高考物理一轮复习 第九章 电磁感应 交变电流 课时4 交变电流课件.pdf

课时4 交变电流/A 基础梳理一、交变电流的产生和变化规律1%变电流：大小和方向都随时间橱期性 变化的电流。2,正弦式电流(1)产生：在匀强磁场里，线圈缮直于磁场 方向的轴匀速转动。(2)中性面定义：与磁场方向垂直 的平面C特点：线圈位于中性面时，穿过线圈的磁磁通量的变化率 为感应电源势为O线圈每经过中性面一次，电流的方向就改变一 次。；.（3）变化规律（线圈在中性面位置开始计时）电动势（e）:e=EmSin 3tX电压Wensin必电流:i=函（4）图象（如图）甲乙丙二、描述交变电流的物理量1.交变电流的周期和频率的关系:T=1 o f 2,峰值和有效值(1)峰值：交变电流的峰值是它能达到(2)有效值：让交流与恒定电流分别通过大根回的电阻，如果在交流的 一个周期内它们产翅轴 相等，则这个恒定电流I、恒定电压U就是这个交变电流的有效值。(3)正弦式交变电流的有效值与峰值之间的关系I m I I m7?5 7?5/?，z v z v z(4)通常所说交变电流、电压的数值，各种交流电器设备所标的额定电 压和额定电流的数值，一般交流电表测量的数值，都是指有效值(除非 有转殊说明)O三、电感和电容对交变电流的影响1.电感器对交变电流的阻碍作用(1)电感器斓3有阻碍作用颂骞响电感器毓阻碍作用大“楠曲素：线圈的 和交流的。腺圈的 越大、交流的 通直流 阻交流通低频 阻高频越高，电感对交变电流的阻碍作用 O(2)电感器在电路中的作用：,;,o2.电容器对交变电流的阻碍作用(1)电容器对交变电流有阻碍作用。影响电容器对交变电流阻碍作用大 小;的因素有的与魅施，电商的越大、交瞬 越高，电容器对交变电流的阻碍作用越小。(2)电容器在电路中的作用通交流,隔直流 通，高频。阻低频夯实考点考点一 交变电流的产生与描述1.产生：当闭合线圈由中性面位置开始在匀强磁场中绕垂直于磁场 方向的轴匀速转动时，线圈中会产生感应电动势，感应电动势随时间 而变化的函数是e=Emsin 3t o2.规律:若n匝面积为S的线圈以角速度绕垂直于磁场方向的轴匀速转动,从中性 面开始计时,其函数形式为e=&si n o ut,EhiBSuo表示电动势最大值,其电流大小为e e-si n oo t=l nSi n oo t o R R3.交变电流的描述(1)周期T:交变电流完成一次周期性变化(线圈转一周)所需的时间,单位是秒(s)o 公式T二也。3(2)频率f:交变电流在1 s内完成周期性变化的次数，单位是赫兹(也)。公式-特别提醒(1)对中性面的理解中性面是与磁场方向垂直的平面，是假想的参考面。线圈平面位于中性面时，穿过线圈平面的磁通量最大，而磁通量的 变化率为零，产生的感应电动势为零。线圈平面与中性面垂直时，穿过线圈平面的磁通量为零，但磁通量 的变化率最大，产生的感应电动势最大。线圈每经过中性面一次，电流方向就改变一次，线圈转动一周，两 次经过中性面，所以电流的方向改变两次。(2)交变电流的瞬时表达式与计时起点有关；若从中性面开始计时，感应电动势的瞬时值表达式为e=nBSo o sin o o t,若从线圈平面与磁场 若向平行的位置开始计时，感应电动势的瞬时值表达式为e=nBSo o co s o o t o(3)在交流电路中，电压表、电流表等电工仪表的示数均为交变电流 的有效值。在没有具体说明的情况下，所给出的交变电流的电压、电 流等指的都是有效值。用电器铭牌上标的额定电压、额定电流，交流 电表的读数以及涉及热量和热功率的都用有效值。电容器所能承受 的电压要高于交流电压的峰值。典例1(多选)在匀强磁场中，一矩形金属线框绕与磁感线垂直的转 轴匀速转动，如图甲所示，产生的交变电动势的图象如图乙所示，则下A.t=0.005 s时线框的磁通量变化率为零B.t=0.01 s时线框平面与中性面重合C.电流方向每秒改变100次D.该交流电动势的瞬时表达式为e=311sin 100TTt(V)解析：线框中感应电动势与磁通量的变化率成正比，而t=0.005 s时e最大,磁通量变化率最大，故A错误;t=0.01 s时e=O,0最大，故B正确；周期 T=0.02 s,f=50 Hz,电流方向每秒改变100次,C正确正巾=311 V,w=2nf=100nr ad/s,籥寤为电鞭瞬时表达式为e=311sin 100nt(V),D正确。变式1:如图甲所示，一矩形线圈abed放置在匀强磁场中，并绕过 ab,cd中点的轴00,以角速度3逆时针匀速转动。若以线圈平面与 磁场夹角6=45。时（如图乙）为计时起点，并规定当电流自a流向b 时电流方向为正。则选项图所示的四幅图中正确的是（）cD解析:矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时,产生的电流按正弦规 律变化,由于t=o时,线圈的转动方向如图（乙），由右手定则判断可得,此时ad中电流方 向为由a到d,线圈中电流方向为a-d-c-b-a,与规定的电流正方向相反,电流为负 值。又因为此时ad,be两边的切割速度方向与磁场方向成45夹角，由E=2BLv1,可得 E=2-BLv=也En.即此时的电动势为峰值的倍,电流当然也是峰值的倍,由2 2 2 2图（乙）还能观察到,线圈在接下来45的转动过程中,ad,be两边的切割速度越来越小,所以感应电动势应减小,感应电流应减小,故D正确。考点二交变电流四值的比较1.交变电流的瞬时值、峰值、有效值、平均值的比较物理量物理含义重要关系适用情况及说明瞬时值父父电流某 一时刻的值e=&si n oo t i=l r r Si n 0)t计算线圈某时 刻的受力情况峰值最大的瞬时值Er FnBan1.Em 1 nl-R+r讨论电容器 的击穿电压*有效值跟交变电流的热效应等效 的恒定电流值、电压值对正弦式父 变电流后：p-EmV2I J_m_(1)计算与电流的热效应有关的量(如功、功率、热量等)(2)电气设备“铭牌”上所标的一 般是有效值(3)保险丝的熔断电流为有效值平均值交变电流图象中图线与时 间轴所夹的面积与时间的 比值扇n丝At7=工 7?+r计算通过电路截面的电荷量12.对交变电流有效值的理解交变电流的有效值是根据电流的热效应（电流通过电阻生热）进行定义的,所以进行有效值计算时，要紧扣电流通过电阻生热（或热功率）进行计 算。注意“三同”：即“相同电阻”、“相同时间”内产生“相同热量”。计算时“相同时间”要取周期的整数倍，一般取一个周期。典例2如图所示是我国居民日常生活所用交变电流的图象，由图象可A.该交变电流的频率为100 HzB.该交变电流的有效值为311 VC.该交变电流的周期是2 sD.该交变电流电压的瞬时值表达式为u=311sin 100TTt(V)解析:由图可知,交变电流的周期9。2 s,则其频率 W 也故AC错误;该交变电流电压的最大值Enll V,则有效值E=311V2 V2VN20 V,故B错误;交变电流的角速度3=斤=100tt r ad/s,故该交变电流电压的瞬时值ullsi n 100n t(V),故D正确。答案：D变式2:（多选）一台小型发电机产生的电动势随时间变化的正弦规律图 象如图甲所示。已知发电机线圈内阻为5 Q,现外接一只电阻为105Q的灯泡，如图乙所示，则下列说法;的是（）A.电路中的电流方向每秒钟改变100次B.电压表V的示数为220 VC.灯泡实际消耗的功率为440 WD.发电机线圈内阻每秒钟产生的焦耳热为20 J解析:交变电流的频率为50电而每转一周，电流的方向改变两次,因此每秒钟改变100次,故选项A正确；电压表测的是路端电压,为=210 V,故选项B错误;灯 R+rTJ2泡实际消耗的功率P=420 W故选项C错误;发电机每秒钟产生的焦耳热Q=l 2r t二 R(-)2x 5x 1 J=20 J,故选项 D正确。105+5考点三 电感、电容对交变电流的影响1.电感线圈对交变电流的阻碍作用(1)线圈的自感系数越大，交变电流的频率越高，电感器对交变电流的 阻碍作用越大。(2)作用：通直流、阻交流(低频扼流圈)；通直流、通低频、阻高频(高频扼流圈)。2.电容器对交变电流的阻碍作用(1)电容器的电容越大，交流的频率越高，电容器对交流的阻碍作用就 越小。(2)作用：通交流、隔直流；通高频、阻低频。典例3（多选）如图所示电路中，A,B为两相同的小灯泡，L为直流电阻为零的电感线圈，下列说法正确的是（）l ba 电源为稳恒直流电源时，灯泡a,b亮度相同二eB.电源为稳恒直流电源时，灯泡A比B亮度大1-源-C.电源为交流电源时，灯泡A,B亮度相同 一D.电源为交流电源时，灯泡B比A亮度小解析：电感线圈对交流有阻碍作用，对稳恒直流没有阻碍作用，电源为交流 电源时,A比B亮度大。答案：AD变式3:（多选）如图所示，接在交流电源上的电灯泡正常发光，以下说法正确邮是q）0 CZZA.把电介质插入电容器，灯泡变亮B.增大电容器两极板间的距离，灯泡变亮C.减小电容器两极板间的正对面积，灯泡变暗D.使交变电流频率减小，灯泡变暗尸解析：把电介质插入电容器，电容增大，电容器对交变电流阻碍作用变小，所 以灯泡变亮，故A正确。增大电容器两极板间的距离，电容变小，电容器对 交变电流阻碍作用变大，所以灯泡变暗，故B错误。减小电容器两极板间的 正对面积，电容变小,灯泡变暗,故C正确。交变电流频率减小，电容器对交 变电流阻碍作用增大，灯泡变暗，故D正确。考点四变压器1.构造：由原线圈、副线圈和闭合铁芯组成。变压器构造如图所示。(1)原线圈：与交流电源连接的线圈；(2)副线圈：与负载连接的线圈。2.工作原理：电流通过原线圈时在铁芯中激发磁场，由于电流的大小、方向在不断变化，铁芯中的磁场也在不断变化。变化的磁场在副线 圈中产生感应电动势，所以尽管两个线圈之间没有导线相连，副线圈 也能够输出电流。互感现象是变压器工作的基础。3.理想变压器：不考虑铜损(线圈电阻产生的焦耳热)、铁损(涡流 产生的焦耳热)和漏磁的变压器，即它的输入功率和输出功率相等。4t基本关系式(1)功率关系：P入二P出；(2)电压关系：5U 2 2(3)电流关系:只有一个副线圈时，人二公。-特别提醒(1)变压器的工作原理是互感现象，即电磁感应。所以变压器不能改 变原线圈的电压。(2)理想变压器中原线圈和副线圈中电压、电流、功率的关系是：电 压由原线圈决定副线圈，电流由副线圈决定原线圈，功率由副线圈决 定原线圈；原、副线圈的频率相等。典例4（多选）如图所示，变压器输入有效值恒定的电压，副线圈匝数可调，输出电压通过输电线送给用户（电灯等用电器）,R表示输电线的电阻，则（A.用电器增加时，变压器输出电压增大B.要提高用户的电压，滑动触头P应向上滑C.用电器增加时，输电线的热损耗增加D.用电器增加时，变压器的输入功率减小解析：由于变压器原、副线圈的匝数不变,而且输入电压不变，因此增加负载不会影响输出电压,故选项A错误;根据变压器原理可知输出电压当滑动触头P%向上滑时,e增大,所以输出电压增大,故选项B正确；由于用电器是并联的，因此用 电器增加时总电阻变小,输出电压不变，总电流增大,故输电线上热损耗增大,选项C 正确;用电器增加时总电阻变小,总电流增大,输出功率增大,所以输入功率增大,故 选项D错误。答案：BC变式4:一输入电压为220 V,输出电压为36 V的变压器副线圈烧坏了,为获知此变压器原、副线圈匝数，某同学拆下烧坏的副线圈，用绝缘 导线在铁芯上新绕了 5匝线圈，如图所示，然后将原来线圈接到220 V 交流电源上，测得新绕线圈两端的电压为1 V,按理想变压器分析，该变压器烧坏前的原、副线圈匝数分匚、A.1 100,360 B.1 100,180C.2 200,180 D.2 200,360解析:对新绕线圈的理想变压器,根据变压比公式得 廿=5x220 r io。,变压器U 3 1烧坏前，同理 廿必=曹36才80,故B正确。考点五电能的输送1.减少电能损失的方法(1)减小输电线的电阻:根据Fp 要减小输电线的电阻R在输电距离一定的情况S下，可采用的方法有选用电阻率小的金属材料,尽可能增大导线的横截面积等。(2)减小输电导线中的电流：在输电功率一定的情况下，根据P=UI,要减小电流，必须提高输电电压。2.远距离输电(1)输电导线上损失的电功率:输送功率一定时,线路电流I，输电线上损失功率P损二p2 1I 2R=-7 R线，可知 P损 a 一7 oU2 U2(2)远距离输电线路中的功率关系P输=P损+P用.飞典例5（多选）如图所示为远距离高压输电的示意图。关于远距离输用户低压 变电所升压变压器A.增大输电导线的横截面积有利于减少输电过程中的电能损失B.高压输电是通过减小输电电流来减少电路的发热损耗C.在输送电压一定时，输送的电功率越大，输电过程中的电能损失越小D.高压输电必须综合考虑各种因素，不一定是电压越高越好解析:根据P=l 2R可知,在电流I 一定的情况下,减小输电导线的电阻R可以减少电路 上的电能损失,而际（，所以增大输电线横截面积S有利于减少输电过程中的电 能损失;由公式P=l 2r可得,若设输送的电功率为P,则P二二R,可见,在输送电压 U一定时,输送的电功率P越大，输电过程中的电能损失越大。选项A RD正确,C 错误。答案：ABD变式5:图为远距离输电示意图，两变压器均为理想变压器，升压变压器 T的原、副线圈匝数分别为在T的原线圈两端接入一电压u=Um sin 3t的交流电源，若输送电功率为P,输电线的总电阻为2r,不考虑其他因素的影响，则输电级上损失的电功率为（A(区)堂 b(与比 n2 4r n1 4rC4（以广PP%)2rD 4(3 2()2r%解析:T的输入电压U=%,则P=UI i,l i=二叵,又因为人二久，所以12二2I尸血处 v2 U Um，2 ni n2 2。1 P则输电线上损失的电功率P损二厅-2r=4（）2（B,C项正确。一 2 3课堂训练1.(交流电的产生与描述)(多选)一正弦式交流电压随时间变化的规律如图所示。由图可知(fu/V100/T.i XjA 5 6 X1O-S)-100.AA该交流电压瞬时值的表达式为u=1OOsi n 25t(V)B.该交流电压的频率为25 hkC该交流电压的有效值为100aVD若将该交流电压加在阻值为F100。的电阻两端，则电阻消耗的功率是50 W解析:从题图中可知,交流电压周期T=4X io 2 S,峰值电压umo o V,故交流电压的频率f=3=25电 有效值U=|=50 V2 Vo将该交流电压加在R=100 Q的电阻两端时,y r 2电阻消耗的热功率P=50 W电压的瞬时值表达式u=Usi n 一 t lOOsi n50n t(V)R T故正确选项为B,D o2.（交流电四值的比较）（多选）理想变压器原线圈与正弦交变电源连接，输入电压u随时间 t变化的规律如图所示，原、副线圈匝数比&二100,副线圈只接入一个210。的电阻，则A.与电阻R并联的电压表示数为3.11 VB.流过电阻R的电流最大值为0.311 AC.变压器的输入功率为0.484 WD.一个周期内，电阻R上产生的热量为9.68x10-3 j11%解析:由题中图线得,原线圈两端的电压为U=220 V,由变压器原、副线圈电压比幺二区得U 2%副线圈上的电压为11=2.2 V,选项A错误;流过电阻R的电流最大值I十生b 0.311 A R选项B正确；变压器的输入功率等于输出功率,即有P入二区=0.484 W选项C正确;一个周 R期内，电阻R上产生的热量Q二P入T=9.68x 103 J,选项D正确。3.（电感、电容对电路的影响）（多选）如图所示，当交流电源的电压为220 V,频率为50 Hz时，三只灯泡A,B,C的亮度相同，若将交流电源的 频率改变为100 Hz 7 叫/一T-A(X)B(X)CA.A灯比原来亮B.B灯比原来亮C.C灯亮度不变D.C灯比原来暗解析：交流电源的频率增大时，线圈的感抗增大，电容器的容抗减小，而电 阻R的大小不受交流频率的影响。4.(变压器)一理想变压器的原、副线圈的匝数比为3:1,在原、副 线圈的回路中分别接有阻值相同的电阻R,原线圈一侧接在电压为220 V的正弦交流电源上，如图所示。设副线圈回路中电阻两端的电压为 U,原、副线圈回路中电阻消耗的功率-m()A U=66 V,k=1 B U=22 V,k=|人 JC U=66 V,k=i D U=22 V,k=i 3 3解析:设原线圈中电流为I,由九工久知副线圈中的电流 231,由题意知副线圈中电阻 12两端的电压Lt 3l R则原线圈回路中R两端的电压u n R=，原线圈两端的电压U=3U 3由闭合电路中电压关系可知LUU=220 V,即3LH-420 V,解得Lt 66 V,原线圈回路中3电阻消耗的功率P月2R副线圈回路中电阻消耗的功率 M3I）2R,k=4二一%=-,选舄（31）R 9项A正确。5.（远距离输电）某水电站，用总电阻为2.5 Q的输电线给500 km外的用户输电，其输 出电功率是3x 106 kW现用500 kV电压输电，则下列说法正确的是（B）A；输电线上输送的电流大小为2x 105 AB.输电线上由电阻造成的损失电压为15 kVC若改用5 kV电压输电，则输电线上损失的功率为9x 108 kWr/2D.输电线上损失的功率为A P=,U为输电电压,r为输电线的电阻p解析:由P=U得输电线上输送的电流为1=-=6.Ox 103 A选项A错误;由A g r得输电线路 U上的电压损失为八LM5x 103 V,选项B正确;输电线上损失的功率应为 而工口,选r项D错误;改用5 kV电压输电后,若仍按 P4 2r计算,则输电线上损失的功率为 P=l 2r=()2r=(卷L)2*2.5 WQx io11 W但 P远大于输出功率,不符合实际,这显然违反能量守恒定律,选项C错误。真题试做1.（2018-全国川卷,16）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;者该电阻接到正弦交流电源上,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uo,周期均为T,如图所示。则Q方：Q正等于（D）C 1:2 D 2:1A 1:V2 B V2:1解析:由有效值定义知，一个周期内方波交流电产生热量2 2/tt 2Q方二，.一+=T,R 2 R 2 R2(q 2正弦交流电产生热量Q正=冬-T=v/ll T=l-%1 T,R R 2 R贝IJ Q方：Q正二2：lo选项D正确。2.（2020-浙江1月选考,10）如图所示，甲乙两图中的理想变压器以不同 的方式接在高压电路中。甲图中变压器原副线圈的匝数比为k1,电压 表读数为U,乙图中变压器原副线圈的匝数比为k2,电流表读数为I o 则甲图中高压线电压和乙图中高成线电流分别为（）A.I _._甲 乙解析:根据原副线圈的电压、电流与线圈匝数关系，可知4二五天 片二”二，由此U2 n2 I2 nx k2可知U=kiU li=,选项B正确。与3.（2018-天津卷,4）教学用发电机能够产生正弦式交变电流。利用该发电机（内 阻可忽略）通过理想变压器向定值电阻R供电，电路如图所示，理想交流电流表A 理想交流电压表V的读数分别为l,UR消耗的功率为P。若发电机线圈的转速变1为原来的贝m B）AR消耗的功率变为2B电压表V的读数变为2C电流表A的读数变为21D通过R的交变电流频率不变_解析:发电机线圈的转速变为原来的L,由E二妁M知，原线圈中输入电压U变为原来 2 V2的工,交变电流的频率f变为原来的,，D错误;根据5二人,则副线圈的输出电压U 2 2 02 2变为原来的g,即H U B正确;R消耗的功率P耳W P A错误;根据土常知，副线圈中的电流I?变为原来的:原线圈中的电流、变为原来的;,即电流表A的读 数变为5,c错误。4.（2018-江苏卷,2）采用220 kV高压向远方的城市输电。当输送功率一定时,为使输电线上损耗的功率减小为原来的,，输电电压应变为（C）4A 55 kV B 110 kV C 440 kV D 880 kV解析:输送功率P=U,P i i输电线上损耗的功率P损二）2r oe 当p损减小为原来的时,输电电压U U 4应变为原来的2倍,即为440 kVo