高考物理一轮复习第9章电磁感应第3讲讲义人教版浙江.docx
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高考物理一轮复习第9章电磁感应第3讲讲义人教版浙江
[考试标准]
知识内容
必考要求
加试要求
交变电流
c
描述交变电流的物理量
c
电感和电容对交变电流的影响
b
变压器
c
电能的输送
c
实验15:
探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系
√
考点一 交变电流的产生和描述
1.交变电流
(1)定义:
大小和方向都随时间做周期性变化的电流.
(2)常见类型:
如图1甲、乙、丙、丁所示都属于交变电流.其中按正弦规律变化的交变电流叫正弦式交变电流,简称正弦交流电,如图甲所示.
图1
2.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:
①线圈平面与中性面重合时,S⊥B,Φ最大,=0,e=0,i=0,电流方向将发生改变.
②线圈平面与中性面垂直时,S∥B,Φ=0,最大,e最大,i最大,电流方向不改变.
(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)交变电动势的最大值Em=nBSω.
3.交变电流的变化规律(线圈在中性面位置开始计时)
规律
物理量
函数表达式
图象
磁通量
Φ=Φmcosωt=BScosωt
电动势
e=Emsinωt=nBSωsinωt
电压
u=Umsinωt=sinωt
电流
i=Imsinωt=sinωt
4.交变电流的有效值
(1)交变电流有效值的规定:
交变电流、恒定电流I直分别通过同一电阻R,在相等时间内产生的焦耳热分别为Q交、Q直,若Q交=Q直,则交变电流的有效值I=I直(直流有效值也可以这样算).
(2)正(余)弦式交变电流的有效值与最大值之间的关系:
E有效= U有效= I有效=
(3)对有效值的理解:
①交流电流表、交流电压表的示数是指有效值;②用电器铭牌上标的值(如额定电压、额定功率等)指的均是有效值;③计算热量、电功率及保险丝的熔断电流指的是有效值;④没有特别加以说明的,是指有效值;⑤“交流的最大值是有效值的倍”仅用于正弦交流电.(但当讨论电容器的击穿电压时,要用最大值)
[思维深化]
1.如图2甲、乙、丙、丁、戊所示,把5个面积相同的线圈放入同一匀强磁场中,绕不同的轴转动,在转动过程中感应电动势的最大值是否相同?
为什么?
图2
答案 相同,因为感应电动势的最大值Em=nBSω,与转轴的位置无关,与线圈的形状无关.
2.请判断下列说法是否正确.
(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,正弦交流电的方向改变两次.( √ )
1.[交变电流的产生](多选)如图3所示为交流发电机示意图,线圈的AB边连在金属滑环K上,CD边连在滑环L上,导体制作的两个电刷E、F分别压在两个滑环上,线圈在转动时可以通过滑环和电刷保持与外电路的连接.关于其工作原理,下列分析正确的是( )
图3
A.当线圈平面转到中性面的瞬间,穿过线圈的磁通量最大
B.当线圈平面转到中性面的瞬间,线圈中的感应电流最大
C.当线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间,穿过线圈的磁通量最小
D.当线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间,线圈中的感应电流最小
答案 AC
2.[交变电流的图象](多选)图4甲是小型交流发电机的示意图,两磁极N、S间的磁场可视为水平方向的匀强磁场,为交流电流表.线圈绕垂直于磁场的水平轴OO′沿逆时针方向匀速转动,从图甲所示位置开始计时,产生的交变电流随时间变化的图象如图乙所示.以下判断正确的是( )
图4
A.电流表的示数为10A
B.线圈转动的角速度为50πrad/s
C.t=0.01s时,线圈平面与磁场方向平行
D.t=0.02s时,电阻R中电流的方向自右向左
答案 AC
解析 电流表测量的是电路中电流的有效值I=10A,选项A正确.由题图乙可知,T=0.02s,所以ω==100πrad/s,选项B错误.t=0.01s时,电流最大,线圈平面与磁场方向平行,选项C正确.t=0.02s时,线圈所处的状态就是图示状况,此时R中电流的方向自左向右,选项D错误.
3.[对交流电峰值和有效值的理解]如图5甲所示,标有“220V 40W”的灯泡和标有“20μF 300V”的电容器并联到交流电源上,为交流电压表,交流电源的输出电压如图乙所示,闭合开关.下列判断正确的是( )
图5
A.t=时刻,的示数为零
B.灯泡恰好正常发光
C.电容器不可能被击穿
D.的示数保持110V不变
答案 B
解析 的示数应是电压的有效值220V,故A、D错;电压的有效值恰好等于灯泡的额定电压,灯泡正常发光,B正确;电压的峰值Um=220V≈311V,大于电容器的耐压值,故有可能被击穿,C错.
4.[对交流电峰值和有效值的应用]如图6所示,N=50匝的矩形线圈abcd,ab边长l1=20cm,ad边长l2=25cm,放在磁感应强度B=0.4T的匀强磁场中,外力使线圈绕垂直于磁感线且通过线圈中线的OO′轴以n=3000r/min的转速匀速转动,线圈电阻r=1Ω,外电路电阻R=9Ω,t=0时线圈平面与磁感线平行,ab边正转出纸外、cd边转入纸里.求:
图6
(1)t=0时感应电流的方向;
(2)感应电动势的瞬时值表达式;
(3)线圈转一圈外力做的功.
答案
(1)感应电流方向沿adcba
(2)e=314cos(100πt)V
(3)98.6J
解析
(1)根据右手定则,线圈感应电流方向为adcba.
(2)线圈的角速度
ω=2πn=100πrad/s
图示位置的感应电动势最大,其大小为Em=NBl1l2ω
代入数据得Em=314V
感应电动势的瞬时值表达式
e=Emcosωt=314cos(100πt)V.
(3)电动势的有效值
E=
线圈匀速转动的周期
T==0.02s
线圈匀速转动一圈,外力做功大小等于电功的大小,即
W=I2(R+r)T=·T
代入数据得W≈98.6J.
交变电流图象的五个确定及瞬时值表达式的书写
1.交变电流图象的五个确定
(1)确定交变电流的最大值(峰值);
(2)确定不同时刻交变电流的瞬时值;
(3)确定周期T(频率f=);
(4)确定中性面对应的时刻;
(5)确定交变电流方向改变时对应的时刻.
2.书写交变电流瞬时值表达式的基本思路
(1)确定正弦式交变电流的峰值,根据已知图象读出或由公式Em=nBSω求出相应峰值.
(2)明确线圈的初始位置,找出对应的函数关系式.
①若线圈从中性面位置开始计时,则i-t图象为正弦函数图象,函数式为i=Imsinωt.
②若线圈从垂直中性面位置开始计时,则i-t图象为余弦函数图象,函数式为i=Imcosωt.
考点二 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)实验探究
①实验目的:
了解电感器对交变电流的阻碍作用.
②实验演示:
装置如图7所示.电感线圈与灯泡串联后分别接直流电源和有效值与直流电源相同的交流电源,观察两种情况下灯泡的亮度.
图7
③实验现象:
接通直流电源时,灯泡亮些;接通交流电源时,灯泡变暗.
④实验结论:
电感线圈对交变电流有阻碍作用.
(2)影响电感对交变电流的阻碍作用的因素:
电感器的自感系数、交变电流的频率.
①电感器的自感系数越大,对交变电流的阻碍作用越大.
②交变电流的频率越高,对交变电流的阻碍作用越大.
(3)电感器的应用——扼流圈
类型
区别
低频扼流圈
高频扼流圈
构造
匝数多,有铁芯(由铜线绕制)
匝数少,无铁芯(由铜线绕制)
自感系数L
较大
较小
感抗XL大小
较大
较小
作用
通直流,阻交流
通直流、通低频,阻高频
①“通直流,阻交流”这是对两种不同类型的电流而言的,因为(恒定)直流不变化,不能引起自感现象,交变电流时刻改变,必有自感电动势产生来阻碍电流的变化.
②“通低频,阻高频”这是对不同频率的交变电流而言的,因为交变电流的频率越高,电流的变化越快,自感作用越强,感抗也就越大.
2.电容器对交变电流的影响
(1)实验探究
①实验目的
探究交变电流能否通过电容器.
②实验演示
如图8所示,将灯泡和电容器串联在电路里,分别接直流电源和有效值与直流电源相同的交流电源,观察两种情况下灯泡的亮度.
图8
③实验现象
电路中串有电容器时,接通直流电源时,灯泡不亮;接通交流电源时,灯泡亮.
④实验结论
交变电流能够通过电容器,直流不能通过电容器.
⑤实验现象的本质
直流不能通过电容器是因为电容器的两个极板中间充满了绝缘介质.当交变电流加到电容器上后,在交变电流变化的一个周期内电容器要交替进行充电、放电、反向充电、放电,电路中就有了持续的电流,好像是交变电流“通过”了电容器,实际上自由电荷并没有通过电容器两极板间的绝缘介质.
(2)影响电容器对交变电流阻碍作用的因素:
电容器的电容、交变电流的频率.
①电容器的电容越大,对交变电流的阻碍作用越小.
②交变电流的频率越高,对交变电流的阻碍作用越小.
(3)电容器在电路中的应用
①隔直电容器:
通交流,阻直流.
如图9所示,输入信号既有交流成分又有直流成分,在下一级电路的输入端前串联一个电容器(电容较大),就可以阻挡直流成分,只让交流成分通过.
图9
②高频旁路电容器:
通高频,阻低频.
如图10所示,输入信号中既有高频成分又有低频成分,在下一级电路的输入端并联一个电容器(电容较小),就可只把低频成分的交流信号输送到下一级装置.
图10
5.[电感器对交流电的阻碍作用](多选)如图11所示的实验电路中,若交流电压的有效值与直流电压相等,S为双刀双掷开关,下列叙述中正确的是( )
图11
A.当S掷向a、b时灯较亮,掷向c、d时灯较暗
B.当S掷向a、b时灯较暗,掷向c、d时灯较亮
C.S掷向c、d,把电感线圈中的铁芯抽出来时灯变亮
D.S掷向c、d,电源电压不变,而使频率减小时灯变暗
答案 AC
解析 线圈对恒定电流几乎无阻碍作用,对交变电流自感系数越大,阻碍作用越大.
6.[电容器对交流电的影响]如图12所示,电路由交流电源供电,最大电压保持不变,如果交变电流的频率升高,则下列说法中正确的是( )
图12
A.电容器上的电荷量最大值增大B.电容器的阻碍作用增大
C.电路中灯泡的亮度变亮D.电路中灯泡的亮度变暗
答案 C
解析 当交变电流的频率升高时,电容器的阻碍作用减小,灯泡的亮度变亮,灯泡两端的电压变大,故选项C正确,选项B、D错误;由Q=CU可知,选项A错误.
7.[电感器和电容器对交变电流的影响](多选)如图13所示,当交流电源的电压(有效值)U=220V,频率f=50Hz时,三只灯泡L1、L2、L3的亮度相同(L无直流电阻),若将交流电源的频率变为f=100Hz,则( )
图13
A.L1灯比原来亮B.L2灯比原来亮
C.L3灯和原来一样亮D.L3灯比原来亮
答案 AC
解析 电容器对交流电的阻碍作用与交变电流的频率有关,频率高对高频交变电流的阻碍作用小,所以选项A正确;电感器对交变电流的阻碍作用随频率的升高而增大,所以选项B错误;电阻R对交变电流的阻碍作用与电源的频率无关,所以选项C正确,选项D错误.
考点三 变压器、电能的输送
1.理想变压器的基本关系
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