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22届高中物理一轮总复习 27 交变电流的产生及其描述（新高考）课件PPT
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这是一份22届高中物理一轮总复习 27 交变电流的产生及其描述（新高考）课件PPT，共47页。PPT课件主要包含了内容索引，素养导读备考定向，核心素养，试题情境，考向预测，必备知识预案自诊，知识梳理，考点自诊，关键能力学案突破，对点演练等内容，欢迎下载使用。
家用和工业电路、家用电器、磁电式电流表、发电机、变压器、远距离输电、无线充电
探究变压器原副线圈电压关系问题、传感器的简单应用等
本章内容属于高考考查的热点,基本都是选择题,有时出现在与电场综合的压轴题中。考查的具体内容主要包括以下几个方面:①交变电流的图像及“四值”问题;②理想变压器理解和应用;③理想变压器及远距离输电与交变电流的产生、交变电流的图像、电容器或二极管等结合问题
一、正弦式交变电流的产生和变化规律1.产生如图所示,在匀强磁场里,线圈绕 方向的轴匀速转动时,可产生正弦式交变电流,简称正弦式电流。
2.中性面及其特点(1)定义:与磁场方向 的平面。 (2)特点:①线圈位于中性面时,穿过线圈的磁通量 ,磁通量的变化率为 ,感应电动势为 。 ②线圈转动一周, 经过中性面,线圈每经过中性面一次,电流的方向就改变一次。
3.图像用以描述交变电流随时间变化的规律,如果线圈从中性面位置开始计时,其图像为 曲线,如图所示。
4.变化规律(线圈在中性面位置开始计时)①(1)电动势e随时间变化的规律:e= 。 (2)电压u随时间变化的规律:u= 。 (3)电流i随时间变化的规律:i= 。 其中ω等于线圈转动的 ,Em= = 。
二、描述交变电流的物理量1.周期和频率(1)周期(T):交变电流完成 变化,即线圈 所需要的时间,单位是 ,公式 。 (2)频率(f):交变电流在 的次数,单位是 。 2.交变电流的周期和频率的关系T= 。
单位时间内完成周期性变化
3.交变电流的“四值”(1)瞬时值:交变电流某一时刻的值,是时间的函数。(2)峰值:交变电流(电流、电压或电动势)所能达到的最大的值,也叫最大值。(3)有效值②:跟交变电流的 等效的 电流的值叫作交变电流的有效值。对正弦式交变电流,其有效值和峰值的关系为E= ,U= ,I= 。
②注:若图像部分是正弦(或余弦)式交变电流,其中的 周期(必须是从零至最大值或从最大值至零)和 周期部分可直接应用正弦式交变电流有效值与最大值间的关系 求解。
(4)平均值③:用E= 来计算。
③注:交变电流的平均值与对应的时间有关,不同时间内的平均值一般不同。
1.判断下列说法的正误。(1)交变电流的主要特征是电流的方向随时间周期性变化。( )(2)大小变化而方向不变的电流也叫交变电流。( )(3)线圈经过中性面时产生的感应电动势最大。( )(4)在一个周期内,正弦交流电的方向改变两次。( )(5)最大值和有效值之间的 倍关系只适用于正弦(余弦)交流电。( )(6)交流电压表及交流电流表的读数均为峰值。( )
2.(新教材人教版选择性必修第二册P51习题改编)如图所示,KLMN是一个竖直的矩形导线框,全部处于磁感应强度为B的水平方向的匀强磁场中,线框面积为S,MN边水平,线框绕某竖直固定轴以角速度ω匀速转动。在MN边与磁场方向的夹角达到30°的时刻(图示位置),求导线框中产生的瞬时电动势e的大小和线框此时电流的方向(已知线框按俯视的逆时针方向转动)。
3.(新教材人教版选择性必修第二册P53“思考与讨论”改编)某交变电流的i-t图像如图所示,则其电流的有效值为( )
1.变化规律(线圈从中性面位置开始计时)
2.两个特殊位置及其特点
1.如图所示,在磁感应强度为B的匀强磁场中,面积为S的单匝矩形线圈abcd沿逆时针方向(俯视)绕垂直于磁场的中轴匀速转动,角速度为ω。当ad边与磁场方向的夹角为30°时,下列说法正确的是( )A.线圈中电流的方向是a→b→c→d→aB.线圈中产生的瞬时电动势的大小是 BSωC.线圈再转过60°时,产生的电流达到最大值D.线圈转动过程中,穿过它的磁通量的变化率恒定
答案 B解析 当线圈逆时针转动时,磁通量增大,由楞次定律可知,线圈中电流的方向是a→d→c→b→a,故A错误;线圈中的最大感应电动势为Emax=BSω,如果从垂直中性面开始计时,线圈转过30°,则e=Emaxcs 30°= BSω,故B正确;线圈再转过60°时,线圈处于中性面位置,此时磁通量最大,感应电动势为0,感应电流为0,故C错误;由法拉第电磁感应定律可得E= ,由于线圈转动过程中,电动势变化,即穿过它的磁通量的变化率变化,故D错误。
2.如图甲所示,在匀强磁场中,两个匝数相同的正方形金属线圈分别以不同的转速,绕与磁感线垂直的轴匀速转动,产生的交变电动势e随时间t变化的图像如图乙中曲线a、b所示,则( )
A.t=0时刻,两线圈均处于垂直于中性面的位置B.a、b对应的线圈转速之比为2∶3C.a、b对应的两线圈面积之比为1∶1D.若只改变两线圈的形状(匝数不变),则两线圈电动势的有效值之比一定不变
【典例1】 如图甲所示电路,已知电阻R1=R2=R,和R1并联的D是理想二极管(正向电阻可视为零,反向电阻为无穷大),在A、B之间
加一个如图乙所示的交变电压(电压为正值时,UAB>0)。由此可知( )A.在A、B之间所加的交变电压的周期为2 sB.在A、B之间所加的交变电压的瞬时值表达式为u=20 sin 50πt(V)C.加在R1上电压的有效值为10 VD.加在R2上电压的有效值为5 V
破题 由图像可得交流电的周期,电压最大值,依据u=Umsin ωt可得交变电压的瞬时值表达式。根据电流的热效应,注意二极管的单向导电性使得半个周期内R1被短路,另半个周期内R1与R2串联,从而即可求解。
3.(多选)(2020河北衡水模拟)如图所示,线圈ABCD匝数n=10,面积S=0.4 m2,边界MN(与线圈的AB边重合)右侧存在磁感应强度B= T的匀强磁场,若线圈从图示位置开始绕AB边以ω=10π rad/s的角速度匀速转动,则以下说法正确的是( )A.线圈产生的是正弦交流电B.线圈在转动过程中产生的最大感应电动势为80 VD.线圈产生的感应电动势的有效值为40 V
4.(2018全国卷Ⅲ)一电阻接到方波交流电源上,在一个周期内产生的热量为Q方;若该电阻接到正弦交流电源上,在一个周期内产生的热量为Q正。该电阻上电压的峰值均为u0,周期均为T,如图所示。则Q方∶Q正等于( )
【典例2】 (多选)(2020湖北七市教科研协作体高三下学期5月联考)如图甲为旋转电枢式交流发电机的原理图,多匝矩形线圈在磁感应强度为B的匀强磁场中绕垂直于
磁场方向的固定轴OO'匀速转动,线圈的两端经集流环和电刷与可变电阻R连接,与R并联的交流电压表为理想电表,当R=10 Ω时电压表示数是10 V。已知线圈的内阻为r=5 Ω,图乙是矩形线圈磁通量Φ随时间t变化的图像,则( )A.可变电阻R消耗的电功率为10 WB.穿过线圈磁通量的最大值为 WbC.R两端的电压u随时间t变化的规律是u=14.1sin 100πt (V)D.调节可变电阻R的大小,其消耗的最大电功率可以达到11.25 W
破题 (1)根据“当R=10 Ω时电压表示数是10 V”计算电阻R消耗的功率;根据闭合电路欧姆定律计算交流电源的电动势的有效值,然后计算最大值;由图乙得出角速度。(2)当R=r时可变电阻消耗的功率最大。
5.如图甲所示是一种振动发电装置的示意图,一个半径r=0.10 m、匝数n=20匝的线圈套在永久磁铁槽中,槽中磁场的磁感线均沿半径方向均匀分布(其右侧视图如图乙所示),线圈所在位置磁感应强度B的大小均为B= T,线圈的电阻R1=0.50 Ω,它的引出线接有R2=9.50 Ω的小灯泡L, 为理想交流电流表。当线圈框架的P端在外力作用下沿轴线做往复运动,便有电流通过灯泡。若线圈
往复运动的规律如图丙所示(v取向右为正),则下列判断正确的是( )
A.电流表的示数为0.24 s时回路中的电流最大C.回路中交流电的频率为50 s时灯泡L中电流的方向为从D→L→C
6.(2021年1月广东省适应性测试)科学中心某款手摇点火器原理如图所示。当钢针和金属板间瞬时电压超过5 000 V时可以产生电火花。已知匀强磁场的磁感应强度B大小为0.2 T,手摇发电机线圈的面积为0.25 m2,共50匝,不计内阻。变压器为理想变压器,其原副线圈匝数比为1∶100。下列说法正确的是( )A.线圈转速等于2 r/s时,点火器可以产生电火花B.线圈转速等于4 r/s时,点火器可以产生电火花C.电压表的示数为5 V时,点火器可以产生电火花D.电压表的示数为25 V时,点火器可以产生电火花
答案 B 解析线圈在匀强磁场中转动产生交流电,设转速为n,则发电机的最大电动势为Em=NBSω=NBS·2πn发电机的最大电动势等于变压器的输入线圈电压的最大值,U1m=Em,根据变压器两端的匝数比等于电压比,有
钢针和金属板间瞬时电压超过5 000 V时可以产生电火花,现令U2m=5 000 V,联立各方程解得U1m=50 V,n= r/s≈3.18 r/s故线圈转速等于4 r/s时,副线圈的电压最大值超过了5 000 V,能产生电火花,故A错误,B正确;电压表的示数为原线圈两端的电压有效值,刚点火时故选B。
家用和工业电路、家用电器、磁电式电流表、发电机、变压器、远距离输电、无线充电
探究变压器原副线圈电压关系问题、传感器的简单应用等
本章内容属于高考考查的热点,基本都是选择题,有时出现在与电场综合的压轴题中。考查的具体内容主要包括以下几个方面:①交变电流的图像及“四值”问题;②理想变压器理解和应用;③理想变压器及远距离输电与交变电流的产生、交变电流的图像、电容器或二极管等结合问题
一、正弦式交变电流的产生和变化规律1.产生如图所示,在匀强磁场里,线圈绕 方向的轴匀速转动时,可产生正弦式交变电流,简称正弦式电流。
2.中性面及其特点(1)定义:与磁场方向 的平面。 (2)特点:①线圈位于中性面时,穿过线圈的磁通量 ,磁通量的变化率为 ,感应电动势为 。 ②线圈转动一周, 经过中性面,线圈每经过中性面一次,电流的方向就改变一次。
3.图像用以描述交变电流随时间变化的规律,如果线圈从中性面位置开始计时,其图像为 曲线,如图所示。
4.变化规律(线圈在中性面位置开始计时)①(1)电动势e随时间变化的规律:e= 。 (2)电压u随时间变化的规律:u= 。 (3)电流i随时间变化的规律:i= 。 其中ω等于线圈转动的 ,Em= = 。
二、描述交变电流的物理量1.周期和频率(1)周期(T):交变电流完成 变化,即线圈 所需要的时间,单位是 ,公式 。 (2)频率(f):交变电流在 的次数,单位是 。 2.交变电流的周期和频率的关系T= 。
单位时间内完成周期性变化
3.交变电流的“四值”(1)瞬时值:交变电流某一时刻的值,是时间的函数。(2)峰值:交变电流(电流、电压或电动势)所能达到的最大的值,也叫最大值。(3)有效值②:跟交变电流的 等效的 电流的值叫作交变电流的有效值。对正弦式交变电流,其有效值和峰值的关系为E= ,U= ,I= 。
②注:若图像部分是正弦(或余弦)式交变电流,其中的 周期(必须是从零至最大值或从最大值至零)和 周期部分可直接应用正弦式交变电流有效值与最大值间的关系 求解。
(4)平均值③:用E= 来计算。
③注:交变电流的平均值与对应的时间有关,不同时间内的平均值一般不同。
1.判断下列说法的正误。(1)交变电流的主要特征是电流的方向随时间周期性变化。( )(2)大小变化而方向不变的电流也叫交变电流。( )(3)线圈经过中性面时产生的感应电动势最大。( )(4)在一个周期内,正弦交流电的方向改变两次。( )(5)最大值和有效值之间的 倍关系只适用于正弦(余弦)交流电。( )(6)交流电压表及交流电流表的读数均为峰值。( )
2.(新教材人教版选择性必修第二册P51习题改编)如图所示,KLMN是一个竖直的矩形导线框,全部处于磁感应强度为B的水平方向的匀强磁场中,线框面积为S,MN边水平,线框绕某竖直固定轴以角速度ω匀速转动。在MN边与磁场方向的夹角达到30°的时刻(图示位置),求导线框中产生的瞬时电动势e的大小和线框此时电流的方向(已知线框按俯视的逆时针方向转动)。
3.(新教材人教版选择性必修第二册P53“思考与讨论”改编)某交变电流的i-t图像如图所示,则其电流的有效值为( )
1.变化规律(线圈从中性面位置开始计时)
2.两个特殊位置及其特点
1.如图所示,在磁感应强度为B的匀强磁场中,面积为S的单匝矩形线圈abcd沿逆时针方向(俯视)绕垂直于磁场的中轴匀速转动,角速度为ω。当ad边与磁场方向的夹角为30°时,下列说法正确的是( )A.线圈中电流的方向是a→b→c→d→aB.线圈中产生的瞬时电动势的大小是 BSωC.线圈再转过60°时,产生的电流达到最大值D.线圈转动过程中,穿过它的磁通量的变化率恒定
答案 B解析 当线圈逆时针转动时,磁通量增大,由楞次定律可知,线圈中电流的方向是a→d→c→b→a,故A错误;线圈中的最大感应电动势为Emax=BSω,如果从垂直中性面开始计时,线圈转过30°,则e=Emaxcs 30°= BSω,故B正确;线圈再转过60°时,线圈处于中性面位置,此时磁通量最大,感应电动势为0,感应电流为0,故C错误;由法拉第电磁感应定律可得E= ,由于线圈转动过程中,电动势变化,即穿过它的磁通量的变化率变化,故D错误。
2.如图甲所示,在匀强磁场中,两个匝数相同的正方形金属线圈分别以不同的转速,绕与磁感线垂直的轴匀速转动,产生的交变电动势e随时间t变化的图像如图乙中曲线a、b所示,则( )
A.t=0时刻,两线圈均处于垂直于中性面的位置B.a、b对应的线圈转速之比为2∶3C.a、b对应的两线圈面积之比为1∶1D.若只改变两线圈的形状(匝数不变),则两线圈电动势的有效值之比一定不变
【典例1】 如图甲所示电路,已知电阻R1=R2=R,和R1并联的D是理想二极管(正向电阻可视为零,反向电阻为无穷大),在A、B之间
加一个如图乙所示的交变电压(电压为正值时,UAB>0)。由此可知( )A.在A、B之间所加的交变电压的周期为2 sB.在A、B之间所加的交变电压的瞬时值表达式为u=20 sin 50πt(V)C.加在R1上电压的有效值为10 VD.加在R2上电压的有效值为5 V
破题 由图像可得交流电的周期,电压最大值,依据u=Umsin ωt可得交变电压的瞬时值表达式。根据电流的热效应,注意二极管的单向导电性使得半个周期内R1被短路,另半个周期内R1与R2串联,从而即可求解。
3.(多选)(2020河北衡水模拟)如图所示,线圈ABCD匝数n=10,面积S=0.4 m2,边界MN(与线圈的AB边重合)右侧存在磁感应强度B= T的匀强磁场,若线圈从图示位置开始绕AB边以ω=10π rad/s的角速度匀速转动,则以下说法正确的是( )A.线圈产生的是正弦交流电B.线圈在转动过程中产生的最大感应电动势为80 VD.线圈产生的感应电动势的有效值为40 V
4.(2018全国卷Ⅲ)一电阻接到方波交流电源上,在一个周期内产生的热量为Q方;若该电阻接到正弦交流电源上,在一个周期内产生的热量为Q正。该电阻上电压的峰值均为u0,周期均为T,如图所示。则Q方∶Q正等于( )
【典例2】 (多选)(2020湖北七市教科研协作体高三下学期5月联考)如图甲为旋转电枢式交流发电机的原理图,多匝矩形线圈在磁感应强度为B的匀强磁场中绕垂直于
磁场方向的固定轴OO'匀速转动,线圈的两端经集流环和电刷与可变电阻R连接,与R并联的交流电压表为理想电表,当R=10 Ω时电压表示数是10 V。已知线圈的内阻为r=5 Ω,图乙是矩形线圈磁通量Φ随时间t变化的图像,则( )A.可变电阻R消耗的电功率为10 WB.穿过线圈磁通量的最大值为 WbC.R两端的电压u随时间t变化的规律是u=14.1sin 100πt (V)D.调节可变电阻R的大小,其消耗的最大电功率可以达到11.25 W
破题 (1)根据“当R=10 Ω时电压表示数是10 V”计算电阻R消耗的功率;根据闭合电路欧姆定律计算交流电源的电动势的有效值,然后计算最大值;由图乙得出角速度。(2)当R=r时可变电阻消耗的功率最大。
5.如图甲所示是一种振动发电装置的示意图,一个半径r=0.10 m、匝数n=20匝的线圈套在永久磁铁槽中,槽中磁场的磁感线均沿半径方向均匀分布(其右侧视图如图乙所示),线圈所在位置磁感应强度B的大小均为B= T,线圈的电阻R1=0.50 Ω,它的引出线接有R2=9.50 Ω的小灯泡L, 为理想交流电流表。当线圈框架的P端在外力作用下沿轴线做往复运动,便有电流通过灯泡。若线圈
往复运动的规律如图丙所示(v取向右为正),则下列判断正确的是( )
A.电流表的示数为0.24 s时回路中的电流最大C.回路中交流电的频率为50 s时灯泡L中电流的方向为从D→L→C
6.(2021年1月广东省适应性测试)科学中心某款手摇点火器原理如图所示。当钢针和金属板间瞬时电压超过5 000 V时可以产生电火花。已知匀强磁场的磁感应强度B大小为0.2 T,手摇发电机线圈的面积为0.25 m2,共50匝,不计内阻。变压器为理想变压器,其原副线圈匝数比为1∶100。下列说法正确的是( )A.线圈转速等于2 r/s时,点火器可以产生电火花B.线圈转速等于4 r/s时,点火器可以产生电火花C.电压表的示数为5 V时,点火器可以产生电火花D.电压表的示数为25 V时,点火器可以产生电火花
答案 B 解析线圈在匀强磁场中转动产生交流电,设转速为n,则发电机的最大电动势为Em=NBSω=NBS·2πn发电机的最大电动势等于变压器的输入线圈电压的最大值,U1m=Em,根据变压器两端的匝数比等于电压比,有
钢针和金属板间瞬时电压超过5 000 V时可以产生电火花,现令U2m=5 000 V,联立各方程解得U1m=50 V,n= r/s≈3.18 r/s故线圈转速等于4 r/s时,副线圈的电压最大值超过了5 000 V,能产生电火花,故A错误,B正确;电压表的示数为原线圈两端的电压有效值,刚点火时故选B。
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