2023屆高三物理【新教材】一輪復(fù)習(xí) 13-1 交變電流的產(chǎn)生和描述

第十三章交變電流電磁振蕩與電磁波傳感器【核心素養(yǎng)】物理觀念：1.理解交變電流的產(chǎn)生，理解交變電流“四值”問題，理解理想變壓器及遠(yuǎn)距離輸電原理；2.掌握交變電流的描述方法，運(yùn)用能量觀念分析變壓器及遠(yuǎn)距離輸電問題；3.了解電磁振蕩和電磁波．知道電磁波的發(fā)射、傳播和接收．認(rèn)識電磁場的物質(zhì)性；4.認(rèn)識電磁波譜．知道各個(gè)波段的電磁波的名稱、特征和典型應(yīng)用．知道光也是一種電磁波．科學(xué)思維：1.運(yùn)用等效思想求解交變電流問題；2.建構(gòu)理想變壓器及遠(yuǎn)距離輸電模型分析求解問題．科學(xué)探究：通過實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識交變電流，了解變壓器的工作原理，探究傳感器的簡單使用．科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：認(rèn)識電磁學(xué)在人類生活和社會(huì)發(fā)展過程中的作用．【命題探究】1.命題分析：本專題的考題貼近生活，與生活、生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系緊密．題目多以發(fā)電機(jī)為載體，考查交變電流的產(chǎn)生及其描述，綜合變壓器以及遠(yuǎn)距離輸電等多個(gè)考點(diǎn)，以選擇題形式出現(xiàn)，難度中等．2．趨勢分析：根據(jù)近幾年考情可知，高考對本專題的考查較為常規(guī)，交變電流的產(chǎn)生原理及遠(yuǎn)距離輸電問題及對電磁波的認(rèn)識及理解應(yīng)引起重視．【試題情境】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、電磁波譜、電磁波與實(shí)際生活和科技前沿的結(jié)合．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．第1講交變電流的產(chǎn)生和描述【必備知識·自主排查】一、交變電流、交變電流的圖像1．交變電流：電流、電壓的________和________都隨時(shí)間做周期性變化的電流．最常見的交變電流是________交變電流．2．正弦交流電的產(chǎn)生及圖像(1)產(chǎn)生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(dòng)時(shí)，可產(chǎn)生正弦式交變電流．②兩個(gè)特殊位置：中性面與磁場方向________的平面中性面的垂面與磁場方向________的平面(2)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)，則其圖像為________曲線，如圖所示．(3)變化規(guī)律(線圈在中性面位置開始計(jì)時(shí))：①電動(dòng)勢e隨時(shí)間變化的規(guī)律：e＝________．②路端電壓u隨時(shí)間變化的規(guī)律：u＝Umsinωt＝________．③電流i隨時(shí)間變化的規(guī)律：i＝Imsinωt＝________，其中Em＝________．二、描述交變電流的物理量1．周期和頻率(1)周期T：交變電流完成一次周期性變化(線圈轉(zhuǎn)動(dòng)一周)所需要的時(shí)間，國際單位是秒(s)．公式：T＝2πω(2)頻率f：________________________的次數(shù)，單位是赫茲(Hz)．(3)周期和頻率的關(guān)系：T＝________或f＝________．2．正弦交變電流的四值(1)瞬時(shí)值：交變電流某一________的值，是時(shí)間的函數(shù)．(2)峰值：交變電流的電流或電壓所能達(dá)到的________．(3)有效值：①定義：讓交流電和直流電通過相同阻值的電阻，如果它們在相同的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的________相等，就把這一直流電的數(shù)值叫作這一交流電的________．②有效值和峰值的關(guān)系：E＝Em2，U＝Um2，I(4)平均值：交變電流圖像中波形與橫軸________跟時(shí)間的比值．【教材拓展】1.[人教版選擇性必修第二冊P48圖3.1－3](1)矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，一定會(huì)產(chǎn)生正弦式交變電流．()(2)矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中繞垂直于磁場方向的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過中性面時(shí)，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢為零，電流方向發(fā)生改變．()(3)交流電壓表和電流表測量的是交流電的峰值．()(4)交變電流的峰值總是有效值的2倍．()(5)可以用平均值計(jì)算交變電流產(chǎn)生的熱量．()(6)交流電路中電壓表、電流表的示數(shù)都是有效值．()(7)正弦交變電流14周期與12周期內(nèi)電流的有效值一定不同．(2．[人教版選擇性必修第二冊P48演示改編]把發(fā)光顏色不同的兩個(gè)二極管并聯(lián)(該類二極管具有單向?qū)щ娦?，?dǎo)通時(shí)發(fā)光)，使兩者正負(fù)極方向不同．當(dāng)搖動(dòng)如圖所示的手搖發(fā)電機(jī)時(shí)，兩個(gè)二極管交替發(fā)光，則流過其中一個(gè)二極管的電流是()A．交流電 B．直流電C．恒定電流 D．渦流3．[人教版選擇性必修第二冊P53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()A．1.5A B．2AC．145A D．285【關(guān)鍵能力·分層突破】考點(diǎn)一交變電流的產(chǎn)生及規(guī)律1．電流方向的改變：線圈通過中性面時(shí)，電流方向發(fā)生改變，一個(gè)周期內(nèi)線圈兩次通過中性面，因此電流的方向改變兩次．2．交變電動(dòng)勢的最大值Em＝nBSω，與轉(zhuǎn)軸位置無關(guān)，與線圈形狀無關(guān)．【跟進(jìn)訓(xùn)練】1.交流發(fā)電機(jī)發(fā)電示意圖如圖所示，線圈轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，下列說法正確的是()A．轉(zhuǎn)到圖甲位置時(shí)，通過線圈的磁通量變化率最大B．轉(zhuǎn)到圖乙位置時(shí)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為零C．轉(zhuǎn)到圖丙位置時(shí)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流最大D．轉(zhuǎn)到圖丁位置時(shí)，AB邊感應(yīng)電流方向?yàn)锳→B2．如圖甲所示，一個(gè)矩形導(dǎo)線框放置在勻強(qiáng)磁場中，并繞過ab、cd中點(diǎn)的固定軸OO′以角速度ω＝π2rad/s順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)．若以線框平面與磁場方向垂直時(shí)(如圖乙)為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，并規(guī)定bc邊中電流i的方向由b流向c時(shí)為正，則下列i-t圖像正確的是(3．[2021·河南商丘九校聯(lián)考]矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生交流電動(dòng)勢的瞬時(shí)值為e＝2202sin100πt(V)，則下列說法中正確的是()A．當(dāng)t＝0時(shí)，線圈平面與中性面垂直B．當(dāng)t＝1200s時(shí)，C．該交流電不能擊穿標(biāo)注為“300V5μF”的電容器D．若轉(zhuǎn)速n提高一倍，其他條件不變，則電動(dòng)勢的變化規(guī)律將變?yōu)閑＝4402sin100πt(V)考點(diǎn)二交變電流“四值”的理解與應(yīng)用角度1交變電流有效值的求解(1)計(jì)算有效值時(shí)要根據(jù)電流的熱效應(yīng)，抓住“三同”：“相同時(shí)間”內(nèi)“相同電阻”上產(chǎn)生“相同熱量”列式求解．(2)分段計(jì)算電熱求和得出一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生的總熱量．(3)利用兩個(gè)公式Q＝I2Rt和Q＝U2Rt(4)若圖像部分是正弦(或余弦)式交變電流，其中的14周期(必須是從零至最大值或從最大值至零)和12周期部分可直接應(yīng)用正弦式交變電流有效值與最大值間的關(guān)系I＝Im2、U例1[2021·浙江6月，5]如圖所示，虛線是正弦交流電的圖像，實(shí)線是另一交流電的圖像，它們的周期T和最大值Um相同，則實(shí)線所對應(yīng)的交流電的有效值U滿足()A．U＝Um2 B．UC．U>2Um2 D．[解題心得]角度2交變電流的“四值”問題例2[2021·浙江1月，16](多選)發(fā)電機(jī)的示意圖如圖甲所示，邊長為L的正方形金屬框，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中以恒定角速度繞OO′軸轉(zhuǎn)動(dòng)，阻值為R的電阻兩端的電壓如圖乙所示．其他電阻不計(jì)，圖乙中的Um為已知量．則金屬框轉(zhuǎn)動(dòng)一周()A．框內(nèi)電流方向不變B．電動(dòng)勢的最大值為UmC．流過電阻的電荷量q＝2D．電阻產(chǎn)生的焦耳熱Q＝π[解題心得]命題分析試題情境屬于基礎(chǔ)應(yīng)用性題目，以發(fā)電機(jī)為素材創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)探索問題情境必備知識考查電荷量的計(jì)算式、法拉第電磁感應(yīng)定律、交變電流的最大值和有效值、焦耳定律等知識關(guān)鍵能力考查理解能力、推理能力．要求考生從題目和圖像中提取有效信息并把直流電路規(guī)律遷移應(yīng)用到交流電路中學(xué)科素養(yǎng)考查物理觀念、科學(xué)思維．要求考生分清發(fā)電機(jī)的內(nèi)、外電路并掌握交變電流中電荷量及焦耳熱的計(jì)算方法【跟進(jìn)訓(xùn)練】4.[2022·重慶模擬]在圖乙所示的電路中，通入圖甲所示的交變電流，此交變電流的每個(gè)周期內(nèi)，前三分之一周期電壓按正弦規(guī)律變化，后三分之二周期電壓恒定．電阻R的阻值為12Ω，電表均為理想電表．下列判斷正確的是()A．電壓表的示數(shù)為62VB．該交變電流的電壓有效值為43VC．電阻R一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生的熱量一定大于9JD．電流表的示數(shù)為0.5A5．[2022·湖北名校聯(lián)考]如圖所示，粗細(xì)均勻的單匝等邊三角形導(dǎo)線框單位長度的電阻為r，繞著垂直于勻強(qiáng)磁場的軸OO′勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為ω.若線框邊長為L，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，圖中所示為t＝0時(shí)刻線框與磁場平行，則下列說法正確的是()A．此時(shí)線圈中的磁通量最大B．此時(shí)a、b兩點(diǎn)電壓Uab＝3C．若導(dǎo)線框轉(zhuǎn)過90°后開始計(jì)時(shí)，則產(chǎn)生的交流電的電壓有效值變小D．從t＝0時(shí)刻起，線框轉(zhuǎn)過90°的時(shí)間內(nèi)，流過線框橫截面的電荷量q＝3BL第十三章交變電流電磁振蕩與電磁波傳感器第1講交變電流的產(chǎn)生和描述必備知識·自主排查一、1．大小方向正弦式2．(1)垂直于磁場垂直平行(2)正弦式(3)Em·sinωtEmRR+r·sinωtEmR+r二、1．(2)交變電流在1s內(nèi)完成周期性變化(3)12．(1)時(shí)刻(2)最大值(3)熱量有效值(4)所圍面積教材拓展1．答案：(1)×(2)√(3)×(4)×(5)×(6)√(7)×2．答案：B3．答案：C關(guān)鍵能力·分層突破1．解析：轉(zhuǎn)到圖甲位置時(shí)，線圈平面與磁感線垂直，磁通量最大，但磁通量變化率最小為零，故A錯(cuò)誤；轉(zhuǎn)到圖乙位置時(shí)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢最大，故B錯(cuò)誤；轉(zhuǎn)到圖丙位置時(shí)，線圈位于中性面位置，此時(shí)感應(yīng)電流最小，且感應(yīng)電流方向改變，故C錯(cuò)誤；轉(zhuǎn)到圖丁位置時(shí)，根據(jù)楞次定律可知AB邊感應(yīng)電流方向?yàn)锳→B，故D正確．答案：D2．解析：本題考查交變電流的產(chǎn)生和交變電流圖像問題．矩形導(dǎo)線框放置在勻強(qiáng)磁場中，產(chǎn)生的感應(yīng)電流周期為T＝2πω＝4s，由右手定則可判斷出在前14周期產(chǎn)生的電流i的方向?yàn)橛蒪流向c，方向?yàn)檎抑饾u增大，所以A答案：A3．解析：本題考查交變電流的產(chǎn)生和描述．t＝0時(shí)，電動(dòng)勢為零，此時(shí)磁通量最大，線圈平面與磁感線垂直，線圈平面與中性面重合，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；當(dāng)t＝1200s時(shí)，e＝2202·sin100π×1200V＝2202V，電動(dòng)勢最大，磁通量為零，線圈平面與中性面垂直，選項(xiàng)B正確；300V是電容器允許的最高電壓，而該交流電最大電壓是2202V≈311V>300V，所以此交流電可以擊穿標(biāo)注為“300V5μF”的電容器，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；當(dāng)轉(zhuǎn)速n提高一倍時(shí)，由ω＝2πn，Em＝NBSω，可知ω增加一倍，則電動(dòng)勢的變化規(guī)律將變?yōu)閑＝4402sin200πt(V)，答案：B例1解析：因虛線是正弦交流電的圖像，則該交流電的有效值為U有效值＝Um2＝2Um2.由圖可知，在任意時(shí)刻，實(shí)線所代表的交流電的瞬時(shí)值都不大于虛線表示的正弦交流電的瞬時(shí)值，則實(shí)線所代表的交流電的有效值小于虛線表示的正弦交流電的有效值，則U<答案：D例2解析：由于滑環(huán)的作用，通過R的電流方向不變，但是框內(nèi)的電流方向是變化的，A錯(cuò)誤；由題圖可知，由于線框沒有電阻，所以電動(dòng)勢等于電阻兩端的電壓，B正確；因?yàn)榱鬟^R的電流方向不變，金屬框轉(zhuǎn)動(dòng)半周，流過R的電荷量q′＝IΔt＝ERΔt＝ΔΦR＝2BL2R，所以金屬框轉(zhuǎn)動(dòng)一周流過R的電荷量q＝2q′＝4BL2R，C錯(cuò)誤；由Um＝BL2ω，解得ω＝UmBL2，金屬框轉(zhuǎn)動(dòng)一周，電阻產(chǎn)生的焦耳熱Q＝U答案：BD4．解析：根據(jù)有效值的定義，在一個(gè)周期內(nèi)，由焦耳定律得62V22R×1s＋6V2R×2s＝U2R×3s，可得電壓有效值U＝6V，電壓表示數(shù)為有效值，故A、B錯(cuò)誤；熱量必須根據(jù)有效值進(jìn)行計(jì)算，則Q＝U2RT＝9J，故C錯(cuò)誤