2019届二轮复习交变电流课件（53张）（全国通用） 53页

第 23 讲　交变电流 一 交变电流 二 交变电流的产生 三 正弦式交变电流的函数表达式、峰值和有效值 四 电感和电容对交变电流的影响 教材 研读 五 理想变压器 六 远距离输电 突破一 交变电流的产生和描述 突破二 电感和电容对交变电流的影响 突破三 理想变压器及其有关物理量的动态分析 重难突破 突破四 远距离输电 一、交变电流 定义:① 　大小     和② 　方向     都随时间做周期性变化的电流。 二、交变电流的产生 教材研读 1. 线圈绕① 　垂直于磁场     方向的轴匀速转动。 2.两个特殊位置的特点 a.线圈平面与中性面重合时, S ⊥ B , Φ 最② 　大     ,   =③ 　0     , e =0, i =0, 电流方向④ 　将发生改变     。 b.线圈平面与中性面垂直时, S ∥ B , Φ =0,   ⑤ 　最大     , e 最大, i 最大,电 流方向⑥ 　不改变     。 3.电流方向的改变: 线圈通过⑦ 　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⑧ 　两次     。 4. 交变电动势的最大值 E m =⑨      nBSω      。 三、正弦式交变电流的函数表达式、峰值和有效值 1.周期和频率 (1)周期( T ):交变电流完成① 　一次周期性     变化(线圈转一周)所需的 时间,单位是秒(s)。 (2)频率( f ):交变电流在1 s内完成周期性变化的② 　次数     ,单位是赫兹 (Hz)。 (3)周期和频率的关系: T =   或 f =   。 2. 正弦式交变电流的瞬时值表达式(线圈在中性面位置开始计时) (1)电动势 e 随时间变化的规律: e =③      E m sin ωt      。其中 ω 为线圈转动的 ④ 　角速度     , E m =⑤      nBSω      。 (2)负载两端的电压 u 随时间变化的规律: u = U m sin ωt 。 (3)电流 i 随时间变化的规律: i =⑥      I m sin ωt      。 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 大值。 (3)有效值:跟交变电流的⑦ 　热效应     等效的恒定电流的值叫做交变 电流的有效值。对正弦式交变电流,其有效值和峰值的关系为: E =   , U =   , I =   。 四、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的大小用① 　感抗     来表示;电容对交变 电流的阻碍作用的大小用② 　容抗     来表示。 2. 线圈的自感系数越大 , 交变电流的频率越高 , 感抗越大 ; 电容器的电容 越大 , 交变电流的频率越高 , 容抗越小。 3. 在交流电路中 , 电感对电路的作用是“③ 　通直流、阻交流 , 通低频、阻高频     ” ; 电容对电路的作用是“④ 　通交流、隔直流 , 通高频、阻低频     ”。 五、理想变压器 1.工作原理: ① 　互感现象     。 2.基本关系式 (1)功率关系:②      P 入 = P 出      。 (2)电压关系:只有一个副线圈时,③      U 1 / n 1 = U 2 / n 2      ;有多个副线圈时, U 1 / n 1 = U 2 / n 2 = U 3 / n 3 = … 。 (3)电流关系:只有一个副线圈时,④      I 1 n 1 = I 2 n 2      。 3.几种常用的变压器 (1)自耦变压器——调压变压器。 (2)互感器。 4.理想变压器的理解 (1)没有能量损失; (2)没有磁通量损失。 六、远距离输电 1.输电过程 (如图所示) 2.输送电流 (1) I =   ;(2) I =   。 3.输电导线上的能量损失: 主要是由输电线的电阻发热产生的,表达式为 Q =①      I 2 Rt      。 4.电压损失 (1)Δ U = U - U ';(2)Δ U =②      IR      。 5.功率损失 (1)Δ P = P - P ';(2)Δ P =③      I 2 R      =   。 6.降低输电损耗的两个途径 (1)减小输电线的电阻,由电阻定律 R = ρ   可知,在输电距离一定的情况 下,为了减小电阻,应采用电阻率小的材料,也可以增加导线的横截面 积。 (2)减小输电导线中的输电电流,由 P = UI 可知,当输送功率一定时,提高输 电电压,可以减小输电电流。 1. 判断下列说法的正误: (1)矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时,一定会产生正弦式交变电流。   (　 ✕ 　) (2)矩形线圈在匀强磁场中匀速转动经过中性面时,线圈中的感应电动 势为零,电流方向发生改变。   (　 √ 　) (3)交流电气设备上所标的电压和电流值是交变电流的有效值。 (　 √ 　) (4)交变电流的峰值总是有效值的   倍。   (　 ✕ 　) (5)理想变压器的基本关系式中,电压和电流均为有效值。   (　 √ 　) (6)正常工作的变压器,当副线圈与用电器断开时,副线圈两端无电压。   (　 ✕ 　) (7)变压器副线圈并联更多的用电器时,原线圈输入的电流随之减小。   (　 ✕ 　) (8)增大输电导线的横截面积有利于减少输电过程中的电能损失。 ( √ ) (9)高压输电通过减小输电电流来减少电路的发热损耗。   (　 √ 　) (10) 在输送电压一定时 , 输送的电功率越大 , 输电过程中的电能损失越 大。   ( 　 √ 　 ) 2. (多选)关于中性面,下列说法正确的是   (　 AC 　) A.线圈在转动中经过中性面位置时,穿过线圈的磁通量最大,磁通量的 变化率为零 B.线圈在转动中经过中性面位置时,穿过线圈的磁通量为零,磁通量的 变化率最大 C.线圈每经过一次中性面,感应电流的方向就改变一次 D.线圈每转动一周经过中性面一次,所以线圈每转动一周,感应电流的 方向就改变一次 3. 北京市东城区民用电网改造完成后,某居民小区变压器输出端的交变 电压瞬时值表达式为 u =220 sin 100π t (V),对此交变电压,下列表述正确 的是   (　 A 　) A.最大值是220 V　　 B.频率是100 Hz C.有效值是220 V　　 D.周期是0.01 s 4. (多选)理想变压器的原、副线圈匝数比 n 1 ∶ n 2 =10∶1,原线圈两端接交 流电源,则   (　 BC 　) A.原、副线圈中电流频率之比 f 1 ∶ f 2 =10∶1 B.原、副线圈两端电压之比为 U 1 ∶ U 2 =10∶1 C.原、副线圈内交变电流之比 I 1 ∶ I 2 =1∶10 D.变压器输入和输出功率之比 P 1 ∶ P 2 =10∶1 5. 今年我国北方部分地区遭遇了雨雪冰冻灾害。马路上的冰层坚硬如 铁、光滑如玻璃,高压电线覆冰后有成人大腿般粗,为清除高压输电线 上的冰凌,有人设计了这样的融冰思路:利用电流的热效应除冰。若在 正常供电时,高压线上送电电压为 U ,电流为 I ,热损耗功率为Δ P ;除冰时, 输电线上的热损耗功率需变为9Δ P ,则除冰时(认为输电功率和输电线 电阻不变)   (　 D 　) A.输电电流为   　    B.输电电流为9 I C.输电电压为3 U 　    D.输电电压为   突破一　交变电流的产生和描述 重难突破 交变电流“四值”的比较 典例1 　(多选)图甲为交流发电机的原理图,正方形线圈在匀强磁场中 绕垂直于磁感线的轴 OO '匀速转动,电流表为理想交流电表,线圈中产生 的交变电流随时间的变化如图乙所示,则       (　 BD 　) A.线圈转动的角速度为50 rad/s B.电流表的示数为10 A C.0.01 s时线圈平面和磁场平行 D.0.01 s时线圈的磁通量变化率为0 解析 　角速度 ω =   =100π rad/s,选项A错误;由题图乙可知交流电电流 的最大值 I m =10   A,周期 T =0.02 s, I =10 A,由于电流表的示数为有效值, 故示数为10 A,选项B正确;0.01 s时线圈中的感应电流为0,则穿过线圈 的磁通量为最大,磁通量变化率为0,故线圈平面与磁场方向垂直,选项C 错误,D正确。 方法总结 解决交变电流图像问题的三点注意 (1)只有当线圈从中性面位置开始计时,电流的瞬时值表达式才是正弦 形式,其变化规律与线圈的形状及转动轴处于线圈平面内的位置无关。 (2)注意峰值公式 E m = nBSω 中的 S 为有效面积。 (3)在解决有关交变电流的图像问题时,应先把交变电流的图像与线圈 的转动位置对应起来,再根据特殊位置求特征解。 1-1 　如图甲所示,在磁感应强度大小为 B 的匀强磁场中,有一矩形单匝线圈,其面积为 S ,总电阻为 r ,线圈两端外接一电阻 R 和一个理想交流电流表。若线圈绕对称轴 OO ’ 以角速度 ω 做匀速转动,图乙是线圈转动过程中产生的感应电动势 e 随时间 t 变化的图像,下列说法正确的是   (　 D 　) A.在 t 1 ~ t 3 时间内,穿过线圈平面的磁通量的变化量为 BS B.在 t 3 ~ t 4 时间内,通过电阻 R 的电荷量为   C.在 t 3 时刻穿过线圈平面的磁通量的变化率 为2 BSω D.在 t 3 时刻电流表的示数为   解析 　由题图可知,在 t 1 和 t 3 时刻穿过线圈平面的磁通量大小为 BS ,方向 相反,则在 t 1 ~ t 3 时间内穿过线圈平面的磁通量的变化量为2 BS ,A错误;在 t 3 ~ t 4 时间内,磁通量的变化量为 BS ,则平均电动势   =   ,因此通过电阻 R 的 电荷量为 q =   ·Δ t =   Δ t =   ,故B错误;在 t 3 时刻电动势 E = BSω , 则由法拉第电磁感应定律, E =   可知,穿过线圈的磁通量变化率为 BSω , 故C错误;在 t 3 时刻电流表的示数为交变电流的有效值,则有 I =   =   ,故D正确。 1-2 　(多选)如图甲为风力发电机的简易模型,在风力的作用下,风叶带 动与其固定在一起的永磁铁转动,转速与风速成正比。某一风速时,线 圈中产生的正弦式电流如图乙所示,则   (　 AD 　) A.电流的表达式为 i =0.6 sin 10π t (A) B.磁铁的转速为10 r/s C.风速加倍时电流的表达式为 i =1.2 sin 10π t (A) D.风速加倍时线圈中电流的有效值为0.6   A 解析 　通过题图乙可知电流的最大值为0.6 A,周期 T =0.2 s,故 ω =   =10π rad/s,故电流的表达式为 i =0.6 sin 10π t (A),故A正确;电流的周期为 T =0.2 s,故磁铁的转速为 n =   =   r/s=5 r/s,故B错误;风速加倍时,角速度加倍, 根据 E m = nBSω 可知产生的感应电动势加倍,形成的感应电流加倍,故风 速加倍时电流的表达式为 i =1.2 sin 20π t (A),故C错误;根据C项分析,形成 的感应电流 I m =1.2 A,故有效值为 I =   =   A=0.6   A,故D正确。 突破二　电感和电容对交变电流的影响 1.影响电感器对交变电流的阻碍作用的因素: 电感器的自感系数、交变 电流的频率。 ①电感器的自感系数越大,对交变电流的阻碍作用越大。 ②交变电流的频率越高,对交变电流的阻碍作用越大。 2. 影响电容器对交变电流阻碍作用的因素 : 电容器的电容、交变电流的 频率。 ①电容器的电容越大 , 对交变电流的阻碍作用越小。 ②交变电流的频率越高 , 对交变电流的阻碍作用越小。 典例2 　如图所示, A 、 B 、 C 为三个相同的灯泡(设其电阻值保持不 变), a 、 b 、 c 为与之串联的三个常用元件,如:电感线圈、电容器或电 阻。 E 1 为稳恒直流电源, e 2 为正弦交流电源。当开关S接“1”时, A 、 B 两灯均正常发光, C 灯不亮;当开关S接“2”时, A 灯仍正常发光, B 灯变暗, C 灯正常发光。由此可知   (　 A 　) A. a 元件是电阻 B. b 元件是电容器 C. c 元件是电感线圈 D. 由于电源 e 2 的电动势 E 2 与 E 1 的大小关系未知 , 无法判断 b 、 c 元件各是什么 解析 　由题意,当开关S接“1”直流电源时, A 、 B 两灯均正常发光, C 灯 不亮说明 c 为电容器;当接“2”交流电源时, A 灯仍正常发光说明 a 元件 对交流电和直流电的影响相同,则 a 为电阻; B 灯变暗,说明 b 元件对交流 电的阻碍作用比直流电阻碍作用大,则 b 为电感线圈。 2-1 　(多选)关于对感抗、容抗的理解,下面说法正确的有   (　 ABC 　) A.感抗是由于电流变化时在线圈中产生了自感电动势而对电流的变化 产生的阻碍作用 B.当电容器接到交流电源上时,电容器交替进行充电和放电,电路中才 有交变电流 C.在有电容器的交流电路中,没有电荷通过电容器 D.感抗和电阻等效,对任何交变电流都是一个确定值 解析 　感抗产生的机理就是通过电感的电流发生变化,电感中会产生自 感电动势阻碍原电流的变化,这种对变化电流的阻碍作用就是感抗。电 容器实质上是通过反复充、放电来实现通电的,并无电荷通过电容器。 突破三　理想变压器及其有关物理量的动态分析 1.关于理想变压器的四点注意 (1)变压器不能改变直流电压。 (2)变压器只能改变交变电流的电压和电流,不能改变交变电流的频率。 (3)理想变压器本身不消耗能量。 (4)理想变压器基本关系中的 U 1 、 U 2 、 I 1 、 I 2 均为有效值。 2.含有变压器的动态电路问题的解题思路 典例3 　(多选)如图,理想变压器原、副线圈匝数比 n 1 ∶ n 2 =2∶1,   和   均为理想电表,灯泡电阻 R L =6 Ω, A 、 B 端电压 u 1 =12   sin 100π t (V)。下 列说法正确的是   (　 AD 　) A.电流频率为50 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 ω =2π f =100π rad/s得: f =50 Hz,A正确。有效值 U 1 =12 V,又由   =   得: U 2 =6 V, I 2 =   =1 A,选项B、C错。由 P 入 = P 出 得: P 1 = P 2 = U 2 I 2 =6 W,D 选项对。 3-1 　(多选)如图所示,将额定电压为60 V的用电器通过一理想变压器接 在正弦交流电源上。闭合开关S后,用电器正常工作,交流电压表和交流 电流表(均为理想电表)的示数分别为220 V和2.2 A。以下判断正确的 是   (　 BD 　) A.变压器输入功率为484 W B.通过原线圈的电流的有效值为0.6 A C.通过副线圈的电流的最大值为2.2 A D.变压器原、副线圈匝数比 n 1 ∶ n 2 =11∶3 解析 　根据理想变压器的变压规律,可得 n 1 ∶ n 2 = U 1 ∶ U 2 =11∶3,D选项正 确;理想变压器的输入功率等于输出功率, P 入 = P 出 =60 × 2.2 W=132 W,A选 项错误;根据理想变压器的变流规律,即 I 1 ∶ I 2 = n 2 ∶ n 1 ,可得通过原线圈的 电流的有效值为 I 1 =   I 2 =0.6 A,B选项正确;通过变压器的是正弦交流电, 所以副线圈的电流的最大值为 I m =   I 2 =2.2   A,C选项错误。 典例4     (2016天津理综,5,6分)如图所示,理想变压器原线圈接在交流电 源上,图中各电表均为理想电表。下列说法正确的是   (　 B 　) A.当滑动变阻器的滑动触头 P 向上滑动时, R 1 消耗的功率变大 B.当滑动变阻器的滑动触头 P 向上滑动时,电压表V示数变大 C.当滑动变阻器的滑动触头 P 向上滑动时,电流表A 1 示数变大 D.若闭合开关S,则电流表A 1 示数变大、A 2 示数变大 解析 　由于原、副线圈两端电压不变,当滑动变阻器滑动触头 P 向上滑 动时,连入电路的电阻变大,所在电路总电阻变大,副线圈中电流减小, R 1 中电流减小, R 1 消耗的功率减小,A项错误; R 1 中电流减小,则 R 1 两端电压减 小,而副线圈两端电压不变,所以滑动变阻器两端电压增大,电压表示数 变大,B项正确;副线圈中电流减小,原线圈中电流随之减小,故C项错误; 若闭合开关S,负载电路的总电阻减小,副线圈中电流增大, R 1 中电流增 大,则 R 1 两端电压升高, R 2 两端电压减小,A 2 示数变小,D项错误。 4-1 　(多选)图示为学校配电房向各个教室的供电示意图, T 为理想变压 器,原、副线圈的匝数比为5∶1,原线圈接在 U =1 100   sin 100π t (V)的 交流电压上。V 1 、A 1 为监控市电供电端的电压表和电流表,V 2 、A 2 为监 控校内变压器的输出电压表和电流表, R 1 、 R 2 为教室的负载电阻,V 3 、A 3 为教室内的监控电压表和电流表,配电房和教室间有相当长的一段距 离,则当开关S闭合后   (　 　)   A.副线圈上交流电的频率为50 Hz,电压表V 2 的示数为220 V B.电流表A 1 、A 2 和A 3 的示数都变大 C.电压表V 1 和V 2 的示数不变,V 3 的示数减小 D.副线圈上的功率增加 解析 　原线圈接在 U =1 100   sin 100π t (V)的交流电压上,所以交流电 的频率为 f =   Hz=50 Hz,由电压之比等于匝数正比知   =5,又 U 1 =1 1 00 V,解得 U 2 =220 V,故A正确;当开关闭合后,副线圈的总电阻变小,由于 升压变压器的输入电压不变,则输出电压不变,即 U 2 不变,可知输电线中 的电流增大,即A 2 增大,则输电线上损失的电压增大,可知用户端得到的 电压减小,即 U 3 减小,所以通过 R 1 的电流减小,即A 3 减小,副线圈中电流决 定原线圈中的电流,根据   =   知,原线圈中的电流 I 1 增大,所以A 1 示数增 大 , 故 B 错误 ,C 正确 ; 原线圈中的电流 I 1 增大 , 原线圈中电压不变 , 所以功率 变大 , 故副线圈上的功率增加 , 故 D 正确。 4-2 　(多选)如图所示,理想变压器的原线圈 a 、 b 两端接正弦式交变电 压,副线圈 c 、 d 两端通过输电线接三只相同的灯泡L 1 、L 2 、L 3 ,输电线的 等效电阻为 R ,当开关由原来的断开状态变为闭合状态时,下列说法正确 的是   (　 ABC 　) A.输电线上的电压增大　     B.通过原线圈的电流增大 C.通过灯泡L 1 的电流减小　     D.变压器的输入功率减小 解析 　开关由原来的断开状态变为闭合状态,由   =   得副线圈线路总 电压不变,而总电阻减小,总电流增大,则 R 两端电压增大,L 1 两端电压减 小,通过L 1 的电流减小,A、C正确;由   =   得原线圈电流增大,输入功率 增大,B正确,D错误。 突破四　远距离输电 1.远距离输电的处理思路 对高压输电问题,应按“发电机→升压变压器→远距离输电线→降压变 压器→用电器”,或按从“用电器”倒推到“发电机”的顺序一步一步 进行分析。 2.远距离高压输电的几个基本关系(以图为例) (1)功率关系: P 1 = P 2 , P 3 = P 4 , P 2 = P 损 + P 3 。 (2)电压、电流关系: U 1 / n 1 = U 2 / n 2 , U 3 / n 3 = U 4 / n 4 , U 2 =Δ U + U 3 , I 2 = I 3 = I 线 。 (3)输电电流: I 线 = I 2 = I 3 =   。 (4)输电线上损耗的功率: P 损 = I 线 Δ U =   R 线 =   R 线 =   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   。 典例5 　(多选)如图所示,有一台交流发电机 E ,通过理想升压变压器 T 1 和理想降压变压器 T 2 向远处用户供电,输电线的总电阻为 R 。 T 1 的输入电压和输入功率分别为 U 1 和 P 1 ,它的输出电压和输出功率分别为 U 2 和 P 2 ; T 2 的输入电压和输入功率分别为 U 3 和 P 3 ,它的输出电压和输出功率分别为 U 4 和 P 4 。设 T 1 的输入电压 U 1 一定,当用户消耗的电功 率变大时,有   (     BD 　) A. U 2 减小, U 4 变大　    B. U 2 不变, U 3 变小 C. P 1 变小, P 2 变小　    D. P 2 变大, P 3 变大 解析 　由理想变压器输出功率决定输入功率可得,当用户功率增大时, 升压变压器的输入功率必增大,即 P 1 增大,输入电压 U 1 为定值不变,升压 变压器的匝数不变,故输出电压 U 2 不变,由于 P 1 增大,由 P 1 = U 1 I 1 = P 2 = U 2 I 2 可 得, I 1 增加, P 2 、 I 2 增加,由闭合电路欧姆定律得 U 3 = U 2 - I 2 R ,故 U 3 减小,降压变 压器原、副线圈匝数不变,所以 U 4 减小,故选项A错误、选项B正确;由于 用户功率增加,即 P 4 增加,理想变压器无功率损耗可得: P 3 = P 4 ,功率 P 3 也增 加,由以上分析可知 P 1 、 P 2 增大,故选项C错误、选项D正确。 5-1 　(多选)如图所示,某小型发电站发电机输出的交流电压为500 V,输 出的电功率为50 kW,用电阻为3 Ω的输电线向远处送电,要求输电线上 损失功率为输电功率的0.6%,则发电站要安装一升压变压器,到达用户 再用降压变压器变为220 V供用户使用(两个变压器均为理想变压器)。 对整个送电过程,下列说法正确的是   (　 AD 　) A.输电线上的损失功率为300 W B.升压变压器原、副线圈的匝数比为1∶100 C.输电线上的电流为100 A D.降压变压器的输入电压为4 970 V 解析 　输电线上损失功率 P 损 = P × 0.6%=50 kW × 0.6%=300 W,A正确;输 电线上的电流 I 2 =   =10 A,C错误;升压变压器原线圈中的电流为 I 1 =   =   A=100 A,根据电流比与匝数比成反比,得   =   =   =   ,B错 误;升压变压器副线圈两端的电压 U 2 =   =   V=5 × 10 3 V,输电线上 损失的电压为 U 损 = I 2 R =10 × 3 V=30 V,降压变压器输入电压 U 3 =5 000 V-3 0 V=4 970 V,D正确。