（山東專用）2020版高考物理一輪復習 第13章 交變電流課件.ppt

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第13章交變電流 考點39變壓器電能的輸送 考點38交流電的產(chǎn)生與描述 考點40電磁振蕩電磁波 考點38交流電的產(chǎn)生與描述 必備知識全面把握核心方法重點突破方法1交變電流的圖像問題方法2有效值和平均值的求解考法例析成就能力考法1交流電的產(chǎn)生及變化規(guī)律考法2交變電流的 四值 及應用考法3用有效值的定義求解非正弦交流電的有效值 必備知識全面把握 1 交變電流的產(chǎn)生和規(guī)律 1 交變電流 定義 大小和方向都隨時間做周期性變化的電流叫交變電流 簡稱交流電 方向隨時間做周期性變化是交流電的重要特征 如圖所示的電流都是交變電流 正弦式交變電流 隨時間按正弦規(guī)律變化的交變電流叫正弦式交變電流 正弦式交變電流的圖像是正弦曲線 2 正弦交流電 產(chǎn)生方法 如圖所示 將一個平面線圈置于勻強磁場中 并使它繞垂直于磁感線的軸勻速轉動 線圈中就會產(chǎn)生正弦式交變電流 兩個特殊位置的特點中性面的定義 平面線圈在勻強磁場中旋轉 當線圈平面垂直磁感線時 線圈所在平面叫中性面 a 線圈平面與中性面重合時 S B 最大 t 0 e 0 i 0 電流方向將發(fā)生改變 b 線圈平面與中性面垂直時 S B 0 t最大 e最大 i最大 電流方向不改變 3 電流方向的改變一個周期內線圈中電流的方向改變兩次 4 交變電動勢的最大值Em nBS 與轉軸位置無關 與線圈形狀無關 5 交變電動勢隨時間的變化規(guī)律 e nBS sin t 從線圈位于中性面位置時開始計時 2 描述交變電流的物理量 1 周期和頻率 周期 交變電流完成一次周期性變化所需的時間 單位是秒 s 表達式為 頻率f 交變電流在1s內完成周期性變化的次數(shù) 單位是赫茲 符號為Hz 周期和頻率的關系 T 1 f或f 1 T 2 交變電流的 四值 瞬時值 交變電流的瞬時值反映的是不同時刻交變電流的大小和方向 瞬時值表達式為e Emsin t 最大值 交變電流的最大值反映的是交變電流大小的變化范圍 當線圈平面與磁感線平行時 電動勢最大 Em nBS 注意 此最大值與線圈的形狀無關 平均值 交變電流的平均值是交變電流圖像的波形與橫軸 t軸 所圍面積跟時間的比值 其數(shù)值可用E 計算 有效值 交變電流的有效值是根據(jù)電流的熱效應規(guī)定的 即在交流電的一個周期內 跟某一交變電流使同一電阻產(chǎn)生相等熱量的直流電的數(shù)值 叫該交變電流的有效值 正弦式交變電流的有效值和最大值之間的關系 劃重點 瞬時值和線圈轉動過程中的某一位置相對應 不同位置處交變電流的大小和方向不同 在線圈平面 磁場 轉速確定的情況下 最大值確定 其值對應線圈平面與磁場平行時的瞬時值 平均值要利用法拉第電磁感應定律求解 有效值則是根據(jù)電流的熱效應來定義的 核心方法重點突破 方法1交變電流的圖像問題 多選 如圖1所示 單匝矩形線圈abcd在勻強磁場中繞垂直磁場的軸轉動 改變線圈的轉速 穿過該線圈的磁通量隨時間分別按圖2中圖線甲 乙的正弦規(guī)律變化 設線圈的電阻為1 0 則 A 圖線甲對應線圈在t 0時產(chǎn)生的感應電動勢最大B 圖線甲 乙對應的線圈在t 0 2s時 線圈平面均平行于磁感線C 圖線甲 乙對應的線圈轉速之比為5 4D 圖線甲對應的線圈中交變電流的最大值為2 5 A 例1 解析 答案 BC 例1 突破點 1 交變電流圖像的五個確定 1 確定交變電流的最大值 峰值 2 確定不同時刻交變電流的瞬時值 3 確定周期T頻率f 1 T 4 確定線圈位于中性面對應的時刻 5 確定交變電流方向改變時對應的時刻 2 書寫交變電流瞬時值表達式的基本思路 1 確定正弦式交變電流的峰值 根據(jù)已知圖像讀出或由公式Em nBS 求出相應峰值 2 明確線圈的初始位置 找出對應的函數(shù)關系式 若線圈從中性面位置開始計時 則i t圖像為正弦函數(shù)圖像 函數(shù)式為i Imsin t 若線圈從垂直中性面位置開始計時 則i t圖像為余弦函數(shù)圖像 函數(shù)式為i Imcos t 3 解決交變電流圖像問題的三點注意 1 只有當線圈從中性面位置開始計時 電流的瞬時值表達式才是正弦形式 其變化規(guī)律與線圈的形狀及轉軸處于線圈平面內的位置無關 2 注意公式Em nBS 中的S為有效面積 3 在解決有關交變電流的圖像問題時 應先把交變電流的圖像與線圈的轉動位置對應起來 再根據(jù)特殊位置求特征解 方法2交流電有效值的求解 天津理綜2014 7 6分 多選 如圖甲所示 在勻強磁場中 一矩形金屬線圈兩次分別以不同的轉速 繞與磁感線垂直的軸勻速轉動 產(chǎn)生的交變電動勢圖像如圖乙中圖線a b所示 則 A 兩次t 0時刻線圈平面均與中性面重合B 圖線a b對應的線圈轉速之比為2 3C 圖線a表示的交變電動勢頻率為25HzD 圖線b表示的交變電動勢有效值為10V 例2 解析 答案 AC 例2 突破點 計算交變電流有效值的方法 1 計算有效值時要根據(jù)電流的熱效應 抓住 三同 相同時間 內 相同電阻 上產(chǎn)生 相同熱量 列式求解 2 分段計算電熱并求和得出一個周期內產(chǎn)生的總熱量 3 利用兩個公式Q I2Rt和Q U2t R可分別求得電流有效值和電壓有效值 4 若圖像部分是正弦 或余弦 式交變電流 其中的1 4 但必須是從零至最大值或從最大值至零 和1 2周期部分可直接應用正弦式交變電流有效值與最大值間的關系求解 考法例析成就能力 考法1交流電的產(chǎn)生及變化規(guī)律 天津理綜2017 6 6分 多選 在勻強磁場中 一個100匝的閉合矩形金屬線圈 繞與磁感線垂直的固定軸勻速轉動 穿過該線圈的磁通量隨時間按圖示正弦規(guī)律變化 設線圈總電阻為2 則 A t 0時 線圈平面平行于磁感線B t 1s時 線圈中的電流改變方向C t 1 5s時 線圈中的感應電動勢最大D 一個周期內 線圈產(chǎn)生的熱量為8 2J 例1 解析 答案 AD 例1 考法2交變電流的 四值 及應用如圖所示 一半徑為r的半圓形單匝線圈垂直放在具有理想邊界的勻強磁場中 磁場的磁感應強度為B 以直徑ab為軸勻速轉動 轉速為n ab與磁場邊界重合 M和N是兩個滑環(huán) 負載電阻為R 線圈 電流表和連接導線的電阻不計 下列說法中正確的是 例2 解析 答案 A 例2 考法3非正弦交流電的有效值的計算 多選 如圖所示 甲 乙為兩種電壓的波形 其中圖甲所示的電壓按正弦規(guī)律變化 圖乙所示的電壓波形是正弦函數(shù)圖像的一部分 下列說法正確的是 A 圖甲 圖乙均表示交變電流B 圖甲所示電壓的瞬時值表達式為u 20sin100 t V C 圖乙所示電壓的有效值為20VD 圖乙所示電壓的有效值為10V 例3 解析 答案 ABD 例3 考點39變壓器電能的輸送 必備知識全面把握核心方法重點突破方法3理想變壓器基本關系的問題方法4理想變壓器的動態(tài)分析問題方法5遠距離輸電的應用考法例析成就能力考法4理想變壓器的應用考法5理想變壓器的動態(tài)分析考法6遠距離輸電的應用考法7自耦變壓器與多副線圈變壓器 必備知識全面把握 1 變壓器 1 變壓器 定義 用來改變交流電的電壓和電流的裝置 構造 變壓器是由閉合鐵芯 由涂有絕緣漆的硅鋼片疊合而成 和繞在鐵芯上的兩個線圈 用絕緣導線繞制 組成的 如圖所示 原線圈 和交流電源相連接的線圈 匝數(shù)為n1 副線圈 和負載相連接的線圈 匝數(shù)為n2 副線圈可能不止一個 2 理想變壓器概念 沒有能量損失的變壓器叫作理想變壓器 即理想變壓器的輸出功率等于輸入功率 3 變壓器的工作原理 原理 互感現(xiàn)象是變壓器工作的基礎 電流通過原線圈時在鐵芯中激發(fā)磁場 由于電流的大小 方向在不斷變化 鐵芯中磁場也在不斷變化 變化的磁場在副線圈中產(chǎn)生感應電動勢 使副線圈能夠輸出電流 能量轉換方式 變壓器的作用 改變交流電的電壓 不改變交流電的周期和頻率 4 理想變壓器的基本關系式 劃重點 理想變壓器基本關系中的U1 U2 I1 I2均為有效值 U1與n1 n2共同決定U2 I2與n1 n2共同決定I1 P2決定P1 2 遠距離輸電 1 為什么要采用高壓輸電輸電線上有電阻 電流通過時產(chǎn)生焦耳熱引起電能損失 由P損 I2R線知 要減小電能在輸電線上的損耗 可以有兩種方法 減小輸電導線的電阻 如采用電阻率低的材料 加大導線的橫截面積 提高輸電電壓 減小輸電電流 輸送功率一定的情況下 第一種方法的作用十分有限 代價較高 所以實際中一般采用第二種方法 2 遠距離高壓輸電的電路模式升壓變壓器建在離發(fā)電廠較近處 降壓變壓器建在離用戶較近處 如圖所示 3 遠距離高壓輸電的基本關系 4 損失電功率 電壓的計算方法 3 實驗 探究變壓器電壓與線圈匝數(shù)的關系 1 實驗原理原線圈通過交變電流時 鐵芯中產(chǎn)生磁場 由于交變電流的大小和方向都在不斷變化 鐵芯中的磁場也在不斷地變化 變化的磁場在副線圈中產(chǎn)生感應電動勢 副線圈中就存在輸出電壓 本實驗通過改變原 副線圈匝數(shù) 探究原 副線圈的電壓與匝數(shù)的關系 2 實驗注意事項 在改變學生電源電壓 線圈匝數(shù)前均要先斷開開關 再進行操作 為了人身安全 學生用的電源的電壓不能超過12V 不能用手接觸裸露的導線和接線柱 為了防止損壞多用電表 使用交流電壓擋測電壓時 先用最大量程擋試測 大致確定被測電壓數(shù)值后再選用適當?shù)膿跷贿M行測量 核心方法重點突破 方法3理想變壓器基本關系的問題 課標全國 2016 16 6分 一含有理想變壓器的電路如圖所示 圖中電阻R1 R2和R3的阻值分別為3 1 和4 為理想交流電流表 U為正弦交流電壓源 輸出電壓的有效值恒定 當開關S斷開時 電流表的示數(shù)為I 當S閉合時 電流表的示數(shù)為4I 該變壓器原 副線圈匝數(shù)比為 A 2B 3C 4D 5 例1 解析 答案 B 例1 突破點 1 關于理想變壓器的四點說明 1 變壓器不能改變直流電壓 2 變壓器只能改變交變電流的電壓和電流 不能改變交變電流的頻率 3 理想變壓器本身不消耗能量 4 理想變壓器基本關系中的U1 U2 I1 I2均為有效值 2 解決理想變壓器問題的三種思路3 理想變壓器關系式應用時的注意事項理想變壓器的變壓關系是一個普適關系 而電流比I1 I2 n2 n1則不然 它只適用于副線圈僅有一個的情況 而對副線圈有多個的情況 則應根據(jù)功率關系P入 P出 即U1I1 U2I2 U3I3 來找出各線圈間的電流關系 方法4理想變壓器的動態(tài)分析問題 天津理綜2016 5 6分 如圖所示 理想變壓器原線圈接在交流電源上 圖中各電表均為理想電表 下列說法正確的是 A 當滑動變阻器的滑動觸頭P向上滑動時 R1消耗的功率變大B 當滑動變阻器的滑動觸頭P向上滑動時 電壓表V示數(shù)變大C 當滑動變阻器的滑動觸頭P向上滑動時 電流表A1示數(shù)變大D 若閉合開關S 則電流表A1示數(shù)變大 A2示數(shù)變大 例2 解析 滑動變阻器的觸頭向上滑動時 滑動變阻器接入電路中的電阻變大 R1中的電流變小 R1消耗的功率變小 選項A錯誤 滑動變阻器的觸頭向上滑動時 R1兩端的電壓變小 電壓表V示數(shù)變大 選項B正確 滑動變阻器的觸頭向上滑動時 副線圈電路的總電阻變大 總功率變小 原線圈的功率也變小 電流表A1的示數(shù)變小 選項C錯誤 閉合開關S R1兩端的電壓變大 電壓表V兩端電壓變小 A2示數(shù)變小 選項D錯誤 答案 B 例2 方法5遠距離輸電的應用 安徽馬鞍山2018二模 多選 圖甲為遠距離輸電示意圖 升壓變壓器原 副線圈匝數(shù)比為1 100 降壓變壓器原 副線圈匝數(shù)比為100 1 遠距離輸電線的總電阻為100 若升壓變壓器的輸入電壓如圖乙所示 輸入功率為750kW 下列說法正確的是 A 用戶端交流電的頻率為50HzB 用戶端電壓為250VC 輸電線中的電流為30AD 輸電線路損耗的功率為180kW 例3 解析 答案 AC 例3 突破點 1 遠距離輸電的處理思路對高壓輸電問題 應按 發(fā)電機 升壓變壓器 遠距離輸電線 降壓變壓器 用電器 或按從 用電器 倒推到 發(fā)電機 的順序逐步分析 2 遠距離高壓輸電的幾個基本關系 以下圖為例 3 遠距離輸電問題的 三二一 1 理清三個回路 2 抓住兩個聯(lián)系 3 掌握一個守恒能量守恒關系式P1 P損 P3 考法例析成就能力 考法4理想變壓器的應用普通的交流電流表不能直接接在高壓輸電線路上測量電流 通常要通過電流互感器來連接 圖中電流互感器ab一側線圈的匝數(shù)較少 工作時電流為Iab cd一側線圈的匝數(shù)較多 工作時電流為Icd 為了使電流表能正常工作 則 A ab接MN cd接PQ Iab IcdB ab接MN cd接PQ Iab IcdC ab接PQ cd接MN Iab IcdD ab接PQ cd接MN Iab Icd 例1 解析 根據(jù)單一副線圈的理想變壓器原理知電流比等于匝數(shù)比的倒數(shù) 可得ab接MN cd接PQ Iab Icd 故B正確 答案 B 例1 考法5理想變壓器的動態(tài)分析 安徽理綜2015 16 6分 圖示電路中 變壓器為理想變壓器 a b接在電壓有效值不變的交流電源兩端 R0為定值電阻 R為滑動變阻器 現(xiàn)將變阻器的滑片從一個位置滑動到另一位置 觀察到電流表A1的示數(shù)增大了0 2A 電流表A2的示數(shù)增大了0 8A 則下列說法正確的是 A 電壓表V1示數(shù)增大B 電壓表V2 V3示數(shù)均增大C 該變壓器起升壓作用D 變阻器滑片是沿c d的方向滑動 例2 解析 由于原 副線圈兩端電壓不變 電流表A2的示數(shù)增大 根據(jù)歐姆定律可知負載的總電阻減小 所以滑動變阻器的阻值變小 變阻器的滑片應沿c d的方向滑動 選項D正確 由于變壓器原線圈兩端的電壓不變 因此電壓表V1 V2的示數(shù)均不變 選項A B錯誤 因理想變壓器I1n1 I2n2 可得 I1n1 I2n2 代入數(shù)據(jù)得n1 4n2 即變壓器是降壓變壓器 起降壓作用 選項C錯誤 答案 D 例2 考法6遠距離輸電如圖所示為遠距離輸電的簡化電路圖 發(fā)電廠的輸出電壓是U 用等效總電阻是r的兩條輸電線輸電 輸電線路中的電流是I1 其末端間的電壓為U1 在輸電線與用戶間連有一理想變壓器 流入用戶端的電流為I2 則 例3 解析 答案 A 例3 考法7特殊的變壓器模型有一種調壓變壓器的構造如圖所示 線圈AB繞在一個圓環(huán)形的鐵芯上 C D之間加上輸入電壓 轉動滑動觸頭P就可以調節(jié)輸出電壓 圖中A為理想交流電流表 V為理想交流電壓表 R1 R2為定值電阻 R3為滑動變阻器 C D兩端接正弦交流電源 變壓器可視為理想變壓器 則下列說法正確的是 A 當R3不變 滑動觸頭P順時針轉動時 電流表讀數(shù)變小 電壓表讀數(shù)變小B 當R3不變 滑動觸頭P逆時針轉動時 電流表讀數(shù)變小 電壓表讀數(shù)變小C 當P不動 滑動變阻器R3滑動觸頭向上滑動時 電流表讀數(shù)變小 電壓表讀數(shù)變小D 當P不動 滑動變阻器R3滑動觸頭向下滑動時 電流表讀數(shù)變大 電壓表讀數(shù)變大 例4 解析 答案 A 例4 考點40電磁振蕩電磁波 必備知識全面把握核心方法重點突破方法6電磁波電磁波譜方法7對相對論的考查考法例析成就能力 1 麥克斯韋電磁場理論內容 變化的磁場產(chǎn)生電場 變化的電場產(chǎn)生磁場 理解 恒定的電場不產(chǎn)生磁場 恒定的磁場不產(chǎn)生電場 均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場 均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場 振蕩電場產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場 振蕩磁場產(chǎn)生同頻率的振蕩電場注意 變化的電場和變化的磁場相互聯(lián)系 形成不可分割的統(tǒng)一體 這就是電磁場 必備知識全面把握 2 電磁波 電磁波譜電磁波 概念 電磁場由近及遠傳播 形成電磁波 特點 電磁波是橫波 電磁波的傳播不需要介質 在真空中 電磁波的傳播速度跟光速相同 即c 3 0 108m s 電磁波具有波的共性 和機械波一樣 能產(chǎn)生反射 折射 干涉 衍射等現(xiàn)象 也是傳播能量的一種形式 電磁波的傳播速度v f 不同頻率的電磁波在同一種介質中傳播 波速不同 電磁場貯存電磁能 電磁波的發(fā)射過程就是輻射能量的過程 電磁波可以脫離 波源 而獨立存在 電磁波譜概念 按電磁波的波長或頻率大小的順序將其排列成譜 叫電磁波譜 特點 從無線電波到 射線都是本質相同的電磁波 其行為服從共同的規(guī)律 但因波長 或頻率 不同又表現(xiàn)出不同的特點 3 電磁波和機械波的比較 4 電磁振蕩 1 振蕩電流和振蕩電路 振蕩電流 大小和方向都周期性變化的電流叫振蕩電流 振蕩電路 能夠產(chǎn)生振蕩電流的電路叫振蕩電路 最簡單的振蕩電路為LC振蕩電路 2 電磁振蕩在振蕩電路產(chǎn)生振蕩電流的過程中 電容器極板上的電壓 電路中的電流以及跟電荷相聯(lián)系的電場 跟電流相聯(lián)系的磁場都在發(fā)生周期性的變化 這種現(xiàn)象叫電磁振蕩 3 振蕩的周期和頻率 周期T 電磁振蕩完成一次周期性變化需要的時間 頻率f 1s內完成的周期性變化的次數(shù) 公式 5 電磁波的發(fā)射和接收 1 發(fā)射 發(fā)射電路特點 由LC振蕩電路產(chǎn)生足夠高的振蕩頻率 振蕩電路的電場和磁場分散到盡可能大的空間 在電磁波發(fā)射技術中 使電磁波隨信號而改變的過程叫調制 調制可分為調幅和調頻兩種 使高頻電磁波的振幅隨信號的強弱而變化 這種調制叫調幅 使高頻電磁波的頻率隨信號的強弱而變化 這種調制叫調頻 2 傳播傳播形式 橫波形式三種方式 天波 利用電離層的反射 主要為中波 中短波與短波 地波 利用波在地面上傳播時的衍射 為長波空間波 又稱為直線波 利用波的直線傳播 僅用于微波 需建中轉站 3 接收調諧 使接收電路產(chǎn)生電諧振的過程叫調諧 電諧振 當接收電路的固有頻率跟接收到的電磁波的頻率相同時 接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強 這種現(xiàn)象叫電諧振 相當于機械振動中的共振 解調 從接收到的高頻電流中還原出所攜帶的信號的過程叫解調 解調是調制的逆過程 調幅波的解調也叫檢波 接受過程 天線接收到的所有電磁波 經(jīng)調諧選擇出所需要的電磁波 再經(jīng)解調取出所攜帶的信號 經(jīng)放大后還原成聲音或圖像 6 狹義相對論 1 狹義相對性原理 在不同的慣性參考系中 一切物理規(guī)律都是相同的 2 光速不變原理 真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的 3 愛因斯坦質能方程E mc2 式中m是物體的質量 c是真空中的光速 E是它具有的能量 4 其他假設 沿相對運動方向上 長度縮短 運動的鐘比靜止的鐘走得慢 當物體運動時 質量增大 7 廣義相對論 1 廣義相對性原理在任何參考系中 物理規(guī)律都是相同的 這意味著慣性系中的運動定律 在非慣性系中都是相同的 但要滿足相對性原理 2 等效原理一個均勻的引力場與一個做勻加速運動的參考系等價 這意味著 一個非慣性系 可以看成一個慣性系 只不過是它的后面有一個均勻的引力場 因為慣性力和引力在非慣性系中是分不清的 方法6電磁波電磁波譜 江蘇物理2018 12B 1 4分 多選 梳子在梳頭后帶上電荷 搖動這把梳子在空中產(chǎn)生電磁波 該電磁波 A 是橫波B 不能在真空中傳播C 只能沿著梳子搖動的方向傳播D 在空氣中的傳播速度約為3 108m s 核心方法重點突破 例 解析 搖動的梳子在空中產(chǎn)生電磁波 電磁波是橫波 選項A正確 電磁波能在真空中傳播 選項B錯誤 電磁波傳播的方向與振動方向垂直 選項C錯誤 電磁波在空氣中傳播的速度約為光速 選項D正確 答案 AD突破點 電磁波的傳播及波長 頻率 波速 1 電磁波本身是一種物質 電磁波的傳播不需要介質 可在真空中傳播 在真空中不同頻率的電磁波的傳播速度是相同的 都等于光速 2 不同頻率的電磁波 在同一介質中傳播 其速度是不同的 頻率越高 波速越小 3 波長 頻率和波速三者關系 v f f是電磁波的頻率 即為發(fā)射電磁波的LC振蕩電路的頻率 改變L或C 即可改變f 從而改變電磁波的波長 例 方法7對相對論的考查 多選 物理學的發(fā)展豐富了人類對物質世界的認識 推動了科學技術的創(chuàng)新 促進了物質生產(chǎn)的繁榮與人類文明的進步 根據(jù)狹義相對論 下列說法正確的是 A 真空中的光速是不變的B 運動的時鐘變慢 運動的尺子縮短C 物體的質量取決于物體所含物質的多少 與物體的運動速度無關D 質量 長度 時間的測量結果都是隨物體與觀測者相對運動狀態(tài)改變而改變 例2 解析 真空中的光速是不變的 故A正確 狹義相對論的幾個基本結論 鐘慢效應 運動的鐘比靜止的鐘走得慢 而且運動速度越快 鐘走得越慢 尺縮效應 在尺子長度方向上運動的尺子比靜止的尺子短 故B正確 由相對論質量公式可知 當物體的速度很大時 其運動時的質量明顯大于靜止時的質量 故C錯誤 質量 長度 時間的測量結果都隨物體與觀測者相對運動狀態(tài)的改變而改變 故D正確 答案 ABD突破點 解答此類問題要注意以下幾點 1 真空中的光速在不同的慣性參考系中是相同的 光速與光源 觀察者間的相對運動沒有關系 2 牢記狹義相對論的基本假設 例2 謝謝觀賞