2019_2020學(xué)年高考物理主題3電磁場(chǎng)與電磁波初步4交變電流變壓器學(xué)案（必修3）.docx

4交變電流變壓器學(xué)科素養(yǎng)與目標(biāo)要求物理觀念：1.了解交變電流是怎樣產(chǎn)生的.2.了解交變電流的變化規(guī)律、圖象及描述交變電流的物理量.3.了解變壓器的構(gòu)造，知道變壓器改變交變電壓的原理.科學(xué)探究：1.通過實(shí)驗(yàn)，探究交變電流的產(chǎn)生.2.通過實(shí)驗(yàn)探究總結(jié)變壓器原、副線圈的電壓和匝數(shù)的關(guān)系.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：1.了解發(fā)電機(jī)的發(fā)明和交變電流的利用對(duì)促進(jìn)人類社會(huì)進(jìn)步的作用，進(jìn)一步體會(huì)科學(xué)、技術(shù)與社會(huì)生活之間的密切聯(lián)系.2.體驗(yàn)科學(xué)探究過程，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析論證能力.一、交流發(fā)電機(jī)1.發(fā)電原理：由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)使得穿過線圈的磁通量發(fā)生變化，在線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).2.交變電流：大小、方向隨時(shí)間做周期性變化的電流，簡(jiǎn)稱交流.方向不隨時(shí)間變化的電流叫直流.二、正弦式交變電流的變化規(guī)律1.定義：電流、電壓隨時(shí)間按正弦函數(shù)的規(guī)律變化的交流電叫做正弦式交變電流，簡(jiǎn)稱正弦式電流.2.圖象：正弦圖象.3.表達(dá)式：iImsin t，uUmsint，eEmsint，式中Im、Um、Em分別是電流、電壓、電動(dòng)勢(shì)的最大值，叫做交流的峰值.4.交變電流的周期和頻率(1)交變電流完成一次周期性變化所需的時(shí)間叫做它的周期，通常用T表示，單位是秒.交變電流在1s內(nèi)發(fā)生周期性變化的次數(shù)，叫做它的頻率，通常用f表示，單位是赫茲，簡(jiǎn)稱赫，符號(hào)是Hz.(2)周期和頻率的關(guān)系為T或f.5.交變電流的有效值(Ue、Ie)(1)交變電流的有效值是根據(jù)電流的熱效應(yīng)來規(guī)定的：把交流和直流分別通過相同的電阻，如果在相同的時(shí)間內(nèi)它們產(chǎn)生的熱量相等，我們就把這個(gè)直流電壓、電流的數(shù)值叫做這一交流的有效值.(2)對(duì)正弦式交變電流，其有效值和峰值之間存在著如下的關(guān)系：Ie0.707ImUe0.707Um三、變壓器1.變壓器的結(jié)構(gòu)(1)變壓器由鐵芯和繞在鐵芯上的兩個(gè)線圈組成.(2)原、副線圈原線圈：與電源(或前一級(jí)電路)連接的線圈叫原線圈(也叫初級(jí)線圈).副線圈：與負(fù)載(或下一級(jí)電路)連接的線圈叫副線圈(也叫次級(jí)線圈).2.變壓器的工作原理(1)原理電磁感應(yīng)現(xiàn)象是變壓器工作的基礎(chǔ).當(dāng)原線圈中的電流變化時(shí)，在鐵芯中就會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，就會(huì)引起副線圈中的磁通量的變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).(2)變壓器的作用：能改變交變電流的電壓，不改變交變電流的周期和頻率.判斷下列說法的正誤.(1)交變電流的方向隨時(shí)間做周期性變化.()(2)跟交流具有相同熱效應(yīng)的直流的值是交流的有效值.()(3)變壓器也能改變恒定直流電的電壓.()(4)當(dāng)原線圈匝數(shù)比副線圈匝數(shù)多時(shí)，該變壓器是升壓變壓器.()一、交變電流的產(chǎn)生1.交流發(fā)電機(jī)的組成交流發(fā)電機(jī)通常包括固定不動(dòng)的“定子”和能夠連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的“轉(zhuǎn)子”.2.發(fā)電機(jī)原理當(dāng)閉合線圈在磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，穿過線圈的磁通量發(fā)生變化，因而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流.線圈做周期性的運(yùn)動(dòng)，在線圈中就產(chǎn)生了大小和方向隨時(shí)間做周期性變化的交變電流.3.發(fā)電機(jī)的分類(1)旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)：線圈在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn).線圈(電樞)是轉(zhuǎn)子，磁體是定子，如圖1甲所示.(2)旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)：磁體轉(zhuǎn)動(dòng)，是轉(zhuǎn)子；線圈不動(dòng)，是定子.如圖乙所示.無論線圈轉(zhuǎn)動(dòng)，還是磁體轉(zhuǎn)動(dòng)，都是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)使得穿過線圈的磁通量發(fā)生變化，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).圖14.直流電和交變電流(1)直流電：方向不隨時(shí)間變化的電流，稱為直流電，簡(jiǎn)稱直流，用字母“DC”或符號(hào)“”表示.(2)交變電流：大小、方向隨時(shí)間做周期性變化的電流，稱為交變電流，簡(jiǎn)稱交流，用字母“AC”或符號(hào)“”表示.注意：電流方向隨時(shí)間做周期性變化，是交流電的最主要特征，也是交流電與直流電最主要的區(qū)別.例1(多選)如圖2所示為交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理示意圖，當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中緩慢勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，觀察電流表的指針，可以判斷()圖2A.指針隨著線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)而擺動(dòng)，并且線圈轉(zhuǎn)動(dòng)一周指針左右擺動(dòng)一次B.當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)動(dòng)到跟磁感線平行時(shí)，電流表指針的偏轉(zhuǎn)角最大C.當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)動(dòng)到跟磁感線垂直時(shí)，電流表指針的偏轉(zhuǎn)角最大D.因線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)是勻速的，則線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流是周期性的答案ABD解析這是一個(gè)旋轉(zhuǎn)電樞式交流發(fā)電機(jī)模型，當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流都隨時(shí)間變化，線框轉(zhuǎn)動(dòng)一周，完成一個(gè)周期性變化，對(duì)應(yīng)的指針左右擺動(dòng)一次，故選項(xiàng)A正確；當(dāng)線圈平面跟磁感線平行時(shí)，穿過線圈的磁通量為零，但線圈的兩條邊切割磁感線，此時(shí)的速度方向跟磁感線垂直，所以線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電流也最大，所以B項(xiàng)正確；當(dāng)線圈平面跟磁感線垂直時(shí)，穿過線圈的磁通量最大，但此時(shí)速度方向平行于磁感線，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流均為零，所以選項(xiàng)C錯(cuò)誤；因線圈是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的，那么產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流就是周期性變化的，故D項(xiàng)正確.例2(多選)下圖中屬于交變電流的是()答案BC解析根據(jù)交變電流的定義判斷，大小、方向隨時(shí)間做周期性變化的電流叫做交變電流，符合此定義的是B、C兩圖，A、D兩圖中只是電流的大小變化，方向未變，不符合定義.二、交變電流的變化規(guī)律及描述1.正弦式交流電的變化規(guī)律：(1)電流、電壓隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化.(2)圖象為正弦曲線(如圖3所示)：圖32.描述交流電的各物理量的關(guān)系(1)周期(T)與頻率(f)周期與頻率互為倒數(shù)關(guān)系，即T或f.(2)有效值：交流的有效值是根據(jù)電流的熱效應(yīng)規(guī)定的：把交流和直流分別通過相同的電阻，如果在相等的時(shí)間里它們產(chǎn)生的熱量相等，就把這個(gè)直流電壓、電流的數(shù)值，叫該交變電流的有效值.正弦式交流電的有效值和峰值(最大值)的關(guān)系：I，U，E.3.說明(1)我們通常說家庭電路的電壓是220V，是指有效值.各種使用交變電流的電器設(shè)備上所標(biāo)的是額定電壓和額定電流的有效值，一般交流電流表和交流電壓表測(cè)量的數(shù)值也都是有效值.(2)對(duì)電容器來說，其擊穿電壓值應(yīng)小于交流的最大值.(3)以后提到交變電流的數(shù)值，凡沒有特別說明的，都是指有效值.例3(多選)一個(gè)按正弦函數(shù)規(guī)律變化的交變電流的et圖象如圖4所示，根據(jù)圖象可以斷定()圖4A.交變電流的頻率f0.2HzB.交變電流電動(dòng)勢(shì)的最大值是220VC.交變電流電動(dòng)勢(shì)的有效值是220VD.把此交流電接在阻值為100的電阻兩端，其發(fā)熱功率為484W答案BD解析從題圖中可以看出，交變電流電動(dòng)勢(shì)的最大值為Em220 V，有效值為E220V，周期為T0.02s，所以頻率為f50Hz電阻R的發(fā)熱功率PW484W.學(xué)科素養(yǎng)本題通過交變電流的圖象考查了對(duì)交變電流的認(rèn)識(shí)及描述交變電流的物理量間的關(guān)系，鍛煉了識(shí)圖、用圖的能力和數(shù)學(xué)知識(shí)與物理知識(shí)相結(jié)合的綜合能力，這正是學(xué)科素養(yǎng)“科學(xué)思維”的體現(xiàn).例4某一電熱器接在U110V的直流電源上，每秒產(chǎn)生的熱量為Q；現(xiàn)把它改接到交流電源上，每秒產(chǎn)生的熱量為2Q，則該交流電壓的最大值Um是()A.110VB.110VC.220VD.220V答案C解析設(shè)電熱器的電阻為R，當(dāng)電熱器接在U110V的直流電源上時(shí)，Qt當(dāng)電熱器改接到交流電源上時(shí)，2Qt聯(lián)立解得Um2U220V，故選C.三、變壓器的結(jié)構(gòu)及原理1.變壓器的結(jié)構(gòu)變壓器組成如圖5所示：圖5(1)線圈：由漆包線繞制而成.原線圈連接前一級(jí)電路，副線圈連接下一級(jí)電路.(2)鐵芯：由硅鋼片疊合而成.(3)變壓器的符號(hào)：如圖6所示.圖62.變壓器的工作原理(1)變壓器工作的基本原理和發(fā)電機(jī)一樣，也是電磁感應(yīng)現(xiàn)象.(2)當(dāng)原線圈上加交變電壓時(shí)，原線圈中就有交變電流，鐵芯中產(chǎn)生交變的磁通量，如果副線圈是閉合的，則副線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，在原、副線圈中由于有交變電流而發(fā)生互感現(xiàn)象.(3)穿過每匝線圈中的磁通量的變化率是一樣的，因此每匝線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小相等，匝數(shù)越多，總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大.(4)能量轉(zhuǎn)換：變壓器是把電能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能，又把磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置.例5下圖中，屬于升壓變壓器且能使燈泡發(fā)光的電路是()答案C解析變壓器不改變直流的電壓，A、D錯(cuò)；升壓變壓器的原線圈比副線圈的匝數(shù)少，B錯(cuò)，C對(duì).四、變壓器的規(guī)律及應(yīng)用1.變壓器的規(guī)律(1)電壓關(guān)系設(shè)原線圈匝數(shù)n1，輸入電壓U1，副線圈匝數(shù)n2，輸出電壓U2，則.n1n2，是降壓變壓器，用戶附近的變電室內(nèi)的變壓器一般是降壓變壓器.n1n2，是升壓變壓器，發(fā)電站出來的電壓一般要先經(jīng)過升壓變壓器升壓.(2)頻率關(guān)系變壓器輸出電壓與輸入電壓的頻率相等.(3)功率關(guān)系對(duì)于理想變壓器，由于不考慮能量損失，由能量守恒得P入P出，即P1P2.(4)電流關(guān)系由P1P2，即I1U1I2U2，又，所以(適用于只有一個(gè)原、副線圈的情況).2.變壓器的應(yīng)用(1)變壓器在電器設(shè)備中的應(yīng)用：電器設(shè)備接220V交流電，若工作電壓低于220V，則設(shè)備內(nèi)需裝降壓變壓器.若工作電壓高于220V，則需裝有升壓變壓器.(2)變壓器在高壓輸電電路中的應(yīng)用：在輸電電路中，為減小輸電線路的功率損耗，根據(jù)PI2R和PUI可知需采用高壓輸電，在電源一側(cè)采用升壓變壓器將電壓升高，在用戶一側(cè)采用降壓變壓器將電壓降低，輸電線路如圖7.圖7例6一臺(tái)理想變壓器，其原線圈2200匝，副線圈440匝，并接一個(gè)100的負(fù)載電阻，如圖8所示.圖8(1)當(dāng)原線圈接在44V直流電源上時(shí)，理想電壓表示數(shù)為V，理想電流表示數(shù)為A.(2)當(dāng)原線圈接在220V交流電源上時(shí)，理想電壓表示數(shù)為V，理想電流表示數(shù)為A，此時(shí)輸入功率為W.答案(1)00(2)440.4419.36解析(1)原線圈接在直流電源上時(shí)，由于原線圈中的電流恒定，所以穿過原、副線圈的磁通量不發(fā)生變化，副線圈兩端不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，故電壓表示數(shù)為零，電流表示數(shù)也為零.(2)由得：電壓表讀數(shù)為U2U1220V44V電流表讀數(shù)為I2A0.44AP入P出I2U20.4444W19.36W.針對(duì)訓(xùn)練一臺(tái)理想變壓器，原、副線圈的匝數(shù)比n1n2201，原線圈接入220V的交流電壓，副線圈向一電阻為110的純電阻用電器供電，則副線圈中的電流為()A.2AB.0.1AC.0.5AD.0.005A答案B解析由于，故U2U1220V11V，故副線圈電流I20.1A，B對(duì).1.(正弦交流電的規(guī)律)(多選)某交變電流電壓的表達(dá)式為u220sin (100t) V，關(guān)于這個(gè)交變電流的下列說法中正確的是()A.頻率為100HzB.電壓的有效值為220VC.電壓的峰值為311VD.周期為0.05s答案BC解析由表達(dá)式可直接求出電壓的峰值Um220V311V，有效值Ue220V，故B、C選項(xiàng)正確；因100rad/s，故交變電流的周期T0.02s，頻率fHz50Hz，故A、D選項(xiàng)錯(cuò)誤.2.(描述交變電流的物理量)(多選)下列說法正確的是()A.使用交流電的用電器設(shè)備所標(biāo)示的額定電壓、額定電流的數(shù)值均為最大值B.用交流電流表和交流電壓表測(cè)得的數(shù)值是有效值C.照明電路電壓為220V指的是有效值D.耐壓值為220V的電容器可以直接接在220V照明電路上答案BC解析各種使用交流電的用電器銘牌上所標(biāo)的數(shù)值均為有效值，故A項(xiàng)錯(cuò)誤；交流電表測(cè)量值為有效值，故B項(xiàng)正確；照明電路電壓為220V是有效值，故C項(xiàng)正確；照明電路電壓的有效值為220V，最大值為220V311V，大于電容器的耐壓值，故D項(xiàng)錯(cuò)誤.3.(變壓器的規(guī)律)一臺(tái)理想降壓變壓器從10kV的線路中降壓并提供200A的負(fù)載電流.已知兩個(gè)線圈的匝數(shù)比為401，則變壓器的輸出電壓及輸出功率是()A.250V,50kWB.10kV,200kWC.250V,200kWD.10kV,2103kW答案A解析由得U2V250V，P出U2I2200250W50kW，故選項(xiàng)A正確.4.(變壓器的規(guī)律)如圖9所示的理想變壓器，它的原線圈接在交流電源上，副線圈接一個(gè)標(biāo)有“12V100W”的燈泡，已知變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為181，那么小燈泡正常工作時(shí)，圖中的理想交流電壓表的讀數(shù)為V，理想交流電流表的讀數(shù)為A.圖9答案2160.46解析兩電表的讀數(shù)均為原線圈的電壓和電流的有效值.由公式得U1U21812V216V，由公式得I1I2A0.46A.一、選擇題考點(diǎn)一交流電的理解1.(多選)關(guān)于交變電流與直流電的說法中，正確的是()A.如果電流大小做周期性變化，則一定是交變電流B.直流電的大小可以變化，但方向一定不變C.交變電流一定是按正弦或余弦規(guī)律變化的D.交變電流的最大特征就是電流的方向發(fā)生周期性變化答案BD2.(多選)關(guān)于交流發(fā)電機(jī)，下列說法正確的是( )A.基本構(gòu)造分定子、轉(zhuǎn)子兩部分B.必須是線圈轉(zhuǎn)動(dòng)C.電流方向變化的原因是線圈切割磁感線運(yùn)動(dòng)的方向變了D.電流大小變化的原因是線圈轉(zhuǎn)的時(shí)快時(shí)慢答案AC考點(diǎn)二交流電的描述3.如圖1所示的電路中，已知交流電源電壓u200sin(100t) V，電阻R100，則理想交流電流表和理想交流電壓表的示數(shù)分別為()圖1A.1.41A200VB.1.41A141VC.2A200VD.2A141V答案B解析由交流電壓的表達(dá)式知電壓的峰值是200V，而電壓表的示數(shù)為有效值UeV141V，電流表的示數(shù)為有效值IeA1.41A，故B項(xiàng)正確.4.如圖2所示是一正弦交變電流的電流圖象，此正弦交變電流的頻率和電流的有效值分別為()圖2A.50Hz,10AB.50Hz,5AC.100Hz,10AD.100Hz,5A答案B解析由題圖象可知此交流電的周期T0.02s，故頻率f50Hz；由題圖圖象可知此交流電電流的最大值為10A，故其有效值為A5A.5.(多選)在相同的時(shí)間內(nèi)，某正弦交變電流通過一阻值為100的電阻產(chǎn)生的熱量，與一電流為3A的直流電通過同一阻值的電阻產(chǎn)生的熱量相等，則()A.此交變電流的有效值為3A，峰值為3AB.此交變電流的有效值為3A，峰值為6AC.電阻兩端交流電壓的有效值為300V，峰值為300VD.電阻兩端交流電壓的有效值為300V，峰值為600V答案AC解析根據(jù)有效值的定義知，交變電流的有效值即為等效直流電的電流值，為3A；根據(jù)正弦式交變電流峰值與有效值的關(guān)系，得交變電流的峰值為3A，根據(jù)歐姆定律，得交流電壓的有效值UeIeR3100V300V，峰值UmImR3100V300V.6.一只“220V100W”的燈泡接在u311sin (314t) V的交流電源上，則下列說法中錯(cuò)誤的是()A.通過燈泡的電流為0.64AB.與燈泡串聯(lián)的理想交流電流表示數(shù)為0.45AC.燈泡能正常發(fā)光D.與燈泡并聯(lián)的理想交流電壓表示數(shù)為220V答案A解析該交流電源的有效值為UV220V，選項(xiàng)D正確；通過燈泡的電流為IA0.45A，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，選項(xiàng)B正確；燈泡的額定電流為IA0.45A，與實(shí)際電流相等，所以燈泡能正常發(fā)光，選項(xiàng)C正確.考點(diǎn)三變壓器7.關(guān)于理想變壓器，下面各說法中正確的是()A.它的輸出功率可以大于它的輸入功率B.它不僅可以改變交流電壓還可以改變直流電壓C.原、副線圈兩端的電壓與它們的匝數(shù)成正比D.原、副線圈的電流與它們的匝數(shù)成正比答案C解析理想變壓器的輸出功率等于輸入功率，A錯(cuò)；變壓器不能改變直流電壓，B錯(cuò)；原、副線圈兩端的電壓與它們的匝數(shù)成正比，通過原、副線圈的電流與它們的匝數(shù)成反比，C對(duì)，D錯(cuò).8.把直流電源接到變壓器的原線圈上，變壓器卻不能改變直流電壓.其原因是()A.沒有磁通量通過原線圈B.沒有磁通量通過副線圈C.通過原、副線圈的磁通量沒有變化D.通過原、副線圈的磁通量不相等答案C解析直流電的磁場(chǎng)是不變的，所以通過原、副線圈的磁通量就不變，也就不能在副線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，故C選項(xiàng)正確.9.有一臺(tái)理想變壓器，已知副線圈有400匝.現(xiàn)把原線圈接到220V的交流電的線路中，測(cè)得副線圈的電壓是55V，則原線圈的匝數(shù)為()A.100匝B.25匝C.1600匝D.110匝答案C解析由得，所以n11600匝.10.如圖3所示，一理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為12；副線圈電路中接有燈泡，燈泡的額定電壓為220V，額定功率為22W；原線圈電路中接有電壓表和電流表(均為理想電表).現(xiàn)閉合開關(guān)，燈泡正常發(fā)光.若用U和I分別表示此時(shí)電壓表和電流表的讀數(shù)，則()圖3A.U110V，I0.2AB.U110V，I0.05AC.U110V，I0.2AD.U110V，I0.2A答案A解析副線圈中的電壓、電流分別為220V、0.1A.根據(jù)電壓、電流與線圈