之比。（2）电路的能量分配为， ，可装的电灯为（盏）。 【总结升华】画示意图时，要规范标出相应的物理符号，便于分析各物理量间的关系。按“发电厂升压输电线降压用电器”的顺序或从“用电器倒推到发电厂”，以变压器的铁芯为界划分三个回路一步一步进行分析。举一反三:【高清课堂：交流电复习与巩固 例6】【变式】某河段河水流量为，水流下落的高度为。现在利用它来发电，设所用发电机的效率为，求：（1）发电机的输出功率；（2）设发电机的输出电压为，向外的用户输电，输电线的电阻率，横截面积，输电导线上的电功率损失要求不超过输出功率的，则在输电时的电压应升高到多少伏？所用的升压变压器的原、副线圈的匝数比是多少？（取） 【答案】(1) (2) 【解析】（1） （2）， 类型四、交变电流和力学的综合问题例10如图所示，是一对中间开有小孔的金属板，两小孔的连线与金属板面相垂直，两板间的距离为，两极板间加上低频率交变电压，板电势为零，板电势，现有一电子在时刻从板上的小孔进入电场，设初速度和重力的影响均可忽略不计，则电子在两极板间可能（ ） A以间的某一点为平衡位置来回振动 B时而向板运动，时而向板运动，但最后穿出板 C一直向板运动，最后穿出板，如果小于某个值，小于某个值 D一直向板运动，最后穿出板，而不论为何值 【答案】AC【解析】这是一道有关交变电流和带电粒子在电场中的运动相结合的问题。是一个力学与电学综合的问题。板的电势“随时间按余弦规律变化，作出其变化的图线如图所示，电子在板间的运动可以分两种情况： （1）如果板间距离比较大，当电子在时刻无初速度进入电场后，在时间段，板电势为正。板电势比板高，电子受向右的正向电场力。向板做加速运动，因为电压在减小，所以电子受的电场力减小，但速度仍在不断增大，电子在时刻，电压为零，电子受力为零，其加速度减小为零，速度才不再增大，此时电子向运动的速度达到最大。 在时间段内，板电势变为负值。板电势比板低，电子受向左的负向电场力，但由于惯性，电子继续向板运动，在电场力作用下做减速运动。在时刻电子受向左的负向电场力达到最大，向左的加速度也达到最大，此时速度减小为零，电子到达离板最远处。 由于时刻电子速度已减小为零，在时间段内，板电势仍为负值，电子仍然受向左的负向电场力，所以电子回头向左即向板做加速运动，在时刻，电子向板运动的速度达到最大。 时间段内，板电势变为正值，板电势比板高，电子受向右的正向电场力，但由于惯性，电子继续向板运动，在电场力作用下做减速运动，在时刻，电子受向右的电场力达到最大，此时速度减小为零，电子恰好回到了时刻所在的位置。 此后电子将重复以上运动过程，所以选项A正确，B错误。 （2）如果比较小，板电势变化的周期就比较大，从而电子在时间段内加速的时间比较长，在时间段内减