2023高考物理人教A版（2019）大一轮复习--13.1　交变电流的产生和描述（课件）

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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.通过实验,探究并了解变压器原、副线圈电压与匝数的关系。知道远距离输电时通常采用高压输电的原因。3.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。4.初步了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想,初步了解场的统一性与多样性,体会物理学对统一性的追求。5.通过实验,了解电磁振荡。知道电磁波的发射、传播和接收。认识电磁波谱。知道各个波段的电磁波的名称、特征和典型应用。6.通过实验,了解常见传感器的工作原理。会利用传感器制作简单的自动控制装置。列举传感器在生产生活中的应用。
1.结合线圈在磁场中转动的情形,用数学表达式和图像表示交变电流的产生过程,弄清交变电流四值适用情况。2.变压器的动态分析是考查的重点,明确原、副线圈中电流、电压、功率之间的关系及应用,重视科学思维素养形成。3.注重联系实际,关注生产、生活,结合远距离输电的分析进行相关量的求解,重视物理模型建构。4.传感器在高科技中的应用。
第一环节　必备知识落实
第二环节　关键能力形成
1.定义电流、电压大小和方向随时间做周期性变化,这样的电流叫作交变电流,简称交流。2.图像如图所示: 图甲、乙、丙、丁所示电流属于交变电流,图戊所示电流属于直流。
1.产生如图所示,在匀强磁场里,线圈绕垂直磁场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:与磁场方向垂直的平面。(2)特点。①线圈位于中性面时,穿过线圈的磁通量最大,磁通量的变化率为零,感应电动势为零。②线圈转动一周,2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,其图像为正弦曲线,如图所示。
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= Emsin ωt 。 (2)电压u随时间变化的规律:u= Umsin ωt 。 (3)电流i随时间变化的规律:i= Imsin ωt 。 其中ω等于线圈转动的角速度,Em= nBl1l2ω = nBSω 。
追本溯源右图为交流发电机线圈的平面图,设磁感应强度为B,线圈的形状为正方形,边长为l,匝数为n,以O1O2为起点、角速度ω匀速转动,经过时间t转至实线位置,试推导此时线圈中感应电动势的表达式。
1.周期和频率(1)周期(T):交变电流完成一次周期性变化所需的时间,叫作周期,即线圈转一周所需的时间,单位是秒(s),公式_______。(2)频率(f):交变电流完成周期性变化的次数与所用时间之比叫作它的频率,数值等于交变电流在单位时间内完成周期性变化的次数。单位是赫兹(Hz)。2.交变电流的周期和频率的关系
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)所能达到的最大值,也叫最大值。(3)有效值:让交变电流与恒定电流分别通过大小相同的电阻,如果在交变电流的一个周期内它们产生的热量相等,这个恒定电流的电流与电压就叫作这一交变电流的有效值。
2.如图所示,各图中面积均为S的线圈从图中所示位置开始计时均绕其对称轴或中心轴在匀强磁场B中以角速度ω匀速转动,能产生正弦式交变电动势e=BSωsin ωt的是(　　)
解析:只有A、C图中线圈的磁通量在变化,产生感应电动势。A中从中性面开始计时,产生的电动势为e=BSωsin ωt;C中从与中性面垂直的面开始计时,产生的电动势为e=BSωcs ωt,选项A正确。
3.(多选)一个按正弦规律变化的交变电流的i-t图像如图所示,根据图像可以判定(　　)
整合构建1.正弦式交变电流的产生(1)线圈绕垂直于磁场方向的轴匀速转动。(2)两个特殊位置的特点。
(3)电流方向的改变:线圈通过中性面时,电流方向发生改变,一个周期内线圈两次通过中性面,因此电流的方向改变两次。(4)交流电动势的最大值Em=nBSω,与转轴位置无关,与线圈形状无关。
2.正弦式交变电流的变化规律(线圈在中性面位置开始计时)
【典例2】图甲为小型旋转电枢式交流发电机的原理图,其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'(OO'沿水平方向)匀速转动,线圈的两端经集流环和电刷与电阻R=10 Ω连接,与电阻R并联的交流电压表为理想电压表,示数是10 V。图乙是矩形线圈中磁通量随时间t变化的图像,线圈内阻不计。则(　　)
思维点拨(1)开始计时时,磁通量等于0,所以线圈是从垂直中性面处开始计时的。(2)可根据楞次定律的几种表述判断安培力的方向,即不必确定电流的方向。
规律总结解决交变电流图像问题的三点注意(1)只有当线圈从中性面位置开始计时时,电流的瞬时值表达式才是正弦函数形式,其变化规律与线圈的形状及转动轴处于线圈平面内的位置无关。(2)注意峰值公式Em=nBSω中的S为有效面积。(3)在解决有关交变电流的图像问题时,应先把交变电流的图像与线圈的转动位置对应起来,再根据特殊位置求解。
训练突破1.矩形线圈abcd在如图所示的磁场中以恒定的角速度ω绕ab边转动,磁场方向垂直纸面向里,其中ab边左侧磁场的磁感应强度大小是右侧磁场的2倍。在t=0时刻线圈平面与纸面重合,且cd边正在向纸外转动。规定图示箭头方向为电流正方向,则线圈中电流随时间变化的关系图线应是(　　)
解析:线圈绕垂直于磁场的轴匀速转动时,能够产生的最大感应电动势Em=nBSω,所以线圈在左侧磁场中产生的感应电动势的最大值是右侧磁场中最大值的2倍,再利用楞次定律结合安培定则分析感应电流方向,可知选项A正确。
整合构建1.交变电流有效值的求解(1)正弦式交变电流。
方法二:利用电流的热效应求解。(2)非正弦式交变电流。利用电流的热效应求解。
2.几种典型的交变电流及其有效值
【典例3】 通过一阻值R=100 Ω的电阻的交变电流如图所示,其周期为1 s。电阻两端电压的有效值为(　　)
【典例4】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;该电阻接到正弦式半波交流电源上,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。Q方∶Q正等于(　　) A.1∶4B.4∶1C.1∶2D.2∶1
训练突破2.阻值为100 Ω的纯电阻元件通以如图所示的交变电流,则该元件的发热功率为(　　)A.121 WB.302.5 WC.484 WD.605 W
整合构建交变电流的瞬时值、峰值、有效值和平均值的比较
(1)若从线圈处于中性面开始计时,写出线圈中感应电动势的瞬时值表达式。
思维点拨(1)电压表和电流表的示数是有效值。(2)求通过电阻的电荷量用平均值。
特别提醒交变电流“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峰值、瞬时值、有效值和平均值,峰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。
训练突破3.如图甲所示,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流电压(电压为正值时,UAB>0)。由此可知(　　)