专题交变电流电磁场电磁波旧人教选修3解读.pptx

2024/4/19 周五1高三物理第一轮复习高三物理第一轮复习 第十三章第十三章交流电交流电 电磁场和电磁波电磁场和电磁波2024/4/19 周五2考考 纲纲 要要 求求交流发电机及其产生正弦式电流的原理，正弦式电流的图交流发电机及其产生正弦式电流的原理，正弦式电流的图象和三角函数表达，最大值与有效值，周期与频率象和三角函数表达，最大值与有效值，周期与频率 电阻、电感和电容对交变电流的作用，感抗和容抗电阻、电感和电容对交变电流的作用，感抗和容抗 变压器的原理，电压比和电流比，电能的输送变压器的原理，电压比和电流比，电能的输送 电磁场，电磁波，电磁波的波速、周期、频率和波长电磁场，电磁波，电磁波的波速、周期、频率和波长无线电波的发射和接收，电视雷达无线电波的发射和接收，电视雷达知知 识识 网网 络络交交变变电电流流交变电流的产生及其变化规律交变电流的产生及其变化规律描述交变电流的物理量描述交变电流的物理量最大值最大值瞬时值瞬时值有效值有效值周期、频率周期、频率交流电路交流电路电感、电容的作用电感、电容的作用变压器变压器远距离输电远距离输电2024/4/19 周五3L L2 2第一课时第一课时 交变电流的产生和描述交变电流的产生和描述一、交变电流一、交变电流1 1、交变电流：、交变电流：大小和方向都随时间做周期性变化的电流，简称交流电大小和方向都随时间做周期性变化的电流，简称交流电2 2、正弦交流电、正弦交流电随时间按正弦规律变化的电流，其图象为正弦或余弦曲线。随时间按正弦规律变化的电流，其图象为正弦或余弦曲线。二、交变电流的产生二、交变电流的产生1 1、产生：闭合矩形线圈在匀强磁场中，绕垂直于磁感线的轴线做、产生：闭合矩形线圈在匀强磁场中，绕垂直于磁感线的轴线做匀角速转动时，闭合线圈中就有交流电产生匀角速转动时，闭合线圈中就有交流电产生 L L1 1L L2 2线圈平面与磁线圈平面与磁感线垂直位置感线垂直位置开始计时开始计时e=Ee=Em msinsintti=Ii=Im msinsinttu=Uu=Um msinsinttE Em m=NB=NBSS2024/4/19 周五42 2、中性面：、中性面：与磁场方向垂直的平面与磁场方向垂直的平面特点：特点：线圈通过中性面时，穿过线圈的线圈通过中性面时，穿过线圈的磁通量最大磁通量最大，但磁，但磁通量的通量的变化率为零变化率为零，感应电动势为零；，感应电动势为零；3 3、正弦交流电的图象、正弦交流电的图象 从中性面开始计时，交流电路中电动势、电流、路端电压从中性面开始计时，交流电路中电动势、电流、路端电压随时间变化如图：随时间变化如图：线圈平面每次转过中性面时，线圈中感应电流方向线圈平面每次转过中性面时，线圈中感应电流方向改变一次，线圈转动一周两次通过中性面，故一周里改变一次，线圈转动一周两次通过中性面，故一周里线圈中电流方向改变两次线圈中电流方向改变两次 2024/4/19 周五5三、描述交变电流的物理量三、描述交变电流的物理量1 1 1 1、瞬时值、瞬时值、瞬时值、瞬时值反映不同时刻交流电的大小和方向反映不同时刻交流电的大小和方向 表达式表达式e=Ee=Em msinsint i=It i=Im msint u=Usint u=Um msint sint 我国生活中用的市电电压为我国生活中用的市电电压为220V220V，其最大值为，其最大值为频率为频率为50Hz50Hz，电压的瞬时表达式：，电压的瞬时表达式：u=311sin314tu=311sin314t（V V）例例1 1：有一正弦交流电源，电压有效值有一正弦交流电源，电压有效值U=120VU=120V，频率为，频率为f=50Hzf=50Hz向向霓虹灯供电，若霓虹灯的激发电压和熄灭电压均为霓虹灯供电，若霓虹灯的激发电压和熄灭电压均为U U0 0=60 V=60 V，试估算在一个小时内，霓虹灯发光时间有多长？为什么人眼不能试估算在一个小时内，霓虹灯发光时间有多长？为什么人眼不能感到这种忽明忽暗的现象？感到这种忽明忽暗的现象？2 2 2 2、最大值、最大值、最大值、最大值也叫峰值，它是瞬时值的最大者，它反映的是交也叫峰值，它是瞬时值的最大者，它反映的是交流电大小的变化范围流电大小的变化范围 当线圈平面跟磁感线当线圈平面跟磁感线平行平行时，交流时，交流电动势最大电动势最大，E Em m=NBS=NBS。例例2 2：把一电容器把一电容器C C接在接在220V220V的交流电路中，为了保证电容不被的交流电路中，为了保证电容不被击穿，电容器击穿，电容器C C的耐压值是多少？的耐压值是多少？2024/4/19 周五63 3 3 3、平均值、平均值、平均值、平均值 不能用算术平均法即：不能用算术平均法即：E=E=（E E1 1+E+E2 2）/2/2来计算来计算在计算在计算感应电量感应电量时必须要用平均值时必须要用平均值平均值不等于有效值平均值不等于有效值例例3 3：如图所示，求线圈由图示位置转过如图所示，求线圈由图示位置转过6060角角的过程中，通过线圈某一横截面的电量的过程中，通过线圈某一横截面的电量 4 4 4 4、有效值、有效值、有效值、有效值 有效值是根据电流的有效值是根据电流的热效应热效应规定的规定的 让交流和直流通过相同阻值的电阻，如果它们在相同的时间内产让交流和直流通过相同阻值的电阻，如果它们在相同的时间内产生的热量相等，就把这一直流的数值叫做这一交流的有效值。生的热量相等，就把这一直流的数值叫做这一交流的有效值。正弦交流电的有效值跟正弦交流电的有效值跟最大值之间的关系是：最大值之间的关系是：通常所说的交流电压、电流值，交流电表的测量值，用电器铭通常所说的交流电压、电流值，交流电表的测量值，用电器铭牌上所标数值，计算交流电通过导体产生的热量、发热功率、牌上所标数值，计算交流电通过导体产生的热量、发热功率、保险丝的熔断电流等，都指的是保险丝的熔断电流等，都指的是有效值有效值。2024/4/19 周五7例例4 4：通过某电通过某电阻的周期性交阻的周期性交变电流的图象变电流的图象如右。求该交如右。求该交流电的有效值流电的有效值I I例例5 5：交流发电机转子有交流发电机转子有n n匝线圈，每匝线圈所围面积为匝线圈，每匝线圈所围面积为S S，匀强，匀强磁场的磁感应强度为磁场的磁感应强度为B B，匀速转动的角速度为，匀速转动的角速度为，线圈内电阻为，线圈内电阻为r r，外电路电阻为，外电路电阻为R R。当线圈由图中位置匀速转动。当线圈由图中位置匀速转动6060。求：。求：此时发电机的电动势为多少？电路中的电流为多少？此时发电机的电动势为多少？电路中的电流为多少？R R两端的两端的电压为多少？电压为多少？在此过程中通过在此过程中通过R R的电荷量的电荷量q q为多少？为多少？R R上产生电热上产生电热Q QR R为多少？为多少？外力做的功外力做的功W W为多少？为多少？发电机的输出功率为多少？发电机的输出功率为多少？2024/4/19 周五8第二课时第二课时 变压器、远距离输电变压器、远距离输电一、理想变压器一、理想变压器 1 1 1 1理想变压器的构造、作用、原理及特征理想变压器的构造、作用、原理及特征理想变压器的构造、作用、原理及特征理想变压器的构造、作用、原理及特征 构造：构造：两组线圈两组线圈(原、副线圈原、副线圈)绕在同一个闭合铁芯上构成变压器绕在同一个闭合铁芯上构成变压器 作用：作用：在输送电能的过程中改变电压在输送电能的过程中改变电压 原理：原理：利用了电磁感应现象利用了电磁感应现象 特征：特征：变压器只能改变交变电压变压器只能改变交变电压 2 2 2 2理想变压器的理想化条件及其规律理想变压器的理想化条件及其规律理想变压器的理想化条件及其规律理想变压器的理想化条件及其规律 原线原线圈两圈两端加端加交变交变电压电压U U1 1 电磁电磁感应感应 忽略原、忽略原、副线圈内副线圈内阻阻 (铜损铜损)忽略铁芯忽略铁芯中的漏磁中的漏磁 (铁损铁损)U U1 1E E1 1 U U2 2E E2 2 2024/4/19 周五9对理想变压器有：对理想变压器有：P P入入=P=P出出即：只有一只副线圈时即：只有一只副线圈时 I I1 1U U1 1=I=I2 2U U2 2存在多只副线圈时存在多只副线圈时 I I1 1U U1 1=I=I2 2U U2 2+I+I3 3U U3 3+n n1 1I I1 1=n=n2 2I I2 2+n+n3 3I I3 3+注意：注意：变压器的变压器的输出电压输出电压由由输入电压输入电压决定；决定；变压器的变压器的输入功率输入功率由由输出功率输出功率决定；决定；副线圈中所接电阻常称为负载电阻，副线圈中所接电阻常称为负载电阻，“负载负载”则为电阻消耗的功率。则为电阻消耗的功率。2024/4/19 周五10例例1 1：理想变压器初级线圈和两个次级线圈的匝数分别为理想变压器初级线圈和两个次级线圈的匝数分别为n n1 1=1760=1760匝、匝、n n2 2=288=288匝、匝、n n3 3=8000=8000匝，电源电压为匝，电源电压为U U1 1=220V=220V。n n2 2上连接的灯上连接的灯泡的实际功率为泡的实际功率为36W36W，测得初级线圈的电流为，测得初级线圈的电流为I I1 1=0.3A=0.3A，求通过，求通过n n3 3的负载的负载R R的电流的电流I I3 3 。例例2 2：在变电站里，经常要用交流电表去在变电站里，经常要用交流电表去监测电网上的强电流，所用的器材叫电监测电网上的强电流，所用的器材叫电流互感器。如下所示的四个图中，能正流互感器。如下所示的四个图中，能正确反应其工作原理的是（确反应其工作原理的是（）2024/4/19 周五11例例3 3：如图，为一理想变压器，如图，为一理想变压器，K K为单刀双掷开关，为单刀双掷开关，P P为滑动变阻器的滑动触头，为滑动变阻器的滑动触头，U U1 1为加在原线圈两端的电为加在原线圈两端的电压，压，I I1 1为原线圈中的电流强度，则为原线圈中的电流强度，则 A A保持保持U U1 1及及P P的位置不变，的位置不变，K K由由a a合到合到b b时，时，I I1 1将增大将增大 B B保持保持U U1 1及及P P的位置不变，的位置不变，K K由由b b合到合到a a时，时，R R消耗的功消耗的功率减小率减小 C C保持保持U U1 1不变，不变，K K合在合在a a处，使处，使P P上滑，上滑，I I1 1将增大将增大 D D保持保持P P的位置不变，的位置不变，K K合在合在a a处，若处，若U U1 1增大，增大，I I1 1将增大将增大 2024/4/19 周五12例例4 4：如图所示，在绕制变压器时，某人误将两个线圈绕在图示如图所示，在绕制变压器时，某人误将两个线圈绕在图示变压器铁芯的左右两个臂上，当通以交流电时，每个线圈产生的变压器铁芯的左右两个臂上，当通以交流电时，每个线圈产生的磁通量都只有一半通过另一个线圈，另一半通过中间的臂，已知磁通量都只有一半通过另一个线圈，另一半通过中间的臂，已知线圈线圈1 1、2 2的匝数比为的匝数比为N N1 1NN2 2=21=21，在不接负载的情况下（，在不接负载的情况下（）A A当线圈当线圈1 1输入电压输入电压220 V220 V时，线圈时，线圈2 2输出电压为输出电压为110 V 110 V B B当线圈当线圈1 1输入电压输入电压220 V220 V时，线圈时，线圈2 2输出电压为输出电压为55 V 55 V C C当线圈当线圈2 2输入电压输入电压110 V110 V时，线圈时，线圈1 1输出电压为输出电压为220 V 220 V D D当线圈当线圈2 2输入电压输入电压110 V110 V时，线圈时，线圈1 1输出电压为输出电压为110 V 110 V 2024/4/19 周五13二、电能的输送二、电能的输送1 1、输送电能的两个关键词：、输送电能的两个关键词：、输送一定的功率、输送一定的功率、减小输电线上的电能损耗、减小输电线上的电能损耗2 2、一张示意图、一张示意图2024/4/19 周五143 3、两个关系、两个关系电压关系电压关系功率关系功率关系输电线损失电压输电线损失电压降压变压器原线圈电压降压变压器原线圈电压升压变压器副线圈电压升压变压器副线圈电压2024/4/19 周五15例：例：设某发电站到用电区的输电电阻设某发电站到用电区的输电电阻R R=10,=10,输送功率为输送功率为20000W,20000W,发电机的输出电压为发电机的输出电压为500V.500V.（1 1）试计算出输电的效率）试计算出输电的效率(不考虑输电线路的电抗引起的损不考虑输电线路的电抗引起的损耗耗).).(2)(2)若要求输电的效率达到若要求输电的效率达到95%,95%,则用来提高输电电压的升压则用来提高输电电压的升压变压器的原副边的匝数比是多大变压器的原副边的匝数比是多大?(3)(3)若某用电区需要用电电压为若某用电区需要用电电压为220V,220V,求需要的降压变压器的求需要的降压变压器的原副边的匝数比原副边的匝数比.2024/4/19 周五16第三课时第三课时 电感和电容对交流电的作用电感和电容对交流电的作用 电磁场、电磁波电磁场、电磁波一、感抗和容抗一、感抗和容抗1.1.感抗表示电感对交变电流的阻碍作用感抗表示电感对交变电流的阻碍作用 。特点：特点：“通直流，阻交流通直流，阻交流”2 2容抗表示电容对交变电流的阻碍作用容抗表示电容对交变电流的阻碍作用 。特点特点 ：“通交流，隔直流通交流，隔直流”低频扼流圈低频扼流圈“通低频，阻高频通低频，阻高频”高频扼流圈高频扼流圈“通高频，阻低频通高频，阻低频”隔直电容隔直电容 高频旁路电容高频旁路电容例例1 1：左右两个电路都是从左端输入信号，左右两个电路都是从左端输入信号，右端输出信号。左图中输入的是高频、右端输出信号。左图中输入的是高频、低频混合的交流信号，要求只输出低频低频混合的交流信号，要求只输出低频信号；右图中输入的是直流和低频交流信号；右图中输入的是直流和低频交流的混合信号，要求只输出低频交流信号。的混合信号，要求只输出低频交流信号。那么那么C C1 1、C C2 2中哪个该用大电容？中哪个该用大电容？哪个该用小电容？哪个该用小电容？2024/4/19 周五17例例2 2：在图所示的电路中，如果交变电流的频率在图所示的电路中，如果交变电流的频率增大，增大，1 1、2 2和和3 3灯的亮度变化情况是（灯的亮度变化情况是（）A A1 1、2 2两灯均变亮，两灯均变亮，3 3灯变暗灯变暗 B B1 1灯变亮，灯变亮，2 2、3 3两灯均变暗两灯均变暗 C C1 1、2 2灯均变暗，灯均变暗，3 3灯亮度不变灯亮度不变 D D1 1灯变暗，灯变暗，2 2灯变亮，灯变亮，3 3灯亮度不变灯亮度不变 例例3：如图所示如图所示,某电子线路的输入端的输入电流既有直流成分某电子线路的输入端的输入电流既有直流成分,又又有交流高频与交流低频成分有交流高频与交流低频成分,若通过该电路只把交流的低频成分送若通过该电路只把交流的低频成分送到下一级到下一级,那么关于该电路中各器件的作用那么关于该电路中各器件的作用,下列说法中正确的有下列说法中正确的有:A、L的功能为通直流的功能为通直流,阻交流阻交流,是高频扼流圈；是高频扼流圈；B、L的功能为的功能为通直流通直流,阻交流阻交流,是低频扼流圈；是低频扼流圈；C、C1的功能为通交流的功能为通交流,隔直流隔直流,是隔直电容；是隔直电容；D、C2的功能为通的功能为通高频高频,阻低频阻低频,是高频旁路电容是高频旁路电容输入输入输出输出LC1C22024/4/19 周五18二、麦克斯韦的电磁场理论二、麦克斯韦的电磁场理论 变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场 1 1、变化变化的磁场（的磁场（电场电场）能够在周围空间产生电场（）能够在周围空间产生电场（磁场磁场）2 2、均匀变化均匀变化的磁场（的磁场（电场电场）能够在周围空间产生）能够在周围空间产生稳定稳定的电场的电场（磁场磁场）3 3、振荡振荡的磁场（的磁场（电场电场）能够在周围空间产生）能够在周围空间产生同频率的振荡同频率的振荡电场电场（磁场磁场）三、电磁场三、电磁场变化的电场和磁场相互联系，所形成的一个不可分离的变化的电场和磁场相互联系，所形成的一个不可分离的统一场统一场1 1、电磁场不是电场与磁场的简单相加、电磁场不是电场与磁场的简单相加2 2、在电磁场示意图中，电场在电磁场示意图中，电场E E矢量和矢量和磁场磁场B B矢量，在空间相互激发时，矢量，在空间相互激发时，相互垂直相互垂直 2024/4/19 周五19四、电磁波四、电磁波变化的电场和磁场从产生区域由近变化的电场和磁场从产生区域由近及远向周围空间传播，形成电磁波及远向周围空间传播，形成电磁波 1 1、有效地发射电磁波的条件、有效地发射电磁波的条件 频率足够高（单位时间内辐射出的能量频率足够高（单位时间内辐射出的能量PfPf4 4）形成开放电路（把电场和磁场分散到尽可能大的空间里去）形成开放电路（把电场和磁场分散到尽可能大的空间里去）2 2、电磁波的特点、电磁波的特点 电磁波是电磁波是横波横波，场强，场强E E和磁感应强度和磁感应强度B B均与传播方向垂直且随均与传播方向垂直且随时间变化时间变化 电磁波的传播不需要介质，在真空中也能传播。在真空中电磁波的传播不需要介质，在真空中也能传播。在真空中的波速为的波速为c=3.010c=3.0108 8m/sm/s。电磁波的周期与频率：电磁波的周期与频率：波速和波长、频率的关系：波速和波长、频率的关系：c cf f 麦克斯韦麦克斯韦根据他提出的电磁场理论预言了电磁波的存在以及在根据他提出的电磁场理论预言了电磁波的存在以及在真空中波速等于光速真空中波速等于光速c c，后由，后由赫兹赫兹用实验证实了电磁波的存在用实验证实了电磁波的存在 2024/4/19 周五203 3、电磁波和机械波有本质的不同、电磁波和机械波有本质的不同 五、无线电波的发射和接收五、无线电波的发射和接收 1 1、无线电波的发射：如图所示、无线电波的发射：如图所示 调制：使电磁波随各种信号而改变调制：使电磁波随各种信号而改变 调幅和调频调幅和调频 2 2、无线电波的接收、无线电波的接收 电谐振：当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相电谐振：当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，这种现象叫做电谐振同时，接收电路中产生的振荡电流最强，这种现象叫做电谐振 检波：从接收到的高频振荡中检波：从接收到的高频振荡中“检检”出所携带的信号。出所携带的信号。调谐：使接收电路产生电谐振的过程。调谐电路如图所示。调谐：使接收电路产生电谐振的过程。调谐电路如图所示。通过改变电容器电容来改变调谐电路的频率通过改变电容器电容来改变调谐电路的频率 六、电磁波的应用六、电磁波的应用 广播、电视、雷达、无线通信等都是电磁波的具体应用广播、电视、雷达、无线通信等都是电磁波的具体应用 2024/4/19 周五21例例2 2：右图中，内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内，有一直径略右图中，内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内，有一直径略小于环口径的带正电的小球，正以速率小于环口径的带正电的小球，正以速率v v0 0沿逆时针方向匀速转动。沿逆时针方向匀速转动。若在此空间突然加上竖直向上、磁感应强度若在此空间突然加上竖直向上、磁感应强度B B随时间成正比例增随时间成正比例增加的变化磁场，设小球运动过程中的电量不变，那么（加的变化磁场，设小球运动过程中的电量不变，那么（）A A小球对玻璃环的压力不断增大小球对玻璃环的压力不断增大 B B小球受到的磁场力不断增大小球受到的磁场力不断增大C C小球先沿逆时针方向做减速运动，小球先沿逆时针方向做减速运动，过一段时间后，沿顺时针方向做加速运动过一段时间后，沿顺时针方向做加速运动D D磁场力一直对小球不做功磁场力一直对小球不做功 例例1 1：按着麦克斯韦磁场理论，以下说法中正确的是（按着麦克斯韦磁场理论，以下说法中正确的是（）（A A）稳定的电场周围产生稳定的磁场，稳定的磁场周围产生稳）稳定的电场周围产生稳定的磁场，稳定的磁场周围产生稳定的电场定的电场（B B）变化的电场周围产生磁场，变化的磁场周围产生电场）变化的电场周围产生磁场，变化的磁场周围产生电场（C C）均匀变化的电场周围产生稳定的磁场，均匀变化的磁场周）均匀变化的电场周围产生稳定的磁场，均匀变化的磁场周围产生稳定的电场围产生稳定的电场（D D）振荡电场周围产生同频率的振荡磁场，振荡磁场周围产生）振荡电场周围产生同频率的振荡磁场，振荡磁场周围产生同频率的振荡电场同频率的振荡电场2024/4/19 周五22例例3 3：如图所示，半径为如图所示，半径为 r r 且水平放置的光滑绝缘的环形管道内，且水平放置的光滑绝缘的环形管道内，有一个电荷量为有一个电荷量为 e e，质量为，质量为 m m 的电子。此装置放在匀强磁场中，的电子。此装置放在匀强磁场中，其磁感应强度随时间变化的关系式为其磁感应强度随时间变化的关系式为 B=BB=B0 0+kt+kt（k0k0）。根据麦）。根据麦克斯韦电磁场理论，均匀变化的磁场将产生稳定的电场，该感应克斯韦电磁场理论，均匀变化的磁场将产生稳定的电场，该感应电场对电子将有沿圆环切线方向的作用力，使其得到加速。设电场对电子将有沿圆环切线方向的作用力，使其得到加速。设t=0t=0时刻电子的初速度大小为时刻电子的初速度大小为v v0 0，方向顺时针，从此开始后运动，方向顺时针，从此开始后运动一周后的磁感应强度为一周后的磁感应强度为B B1 1，则此时电子的速度大小为，则此时电子的速度大小为