2022年高考物理二輪專題復習 交變電流 電磁場和電磁波教案

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1、2022年高考物理二輪專題復習 交變電流 電磁場和電磁波教案 O1 ω O2 B 一、正弦交變電流 1．正弦交變電流的產(chǎn)生 當閉合線圈由中性面位置（圖中O1O2位置）開始在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動時，線圈中產(chǎn)生的感應電動勢隨時間而變的函數(shù)是正弦函數(shù)：e=Emsinωt，其中Em=nBSω。這就是正弦交變電流。 通過轉(zhuǎn)動軸而跟磁感線垂直的平面叫中性面。線圈通過中性面時刻的特點是：磁通量ф的瞬時值最大Φm=BS，感應電動勢的瞬時值e=零，感應電流的瞬時值i=零。 φ，u t O Φm -Um T 實際上，穿過線圈的磁通量φ隨時間t變化的規(guī)律是φ=Φmcosωt，其中Φm=B

2、S，按法拉第電磁感應定律，u=Δφ/Δt=φ′，可得u=-Φmωsinωt= -BSωsinωt，若電樞為n匝線圈，則u=- nBSωsinωt。φ(t)和u(t)必然互為余函數(shù)。因此φ=Φm時u=0，φ=0時u=Um 2．交變電流的有效值 交變電流的有效值是根據(jù)電流的熱效應規(guī)定的：讓交流和直流通過相同阻值的電阻，如果它們在相同的時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量相等，就把這一直流的數(shù)值叫做這一交流的有效值。 ⑴只有正弦交變電流的有效值才一定是最大值的倍。 ⑵通常所說的交變電流的電流、電壓；交流電表的讀數(shù)；交流電器的額定電壓、額定電流；保險絲的熔斷電流等都指有效值。（電容器的耐壓值是交流的最大值。）

3、3．正弦交變電流的最大值、有效值、瞬時值和平均值的區(qū)別 正弦交變電流的電動勢、電壓和電流都有最大值、有效值、瞬時值和平均值，特別要注意它們之間的區(qū)別。以電動勢為例：最大值用Em表示，有效值用E表示，瞬時值用e表示，平均值用表示。它們的關(guān)系為：，e=Emsinωt。平均值不常用，必要時要用法拉第電磁感應定律直接求：。特別要注意，有效值和平均值是不同的兩個物理量，千萬不可混淆。 生活中用的市電電壓為220V，其最大值為Um=220V=311V，頻率為50HZ，所以其電壓瞬時值的表達式為u=311sin314tV。 例1．交流發(fā)電機的轉(zhuǎn)子由B∥S的位置開始勻速轉(zhuǎn)動，與它并聯(lián)的電壓表的示數(shù)為14

4、.1V，那么當線圈轉(zhuǎn)過30o時刻，交流電壓的瞬時值為____V。 i/A 3 O t/s -6 0.2 0.3 0.5 0.6 解：電壓表的示數(shù)是交流電壓的有效值U，由此最大值為Um=U=20V。而轉(zhuǎn)過30o時刻的瞬時值為u=Umcos30o=17.3V。 例2．通過某電阻的周期性交變電流的圖象如右。求該交流電的有效值I。 解：該交流周期為T=0.3s，每個周期的前t1=0.2s為恒定電流I1=3A，后t2=0.1s為恒定電流I2= -6A，因此一個周期內(nèi)電流做的功可以求出來，根據(jù)有效值的定義，設有效值為I，根據(jù)定義有： I

5、 2RT=I12Rt1+ I22Rt2 帶入數(shù)據(jù)計算得：I=3A 例3．交流發(fā)電機轉(zhuǎn)子有n匝線圈，每匝線圈所圍面積為S，勻強磁場的磁感應強度為B，勻速轉(zhuǎn)動的角速度為ω，線圈內(nèi)電阻為r，外電路電阻為R。當線圈由圖中實線位置勻速轉(zhuǎn)動90o到達虛線位置過程中，求：⑴通過R的電荷量q為多少？⑵R上產(chǎn)生焦耳熱QR為多少？⑶外力做的功W為多少？ 解：⑴按照電流的定義I=q/t，計算q應該用平均值：即，這里電流和電動勢都必須要用平均值，不能用有效值、最大值或瞬時值。 ⑵求焦耳熱應該用有效值，先求總焦耳熱Q，再按照內(nèi)外電阻之比求R上產(chǎn)生的焦耳熱QR。。這里的電流必須要用有效值，不能用平均值、

6、最大值或瞬時值。 ⑶根據(jù)能量守恒，外力做功的過程是機械能向電能轉(zhuǎn)化的過程，電流通過電阻，又將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，即放出焦耳熱。因此W=Q 。要善于用能量轉(zhuǎn)化和守恒定律來分析功和能。 4．理想變壓器 忽略原、副線圈的內(nèi)阻和各種電磁能量損失的變壓器，稱為理想變壓器。 理想變壓器的兩個基本公式是：⑴ ，即對同一變壓器的任意兩個線圈，都有電壓和匝數(shù)成正比。⑵P入=P出，即無論有幾個副線圈在工作，變壓器的輸入功率總等于所有輸出功率之和。 需要特別引起注意的是： ⑴只有當變壓器只有一個副線圈工作時，才有： ⑵變壓器的輸入功率由輸出功率決定，計算輸入功率和輸出功率都用。 ⑶區(qū)分負載和負載電阻值。

7、以上功率表達式中的R表示負載電阻的阻值，而不是“負載”?！柏撦d”表示副線圈所接的用電器的實際功率。在同一電壓下，R越大，負載越??；R越小，負載越大。這一點在審題時要特別注意。 n3 R n2 L 220V n1 例4．理想變壓器初級線圈和兩個次級線圈的匝數(shù)分別為n1=1760匝、n2=288匝、n3=8000匝，電源電壓為U1=220V。n2上連接的燈泡的實際功率為36W，測得初級線圈的電流為I1=0.3A，求通過n3的負載R的電流I3。 解：由于兩個次級線圈都在工作，所以不能用I∝1/n，而應該用P1=P2+P3和U∝n。由U∝n可求得U2=36V，U3=1000

8、V；由U1I1=U2I2+U3I3和I2=1A可得I3=0.03A。 零線 火線 零線 火線 零線 火線 零線 火線 A A A A 例5．在變電站里，經(jīng)常要用交流電表去監(jiān)測電網(wǎng)上每相的強電流，所用的器材叫電流互感器。如下所示的四個圖中，能正確反應其工作原理的是 A． B． C． D． 解：電流互感器要把大電流變?yōu)樾‰娏?，因此原線圈的匝數(shù)少，副線圈的匝數(shù)多。監(jiān)測每相的電流必須將原線圈串聯(lián)在火線中。選A。 n1 n1′

9、 n2 n2 ′ R D1 r D2 I1 I1′ I r I2 I2′ ~ 5．遠距離輸電 解遠距離輸電的題目，一定要畫出各個輸電設施的示意圖來，包括發(fā)電機、兩臺變壓器、輸電線電阻和負載。并按照規(guī)范在圖中標出相應的物理量符號。一般設兩個變壓器的初、次級線圈的匝數(shù)分別為、n1、n1′ n2、n2′，相應的電壓、電流、功率也應該采用相應的符號來表示。 從圖中應該看出功率之間的關(guān)系是：P1=P1′，P2=P2′，P1′=Pr+P2； 電壓之間的關(guān)系

10、是：； 電流之間的關(guān)系是：。 以上電流之間的關(guān)系最簡單，中只要知道一個，另兩個總和它相等。因此求輸電線上的電流往往是這類問題的突破口。 n1 n1′ n2 n2′ D1 r D2 U1 U1′ U r U2 U2′ ~ R E r R′ 等效電路 為了便于分析，可以將遠距離輸電的線路等效為如右下圖所示的一個直流電路。左邊虛線框內(nèi)的設備相當于一只電動勢為E=U1′，內(nèi)阻為r的電池；右邊虛線框內(nèi)的設備相當于

11、一只電阻R′：D2的初級線圈電壓為U2時，如果負載電阻R消耗的功率和把R′直接接在D2的初級線圈上時消耗的功率相同，R′就是等效電阻。由，可得，只要匝數(shù)不變，等效電阻R′和實際負載電阻R成正比。 輸電線上的功率損失和電壓損失的分析和計算時都必須用Pr=I2r，Ur=Ir，而不能用。 ，⑴減少輸電線功率損失的途徑是提高輸電電壓或增大輸電導線的橫截面積。兩者相比，當然選擇前者。⑵若輸電線功率損失已經(jīng)確定，那么升高輸電電壓能減小輸電線截面積，從而節(jié)約大量金屬材料和架設電線所需的鋼材和水泥，還能少占用土地。 例6．發(fā)電廠的交流發(fā)電機輸出電壓恒為500V，輸出功率為100kW。要將電能輸送到遠處的

12、工廠。設計輸電線上的功率損失為2%，輸電線總電阻為20Ω，用戶得到的電壓220V。求：發(fā)電廠附近的升壓變壓器和用戶附近的降壓變壓器的匝數(shù)比各多大？（所用變壓器都看作理想變壓器） 解：這是設計電路問題，發(fā)電廠的設計輸出功率和輸電線功率損失都是確定的。Pr=2%P1=2000W，由Pr=Ir2?r，得Ir=10A，即升壓變壓器次級線圈的電流I1′和降壓變壓器初級線圈的電流I2都是10A。升壓變壓器初級線圈的電流I1=P1/U1=200A，因此；升壓變壓器次級線圈電壓U1′=10000V，輸電線上的電壓損失Ur=Ir?r=200V，因此降壓變壓器初級線圈電壓為U2=U1′-Ur=9800V，因此。

13、 發(fā)電機 升壓變壓器 降壓變壓器 用戶 輸電線 例7．遠距離輸電線路的示意圖如圖所示，若發(fā)電機的輸出電壓不變，在線路正常工作的情況下，當用戶用電器的總功率增大時，下列判斷正確的是 A．升壓變壓器的原線圈中的電流保持不變 B．降壓變壓器的輸出電壓升高 C．降壓變壓器的輸出電壓降低 D．輸電線上損耗的電功率減小 解：這是實際用電問題。發(fā)電機輸出電壓、升壓、降壓變壓器、輸電線都已確定。相當于等效電路中的電源電動勢、內(nèi)阻不變。正常工作時內(nèi)阻遠小于外電阻，因此用戶用電器總功率增加，一定是負載總電阻減小，引起的結(jié)果是各處電流增大、功率增大，輸電線電壓損失增大，降壓變壓器初

14、級、次級電壓都降低。選C。 6．感抗和容抗（統(tǒng)稱電抗） ⑴感抗表示電感對交變電流的阻礙作用（XL=2πfL），其特點是“通直流，阻交流”、“通低頻，阻高頻”。 ⑵容抗表示電容對交變電流的阻礙作用（XC=1/2πfC），其特點是“通交流，隔直流”、“通高頻，阻低頻”。 輸電線上的電壓損失，除了與輸電線的電阻有關(guān)，還與感抗和容抗有關(guān)。當輸電線路交流電壓較高、導線截面積較大時，電抗造成的電壓損失比電阻造成的還要大。因此現(xiàn)在又開發(fā)了高壓直流輸電技術(shù)，在輸電過程中采用高壓直流電，以減小輸電線上的功率損失。 C1 C2 例8．左右兩個電路都是從左端輸入信號，從右端輸出信號。左圖中輸入的是高頻

15、、低頻混合的交流信號，要求只輸出低頻信號；右圖中輸入的是直流和低頻交流的混合信號，要求只輸出低頻交流信號。那么C1、C2中哪個該用大電容？哪個該用小電容？ 解：電容的作用是“通交流，隔直流”、“通高頻，阻低頻”，由其表達式XC=1/2πfC可看出：左圖中的C1必須用電容小些的，才能使高頻交流順利通過，而低頻不易通過，這種電容器叫高頻旁路電容器。右圖中的C2一般用電容大的，使低頻交流電很容易通過，而直流成分不能從電容器上通過，這種電容器叫隔直電容器。 例9．電學元件的正確使用，對電路安全工作起著重要作用。某電解電容器上標有“25V ，450μF”字樣，下列說法中正確的是

16、 A．此電容器在交流、直流電路25V的電壓時都能正常工作 B．此電容器只有在不超過25V的直流電壓下才能正常工作 C．當工作電壓是直流25V時，電容才是450μF D．若此電容器在交流電壓下工作，交流電壓的最大值不能超過25V 解：電解電容器的極性是固定的，因此只能在直流電壓下工作。電容值是由電容器本身的性質(zhì)決定的，和電壓、電荷量都沒有關(guān)系。選B。 二、電磁場和電磁波 1．電磁場 麥克斯韋電磁場理論的兩大支柱：變化的磁場產(chǎn)生電場，變化的電場產(chǎn)生磁場。 振蕩電場產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場；振蕩磁場產(chǎn)生同頻率的振蕩電場。

17、 ⑵按照麥克斯韋的電磁場理論，變化的電場和磁場總是相互聯(lián)系的，形成一個不可分離的統(tǒng)一的場，這就是電磁場。電場和磁場只是這個統(tǒng)一的電磁場的兩種具體表現(xiàn)。 2．電磁波 變化的電場和磁場從產(chǎn)生的區(qū)域由近及遠地向周圍空間傳播開去，就形成了電磁波。 有效地發(fā)射電磁波的條件是：⑴頻率足夠高（單位時間內(nèi)輻射出的能量P∝f 4）；⑵形成開放電路（把電場和磁場分散到盡可能大的空間里去）。 電磁波是橫波。E與B的方向彼此垂直，而且都跟波的傳播方向垂直，因此電磁波是橫波。電磁波的傳播不需要靠別的物質(zhì)作介質(zhì)，在真空中也能傳播。在真空中的波速為c=3.0×108m/s。 3．電磁波的應用 要知道廣播、電視

18、、雷達、無線通信等都是電磁波的具體應用。 例10．某防空雷達發(fā)射的電磁波頻率為f=3×103MHZ，屏幕上尖形波顯示，從發(fā)射到接受經(jīng)歷時間Δt=0.4ms，那么被監(jiān)視的目標到雷達的距離為______km。該雷達發(fā)出的電磁波的波長為______m。 解：由s= cΔt=1.2×105m=120km。這是電磁波往返的路程，所以目標到雷達的距離為60km。由c= fλ可得λ= 0.1m 4．無線電波的發(fā)射和接收 振蕩器 調(diào)制器 L2 L1 ⑴無線電波的發(fā)射。振蕩器的作用是產(chǎn)生高頻等幅振蕩（只有高頻才能有效地發(fā)送出去）；調(diào)制器的作用是把需要傳輸?shù)男盘柤拥礁哳l等幅振蕩上去，使發(fā)射出的電磁波隨信號而變。調(diào)制分調(diào)幅、調(diào)頻兩種：使高頻振蕩的振幅隨信號改變的叫調(diào)幅；使高頻振蕩的頻率隨信號改變的叫調(diào)頻。調(diào)制好的信號通過L2、L1的互感作用，加到L1上，L1和天地線組成開放電路，從而把調(diào)制好的信號發(fā)射出去。 ⑵接收電路的主要部分是調(diào)諧電路。調(diào)節(jié)可變電容器，使調(diào)諧電路的固有頻率跟所要接收的電磁波的頻率相同，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強，這種現(xiàn)象叫電諧振（相當于共振）。從接收到的高頻振蕩中“檢”出所需要的信號，叫檢波。檢波是調(diào)制的逆過程，也叫解調(diào)。