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新教材高考物理一轮复习第12章交变电流传感器第1节交变电流的产生及其描述课件
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这是一份新教材高考物理一轮复习第12章交变电流传感器第1节交变电流的产生及其描述课件，共47页。PPT课件主要包含了内容索引，强基础增分策略，增素能精准突破，课程标准，核心素养，试题情境，考向预测，垂直于磁场，Emsinωt，Umsinωt等内容，欢迎下载使用。
1.通过实验,认识交变电流。能用公式和图像描述正弦式交变电流。2.了解发电机和电动机工作过程中的能量转化。认识电磁学在人类生活和社会发展中的作用。3.通过实验,探究并了解变压器原、副线圈电压与匝数的关系。了解从变电站到用户的输电过程,知道远距离输电时用高电压的道理
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, 次经过中性面,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。
Em仅由N、B、S、ω四个量决定,与轴的具体位置和线圈的形状都无关4.变化规律(线圈在中性面位置开始计时)(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是线圈转动的 ,Em= 。 易错辨析 (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,正弦式交变电流的方向改变两次。( )
应用提升1.右图是一台发电机的结构示意图,其中N、S是永久磁体的两个磁极,它们的表面呈半圆柱面形状。M是圆柱形铁芯,它与磁极的柱面共轴,铁芯上有一矩形线框,可绕与铁芯M共轴的固定转动轴旋转。磁极与铁芯之间的缝隙中形成方向沿半径、大小近似均匀的磁场。若从图示位置开始计时,当线框绕固定转动轴匀速转动时,下列图像能正确反映线框中感应电动势e随时间t变化规律的是( )
答案 D解析 因发电机的两个磁极N、S呈半圆柱面形状,磁极间的磁感线如图所示,磁感应强度的大小不变,仅方向发生改变,故线框在磁场中转动时垂直切割磁感线,产生的感应电动势的大小不变,线框越过空隙后,由于线框切割磁感线方向发生变化,所以感应电动势的方向发生变化,综上所述,D正确。
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 变化所需的时间,即线圈 所需的时间,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。(3)有效值: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= 。 不同时间内的平均值一般不同(4)平均值:用E= 来计算。 易错辨析 (5)最大值和有效值之间的 倍关系只适用于正弦式交变电流。( )(6)交流电压表及交流电流表的读数均为峰值。( )
应用提升2.(2022春黑龙江哈尔滨宾县校级期末)图甲为小型旋转电枢式交流发动机的原理图,其矩形线圈在匀强磁场中绕着垂直于磁场方向的轴匀速转动。线圈的匝数n=20、电阻r=5 Ω,线圈的两端经集流环与R=45 Ω的电阻连接,电流表和电压表均为理想电表,若在t=0时刻,线圈平面与磁场方向垂直,穿过每匝线圈的磁通量Φ随时间t按如图乙所示的余弦规律变化,则下列说法正确的是( )A.此交流发电机产生感应电动势的最大值为Em=31.4 VB.t=0.4 πs时刻,线圈处在与中性面垂直的位置C.线圈从图示位置转过90°过程中,通过线圈导线截面的电荷量为0.08 CD.1 min内电阻R产生的焦耳热为60 J
3.(人教版教材选择性必修第二册P55“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
【对点演练】1.(2023广西柳州模拟)为研究交变电流产生的规律,某研究小组把长60 m的导线绕制成N=100匝的矩形闭合线圈,如图所示。现把线圈放到磁感应强度大小B=0.1 T、方向水平向右的匀强磁场中,线圈可以绕其对称轴OO'转动。现让线圈从图示位置开始(t=0)以恒定的角速度ω=10π rad/s转动,下列说法正确的有( )A.t=0时,线圈位于中性面位置B.t=0.05 s时,感应电流达到最大值C.当bc=2ab时,感应电动势的表达式为E=2πsin 10πt(V)D.当ab=ad时,感应电动势的有效值最大
解析 t=0时,线圈位于与中性面垂直的位置,故A错误。线圈的周期为T= =0.2 s,t=0.05 s时,线圈转过90°,到达中性面位置,此时穿过的磁通量最大,感应电流为零,故B错误。电动势最大值为Em0=NBS0ω,S0=ab·bc, N(ab+bc)×2=60 m,2ab=bc,联立可得Em0=2π(V),线圈从题中图示位置(平行于磁场方向)开始转动,因此感应电动势的表达式为E=2πcs 10πt (V),故C错误。线圈周长为0.6 m,当ab=ad时,边长相等,此时线圈面积最大, Em=NBSω,则感应电动势最大,即感应电动势的有效值最大,故D正确。
2.(2023江苏高三月考)假设两人在赤道上站立,各自手握金属绳OPO'的一端,绕东西方向的水平轴沿顺时针方向匀速摇动,周期为T,将金属绳连入电路,闭合回路如图所示,取金属绳在图示的最高位置时为t=0时刻,则下列说法正确的是( )A.电路中存在周期为T的变化电流B.t=0时刻,回路中磁通量最大,电路中电流最大
解析 由题意可知,赤道上空,地磁场方向从南向北平行于地面,金属绳OPO'的运动类比导线在磁场中切割磁感线,由右手定则判断,电路中存在周期性变化的电流,故A正确;t=0时刻,回路磁通量最大,但磁通量的变化率最小,电
【典例突破】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
思维点拨 由图像可得交变电流的周期,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,从而可求解有效值。
【对点演练】3.(2023广东实验中学月考)如图甲所示,为某品牌电热毯的简易电路,电热丝的电阻为R=484 Ω,现将其接在u=220 sin 100πt(V)的正弦交流电源上,电热毯被加热到一定温度后,温控装置P使输入电压随时间t的变化图线变为图乙所示的波形,从而进入保温状态,若电热丝的电阻保持不变,则保温状态下,理想交流电压表V的示数最接近下列哪一组数据( )A.220 VB.156 VC.110 VD.311 V
4.(多选)(2023广东广州三模)为发展新能源,某科研小组制作了一个小型波浪发电机,磁体固定在水中,S极上套有一个浮筒,浮筒上绕有线圈,其截面示意图如图甲所示。浮筒可随波浪上下往复运动切割磁感线而产生电动势,线圈中产生的感应电动势随时间按正弦规律变化,如图乙所示,线圈电阻r=2 Ω,把线圈与阻值r=8 Ω的小灯泡串联,小灯泡恰好正常发光。下列说法正确的是( )A.小灯泡的额定电压为3 VB.线圈中电流的有效值为0.5 AC.发电机的输出功率为1.28 WD.一周期内线圈产生的焦耳热为0.128 J
解析 感应电动势有效值为4 V,此时小灯泡正好正常发光,小灯泡的额定电压U=3.2 V,线圈中的电流的有效值I=0.4 A,故A、B错误。发电机输出功率为P=UI=1.28 W,故C正确。根据焦耳定律,一周期内线圈产生的焦耳热为Q=I2rT=0.128 J,故D正确。
交变电流的瞬时值、峰值、有效值和平均值的比较
【典例突破】典例2.(多选)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
思路突破 (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。
【对点演练】5.(2023江西宜春期末)如图所示,在光滑绝缘水平桌面上建立一个直角坐标系,在坐标系的第一、四象限的两块区域内分别存在垂直于桌面向下、向上的匀强磁场,磁感应强度大小均为1.0 T,磁场边界线的方程为y=0.5sin 2πx(m)(0≤x≤1.0 m)。在水平桌面上静置一个长1 m、宽0.5 m的矩形单匝导线框abcd,其电阻R=1 Ω,ab、dc边与x轴平行,在拉力F的作用下,线框从图示位置开始沿x轴正方向以大小为1 m/s的速度匀速穿过整个磁场区域,
下列说法正确的是( )A.bc边到达x=0.25 m时,线框中的感应电流最大B.拉力F的最大功率为0.5 W
解析 线框向右匀速运动过程中,当线框的bc边到达x=0.75 m时,前后两边都切割磁感线,产生的感应电动势最大、感应电流最大,此时感应电流大小为Im= ,解得Im=1 A,故A错误。由选项A知,当bc边到达x=0.75 m处时,感应电流最大、线框受到的安培力最大,由于线框做匀速运动,则有F=F安=2BIml,拉力功率P=Fv,解得P=1 W,故B错误。
线框向右匀速运动过程中,回路中产生的感应电流随时间变化的图像如图所示(规定逆时针方向为正),在0~0.5 s和1~1.5 s的过程中感应电流有效值
6.(2022广东广州期末)图甲为风力发电机的简易模型:感应线圈与电流测量装置相连,风杯在风力作用下带动与杆相连的永久磁体转动。某一段时间内,电流测量装置显示感应电流随时间变化的关系如图乙所示。下列说法正确的是( )A.感应电流的频率为25 HzB.永久磁体的转速为2.5 r/sC.感应电流的有效值为ImD.感应电流瞬时值表达式i=Imsin 2.5πt(A)
1.通过实验,认识交变电流。能用公式和图像描述正弦式交变电流。2.了解发电机和电动机工作过程中的能量转化。认识电磁学在人类生活和社会发展中的作用。3.通过实验,探究并了解变压器原、副线圈电压与匝数的关系。了解从变电站到用户的输电过程,知道远距离输电时用高电压的道理
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, 次经过中性面,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。
Em仅由N、B、S、ω四个量决定,与轴的具体位置和线圈的形状都无关4.变化规律(线圈在中性面位置开始计时)(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是线圈转动的 ,Em= 。 易错辨析 (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,正弦式交变电流的方向改变两次。( )
应用提升1.右图是一台发电机的结构示意图,其中N、S是永久磁体的两个磁极,它们的表面呈半圆柱面形状。M是圆柱形铁芯,它与磁极的柱面共轴,铁芯上有一矩形线框,可绕与铁芯M共轴的固定转动轴旋转。磁极与铁芯之间的缝隙中形成方向沿半径、大小近似均匀的磁场。若从图示位置开始计时,当线框绕固定转动轴匀速转动时,下列图像能正确反映线框中感应电动势e随时间t变化规律的是( )
答案 D解析 因发电机的两个磁极N、S呈半圆柱面形状,磁极间的磁感线如图所示,磁感应强度的大小不变,仅方向发生改变,故线框在磁场中转动时垂直切割磁感线,产生的感应电动势的大小不变,线框越过空隙后,由于线框切割磁感线方向发生变化,所以感应电动势的方向发生变化,综上所述,D正确。
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 变化所需的时间,即线圈 所需的时间,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。(3)有效值: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= 。 不同时间内的平均值一般不同(4)平均值:用E= 来计算。 易错辨析 (5)最大值和有效值之间的 倍关系只适用于正弦式交变电流。( )(6)交流电压表及交流电流表的读数均为峰值。( )
应用提升2.(2022春黑龙江哈尔滨宾县校级期末)图甲为小型旋转电枢式交流发动机的原理图,其矩形线圈在匀强磁场中绕着垂直于磁场方向的轴匀速转动。线圈的匝数n=20、电阻r=5 Ω,线圈的两端经集流环与R=45 Ω的电阻连接,电流表和电压表均为理想电表,若在t=0时刻,线圈平面与磁场方向垂直,穿过每匝线圈的磁通量Φ随时间t按如图乙所示的余弦规律变化,则下列说法正确的是( )A.此交流发电机产生感应电动势的最大值为Em=31.4 VB.t=0.4 πs时刻,线圈处在与中性面垂直的位置C.线圈从图示位置转过90°过程中,通过线圈导线截面的电荷量为0.08 CD.1 min内电阻R产生的焦耳热为60 J
3.(人教版教材选择性必修第二册P55“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
【对点演练】1.(2023广西柳州模拟)为研究交变电流产生的规律,某研究小组把长60 m的导线绕制成N=100匝的矩形闭合线圈,如图所示。现把线圈放到磁感应强度大小B=0.1 T、方向水平向右的匀强磁场中,线圈可以绕其对称轴OO'转动。现让线圈从图示位置开始(t=0)以恒定的角速度ω=10π rad/s转动,下列说法正确的有( )A.t=0时,线圈位于中性面位置B.t=0.05 s时,感应电流达到最大值C.当bc=2ab时,感应电动势的表达式为E=2πsin 10πt(V)D.当ab=ad时,感应电动势的有效值最大
解析 t=0时,线圈位于与中性面垂直的位置,故A错误。线圈的周期为T= =0.2 s,t=0.05 s时,线圈转过90°,到达中性面位置,此时穿过的磁通量最大,感应电流为零,故B错误。电动势最大值为Em0=NBS0ω,S0=ab·bc, N(ab+bc)×2=60 m,2ab=bc,联立可得Em0=2π(V),线圈从题中图示位置(平行于磁场方向)开始转动,因此感应电动势的表达式为E=2πcs 10πt (V),故C错误。线圈周长为0.6 m,当ab=ad时,边长相等,此时线圈面积最大, Em=NBSω,则感应电动势最大,即感应电动势的有效值最大,故D正确。
2.(2023江苏高三月考)假设两人在赤道上站立,各自手握金属绳OPO'的一端,绕东西方向的水平轴沿顺时针方向匀速摇动,周期为T,将金属绳连入电路,闭合回路如图所示,取金属绳在图示的最高位置时为t=0时刻,则下列说法正确的是( )A.电路中存在周期为T的变化电流B.t=0时刻,回路中磁通量最大,电路中电流最大
解析 由题意可知,赤道上空,地磁场方向从南向北平行于地面,金属绳OPO'的运动类比导线在磁场中切割磁感线,由右手定则判断,电路中存在周期性变化的电流,故A正确;t=0时刻,回路磁通量最大,但磁通量的变化率最小,电
【典例突破】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
思维点拨 由图像可得交变电流的周期,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,从而可求解有效值。
【对点演练】3.(2023广东实验中学月考)如图甲所示,为某品牌电热毯的简易电路,电热丝的电阻为R=484 Ω,现将其接在u=220 sin 100πt(V)的正弦交流电源上,电热毯被加热到一定温度后,温控装置P使输入电压随时间t的变化图线变为图乙所示的波形,从而进入保温状态,若电热丝的电阻保持不变,则保温状态下,理想交流电压表V的示数最接近下列哪一组数据( )A.220 VB.156 VC.110 VD.311 V
4.(多选)(2023广东广州三模)为发展新能源,某科研小组制作了一个小型波浪发电机,磁体固定在水中,S极上套有一个浮筒,浮筒上绕有线圈,其截面示意图如图甲所示。浮筒可随波浪上下往复运动切割磁感线而产生电动势,线圈中产生的感应电动势随时间按正弦规律变化,如图乙所示,线圈电阻r=2 Ω,把线圈与阻值r=8 Ω的小灯泡串联,小灯泡恰好正常发光。下列说法正确的是( )A.小灯泡的额定电压为3 VB.线圈中电流的有效值为0.5 AC.发电机的输出功率为1.28 WD.一周期内线圈产生的焦耳热为0.128 J
解析 感应电动势有效值为4 V,此时小灯泡正好正常发光,小灯泡的额定电压U=3.2 V,线圈中的电流的有效值I=0.4 A,故A、B错误。发电机输出功率为P=UI=1.28 W,故C正确。根据焦耳定律,一周期内线圈产生的焦耳热为Q=I2rT=0.128 J,故D正确。
交变电流的瞬时值、峰值、有效值和平均值的比较
【典例突破】典例2.(多选)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
思路突破 (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。
【对点演练】5.(2023江西宜春期末)如图所示,在光滑绝缘水平桌面上建立一个直角坐标系,在坐标系的第一、四象限的两块区域内分别存在垂直于桌面向下、向上的匀强磁场,磁感应强度大小均为1.0 T,磁场边界线的方程为y=0.5sin 2πx(m)(0≤x≤1.0 m)。在水平桌面上静置一个长1 m、宽0.5 m的矩形单匝导线框abcd,其电阻R=1 Ω,ab、dc边与x轴平行,在拉力F的作用下,线框从图示位置开始沿x轴正方向以大小为1 m/s的速度匀速穿过整个磁场区域,
下列说法正确的是( )A.bc边到达x=0.25 m时,线框中的感应电流最大B.拉力F的最大功率为0.5 W
解析 线框向右匀速运动过程中,当线框的bc边到达x=0.75 m时,前后两边都切割磁感线,产生的感应电动势最大、感应电流最大,此时感应电流大小为Im= ,解得Im=1 A,故A错误。由选项A知,当bc边到达x=0.75 m处时,感应电流最大、线框受到的安培力最大,由于线框做匀速运动,则有F=F安=2BIml,拉力功率P=Fv,解得P=1 W,故B错误。
线框向右匀速运动过程中,回路中产生的感应电流随时间变化的图像如图所示(规定逆时针方向为正),在0~0.5 s和1~1.5 s的过程中感应电流有效值
6.(2022广东广州期末)图甲为风力发电机的简易模型:感应线圈与电流测量装置相连,风杯在风力作用下带动与杆相连的永久磁体转动。某一段时间内,电流测量装置显示感应电流随时间变化的关系如图乙所示。下列说法正确的是( )A.感应电流的频率为25 HzB.永久磁体的转速为2.5 r/sC.感应电流的有效值为ImD.感应电流瞬时值表达式i=Imsin 2.5πt(A)
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