（山东专用）2020版高考物理一轮复习 第13章 交变电流课件.ppt

第13章交变电流 考点39变压器电能的输送 考点38交流电的产生与描述 考点40电磁振荡电磁波 考点38交流电的产生与描述 必备知识全面把握核心方法重点突破方法1交变电流的图像问题方法2有效值和平均值的求解考法例析成就能力考法1交流电的产生及变化规律考法2交变电流的 四值 及应用考法3用有效值的定义求解非正弦交流电的有效值 必备知识全面把握 1 交变电流的产生和规律 1 交变电流 定义 大小和方向都随时间做周期性变化的电流叫交变电流 简称交流电 方向随时间做周期性变化是交流电的重要特征 如图所示的电流都是交变电流 正弦式交变电流 随时间按正弦规律变化的交变电流叫正弦式交变电流 正弦式交变电流的图像是正弦曲线 2 正弦交流电 产生方法 如图所示 将一个平面线圈置于匀强磁场中 并使它绕垂直于磁感线的轴匀速转动 线圈中就会产生正弦式交变电流 两个特殊位置的特点中性面的定义 平面线圈在匀强磁场中旋转 当线圈平面垂直磁感线时 线圈所在平面叫中性面 a 线圈平面与中性面重合时 S B 最大 t 0 e 0 i 0 电流方向将发生改变 b 线圈平面与中性面垂直时 S B 0 t最大 e最大 i最大 电流方向不改变 3 电流方向的改变一个周期内线圈中电流的方向改变两次 4 交变电动势的最大值Em nBS 与转轴位置无关 与线圈形状无关 5 交变电动势随时间的变化规律 e nBS sin t 从线圈位于中性面位置时开始计时 2 描述交变电流的物理量 1 周期和频率 周期 交变电流完成一次周期性变化所需的时间 单位是秒 s 表达式为 频率f 交变电流在1s内完成周期性变化的次数 单位是赫兹 符号为Hz 周期和频率的关系 T 1 f或f 1 T 2 交变电流的 四值 瞬时值 交变电流的瞬时值反映的是不同时刻交变电流的大小和方向 瞬时值表达式为e Emsin t 最大值 交变电流的最大值反映的是交变电流大小的变化范围 当线圈平面与磁感线平行时 电动势最大 Em nBS 注意 此最大值与线圈的形状无关 平均值 交变电流的平均值是交变电流图像的波形与横轴 t轴 所围面积跟时间的比值 其数值可用E 计算 有效值 交变电流的有效值是根据电流的热效应规定的 即在交流电的一个周期内 跟某一交变电流使同一电阻产生相等热量的直流电的数值 叫该交变电流的有效值 正弦式交变电流的有效值和最大值之间的关系 划重点 瞬时值和线圈转动过程中的某一位置相对应 不同位置处交变电流的大小和方向不同 在线圈平面 磁场 转速确定的情况下 最大值确定 其值对应线圈平面与磁场平行时的瞬时值 平均值要利用法拉第电磁感应定律求解 有效值则是根据电流的热效应来定义的 核心方法重点突破 方法1交变电流的图像问题 多选 如图1所示 单匝矩形线圈abcd在匀强磁场中绕垂直磁场的轴转动 改变线圈的转速 穿过该线圈的磁通量随时间分别按图2中图线甲 乙的正弦规律变化 设线圈的电阻为1 0 则 A 图线甲对应线圈在t 0时产生的感应电动势最大B 图线甲 乙对应的线圈在t 0 2s时 线圈平面均平行于磁感线C 图线甲 乙对应的线圈转速之比为5 4D 图线甲对应的线圈中交变电流的最大值为2 5 A 例1 解析 答案 BC 例1 突破点 1 交变电流图像的五个确定 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 1 T 4 确定线圈位于中性面对应的时刻 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 根据已知图像读出或由公式Em nBS 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 若线圈从中性面位置开始计时 则i t图像为正弦函数图像 函数式为i Imsin t 若线圈从垂直中性面位置开始计时 则i t图像为余弦函数图像 函数式为i Imcos t 3 解决交变电流图像问题的三点注意 1 只有当线圈从中性面位置开始计时 电流的瞬时值表达式才是正弦形式 其变化规律与线圈的形状及转轴处于线圈平面内的位置无关 2 注意公式Em nBS 中的S为有效面积 3 在解决有关交变电流的图像问题时 应先把交变电流的图像与线圈的转动位置对应起来 再根据特殊位置求特征解 方法2交流电有效值的求解 天津理综2014 7 6分 多选 如图甲所示 在匀强磁场中 一矩形金属线圈两次分别以不同的转速 绕与磁感线垂直的轴匀速转动 产生的交变电动势图像如图乙中图线a b所示 则 A 两次t 0时刻线圈平面均与中性面重合B 图线a b对应的线圈转速之比为2 3C 图线a表示的交变电动势频率为25HzD 图线b表示的交变电动势有效值为10V 例2 解析 答案 AC 例2 突破点 计算交变电流有效值的方法 1 计算有效值时要根据电流的热效应 抓住 三同 相同时间 内 相同电阻 上产生 相同热量 列式求解 2 分段计算电热并求和得出一个周期内产生的总热量 3 利用两个公式Q I2Rt和Q U2t R可分别求得电流有效值和电压有效值 4 若图像部分是正弦 或余弦 式交变电流 其中的1 4 但必须是从零至最大值或从最大值至零 和1 2周期部分可直接应用正弦式交变电流有效值与最大值间的关系求解 考法例析成就能力 考法1交流电的产生及变化规律 天津理综2017 6 6分 多选 在匀强磁场中 一个100匝的闭合矩形金属线圈 绕与磁感线垂直的固定轴匀速转动 穿过该线圈的磁通量随时间按图示正弦规律变化 设线圈总电阻为2 则 A t 0时 线圈平面平行于磁感线B t 1s时 线圈中的电流改变方向C t 1 5s时 线圈中的感应电动势最大D 一个周期内 线圈产生的热量为8 2J 例1 解析 答案 AD 例1 考法2交变电流的 四值 及应用如图所示 一半径为r的半圆形单匝线圈垂直放在具有理想边界的匀强磁场中 磁场的磁感应强度为B 以直径ab为轴匀速转动 转速为n ab与磁场边界重合 M和N是两个滑环 负载电阻为R 线圈 电流表和连接导线的电阻不计 下列说法中正确的是 例2 解析 答案 A 例2 考法3非正弦交流电的有效值的计算 多选 如图所示 甲 乙为两种电压的波形 其中图甲所示的电压按正弦规律变化 图乙所示的电压波形是正弦函数图像的一部分 下列说法正确的是 A 图甲 图乙均表示交变电流B 图甲所示电压的瞬时值表达式为u 20sin100 t V C 图乙所示电压的有效值为20VD 图乙所示电压的有效值为10V 例3 解析 答案 ABD 例3 考点39变压器电能的输送 必备知识全面把握核心方法重点突破方法3理想变压器基本关系的问题方法4理想变压器的动态分析问题方法5远距离输电的应用考法例析成就能力考法4理想变压器的应用考法5理想变压器的动态分析考法6远距离输电的应用考法7自耦变压器与多副线圈变压器 必备知识全面把握 1 变压器 1 变压器 定义 用来改变交流电的电压和电流的装置 构造 变压器是由闭合铁芯 由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成 和绕在铁芯上的两个线圈 用绝缘导线绕制 组成的 如图所示 原线圈 和交流电源相连接的线圈 匝数为n1 副线圈 和负载相连接的线圈 匝数为n2 副线圈可能不止一个 2 理想变压器概念 没有能量损失的变压器叫作理想变压器 即理想变压器的输出功率等于输入功率 3 变压器的工作原理 原理 互感现象是变压器工作的基础 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 使副线圈能够输出电流 能量转换方式 变压器的作用 改变交流电的电压 不改变交流电的周期和频率 4 理想变压器的基本关系式 划重点 理想变压器基本关系中的U1 U2 I1 I2均为有效值 U1与n1 n2共同决定U2 I2与n1 n2共同决定I1 P2决定P1 2 远距离输电 1 为什么要采用高压输电输电线上有电阻 电流通过时产生焦耳热引起电能损失 由P损 I2R线知 要减小电能在输电线上的损耗 可以有两种方法 减小输电导线的电阻 如采用电阻率低的材料 加大导线的横截面积 提高输电电压 减小输电电流 输送功率一定的情况下 第一种方法的作用十分有限 代价较高 所以实际中一般采用第二种方法 2 远距离高压输电的电路模式升压变压器建在离发电厂较近处 降压变压器建在离用户较近处 如图所示 3 远距离高压输电的基本关系 4 损失电功率 电压的计算方法 3 实验 探究变压器电压与线圈匝数的关系 1 实验原理原线圈通过交变电流时 铁芯中产生磁场 由于交变电流的大小和方向都在不断变化 铁芯中的磁场也在不断地变化 变化的磁场在副线圈中产生感应电动势 副线圈中就存在输出电压 本实验通过改变原 副线圈匝数 探究原 副线圈的电压与匝数的关系 2 实验注意事项 在改变学生电源电压 线圈匝数前均要先断开开关 再进行操作 为了人身安全 学生用的电源的电压不能超过12V 不能用手接触裸露的导线和接线柱 为了防止损坏多用电表 使用交流电压挡测电压时 先用最大量程挡试测 大致确定被测电压数值后再选用适当的挡位进行测量 核心方法重点突破 方法3理想变压器基本关系的问题 课标全国 2016 16 6分 一含有理想变压器的电路如图所示 图中电阻R1 R2和R3的阻值分别为3 1 和4 为理想交流电流表 U为正弦交流电压源 输出电压的有效值恒定 当开关S断开时 电流表的示数为I 当S闭合时 电流表的示数为4I 该变压器原 副线圈匝数比为 A 2B 3C 4D 5 例1 解析 答案 B 例1 突破点 1 关于理想变压器的四点说明 1 变压器不能改变直流电压 2 变压器只能改变交变电流的电压和电流 不能改变交变电流的频率 3 理想变压器本身不消耗能量 4 理想变压器基本关系中的U1 U2 I1 I2均为有效值 2 解决理想变压器问题的三种思路3 理想变压器关系式应用时的注意事项理想变压器的变压关系是一个普适关系 而电流比I1 I2 n2 n1则不然 它只适用于副线圈仅有一个的情况 而对副线圈有多个的情况 则应根据功率关系P入 P出 即U1I1 U2I2 U3I3 来找出各线圈间的电流关系 方法4理想变压器的动态分析问题 天津理综2016 5 6分 如图所示 理想变压器原线圈接在交流电源上 图中各电表均为理想电表 下列说法正确的是 A 当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时 R1消耗的功率变大B 当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时 电压表V示数变大C 当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时 电流表A1示数变大D 若闭合开关S 则电流表A1示数变大 A2示数变大 例2 解析 滑动变阻器的触头向上滑动时 滑动变阻器接入电路中的电阻变大 R1中的电流变小 R1消耗的功率变小 选项A错误 滑动变阻器的触头向上滑动时 R1两端的电压变小 电压表V示数变大 选项B正确 滑动变阻器的触头向上滑动时 副线圈电路的总电阻变大 总功率变小 原线圈的功率也变小 电流表A1的示数变小 选项C错误 闭合开关S R1两端的电压变大 电压表V两端电压变小 A2示数变小 选项D错误 答案 B 例2 方法5远距离输电的应用 安徽马鞍山2018二模 多选 图甲为远距离输电示意图 升压变压器原 副线圈匝数比为1 100 降压变压器原 副线圈匝数比为100 1 远距离输电线的总电阻为100 若升压变压器的输入电压如图乙所示 输入功率为750kW 下列说法正确的是 A 用户端交流电的频率为50HzB 用户端电压为250VC 输电线中的电流为30AD 输电线路损耗的功率为180kW 例3 解析 答案 AC 例3 突破点 1 远距离输电的处理思路对高压输电问题 应按 发电机 升压变压器 远距离输电线 降压变压器 用电器 或按从 用电器 倒推到 发电机 的顺序逐步分析 2 远距离高压输电的几个基本关系 以下图为例 3 远距离输电问题的 三二一 1 理清三个回路 2 抓住两个联系 3 掌握一个守恒能量守恒关系式P1 P损 P3 考法例析成就能力 考法4理想变压器的应用普通的交流电流表不能直接接在高压输电线路上测量电流 通常要通过电流互感器来连接 图中电流互感器ab一侧线圈的匝数较少 工作时电流为Iab cd一侧线圈的匝数较多 工作时电流为Icd 为了使电流表能正常工作 则 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 根据单一副线圈的理想变压器原理知电流比等于匝数比的倒数 可得ab接MN cd接PQ Iab Icd 故B正确 答案 B 例1 考法5理想变压器的动态分析 安徽理综2015 16 6分 图示电路中 变压器为理想变压器 a b接在电压有效值不变的交流电源两端 R0为定值电阻 R为滑动变阻器 现将变阻器的滑片从一个位置滑动到另一位置 观察到电流表A1的示数增大了0 2A 电流表A2的示数增大了0 8A 则下列说法正确的是 A 电压表V1示数增大B 电压表V2 V3示数均增大C 该变压器起升压作用D 变阻器滑片是沿c d的方向滑动 例2 解析 由于原 副线圈两端电压不变 电流表A2的示数增大 根据欧姆定律可知负载的总电阻减小 所以滑动变阻器的阻值变小 变阻器的滑片应沿c d的方向滑动 选项D正确 由于变压器原线圈两端的电压不变 因此电压表V1 V2的示数均不变 选项A B错误 因理想变压器I1n1 I2n2 可得 I1n1 I2n2 代入数据得n1 4n2 即变压器是降压变压器 起降压作用 选项C错误 答案 D 例2 考法6远距离输电如图所示为远距离输电的简化电路图 发电厂的输出电压是U 用等效总电阻是r的两条输电线输电 输电线路中的电流是I1 其末端间的电压为U1 在输电线与用户间连有一理想变压器 流入用户端的电流为I2 则 例3 解析 答案 A 例3 考法7特殊的变压器模型有一种调压变压器的构造如图所示 线圈AB绕在一个圆环形的铁芯上 C D之间加上输入电压 转动滑动触头P就可以调节输出电压 图中A为理想交流电流表 V为理想交流电压表 R1 R2为定值电阻 R3为滑动变阻器 C D两端接正弦交流电源 变压器可视为理想变压器 则下列说法正确的是 A 当R3不变 滑动触头P顺时针转动时 电流表读数变小 电压表读数变小B 当R3不变 滑动触头P逆时针转动时 电流表读数变小 电压表读数变小C 当P不动 滑动变阻器R3滑动触头向上滑动时 电流表读数变小 电压表读数变小D 当P不动 滑动变阻器R3滑动触头向下滑动时 电流表读数变大 电压表读数变大 例4 解析 答案 A 例4 考点40电磁振荡电磁波 必备知识全面把握核心方法重点突破方法6电磁波电磁波谱方法7对相对论的考查考法例析成就能力 1 麦克斯韦电磁场理论内容 变化的磁场产生电场 变化的电场产生磁场 理解 恒定的电场不产生磁场 恒定的磁场不产生电场 均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场 均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场 振荡电场产生同频率的振荡磁场 振荡磁场产生同频率的振荡电场注意 变化的电场和变化的磁场相互联系 形成不可分割的统一体 这就是电磁场 必备知识全面把握 2 电磁波 电磁波谱电磁波 概念 电磁场由近及远传播 形成电磁波 特点 电磁波是横波 电磁波的传播不需要介质 在真空中 电磁波的传播速度跟光速相同 即c 3 0 108m s 电磁波具有波的共性 和机械波一样 能产生反射 折射 干涉 衍射等现象 也是传播能量的一种形式 电磁波的传播速度v f 不同频率的电磁波在同一种介质中传播 波速不同 电磁场贮存电磁能 电磁波的发射过程就是辐射能量的过程 电磁波可以脱离 波源 而独立存在 电磁波谱概念 按电磁波的波长或频率大小的顺序将其排列成谱 叫电磁波谱 特点 从无线电波到 射线都是本质相同的电磁波 其行为服从共同的规律 但因波长 或频率 不同又表现出不同的特点 3 电磁波和机械波的比较 4 电磁振荡 1 振荡电流和振荡电路 振荡电流 大小和方向都周期性变化的电流叫振荡电流 振荡电路 能够产生振荡电流的电路叫振荡电路 最简单的振荡电路为LC振荡电路 2 电磁振荡在振荡电路产生振荡电流的过程中 电容器极板上的电压 电路中的电流以及跟电荷相联系的电场 跟电流相联系的磁场都在发生周期性的变化 这种现象叫电磁振荡 3 振荡的周期和频率 周期T 电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间 频率f 1s内完成的周期性变化的次数 公式 5 电磁波的发射和接收 1 发射 发射电路特点 由LC振荡电路产生足够高的振荡频率 振荡电路的电场和磁场分散到尽可能大的空间 在电磁波发射技术中 使电磁波随信号而改变的过程叫调制 调制可分为调幅和调频两种 使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变化 这种调制叫调幅 使高频电磁波的频率随信号的强弱而变化 这种调制叫调频 2 传播传播形式 横波形式三种方式 天波 利用电离层的反射 主要为中波 中短波与短波 地波 利用波在地面上传播时的衍射 为长波空间波 又称为直线波 利用波的直线传播 仅用于微波 需建中转站 3 接收调谐 使接收电路产生电谐振的过程叫调谐 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 这种现象叫电谐振 相当于机械振动中的共振 解调 从接收到的高频电流中还原出所携带的信号的过程叫解调 解调是调制的逆过程 调幅波的解调也叫检波 接受过程 天线接收到的所有电磁波 经调谐选择出所需要的电磁波 再经解调取出所携带的信号 经放大后还原成声音或图像 6 狭义相对论 1 狭义相对性原理 在不同的惯性参考系中 一切物理规律都是相同的 2 光速不变原理 真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的 3 爱因斯坦质能方程E mc2 式中m是物体的质量 c是真空中的光速 E是它具有的能量 4 其他假设 沿相对运动方向上 长度缩短 运动的钟比静止的钟走得慢 当物体运动时 质量增大 7 广义相对论 1 广义相对性原理在任何参考系中 物理规律都是相同的 这意味着惯性系中的运动定律 在非惯性系中都是相同的 但要满足相对性原理 2 等效原理一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价 这意味着 一个非惯性系 可以看成一个惯性系 只不过是它的后面有一个均匀的引力场 因为惯性力和引力在非惯性系中是分不清的 方法6电磁波电磁波谱 江苏物理2018 12B 1 4分 多选 梳子在梳头后带上电荷 摇动这把梳子在空中产生电磁波 该电磁波 A 是横波B 不能在真空中传播C 只能沿着梳子摇动的方向传播D 在空气中的传播速度约为3 108m s 核心方法重点突破 例 解析 摇动的梳子在空中产生电磁波 电磁波是横波 选项A正确 电磁波能在真空中传播 选项B错误 电磁波传播的方向与振动方向垂直 选项C错误 电磁波在空气中传播的速度约为光速 选项D正确 答案 AD突破点 电磁波的传播及波长 频率 波速 1 电磁波本身是一种物质 电磁波的传播不需要介质 可在真空中传播 在真空中不同频率的电磁波的传播速度是相同的 都等于光速 2 不同频率的电磁波 在同一介质中传播 其速度是不同的 频率越高 波速越小 3 波长 频率和波速三者关系 v f f是电磁波的频率 即为发射电磁波的LC振荡电路的频率 改变L或C 即可改变f 从而改变电磁波的波长 例 方法7对相对论的考查 多选 物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识 推动了科学技术的创新 促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步 根据狭义相对论 下列说法正确的是 A 真空中的光速是不变的B 运动的时钟变慢 运动的尺子缩短C 物体的质量取决于物体所含物质的多少 与物体的运动速度无关D 质量 长度 时间的测量结果都是随物体与观测者相对运动状态改变而改变 例2 解析 真空中的光速是不变的 故A正确 狭义相对论的几个基本结论 钟慢效应 运动的钟比静止的钟走得慢 而且运动速度越快 钟走得越慢 尺缩效应 在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短 故B正确 由相对论质量公式可知 当物体的速度很大时 其运动时的质量明显大于静止时的质量 故C错误 质量 长度 时间的测量结果都随物体与观测者相对运动状态的改变而改变 故D正确 答案 ABD突破点 解答此类问题要注意以下几点 1 真空中的光速在不同的惯性参考系中是相同的 光速与光源 观察者间的相对运动没有关系 2 牢记狭义相对论的基本假设 例2 谢谢观赏