高考物理考纲专项复习 交变电流 传感器课件

第十章第十章 交变电流交变电流 传感器传感器考考纲纲下下载载内容内容要求要求交变电流、交变电流的图象交变电流、交变电流的图象正弦交变电流的函数表达式、峰值和有效值正弦交变电流的函数表达式、峰值和有效值理想变压器理想变压器远距离输电远距离输电实验：传感器的简单使用实验：传感器的简单使用考考纲纲解解读读1.在高考中，对交变电流的考查主要以选择题的形式出现，考查的难度属于中低难度。在高考中，对交变电流的考查主要以选择题的形式出现，考查的难度属于中低难度。2.考查的知识比较集中，以正弦式电流的规律、理想变压器的输入输出关系为主，结考查的知识比较集中，以正弦式电流的规律、理想变压器的输入输出关系为主，结 合交变电流产生的图象和变压器的图象进行考查。合交变电流产生的图象和变压器的图象进行考查。3.正弦式电流可以和其他知识点综合考查，例如可以和示波器知识联系起来，示波器正弦式电流可以和其他知识点综合考查，例如可以和示波器知识联系起来，示波器 显示的图象可能表示交变电流。也可以和电场知识联系起来，让带电粒子通过一个显示的图象可能表示交变电流。也可以和电场知识联系起来，让带电粒子通过一个 交变电场运动。交变电场运动。4.变压器的原理、原副线圈的电压、电流比及输入功率与输出功率的关系是考查的重变压器的原理、原副线圈的电压、电流比及输入功率与输出功率的关系是考查的重点。点。 (1)本章内容以电磁感应知识为基础，是楞次定律及法拉第电磁感应定律的具体本章内容以电磁感应知识为基础，是楞次定律及法拉第电磁感应定律的具体应用。其知识特点是了解识记的基本概念较多，但重点内容突出，主要围绕交变电应用。其知识特点是了解识记的基本概念较多，但重点内容突出，主要围绕交变电流的产生、变化规律及表征交变电流的物理量这一中心展开，在此基础上研究了变流的产生、变化规律及表征交变电流的物理量这一中心展开，在此基础上研究了变压器的工作原理和远距离输电。另外，本章还介绍了传感器的原理及其应用。压器的工作原理和远距离输电。另外，本章还介绍了传感器的原理及其应用。 (2)对于交变电流产生的方法、交变电流瞬时值表达式的推导、理想变压器的输对于交变电流产生的方法、交变电流瞬时值表达式的推导、理想变压器的输入功率和输出功率的比较、正弦式交流电的有效值、瞬时值、峰值和平均值的理解入功率和输出功率的比较、正弦式交流电的有效值、瞬时值、峰值和平均值的理解等内容要记清楚，明确其中的相互联系。等内容要记清楚，明确其中的相互联系。 (3)要注意和本章知识点结合的小型综合性题目的考查，以及和其他知识点的综要注意和本章知识点结合的小型综合性题目的考查，以及和其他知识点的综合性题目的考查。在本章内，可以结合远距离输电、变压器、交变电流的产生原理合性题目的考查。在本章内，可以结合远距离输电、变压器、交变电流的产生原理考查现实生活中的变压及用电关系。对于和其他知识点结合，例如可以和电磁感应考查现实生活中的变压及用电关系。对于和其他知识点结合，例如可以和电磁感应结合起来考查电流的方向的判断方法和感应电动势的大小和计算方法。结合起来考查电流的方向的判断方法和感应电动势的大小和计算方法。 传感器问题是近几年高考中的新添加内容，但考查的频率却逐步提高。这类问传感器问题是近几年高考中的新添加内容，但考查的频率却逐步提高。这类问题单独考查的较少，多以综合题目中的一个知识点加以体现，主要考查学生对传感题单独考查的较少，多以综合题目中的一个知识点加以体现，主要考查学生对传感器基本特点的认识。因此，在复习中要熟练掌握各类传感器的特点及其相应的电学器基本特点的认识。因此，在复习中要熟练掌握各类传感器的特点及其相应的电学特性。特性。考点考点1 1 交变电流的产生和变化规律交变电流的产生和变化规律学案学案1 交交 变变 电电 流流1.正弦式电流的变化规律正弦式电流的变化规律(线圈在中性面位置开始计时线圈在中性面位置开始计时) 规律物理量函数图象磁通量 = mcos t=BScos t电动势e=Emsin t=nBS sin t电压u=Umsin t=REm/(R+r)sin t电流i=Imsin t=Em/(R+r)sin t 2.对中性面的理解对中性面的理解 (1)中性面是与磁场方向垂直的平面，是假想的参考面。中性面是与磁场方向垂直的平面，是假想的参考面。 (2)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。的变化率为零，产生的感应电动势为零。 (3)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。量的变化率最大，产生的感应电动势最大。 (4)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。次经过中性面，所以电流的方向改变两次。 3.交变电流瞬时值表达式的书写基本思路：交变电流瞬时值表达式的书写基本思路： (1)确定正弦交变电流的峰值，根据已知图象或由公式确定正弦交变电流的峰值，根据已知图象或由公式Em=nBS 求出求出相应峰值。相应峰值。 (2)明确线圈的初始位置，找出对应的函数关系式。明确线圈的初始位置，找出对应的函数关系式。 如：线圈从中性面开始转动，则如：线圈从中性面开始转动，则i-t图象为正弦函数图象，函数式为图象为正弦函数图象，函数式为i=Imsin t。 线圈从垂直中性面开始转动，则线圈从垂直中性面开始转动，则i-t图象为余弦函数图象，函数式为图象为余弦函数图象，函数式为i=Imcos t。 在交变电流的产生过程中，要特别注意两个特殊位置的在交变电流的产生过程中，要特别注意两个特殊位置的不同特点。不同特点。 (1)线圈平面与中性面重合时，线圈平面与中性面重合时，SB， 最大，最大， / t=0，e=0，i=0电流方向将发生改变。电流方向将发生改变。 (2)线圈平面与中性面垂直时，线圈平面与中性面垂直时，SB， =0， / t最大，最大，e最大，最大，i最大，电流方向不改变。最大，电流方向不改变。【例例1】如图所示，边长为如图所示，边长为l的正方形线框的正方形线框abcd的匝的匝 数为数为n，ad边的中点和边的中点和bc边的中点的连线边的中点的连线OO 恰好位于匀强磁场的边界上，磁感应强度为恰好位于匀强磁场的边界上，磁感应强度为 B，线圈与外电阻，线圈与外电阻R构成闭合电路，整个线圈构成闭合电路，整个线圈 的电阻为的电阻为r。现在让线框以。现在让线框以OO连线为轴，连线为轴， 以角速度以角速度 匀速转动，从图示时刻开始计时，匀速转动，从图示时刻开始计时， 求：求： (1)闭合电路中电流瞬时值的表达式；闭合电路中电流瞬时值的表达式； (2)当当 时，电阻时，电阻R两端的电压值。两端的电压值。2t 交流电的产生及变化规律交流电的产生及变化规律 【解析解析】(1)沿沿OO方向看去，磁场分布的侧视图如方向看去，磁场分布的侧视图如图所示。图所示。 由图可知，图示时刻由图可知，图示时刻cd边的切割方向与磁场平行，边的切割方向与磁场平行， 故有故有e=0,i=0 (2)t= /200时，线圈转过时，线圈转过90，cd边切割方向恰与磁边切割方向恰与磁场垂直，场垂直，e=nBlv 其中，其中，v= l/2 得得e=(1/2)nB l2 i=e/(R+r)=nB l2/2(R+r) U=iR=nB l2R/2(R+r) (1)闭合电路欧姆定律及部分电路欧姆定律对交变电闭合电路欧姆定律及部分电路欧姆定律对交变电流也是适用的。流也是适用的。 (2)注意不要遗漏线圈匝数注意不要遗漏线圈匝数n。 1如图所示，一矩形线圈如图所示，一矩形线圈abcd放置在匀强磁场放置在匀强磁场中，并绕过中，并绕过ab、cd中点的轴中点的轴OO以角速度以角速度 逆时针匀速转动。以图示位置时为计时起逆时针匀速转动。以图示位置时为计时起点，并规定当电流自点，并规定当电流自dcbadc时电流方向为正时电流方向为正。则下列四幅图中正确的是。则下列四幅图中正确的是( )A考点考点2 2 描述交变电流的物理量描述交变电流的物理量 1.对交变电流对交变电流“有效值有效值”的理解的理解 (1)交变电流的有效值是根据电流的热效应进行定义的，交变电流的有效值是根据电流的热效应进行定义的，所以进行有效值计算时，要紧扣电流通过电阻生热进行计算。所以进行有效值计算时，要紧扣电流通过电阻生热进行计算。注意注意“三同三同”；“相同电阻相同电阻”上、上、“相同时间相同时间”内、产生内、产生“相同热量相同热量”。计算时。计算时“相同时间相同时间”一般取一个周期的时间。一般取一个周期的时间。 (2)在交流电路中，电压表、电流表、功率表等电工仪表在交流电路中，电压表、电流表、功率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，的示数均为交变电流的有效值。在没有具体说明的情况下，所给出的交流电的电压、电流及电功率指的都是有效值。所给出的交流电的电压、电流及电功率指的都是有效值。 (3)非正弦交变电流的有效值，应按有效值的定义计算。非正弦交变电流的有效值，应按有效值的定义计算。电流名称电流图象有效值正弦式交变电流正弦半波电流正弦单向脉动电流矩形脉动电流非对称性交变电流m12UU m2UU mtUUT m12UU 22121()2UUU (4)几种典型交变电流的有效值几种典型交变电流的有效值 例如，上表中非对称性交变电流有效值的计算要根据例如，上表中非对称性交变电流有效值的计算要根据“三同三同”列方程列方程(在一在一个周期内个周期内)(U12/R)(T/2)+(U22/R)(T/2)=(U2/R)T，所以，所以 。22121()2UUU (1)计算有效值时要注意根据电流的热效应，把握住计算有效值时要注意根据电流的热效应，把握住“三同三同”；“相同时间相同时间”内内“相同电阻相同电阻”上产生上产生“相同热相同热量量”列式求解。列式求解。 (2)利用两类公式利用两类公式Q=I2Rt和和Q=(U2/R)t可分别求得电流可分别求得电流有效值和电压有效值。有效值和电压有效值。 (3)若图象部分是正弦若图象部分是正弦(或余弦或余弦)交流电，其中的交流电，其中的1/4和和1/2周期部分可直接应用周期部分可直接应用I=Im/ ，U=Um/ 的关系。的关系。222.交变电流交变电流“四值四值”的比较的比较 在进行交变电流相关的计算时，一定要注意题中具体应用的是什么物理量，在进行交变电流相关的计算时，一定要注意题中具体应用的是什么物理量，根据上述的适用情况恰当的选择根据上述的适用情况恰当的选择“四值四值”。物理量物理意义重要关系适用情况及说明瞬时值交变电流某一刻的值e=Emsin ti=Imsin t计算线圈某时刻的电流情况和感应电动势情况，该式是从中性面开始计时峰值最大的瞬时值Em=nBS 讨论电容器的击穿电压有效值跟交变电流热效应等效的恒定电流值对正弦式交变电流计算与热效应有关的物理量铭牌上额定电压或额定电流值，交流电表的读数保险丝的熔断电流平均值交变电流图象中图线和时间轴所围成的面积与时间的比值计算通过电路横截面积的电荷量qI t m2EE m2UU m2II vBLE tnE 【例例2】如图所示是一交流电压随时间变化如图所示是一交流电压随时间变化 的图象，此交流电压的有效值等于的图象，此交流电压的有效值等于_。交变电流有效值的计算交变电流有效值的计算 【解析解析】如图所示给出的是一方波交流电，如图所示给出的是一方波交流电，周期为周期为=0.3，前，前 时间内时间内1=100V，后后 时间内时间内2=-50。设该交流电压的有。设该交流电压的有效值为效值为，根据有效值的定，根据有效值的定义，有义，有 代入已知数据，解得代入已知数据，解得= 公式公式 和和 只适用于正弦式交变电流，对于非正弦只适用于正弦式交变电流，对于非正弦式交变电流的有效值，则应根据电流的热效应求解。式交变电流的有效值，则应根据电流的热效应求解。2502503T32T)32()3(22212TRUTRUTRU m2UU m2II 【答案答案】 多数同学家里都有调光台灯、调速电风扇，过去是用变压器来实现的，多数同学家里都有调光台灯、调速电风扇，过去是用变压器来实现的，缺点是成本高、体积大、效率低，且不能任意调节灯的亮度或电风扇的缺点是成本高、体积大、效率低，且不能任意调节灯的亮度或电风扇的转速。现在的调光灯、调速风扇是用可控硅电子元件来实现的，如图所转速。现在的调光灯、调速风扇是用可控硅电子元件来实现的，如图所示为经过一个可控硅调节后加在电灯上的电压。即在正弦交变电流的每示为经过一个可控硅调节后加在电灯上的电压。即在正弦交变电流的每一个二分之一周期中，前面四分之一周期被截去，调节台灯上的旋钮可一个二分之一周期中，前面四分之一周期被截去，调节台灯上的旋钮可以控制截去的多少，从而改变电灯上的电压。那么现在电灯上的电压为以控制截去的多少，从而改变电灯上的电压。那么现在电灯上的电压为多少？多少？m2U 2对交变电流对交变电流“四值四值”的理解的理解【例例3】如图所示，匀强磁场的磁感应强度如图所示，匀强磁场的磁感应强度 B=0.5 T，边长，边长L=10 cm的正方形线圈的正方形线圈 abcd共共100匝，线圈电阻匝，线圈电阻r=1 ，线圈绕，线圈绕 垂直于磁感线的对称轴垂直于磁感线的对称轴OO匀速转动，匀速转动， 角速度角速度 =2 rad/s，外电路电阻，外电路电阻R=4 ， 求：求： (1)转动过程中感应电动势的最大值；转动过程中感应电动势的最大值； (2)由图示位置（线圈平面与磁感线平行）转过由图示位置（线圈平面与磁感线平行）转过60角时的瞬角时的瞬 时感应电动势；时感应电动势； (3)由图示位置转过由图示位置转过60角的过程中产生的平均感应电动势角的过程中产生的平均感应电动势； (4)交变电压表的示数；交变电压表的示数； (5)线圈转动一周外力所做的功；线圈转动一周外力所做的功； (6)1/6周期内通过周期内通过R的电荷量为多少？的电荷量为多少？ 【解析解析】 (1)感应电动势的最大值感应电动势的最大值Em=nB S=3.14 V。 （2）转过）转过60时的瞬时感应电动势为时的瞬时感应电动势为 e=Emcos60=3.140.5 V=1.57 V。 (3)转过转过60角过程中产生的平均感应电动势为角过程中产生的平均感应电动势为 =n / t=nBSsin60/(1/6)T=1000.50.10.1( /2)/(1/6)(2 /2 ) V=2.6 V。 (4)电压表示数为外电路电压的有效值电压表示数为外电路电压的有效值 U=E/(R+r)R=(3.14/ )/(4+1)4V=1.78 V (5)转动一周所做的功等于电流产生的热量转动一周所做的功等于电流产生的热量 W=Q=(Em/ )21/(R+r)T=0.99 J (6)1/6周期内通过电阻周期内通过电阻R的电荷量为的电荷量为 Q= (T/6)= /(R+r)(T/6)=nBSsin60/(T/6)(R+r)(T/6)=nBSsin60/(R+r)=0.0866 C。 (1)明确明确“四值四值”的意义及求解方法。的意义及求解方法。 (2)注意注意“四值四值”的不同，例如，求解电流做功时，应的不同，例如，求解电流做功时，应用有效值，而求解通过的电荷量时，应用平均值。用有效值，而求解通过的电荷量时，应用平均值。EE322I 如图所示，匀强磁强如图所示，匀强磁强B=0.1 T，所用矩形线圈的，所用矩形线圈的 匝数匝数 N=100，边长，边长ab=0.2 m，bc=0.5 m，以角速度，以角速度 =100 rad/s绕绕OO轴匀速转动。当线圈平面通过中性面时轴匀速转动。当线圈平面通过中性面时 开始计时，试求：开始计时，试求： (1)线圈产生的感应电动势的峰值；线圈产生的感应电动势的峰值； (2)线圈中感应电动势的瞬时值表达式线圈中感应电动势的瞬时值表达式; (3)由由t=0至至t=T/4过程中的平均电动势值。过程中的平均电动势值。【答案答案】(1)314 V (2)e=314sin100 t V (3)200 V 3