浙江省2022-2023版高中物理 第五章 交變電流章末整合提升學(xué)案 新人教版選修3-2

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1、浙江省2022-2023版高中物理 第五章 交變電流章末整合提升學(xué)案 新人教版選修3-2 突破一　交變電流四值的計(jì)算與應(yīng)用 交變電流“四值”的比較 物理量 物理含義 重要關(guān)系 適用情況及說明 瞬時(shí)值 交變電流某一時(shí)刻的值 e＝Emsin ωt i＝Imsin ωt 計(jì)算線圈某時(shí)刻的受力情況 峰值 最大的瞬時(shí)值 Em＝nBSω Im＝ 討論電容器的擊穿電壓 有效值 跟交變電流的熱效應(yīng)等效的恒定電流的值 E＝ U＝ I＝ 適用于正(余) 弦式交變電流 (1)計(jì)算與電流的熱效應(yīng)有關(guān)的量(如電功、電功率、電熱等) (2)電氣設(shè)備“銘牌”上所

2、標(biāo)的一般是有效值 (3)保險(xiǎn)絲的熔斷電流為有效值 平均值 交變電流圖象中圖線與時(shí)間軸所夾的面積與時(shí)間的比值 ＝Bl ＝ ＝ 計(jì)算通過電路截面的電荷量 【例1】 (2017·溫州高二檢測)如圖1所示為交流發(fā)電機(jī)示意圖，矩形線圈的匝數(shù)N＝50 匝，每匝線圈的邊長lab＝0.4 m，Lbc＝0.2 m，矩形線圈所在處的勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝0.2 T，線圈總電阻r＝1 Ω，外接電阻R＝9 Ω，線圈以n＝ r/s的轉(zhuǎn)速在磁場中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。求： 圖1 (1)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢的最大值； (2)若線圈從通過中性面時(shí)開始計(jì)時(shí)，寫出回路中電流隨時(shí)間變化的關(guān)系式； (3)交流電壓

3、表和電流表的讀數(shù)； (4)此交流發(fā)電機(jī)的總功率和輸出功率。 解析　(1)設(shè)矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為ω， 產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢的最大值 Em＝NBSω，而ω＝2πn 代入數(shù)據(jù)得Em＝160 V，ω＝200 rad/s (2)線圈中產(chǎn)生的交變電流的最大值 Im＝＝16 A 線圈從通過中性面時(shí)開始計(jì)時(shí)，交變電流的表達(dá)式為正弦函數(shù)i＝Imsin ωt＝16sin 200t A (3)電流表的讀數(shù)為交變電流的有效值， 即I＝＝8 A 電壓表的讀數(shù)為U＝IR＝72 V (4)發(fā)電機(jī)的總功率P總＝IE 而E＝＝80 V 代入數(shù)值得P總＝1 280 W 發(fā)電機(jī)的輸出功率等

4、于外電路電阻消耗的功率，即 P出＝PR＝IU＝8×72 W＝1 152 W。 答案　(1)160 V　(2)i＝16sin 200t A (3)72 V　8 A (4)1 280 W　1 152 W 【跟蹤訓(xùn)練1】 如圖2所示，單匝矩形圈放置在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，以恒定的角速度ω繞ab邊轉(zhuǎn)動(dòng)，磁場方向垂直于紙面向里，線圈所圍面積為S，線圈導(dǎo)線的總電阻為R。t＝0時(shí)刻線圈平面與紙面重合，且cd邊正在向紙面外轉(zhuǎn)動(dòng)。則下列說法正確的是(　　) 圖2 A.t時(shí)刻線圈中電流瞬時(shí)值表達(dá)式i＝cos ωt B.線圈中電流的有效值I＝ C.線圈中電流的有效值I＝ D.線圈中消耗

5、的電功率P＝ 解析　回路中感應(yīng)電動(dòng)勢的最大值Em＝BSω， 電流的最大值Im＝＝， t＝0時(shí)線圈處于中性面位置， 故瞬時(shí)值表達(dá)式i＝sin ωt， 電流有效值I＝＝， P＝I2R＝，故選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤，C、D正確。 答案　CD 突破二　交流電圖象的應(yīng)用 交流電的圖象反映了交變電動(dòng)勢(電流)隨時(shí)間的變化特征，對正弦式交流電來說，我們可以從圖象中獲取如下信息： 1.交流電的周期(T) 一個(gè)完整的正弦波對應(yīng)的時(shí)間段，知道了周期便可以算出線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度ω＝。 2.交流電的最大值(Em、Im) 圖象上的峰值，知道了最大值，便可計(jì)算出交變電動(dòng)勢(交變電流)的有效值。 3.任意時(shí)

6、刻交流電的瞬時(shí)值 圖象上每個(gè)“點(diǎn)”表示某一時(shí)刻交流電的瞬時(shí)值。 【例2】 如圖3所示是某正弦式交變電壓的波形圖，由圖可確定該電壓的(　　) 圖3 A.周期是0.01 s B.最大值是311 V C.有效值是220 V D.表達(dá)式為u＝220sin πt(V) 解析　由題圖知：最大值Um＝311 V，且為正弦式交變電流，有效值U＝＝220 V，周期T＝0.02 s，表達(dá)式為 u＝311sin 100πt(V)，故選項(xiàng)B、C正確。 答案　BC 【跟蹤訓(xùn)練2】 (2017·杭州高二檢測)一矩形線圈，在勻強(qiáng)磁場中繞垂直磁感線的對稱軸轉(zhuǎn)動(dòng)，形成如圖4所示的交變電動(dòng)勢圖象，根據(jù)圖

7、象提供的信息，以下說法正確的是(　　) 圖4 A.線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為 rad/s B.電動(dòng)勢的有效值為14.1 V C.t＝1.0×10－2s時(shí)，線圈平面和磁場方向的夾角為30° D.t＝1.5×10－2 s時(shí)，穿過線圈平面的磁通量最大 解析　角速度ω＝＝ rad/s，A正確；電動(dòng)勢的有效值E＝＝14.1 V，B正確；電動(dòng)勢的瞬時(shí)值e＝20sin t V，從計(jì)時(shí)開始到t＝1.0×10－2 s，線圈平面開始轉(zhuǎn)過的角度θ＝ωt＝×1.0×10－2＝，故線圈平面和磁場方向的夾角為30°，C正確；t＝1.5×10－2s時(shí)，線圈平面與磁場平行，磁通量最小，D錯(cuò)誤。 答案　ABC 突破

8、三　變壓器動(dòng)態(tài)分析 處理此類問題的關(guān)鍵是分清變量和不變量，弄清理想變壓器中各物理量之間的聯(lián)系和相互制約關(guān)系，大致有兩種情況： (1)負(fù)載不變，原、副線圈匝數(shù)比改變； (2)原、副線圈匝數(shù)比不變，負(fù)載改變。 動(dòng)態(tài)分析該類問題的思路可表示為： 【例3】 如圖5所示，M是一個(gè)小型理想變壓器，原、副線圈匝數(shù)之比n1：n2＝10∶1，接線柱a、b接一正弦式交流電源，電壓u＝220 sin (100 πt) V。變壓器右側(cè)部分為一火警報(bào)警系統(tǒng)原理圖，其中R2為熱敏電阻(電阻隨溫度的升高而減小)，R1為一定值電阻。下列說法正確的是(　　) 圖5 A.當(dāng)R2所在處出現(xiàn)火情時(shí)，電阻R1的功

9、率變小 B.當(dāng)R2所在處出現(xiàn)火情時(shí)，電壓表V2的示數(shù)變大 C.當(dāng)R2所在處出現(xiàn)火情時(shí)，電流表A的示數(shù)變小 D.電壓表V1的示數(shù)為22 V 解析　根據(jù)題意，輸入電壓的有效值U1＝220 V，再根據(jù)變壓比公式可知，副線圈的輸出電壓U2＝22 V，因?yàn)檩斎腚妷簺Q定輸出電壓，所以當(dāng)R2所在處出現(xiàn)火情時(shí)，副線圈電壓不變，仍是22 V，即電壓表V1的示數(shù)仍是22 V，選項(xiàng)D正確；當(dāng)R2所在處出現(xiàn)火情時(shí)，R2的阻值隨溫度升高而減小，副線圈電路的總電阻減小，輸出電流I2增大，電阻R1的功率P＝IR1變大，R2兩端的電壓U＝U2－I2R1變小，即電壓表V2的示數(shù)變小，輸入電流I1＝I2變大，所以電流表A

10、的示數(shù)變大，選項(xiàng)A、B、C錯(cuò)誤。 答案　D 【跟蹤訓(xùn)練3】 如圖6所示，理想變壓器的副線圈通過輸電線接兩個(gè)相同的燈泡L1和L2，輸電線的等效電阻為R，開始時(shí)開關(guān)S斷開，當(dāng)S閉合時(shí)，下列說法中正確的是(　　) 圖6 A.副線圈的輸出電壓減小 B.通過燈泡L1的電流減小 C.原線圈中的輸入電流增大 D.變壓器的輸入功率增大 解析　理想變壓器不計(jì)原、副線圈的直流電阻，副線圈兩端的電壓UMN不受負(fù)載電阻的影響，保持不變，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；當(dāng)開關(guān)S閉合時(shí)，副線圈回路的總電阻減小，故副線圈回路中的電流I2增大，所以等效電阻R兩端的電壓增大，導(dǎo)致燈泡L1兩端的電壓減小，通過燈泡L1的電流減小

11、，故選項(xiàng)B正確；因?yàn)閁MN不變，I2增大，變壓器的輸出功率增大，輸入功率也隨之增大，原線圈中的電流I1增大，故選項(xiàng)C、D正確。 答案　BCD 突破四　電能的遠(yuǎn)距離輸送 解決遠(yuǎn)距離輸電問題要注意以下兩點(diǎn)： 1.首先畫出輸電線路示意圖，包括發(fā)電機(jī)、升壓變壓器、輸電線、降壓變壓器、負(fù)載等，在圖中標(biāo)出相應(yīng)物理量符號，利用輸電電流I＝，輸電線上損失電壓ΔU＝IR線，輸電線損失功率ΔP＝I2R線＝()2R線及其相關(guān)知識解答。 2.分別在“三個(gè)回路”以及“兩個(gè)變壓器”上找各物理量之間的關(guān)系，特別注意以升壓變壓器的副線圈、輸電線、降壓變壓器的原線圈組成的回路，在此回路中利用電路知識分析電壓關(guān)系和功率關(guān)系。 【例4】 輸電線的電阻共計(jì)1 Ω，輸送的電功率是100 kW，用400 V的低壓送電，輸電線上發(fā)熱損失的功率是多少千瓦？改用10 kV的高壓送電，發(fā)熱功率損失又是多少千瓦？ 解析　輸送電功率100 kW，用400 V低壓送電，輸電線上電流 I1＝＝ A＝250 A 輸電線上損失功率 P1＝Ir＝62.5 kW 若用10 kV高壓送電，輸電線上電流 I2＝＝ A＝10 A 輸電線上損失功率P2＝Ir＝102×1 W＝0.1 kW。 答案　62.5 kW　0.1 kW