鲁科版高中物理选择性必修2第3章交变电流与远距离输电阶段复习课课件

这是一份鲁科版高中物理选择性必修2第3章交变电流与远距离输电阶段复习课课件，共60页。
阶段复习课第3章知识体系构建【答案速填】①大小和方向　②做周期性变化　③变化快慢　④秒(s)　⑤赫兹(Hz)　⑥T=____ 　⑦电流的热效应　⑧电阻相同 ⑨通电时间相同　⑩产生的热量相同　 ⑪两次　 ⑫Emsinωt　 ⑬nBSω　 ⑭电磁感应　 ⑮________ 　 ⑯________ ⑰P输入=P输出核心考点突破一、 交变电流的产生和描述【典例1】为了研究交流电的产生过程，小张同学设计了如下实验构思方案：第一次将单匝矩形线圈放在匀强磁场中，线圈绕转轴OO′按图甲所示方向匀速转动(ab向纸外，cd向纸内)，并从图示位置开始计时，此时产生的交流电如图乙所示。第二次他仅将转轴移至ab边上，第三次他仅将转轴右侧的磁场去掉，关于后两次的电流图像，下列说法正确的是(　　)A.第二次是A图　　　　　　 B.第二次是C图C.第三次是B图 D.第三次是D图【解析】选D。第二次将转轴移到ab边上产生的感应电流，与第一次相同，是B图；第三次将OO′右侧磁场去掉，线圈在转动过程中只有一边切割，产生感应电动势的最大值为原来的 ，因此是D图。【方法技巧】交变电流图像的五个确定(1)确定交变电流的最大值(峰值)；(2)确定不同时刻交变电流的瞬时值；(3)确定周期T(频率f= )；(4)确定中性面对应的时刻；(5)确定交变电流方向改变时对应的时刻。【素养训练】(多选)如图所示，面积为S、匝数为N、电阻为r的正方形导线框与阻值为R的电阻构成闭合回路，理想交流电压表并联在电阻R的两端。线框在磁感应强度为B的匀强磁场中，以与电路连接的一边所在直线为轴垂直于磁场以角速度ω匀速转动，不计其他电阻，则下列说法正确的是(　　)A.若从图示位置开始计时，线框中感应电动势的瞬时值为e=NBSωsinωtB.线框通过中性面前后，流过电阻R的电流方向将发生改变，1秒内流过电阻R的电流方向改变 次C.线框从图示位置转过60°的过程中，通过电阻R的电荷量为 D.电压表的示数跟线框转动的角速度ω大小无关【解析】选A、B、C。从图示位置开始计时，即从线框处于中性面位置开始计时，感应电动势瞬时值e=NBSωsinωt，A正确；线框通过中性面前后，流过电阻R的电流方向发生改变，每转1周电流方向改变2次，1秒内线框转动圈数为 ，故流过电阻R的电流方向改变2× 次，B正确；线框从图示位置转过60°的过程中，通过电阻R的电荷量Δq= Δt=N ，而ΔΦ=BΔS⊥= BS，故Δq= ，C正确；电压表的示数U= ·E，而E= ，故U∝ω，D错误。【补偿训练】1.如图，实验室一台手摇交流发电机的内阻r=1.0 Ω，外接R=9.0 Ω的电阻。闭合开关S，当发电机转子以某一转速匀速转动时，产生的电动势e=10 sin10πt(V)，则(　　)A.该交变电流的频率为10 HzB.该电动势的最大值为10 VC.外接电阻R所消耗的电功率为10 WD.电路中理想交流电流表 的示数为1 A【解析】选D。由发电机产生的感应电动势表达式e=10 sin 10πt(V)可知，该交变电流为正弦式交变电流，其感应电动势的瞬时值基本表达式为e=Emsin ωt，由两式对照可知Em=10 V，ω=10π rad/s，又由于ω=2πf，解得f=5 Hz，故选项A、B错误；理想交流电流表测量的是电路中总电流的有效值，根据闭合电路的欧姆定律有I= =1 A，外接电阻R所消耗的电功率P=I2R=9 W，故选项C错误，D正确。2.如图所示，矩形线框匝数为N=250，ab=12 cm，ad=10 cm，线框置于B= T的匀强磁场中，绕垂直于磁场的轴以120 r/min的转速匀速转动，线框通过滑环与外电路相连，外电路有R=12 Ω的电阻及一只发光电压和熄灭电压都为12 V的氖灯L。不计线框电阻，求：(1)当S接e时，电流表读数为多大？电阻R消耗的热功率多大？(2)当S接f时，氖灯闪光频率为多大？通电1 min氖灯发光总时间为多少？【解析】(1)ω=2πn=4π rad/s，线框在磁场中转动产生的感应电动势的最大值为Em=NBSω=24 V。当S接e时，电流的最大值Im= =2 A因线框中电流为正弦交变电流，则有效值为：I= Im= A热功率为P=I2R=24 W。(2)线框转动时的周期T= =0.5 s，若从中性面开始计时，线框中的感应电动势的瞬时值表达式为e=Emsinωt=24sin4πt V。当S接f时，加在氖灯两端的电压等于线框中的电动势。当e>12 V时氖灯发光。则对于正半周内：12 V=24 sin4πt V解得：t= 即从 s到 s时间段内氖灯发光。同理，在负半周也有相同长度的发光时间。可见一个周期内发光两次，1 s内发光四次。闪光频率为4 Hz。一个周期内，有2×( - ) s发光即 s发光，1 s内有两个周期，则1 s内发光时间为 s，1 min内氖灯发光总时间为 ×60 s=40 s。答案：(1) A　24 W　(2)4 Hz　40 s二、交变电流“四值”的应用【典例2】(多选)如图所示，边长为l的正方形单匝线圈abcd，其电阻为r，外电路的电阻为R，ab的中点和cd的中点的连线O′O恰好位于匀强磁场的边界线上，磁场的磁感应强度为B。若线圈从图示位置开始以角速度ω绕轴O′O匀速转动，则以下判断正确的是(　　)A.图示位置线圈中的感应电动势最大，为Em=Bl2ωB.闭合电路中感应电动势的瞬时值表达式为e= Bl2ωsin ωtC.线圈从图示位置转过180°的过程中，流过电阻R的电荷量为q= D.线圈转动一周的过程中，电阻R上产生的热量为Q= 【解析】选B、D。题图所示位置，线圈中通过的磁通量最大，但感应电动势为零，A错误；线圈所围成的闭合电路中产生的感应电动势最大值为Em= Bl2ω，故对应的瞬时值表达式为e= Bl2ωsin ωt，B正确；由q= 可得线圈从图示位置转过180°的过程中，流过电阻R的电荷量q= ，C错误；电阻R上产生的热量应利用有效值求解，即转动一周的过程中产生的热量：Q=[ ]2R× = ，D正确。【方法技巧】交变电流“四值”应用的几点提醒：(1)在解答有关交变电流的问题时，要注意电路结构。(2)注意区分交变电流的最大值、瞬时值、有效值和平均值，最大值是瞬时值中的最大值，有效值是以电流的热效应来等效定义的。(3)与电磁感应问题一样，求解与电能、电热相关的问题时，一定要用有效值；而求解通过导体某横截面的电荷量时，一定要用平均值。【素养训练】1.(多选)面积为S、阻值为R的金属框放置在匀强磁场中，磁场方向与金属框平面垂直，磁感应强度随时间的变化规律B=B0sin ωt，则(　　)A.金属框中产生的电动势的最大值为B0SωB.金属框中电流的有效值为 C.在一个周期内金属框产生的焦耳热为 D.在第一个 周期内流过某截面的电荷量为 【解析】选A、D。金属框中的磁通量变化与该框在磁感应强度恒为B0的磁场中以ω匀速转动的情况相同。因此最大电动势为Em=B0Sω，A正确；电流的有效值为I= B错误；在一个周期内金属框产生的焦耳热为：Q=I2RT=( )2·R· = ，C错误；在第1个 内，ΔΦ=B0S，则q= D正确。2.小型手摇发电机线圈共N匝，每匝可简化为矩形线圈abcd，磁极间的磁场视为匀强磁场，方向垂直于线圈中心轴OO′，线圈绕OO′匀速转动，如图所示。矩形线圈ab边和cd边产生的感应电动势的最大值都为e0，不计线圈电阻，则发电机输出电压(　　)A.峰值是e0　　　　　　　　B.峰值是2e0C.有效值是 Ne0 D.有效值是 Ne0【解析】选D。矩形线圈ab边和cd边产生的感应电动势的最大值都为e0，所以发电机的电动势峰值为2Ne0，A、B错误；由于不计线圈的电阻，所以电机的输出电压峰值为2Ne0，故有效值为 Ne0，故D正确。【补偿训练】1.如图甲所示，标有“220 V　40 W”的灯泡和标有“20 μF　300 V”的电容器并联到交流电源上， 为交流电压表，交流电源的输出电压如图乙所示，闭合开关。下列判断正确的是(　　) A.t= 时刻， 的示数为零B.灯泡恰好正常发光C.电容器不可能被击穿D. 的示数保持110 V不变【解析】选B。 的示数应是电压的有效值220 V，故A、D错；电压的有效值恰好等于灯泡的额定电压，灯泡正常发光，B正确；电压的峰值Um=220 V≈311 V，大于电容器的耐压值，故有可能被击穿，C错。2.如图，单匝矩形线圈abcd处在磁感应强度为B、方向垂直于纸面向里的匀强磁场中，以恒定的角速度ω绕ab边转动，线圈所围面积为S，线圈的总电阻为R。t=0时刻线圈平面与纸面重合，且cd边正在离开纸面向外运动，则(　　)A.时刻t线圈中电流的瞬时值i= cosωtB.线圈中电流的有效值I= C.线圈中电流的有效值I= D.线圈消耗的电功率P= 【解析】选C。由题目条件可知，回路中感应电流最大值Im= ，而t=0时刻，线圈处于中性面，则电流瞬时值的表达式为i= sinωt，故选项A错误。线圈中电流的有效值为I= ，故选项B错误，选项C正确。线圈消耗的电功率为P=I2R= ，故选项D错误。三、理想变压器的动态分析【典例3】如图所示是发电厂通过升压变压器进行高压输电，接近用户端时再通过降压变压器降压给用户供电的示意图；图中变压器均可视为理想变压器，图中电表均为理想交流电表；设发电厂输出的电压一定，两条输电线总电阻用R0表示，变阻器R相当于用户用电器的总电阻。当用电器增加时，相当于R变小，则当用电进入高峰时(　　) A.电压表V1、V2的读数均不变，电流表A2的读数增大，电流表A1的读数减小B.电压表V3、V4的读数均减小，电流表A2的读数增大，电流表A3的读数减小C.电压表V2、V3的读数之差与电流表A2的读数的比值不变D.线路损耗功率不变【解析】选C。因为输入电压和匝数比都不变，电压表V1、V2的读数均不变，用电高峰期，电阻减小，电流增大，根据电流比等于匝数比的倒数且匝数比不变知电流都增大，故A错误；输电线上的电压损失增大，故电压表V3、V4的读数均减小，电流表A2的读数增大，电流表A3的读数增大，故B错误；电压表V2、V3的读数之差与电流表A2的读数的比值不变，等于输电线的电阻值，故C正确；线路上的电流变大，则线路消耗的功率变大，故D错误。【素养训练】(多选)如图，一理想变压器原线圈接入一交流电源，副线圈电路中R1、R2、R3和R4均为固定电阻，开关S是闭合的。V1和V2为理想电压表，读数分别为U1和U2；A1、A2和A3为理想电流表，读数分别为I1、I2和I3。现断开S，U1数值不变，下列推断中正确的是(　　) A.U2变小、I3变小　　　　　　　B.U2不变、I3变大C.I1变小、I2变小 D.I1变大、I2变大【解析】选B、C。因为U1不变，由 可得U2不变，断开S后副线圈所在电路总电阻R变大，由I2= 可知电流I2减小。由U1I1=U2I2得I1= ，故I1减小。电阻R3两端电压U3=U2-I2R1，故U3变大，I3= 变大，综合以上可知B、C两项正确，A、D两项错误。【补偿训练】1.图甲中理想变压器原、副线圈的匝数之比n1∶n2=5∶1，电阻R=20 Ω，L1、L2为规格相同的两个小灯泡，S1为单刀双掷开关。原线圈接正弦交变电源，输入电压u随时间t的变化关系如图乙所示。现将S1接1、S2闭合，此时L2正常发光。下列说法正确的是(　　) A.输入电压u的表达式u=20 sin 50πt (V)B.只断开S2后，L1、L2均正常发光C.只断开S2后，原线圈的输入功率增大D.若S1换接到2后，R消耗的电功率为0.8 W【解析】选D。由图像可知Um=20 V，T=0.02 s，故ω= =100π rad/s，即输入电压u的表达式u=20 sin 100πt V，所以A错误。U1= V=20 V，U2= U1=4 V，断开S2后两灯泡串联，总电压仍为4 V，所以L1、L2均不能正常发光，B项错误。根据P入=P出= 可知断开S2后R增大，P入变小，故C项错误。若S1接2，由P= 可得P= W=0.8 W，故D项正确。2.(多选)如图所示，T为理想变压器，A1、A2为理想交流电流表，V1、V2为理想交流电压表，R1、R2、R3为电阻，原线圈两端接电压一定的正弦式交变电源，当开关S闭合时，各交流电表的示数变化情况应是(　　)A.电压表V1读数变小　　　　　B.电压表V2读数变大C.电流表A1读数变大 D.电流表A2读数变小【解析】选A、C。理想变压器，开关S闭合时，V2示数不变，R总变小，A2示数变大，由电流关系知A1示数也变大，V1示数减小，B、D错误，故A、C正确。四、远距离输电的计算【典例4】在远距离输电时，要考虑尽量减少输电线上的功率损失。有一个小型发电站，输送的电功率为P=500 kW，当使用U=5 kV的电压输电时，测得安装在输电线路起点和终点处的两只电能表一昼夜示数相差4 800 kW·h。求：(1)输电效率η和输电线的总电阻r；(2)若想使输电效率提高到98%，又不改变输电线，那么发电站应使用多高的电压向外输电？【解析】(1)输送功率P=500 kW，一昼夜输送电能E=Pt=12 000 kW·h由题知输电线上损失的电能ΔE=4 800 kW·h终点得到的电能E′=E-ΔE=7 200 kW·h所以输电效率η= ×100%=60%输电线上的电流I= =100 A输电线损耗功率Pr=I2r其中Pr= =200 kW得r=20 Ω。(2)输电线上损耗功率Pr=( )2r∝ 原来Pr=200 kW，现在要求Pr′=10 kW代入数据解得输电电压应调节为U′≈22.4 kV。答案：(1)60%　20 Ω　(2)22.4 kV【方法技巧】1.远距离输电问题的分析思路：对高压输电问题，应按“发电机→升压变压器→远距离输电线→降压变压器→用电器”，或按从“用电器”倒推到“发电机”的顺序一步一步进行分析。2.远距离输电问题的常见的“三个误区”：(1)不能正确地利用公式P损=( )2R计算输电线上的损耗功率导致错误；(2)不能正确理解升压变压器的输出电压U2、降压变压器的输入电压U3和输电线上损失的电压ΔU的关系导致错误，三者关系是U2=ΔU+U3；(3)不能正确理解升压变压器的输入功率P1、降压变压器的输出功率P4和输电线上损失的功率P损的关系导致错误，三者关系是P1=P损+P4。【素养训练】1.(多选)如图所示为远距离输送交流电的系统示意图，变压器均为理想变压器。随着用户负载增多，发电机F达到额定功率时，降压变压器输出功率仍然不足，用户的用电器不能正常工作。那么，在发电机以额定功率工作的情况下，为了适当提高用户的用电功率，可采取的措施是(　　)A.适当减小输电线的电阻rB.适当提高 C.适当提高 的同时，降低 D.适当降低 的同时，提高 【解析】选A、C。当发电机输出功率一定时，为使用户得到更大的功率，需减小输电线上的功率损失，根据ΔP=I2r，可以减小输电线的电阻r，A正确；也可以通过提高输电电压，减小输送电流，即提高 ，这样使线圈n3两端电压变大，为使用户的用电器正常工作需要适当降低 ，C正确。2.三峡水利枢纽工程是长江流域治理开发的关键工程，是中国规模最大的水利工程。枢纽控制的流域面积为1×106 km2，占长江流域面积的56%，坝址处年平均流量Q=4.51×1011 m3。水利枢纽的主要任务包括防洪、发电、航运三方面。在发电方面，三峡电站安装水轮发电机组26台，总装机容量即26台发电机组同时工作时的总发电功率P=1.82×107 kW。年平均发电量约为W=8.40×1010 kW·h，电站主要向华中、华东电网供电，以缓解这两个地区供电紧张的局面。阅读上述资料，解答下列问题。(水的密度ρ=1.0×103 kg/m3，重力加速度g取10 m/s2)(1)请画出远距离输电的原理图并在其上用相应的符号标明相应的物理量；(2)若三峡电站上、下游水位差按H=100 m计算，试推导三峡电站将水流的势能转化为电能的效率η的公式并计算出效率η的数值；(3)若26台发电机组全部发电，要达到年发电量的要求，每台发电机组平均年发电时间t为多少天；(4)将该电站的电能输送到华中地区，输电功率P1=4.5×106 kW，采用超高压输电，输电电压U=500 kV，而发电机输出的电压约为U0=18 kV，要使输电线上损耗的功率为输送电功率的5%，求发电站的升压变压器原、副线圈的匝数之比和输电线路的总电阻。【解析】(1)远距离输电的原理图如图所示。 (2)电站能量转化的效率η= η= ×100%≈67.1%。(3)依据P= 可知，每台发电机组平均年发电时间t= 天≈192.3天。(4)升压变压器原、副线圈的匝数之比 由P1=UI得I=9.0×103 A又P损=I2R=5%P1可得R≈2.78 Ω。答案：(1)见解析　(2)η= 　67.1%　(3)192.3天(4)9∶250　2.78 Ω【补偿训练】1.某小型发电站的发电机输出交流电压为500 V，输出电功率为50 kW，如果用电阻为3 Ω的输电线向远处用户送电，这时用户获得的电压和电功率是多少？假如，要求输电线上损失的电功率是输送功率的0.6%，则发电站要安装一个升压变压器，到达用户前再用降压变压器变为220 V供用户使用，不考虑变压器的能量损失，这两个变压器原、副线圈的匝数比各是多少？【解析】用500 V电压送电时示意图如图甲所示，50 kW的电功率在输电线上的电流： I0= A=100 A用户获得的电压U1=U0-I0R=(500-100×3) V=200 V。用户获得的功率P1=I0U1=2.0×104 W。改用高压送电时，示意图如图乙所示，要求P损=0.6%P，即P损=50×103×0.6% W=300 W。 输电电流I= A=10 A发电站升压后输电电压U= V=5 000 V升压变压器匝数比 输电线上损失的电压U′=IR=10×3 V=30 V。到达降压变压器，输入变压器电压U2=U-U′=(5 000-30)V=4 970 V，降压变压器的匝数比 答案：200 V　2.0×104 W　 　 2.如图甲所示，理想变压器原、副线圈的匝数比n1∶n2=3∶1，原线圈电路中接有一量程为3 A的理想交流电流表，副线圈两端接有理想交流电压表和一只可变电阻R以及若干“6 V　6 W”的相同灯泡。输入端交变电压u的图像如图乙所示。(1)求图甲中电压表的读数；(2)要求灯泡均正常发光，求电路中最多允许接入的灯泡个数；(3)为满足第(2)问中要求，求可变电阻R应调到的电阻值。【解析】(1)根据图像可得原线圈电压的最大值U1m=27 V其有效值为U1=27 V根据n1∶n2=U1∶U2解得U2=9 V即电压表的读数为9 V。(2)设原线圈中通过的电流为I1，副线圈中通过的电流为I2，为使副线圈接入的灯泡最多，则I1取允许通过的最大电流的有效值3 A，根据U1I1=U2I2解得I2=9 A正常发光时每个灯泡中电流为I灯= =1 A所以允许接入的灯泡的个数为n= =9盏(3)电阻两端电压为UR=U2-U灯=3 V电阻阻值为R= Ω答案：(1)9 V　(2)9盏　(3) Ω