2019版高考物理江苏版一轮配套课件：专题十二 交变电流 传感器 精品

由导体本身(长短、粗细 由线圈本身的自感系数 由电容的大小和交流电的频率决定 、材料)决定,与温度有关 和交流电的频率决定
电能的转 电流通过电阻做功,电能 电能和磁场能往复转化 电能与电场能往复转化 化与做功 转化为内能
例4 某电源输出的电流既有交流成分又有直流成分,而我们只需要稳 定的直流,下列设计的电路图中,能最大限度使圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线且与线 圈在同一平面内的轴匀速转动,转速为n,线圈所围面积内的磁通量Φ随 时间t变化的规律如图所示,图像中Φ0为已知。则下列说法正确的是 (D)
A.t1时刻线圈中感应电动势最大
B.t2时刻线圈中感应电流为零
C.匀强磁场的磁感应强度大小为
0 Na 2
(3)电动势的有效值E= Em
2
线圈匀速转动的周期T=0.02 s 线圈匀速转动一圈,外力做功大小等于电功的大小,即
E 2T
W外力= R r = (
Em2 T 2 )2 (R
r)
=98.6
J
(4)Q= I Δt。
从图示位置转过90°的过程中,流过R的电荷量
Q= NΦ Δt= NBS =0.1 C
2.正弦式交变电流的产生和图像 (1)产生:在匀强磁场里,线圈绕垂直于③ 磁场 方向的轴匀速转动。
(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④ 两 次。 (4)图像:用以描述交变电流随时间变化的规律,如果线圈从⑤ 中性面
位置开始计时,其图像为正弦曲线。如图甲、乙所示。
【解析】 设交流电的有效值为I,令该交变电流通过一阻值为R的纯电
阻,在一个周期内有:I2RT= I12
RT
2
+
I
2 2
RT
2
,所以该交流电的有效值为I=
I12
I
2 2
=5
A。
2
三、交变电流“四值”的理解和计算 交变电流的瞬时值、峰值、有效值和平均值的比较
例3 如图所示,N=50匝的矩形线圈abcd,边长ab=20 cm,ad =25 cm,放在 磁感应强度B=0.4 T 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=3 000 r/min的转速匀速转动,线圈电阻r=1 Ω,外 电路电阻R=9 Ω,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。 (1)求t=0时感应电流的方向; (2)写出线圈感应电动势的瞬时值表达式; (3)线圈转一圈外力做功多大? (4)从图示位置转过90°过程中流过电阻R的电荷量是多少?
大值,Em=⑥ nBSω 。 (3)有效值:跟交变电流的热效应等效的恒定电流的值叫做交变电流的
有效值。对正弦交流电,其有效值和峰值的关系为:E= Em ,U= Um ,I=
2
2
Im 。
2
三、电感和电容对交变电流的影响 1.电感对交变电流的阻碍作用 电感对交变电流阻碍作用的大小用⑦ 感抗 表示,线圈的自感系数越 大,交变电流的频率越高,产生的自感电动势就越大,对交变电流的阻碍 作用越大,感抗就越大。所以电感具有“通直流、阻⑧ 交流 ,通低 频、阻⑨ 高频 ”的作用。 2.电容器对交变电流的阻碍作用 电容对交流电的阻碍作用叫做⑩ 容抗 。电容器的电容越大,交流电 的频率越高,充、放电进行得越快,容抗就越小。可见,电容器具有“隔 直流、通交流,阻低频、通高频”的作用。
<重点难点>
一、交变电流的变化规律 1.交变电流相关物理量的变化规律(线圈从中性面位置开始计时)
2.交变电流瞬时值表达式的书写规律 (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。如: ①线圈从中性面位置开始转动,则i-t图像为正弦函数图像,函数式为i=Im sin ωt。 ②线圈从垂直中性面位置开始转动,则i-t图像为余弦函数图像,函数式 为i=Im cos ωt。
二、远距离输电
1.减少输电电能损失的两种方法
(1)减小输电线的电阻:根据电阻定律R=ρ l ,要减小输电线的电阻R,在保
S
证输电距离不变的情况下,可采用减小材料的④ 电阻率 、增大导线
的⑤ 横截面积 等方法。 (2)减小输电导线中的电流:在输电功率一定的情况下,根据P=UI,要减小 电流,必须提高⑥ 电压 。 2.远距离高压输电的几个基本关系
【解析】 在电路中,电容的作用为通交流,隔直流,B、C图中R2与电容 串联,所以R2不能获得稳定直流,B、C错;在A电路图中,自感系数大的线 圈阻挡高频交流电,与R2并联的大电容通过低频交流电,能获得稳定的 直流,A正确;在D电路图中,电容C小,通高频,阻低频,则低频成分通过R2 不符合要求,D错。
【解题引导】
【解析】 (1)线圈中感应电流方向为a→d→c→b。 (2)线圈的角速度ω=2πn=100π rad/s 设ab边在t=0时刻速度为vab,此时感应电动势最大,其大小为
Em=2NB ab ·vab
=NBab·ad ·ω
=50×0.4×0.20×0.25×100π V=314 V 电动势的瞬时值表达式为e=314 cos 100πt (V)。
高考物理
专题十二 交变电流 传感器
知识清单
考点一 交变电流的产生及描述 <基础知识>
一、交变电流的产生 1.交变电流 (1)定义:大小和① 方向 都随时间做周期性变化的电流。 (2)图像:如图(a)、(b)、(c)、(d)所示都属于交变电流。其中按正弦规律 变化的交变电流叫② 正弦式 交变电流,如图(a)所示。
A.电流频率为100 Hz B. 的读数为24 V C. 的读数为0.5 A D.变压器输入功率为6 W
【解析】 由u1=12 2 sin 100πt(V)可知,Um=12 2 V,ω=100π Hz,则频率
f=
ω 2
=50
Hz,A项错误。U1=
U
m
2
=12
V,U2=
n2 n1
·U1=6
V,B项错误。I2=URL2
(1)理想的升压变压器联系着回路1和回路2,由变压器原理可得:线圈1
(匝数为n1)和线圈2(匝数为n2)中各个量间的关系是
U1 U2
=
n1 n2
,
I1 I2
=
n2 n1
,P1=
P2。
(2)理想的降压变压器联系着回路2和回路3,由变压器原理可得:线圈3
。 (匝数为n3)和线圈4(匝数为n4)中各个量间的关系是
I
2 线
R线=
P2 U2
2
R线。
当输送功率一定时,输电电压增大到原来的n倍,输电线上损耗的功率就
减小到原来的 1 。
n2
一、理想变压器的分析与计算
例5 如图,理想变压器原、副线圈匝数比n1∶n2=2∶1, 和 均为理 想电表,灯泡电阻RL=6 Ω,AB端电压u1=12 2 sin 100πt(V)。下列说法正 确的是 ( D )
用平均值)求解,求解电荷量时只能用交变电流的平均值(不能用有效值)
计算。
4.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=U 2 t可分别求得电流有效值和电压有效值。
考点二 变压器 远距离输电 <基础知识>
一、理想变压器 1.构造和原理 (1)构造:如图所示,变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成 的。
(2)原理:互感现象。
2.基本关系式
(1)功率关系:P入① = P出。
(2)电压关系:U1 ② = U2 。
n1
n2
有多个副线圈时U1 =U2 =U3 =…。
=1
A,C项错误。P1=P2=U2I2=6 W,D项正确。
二、远距离输电问题的“三二二” 1.理清三个回路
回路1:发电机回路。该回路中,通过线圈1的电流I1等于发电机中的电流I机; 线圈1两端的电压U1等于发电机的路端电压U机;线圈1输入的电功率P1等于 发电机输出的电功率P机。 回路2:输送电路。I2=I3=IR,U2=U3+ΔU,P2=ΔP+P3。 回路3:输出电路。I4=I用,U4=U用,P4=P用。 2.抓住两个联系
R
(4)若图像的一部分是正弦(或余弦)曲线,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I= Im 、U=Um 求解。
2
2
例2 如图所示,表示一交流电的电流随时间变化的图像,此交流电的有 效值是 ( D )
A.5 2 A B.3.5 2 A C.3.5 A D.5 A
(1)功率关系:P1=P2,P3=P4,P2=P损+P3。
(2)电压、电流关系: U1
U2
=
n1 n2
=
I2 I1
,U3
U4
=
n3 n4
=
I4 I3
,U2=ΔU+U3,I2=I3=I线。
(3)输电电流:I线= P2 = P3 =U2 U3 。
U2 U3
R线
(4)输电线上损耗的电功率:P损=I线ΔU=
通量的定义可得Φ0=Ba2,B=
0 a2
,C项错误;线圈中瞬时感应电动势的表达
式为e=NBSω·cos ωt=2NπΦ0n cos 2πnt,D项正确。
二、交流电有效值的理解 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.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)“交流的最大值是有效值的 倍”仅用于正弦式电流。 3.交流电通过电阻产生的焦耳热的2 计算只能用交变电流的有效值(不能
t(R r) R r
【答案】 (1)a→d→c→b (2)e=314 cos 100πt (V) (3)98.6 J (4)0.1 C
四、电阻、电感器与电容器
产生的 原因
电阻
感抗
容抗
定向移动的自由电荷与 电感线圈的自感现象阻 电容器两极板上积累的电荷对向这
不动的粒子间的碰撞 碍电流的变化
个方向定向移动的电荷的反抗作用
在电路 中的 特点
对直流电、交流电均有 阻碍作用
只对变化的电流(如交流 不能通直流电,只能通交流电。对
电)有阻碍作用。可分为: 直流电的阻碍作用无限大,对交流
高频扼流圈,通低频阻高 电的阻碍作用随频率的降低而增大
频;低频扼流圈,通直流阻 。C较大的电容器通交流阻直流,C
交流
较小的电容器通高频阻低频
决定 因素
D.线圈中瞬时感应电动势的表达式为e=2NπΦ0n cos 2πnt
【解析】 t1时刻线圈的磁通量最大,但磁通量的变化率为0,根据法拉 第电磁感应定律可知此时线圈中感应电动势为0,A项错误;t2时刻线圈的 磁通量为零,但磁通量的变化率最大,根据法拉第电磁感应定律可知此
时线圈中感应电流为最大值,B项错误;磁通量与线圈匝数无关,根据磁
二、正弦式交变电流的描述 1.函数表达式(线圈从中性面位置开始计时) (1)电动势e随时间变化的规律:e=Em sin ωt,其中ω等于线圈转动的角速度。 (2)负载两端的电压u随时间变化的规律:u=Um sin ωt。 (3)电流i随时间变化的规律:i=Im sin ωt。 2.周期和频率 (1)周期(T):交变电流完成一次周期性变化(线圈转一周)所需的时间,单
位是秒(s),公式T= 2π 。
(2)频率(f):交变电流在1 s内完成周期性变化的次数。单位是赫兹 (Hz)。
(3)周期和频率的关系:T=1 或f= 1 。
f
T
3.交变电流的瞬时值、峰值、有效值
(1)瞬时值:交变电流某一时刻的值,是时间的函数。
(2)峰值:交变电流(电流、电压或电动势)所能达到的最大的值,也叫最
n1 n2 n3
(3)电流关系:只有一个副线圈时 I1 ③ = n2 。
I2
n1
由P入=P出及P=UI推出有多个副线圈时,U1I1=U2I2+U3I3+…+UnIn。
3.几种常用的变压器
(1)自耦变压器——调压变压器,如图A、B所示。
(2)互感器
电压互感器 电流互感器
: :
把高电压变成低电压,如图C所示 把大电流变成小电流,如图D所示
U U
3 4
=
n3 n4
,
I3 I4
=
n4 n3
,P3=P4
3.掌握两种损耗
(1)电压损耗:输电线上的电阻导致的电压损耗,ΔU=U2-U3=IRR线。