適用于新高考新教材廣西專版2025屆高考物理一輪總復(fù)習(xí)第12章交變電流傳感器第1節(jié)交變電流的產(chǎn)生及其描述課件

第1節(jié)交變電流的產(chǎn)生及其描述第十二章【課程標(biāo)準(zhǔn)】

1.通過實(shí)驗(yàn),認(rèn)識交變電流。能用公式和圖像描述正弦式交變電流。2.了解發(fā)電機(jī)和電動機(jī)工作過程中的能量轉(zhuǎn)化。認(rèn)識電磁學(xué)在人類生活和社會發(fā)展中的作用。3.通過實(shí)驗(yàn),探究并了解變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系。了解從變電站到用戶的輸電過程,知道遠(yuǎn)距離輸電時(shí)用高電壓的道理【核心素養(yǎng)】

【試題情境】

【考向預(yù)測】

生活實(shí)踐類家用和工業(yè)電路、家用電器、磁電式電流表、發(fā)電機(jī)、變壓器、遠(yuǎn)距離輸電、無線充電學(xué)習(xí)探索類探究變壓器原、副線圈電壓關(guān)系問題,傳感器的簡單應(yīng)用等本章內(nèi)容屬于高考考查的熱點(diǎn),基本都是選擇題,有時(shí)出現(xiàn)在與電場綜合的壓軸題中。考查的具體內(nèi)容主要包括以下幾個方面:①交變電流的圖像及“四值”問題;②理想變壓器理解和應(yīng)用;③理想變壓器及遠(yuǎn)距離輸電與交變電流的產(chǎn)生、交變電流的圖像、電容器或二極管等結(jié)合問題強(qiáng)基礎(chǔ)增分策略一、正弦式交變電流的產(chǎn)生和變化規(guī)律1.產(chǎn)生如圖所示,在勻強(qiáng)磁場里,線圈繞

方向的軸勻速轉(zhuǎn)動時(shí),可產(chǎn)生正弦式交變電流,簡稱正弦式電流。

垂直于磁場2.中性面及其特點(diǎn)(1)定義:與磁場方向

的平面。

(2)特點(diǎn)①線圈位于中性面時(shí),穿過線圈的磁通量

,磁通量的變化率為

,感應(yīng)電動勢為

。

②線圈轉(zhuǎn)動一周,

次經(jīng)過中性面,線圈每經(jīng)過中性面一次,電流的方向就改變一次。

垂直最大零零23.圖像用以描述交變電流隨時(shí)間變化的規(guī)律,如果線圈從中性面位置開始計(jì)時(shí),其圖像為

曲線,如圖所示。

正弦Em僅由N、B、S、ω四個量決定,與軸的具體位置和線圈的形狀都無關(guān)4.變化規(guī)律(線圈在中性面位置開始計(jì)時(shí))(1)電動勢e隨時(shí)間變化的規(guī)律:e=

。

(2)電壓u隨時(shí)間變化的規(guī)律:u=

。

(3)電流i隨時(shí)間變化的規(guī)律:i=

。

其中ω是線圈轉(zhuǎn)動的

,Em=

。

易錯辨析

(1)交變電流的主要特征是電流的方向隨時(shí)間周期性變化。(

)(2)大小變化而方向不變的電流也叫交變電流。(

)(3)線圈經(jīng)過中性面時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大。(

)(4)在一個周期內(nèi),正弦式交變電流的方向改變兩次。(

)Emsin

ωtUmsin

ωtImsin

ωt角速度

NBSω√××√應(yīng)用提升1.右圖是一臺發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖,其中N、S是永久磁體的兩個磁極,它們的表面呈半圓柱面形狀。M是圓柱形鐵芯,它與磁極的柱面共軸,鐵芯上有一矩形線框,可繞與鐵芯M共軸的固定轉(zhuǎn)動軸旋轉(zhuǎn)。磁極與鐵芯之間的縫隙中形成方向沿半徑、大小近似均勻的磁場。若從圖示位置開始計(jì)時(shí),當(dāng)線框繞固定轉(zhuǎn)動軸勻速轉(zhuǎn)動時(shí),下列圖像能正確反映線框中感應(yīng)電動勢e隨時(shí)間t變化規(guī)律的是(

)答案

D解析

因發(fā)電機(jī)的兩個磁極N、S呈半圓柱面形狀,磁極間的磁感線如圖所示,磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小不變,僅方向發(fā)生改變,故線框在磁場中轉(zhuǎn)動時(shí)垂直切割磁感線,產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的大小不變,線框越過空隙后,由于線框切割磁感線方向發(fā)生變化,所以感應(yīng)電動勢的方向發(fā)生變化,綜上所述,D正確。二、描述交變電流的物理量1.周期和頻率(1)周期(T):交變電流完成

變化所需的時(shí)間,即線圈

所需的時(shí)間,單位是

,公式

。

(2)頻率(f):交變電流在

的次數(shù),單位是

。

2.交變電流的周期和頻率的關(guān)系T=

。

一次周期性轉(zhuǎn)一周秒(s)單位時(shí)間內(nèi)完成周期性變化赫茲(Hz)3.交變電流的“四值”(1)瞬時(shí)值:交變電流某一時(shí)刻的值,是時(shí)間的函數(shù)。(2)峰值:交變電流(電流、電壓或電動勢)所能達(dá)到的最大的值。(3)有效值:跟交變電流的

等效的

電流的值叫作交變電流的有效值。對正弦式交變電流,其有效值和峰值的關(guān)系為E=

,U=

,I=

。

不同時(shí)間內(nèi)的平均值一般不同(4)平均值:用E=

來計(jì)算。

易錯辨析

(5)最大值和有效值之間的

倍關(guān)系只適用于正弦式交變電流。(

)(6)交流電壓表及交流電流表的讀數(shù)均為峰值。(

)熱效應(yīng)恒定√×應(yīng)用提升2.(2022春黑龍江哈爾濱賓縣校級期末)圖甲為小型旋轉(zhuǎn)電樞式交流發(fā)動機(jī)的原理圖,其矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中繞著垂直于磁場方向的軸勻速轉(zhuǎn)動。線圈的匝數(shù)n=20、電阻r=5Ω,線圈的兩端經(jīng)集流環(huán)與R=45Ω的電阻連接,電流表和電壓表均為理想電表,若在t=0時(shí)刻,線圈平面與磁場方向垂直,穿過每匝線圈的磁通量Φ隨時(shí)間t按如圖乙所示的余弦規(guī)律變化,則下列說法正確的是(

)A.此交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的最大值為Em=31.4VB.t=0.4πs時(shí)刻,線圈處在與中性面垂直的位置C.線圈從圖示位置轉(zhuǎn)過90°過程中,通過線圈導(dǎo)線截面的電荷量為0.08CD.1min內(nèi)電阻R產(chǎn)生的焦耳熱為60J答案

C

3.(人教版教材選擇性必修第二冊P55“思考與討論”改編)某交變電流的i-t圖像如圖所示,則其電流的有效值為(

)答案

C增素能精準(zhǔn)突破考點(diǎn)一交變電流的產(chǎn)生及其變化規(guī)律[自主探究]1.變化規(guī)律(線圈從中性面位置開始計(jì)時(shí))2.兩個特殊位置及其特點(diǎn)

【對點(diǎn)演練】1.(2023廣西柳州模擬)為研究交變電流產(chǎn)生的規(guī)律,某研究小組把長60m的導(dǎo)線繞制成N=100匝的矩形閉合線圈,如圖所示?，F(xiàn)把線圈放到磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B=0.1T、方向水平向右的勻強(qiáng)磁場中,線圈可以繞其對稱軸OO'轉(zhuǎn)動?，F(xiàn)讓線圈從圖示位置開始(t=0)以恒定的角速度ω=10πrad/s轉(zhuǎn)動,下列說法正確的有(

)A.t=0時(shí),線圈位于中性面位置B.t=0.05s時(shí),感應(yīng)電流達(dá)到最大值C.當(dāng)bc=2ab時(shí),感應(yīng)電動勢的表達(dá)式為E=2πsin10πt(V)D.當(dāng)ab=ad時(shí),感應(yīng)電動勢的有效值最大D解析

t=0時(shí),線圈位于與中性面垂直的位置,故A錯誤。線圈的周期為T==0.2

s,t=0.05

s時(shí),線圈轉(zhuǎn)過90°,到達(dá)中性面位置,此時(shí)穿過的磁通量最大,感應(yīng)電流為零,故B錯誤。電動勢最大值為Em0=NBS0ω,S0=ab·bc,N(ab+bc)×2=60

m,2ab=bc,聯(lián)立可得Em0=2π(V),線圈從題中圖示位置(平行于磁場方向)開始轉(zhuǎn)動,因此感應(yīng)電動勢的表達(dá)式為E=2πcos

10πt

(V),故C錯誤。線圈周長為0.6

m,當(dāng)ab=ad時(shí),邊長相等,此時(shí)線圈面積最大,Em=NBSω,則感應(yīng)電動勢最大,即感應(yīng)電動勢的有效值最大,故D正確。2.(2023江蘇高三月考)假設(shè)兩人在赤道上站立,各自手握金屬繩OPO'的一端,繞東西方向的水平軸沿順時(shí)針方向勻速搖動,周期為T,將金屬繩連入電路,閉合回路如圖所示,取金屬繩在圖示的最高位置時(shí)為t=0時(shí)刻,則下列說法正確的是(

)A.電路中存在周期為T的變化電流B.t=0時(shí)刻,回路中磁通量最大,電路中電流最大A解析

由題意可知,赤道上空,地磁場方向從南向北平行于地面,金屬繩OPO'的運(yùn)動類比導(dǎo)線在磁場中切割磁感線,由右手定則判斷,電路中存在周期性變化的電流,故A正確;t=0時(shí)刻,回路磁通量最大,但磁通量的變化率最小,電考點(diǎn)二有效值的理解與計(jì)算[師生共研]方法規(guī)

律適

用公式法只適用于正弦式交變電流定義法計(jì)算時(shí)“相同時(shí)間”取一個周期或周期的整數(shù)倍非正弦式交變電流能量關(guān)系能量守恒定律以上方法不能解決的問題【典例突破】典例1.如圖甲所示電路,已知電阻R1=R2=R,和R1并聯(lián)的D是理想二極管(正向電阻可視為零,反向電阻為無窮大),在A、B之間加一個如圖乙所示的交變電壓(電壓為正值時(shí),UAB>0)。由此可知(

)A.在A、B之間所加的交變電壓的周期為2sB.在A、B之間所加的交變電壓的瞬時(shí)值表達(dá)式為u=20sin50πt(V)C.加在R1上電壓的有效值為10VD.加在R2上電壓的有效值為5V思維點(diǎn)撥

由圖像可得交變電流的周期,電壓最大值,依據(jù)u=Umsin

ωt可得交變電壓的瞬時(shí)值表達(dá)式。根據(jù)電流的熱效應(yīng),注意二極管的單向?qū)щ娦允沟冒雮€周期內(nèi)R1被短路,另半個周期內(nèi)R1與R2串聯(lián),從而可求解有效值。答案

D考題點(diǎn)睛

考點(diǎn)考向點(diǎn)睛有效值問題規(guī)律:據(jù)電流的熱效應(yīng)計(jì)算有效值方法:等效替代法,取一個周期分段計(jì)算熱量得出有效值易錯:二極管濾去一個方向的電流,不能隨意代入U(xiǎn)m=U【對點(diǎn)演練】3.(2023廣東實(shí)驗(yàn)中學(xué)月考)如圖甲所示,為某品牌電熱毯的簡易電路,電熱絲的電阻為R=484Ω,現(xiàn)將其接在u=220sin100πt(V)的正弦交流電源上,電熱毯被加熱到一定溫度后,溫控裝置P使輸入電壓隨時(shí)間t的變化圖線變?yōu)閳D乙所示的波形,從而進(jìn)入保溫狀態(tài),若電熱絲的電阻保持不變,則保溫狀態(tài)下,理想交流電壓表V的示數(shù)最接近下列哪一組數(shù)據(jù)(

)A.220V B.156VC.110V D.311VB4.(多選)(2023廣東廣州三模)為發(fā)展新能源,某科研小組制作了一個小型波浪發(fā)電機(jī),磁體固定在水中,S極上套有一個浮筒,浮筒上繞有線圈,其截面示意圖如圖甲所示。浮筒可隨波浪上下往復(fù)運(yùn)動切割磁感線而產(chǎn)生電動勢,線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化,如圖乙所示,線圈電阻r=2Ω,把線圈與阻值r=8Ω的小燈泡串聯(lián),小燈泡恰好正常發(fā)光。下列說法正確的是(

)A.小燈泡的額定電壓為3VB.線圈中電流的有效值為0.5AC.發(fā)電機(jī)的輸出功率為1.28WD.一周期內(nèi)線圈產(chǎn)生的焦耳熱為0.128JCD解析

感應(yīng)電動勢有效值為4

V,此時(shí)小燈泡正好正常發(fā)光,小燈泡的額定電壓U=3.2

V,線圈中的電流的有效值I=0.4

A,故A、B錯誤。發(fā)電機(jī)輸出功率為P=UI=1.28

W,故C正確。根據(jù)焦耳定律,一周期內(nèi)線圈產(chǎn)生的焦耳熱為Q=I2rT=0.128

J,故D正確?？键c(diǎn)三交變電流“四值”的比較[名師破題]交變電流的瞬時(shí)值、峰值、有效值和平均值的比較

物理量物理含義重要關(guān)系應(yīng)用情況及說明瞬時(shí)值交變電流某一時(shí)刻的值e=Emsin

ωt,u=Umsin

ωt,i=Imsin

ωt計(jì)算線圈某時(shí)刻的受力情況峰值(最大值)最大的瞬時(shí)值Em=nBSω,Em=nΦmω,當(dāng)考慮某些電學(xué)元件(電容器、晶體管等)的擊穿電壓時(shí),指的是交流電壓的最大值【典例突破】典例2.(多選)圖甲為旋轉(zhuǎn)電樞式交流發(fā)電機(jī)的原理圖,多匝矩形線圈在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中繞垂直于磁場方向的固定軸OO'勻速轉(zhuǎn)動,線圈的兩端經(jīng)集流環(huán)和電刷與可變電阻R連接,與R并聯(lián)的交流電壓表為理想電表,當(dāng)R=10Ω時(shí)電壓表示數(shù)是10V。已知線圈的內(nèi)阻為r=5Ω,圖乙是矩形線圈磁通量Φ隨時(shí)間t變化的圖像,則(

)A.可變電阻R消耗的電功率為10WB.穿過線圈磁通量的最大值為

WbC.R兩端的電壓u隨時(shí)間t變化的規(guī)律是u=14.1sin100πt(V)D.調(diào)節(jié)可變電阻R的大小,其消耗的最大電功率可以達(dá)到11.25W思路突破

(1)根據(jù)“當(dāng)R=10

Ω時(shí)電壓表示數(shù)是10

V”計(jì)算電阻R消耗的功率;根據(jù)閉合電路歐姆定律計(jì)算交流電源的電動勢的有效值,然后計(jì)算最大值;由圖乙得出角速度。(2)當(dāng)R=r時(shí)可變電阻消耗的功率最大。答案

AD【對點(diǎn)演練】5.(2023江西宜春期末)如圖所示,在光滑絕緣水平桌面上建立一個直角坐標(biāo)系,在坐標(biāo)系的第一、四象限的兩塊區(qū)域內(nèi)分別存在垂直于桌面向下、向上的勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為1.0T,磁場邊界線的方程為y=0.5sin2πx(m)(0≤x≤1.0m)。在水平桌面上靜置一個長1m、寬0.5m的矩形單匝導(dǎo)線框abcd,其電阻R=1Ω,ab、dc邊與x軸平行,在拉力F的作用下,線框從圖示位置開始沿x軸正方向以