(共32张PPT)
本章整合
第3章
2021
知识网络 体系构建
重点题型 归纳整合
一
交流发电机
1.发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。定子由定子铁芯、线包绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。
2.转子由转子铁芯(或磁极、磁扼)绕组、护环、中心环、滑环、风扇及转轴等部件组成,安装在定子里边。
3.原理由轴承及端盖将发电机的定子和转子连接组装起来,使转子能在定子中旋转,做切割磁感线的运动,从而产生感应电势,通过接线端子引出,接在回路中,便产生了电流。
机械能转化为电能
例1(2020北京朝阳高三上学期期末)大型发电机几乎都是旋转磁极式发电机,下图为其原理简图。竖直平面内闭合线圈abcd固定不动,磁铁绕图中的虚线旋转,线圈中就会产生感应电流。若条形磁铁以10π rad/s的角速度匀速转动,且图示时刻N极正在向里转。现以图示时刻为计时起点,则下列推断正确的是( )
A.该发电机产生的交流电频率是10 Hz
B.t=0时线圈中的电流方向为abcda
C.t=0.5 s时线圈中的电流方向发生变化
D.t=5 s时线圈中的电流最小
解析 该发电机产生的交变电流频率是 =5 Hz,选项A错误;由右手定则可知,t=0时线圈中的电流方向为abcda,选项B正确;t=0.5 s时线圈转过的角度为5π,此位置电流仍然是最大的位置,则线圈中的电流方向没有发生变化,选项C错误;t=5 s时线圈转过的角度为50π,线圈回到初始位置,则此位置线圈中的电流最大,选项D错误。
答案 B
方法技巧 交流发电机解题指导
(1)发电机将机械能转化为电能;
(2)发电机由定子和转子两部分组成,旋转的可以是线圈,也可以是磁体。
(3)交流发电机线圈中产生交流电,输送到外电路也是交流电;在交流发电机线圈转动的过程中,并不是线圈的每一条边都切割磁感线。
二
交变电流的变化规律
1.峰值
说明:峰值由线圈匝数N、磁感应强度B、转动角速度ω和线圈面积S决定,与线圈的形状无关,与转轴的位置无关。
2.正弦式交变电流的瞬时值表达式
(1)从中性面位置开始计时:e=Emsin ωt,i=Imsin ωt,u=Umsin ωt。
(2)从与中性面垂直的位置开始计时:e=Emcos ωt,i=Imcos ωt,u=Umcos ωt。
3.对交变电流图像的认识
如图所示,正弦交变电流随时间的变化情况可以从图像上表示出来,图像描述的是交变电流的电动势、电流、电压随时间变化的规律,它们是正弦曲线。
例2(多选)(2020江苏宿豫中学月考)矩形线圈的匝数为50,在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动时,穿过线圈的磁通量随时间的变化规律如图所示,下列结论正确的是( )
A.在t=0.1 s和t=0.3 s时,电动势最大
B.在t=0.2 s和t=0.4 s时,电动势改变方向
C.电动势的最大值是157 V
D.在t=0.4 s时,磁通量变化率达到最大,其值为3.14 Wb/s
答案 CD
方法技巧 交变电流图像的应用
从图像中可以解读到以下信息:
(1)交变电流的最大值Im、Em、Um、周期T。
(2)因线圈在中性面时感应电动势、感应电流均为零,磁通量最大,所以可确定线圈位于中性面的时刻。
(3)找出线圈平行于磁感线的时刻。
(4)判断线圈中磁通量的变化情况。
(5)分析判断e、i、u随时间的变化规律。
变式训练1一矩形线圈绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定轴匀速转动,线圈中的感应电动势e随时间t变化的规律如图所示,则下列说法正确的是( )
A.图像是从线圈平面位于中性面开始计时的
B.t2时刻穿过线圈的磁通量为零
C.t2时刻穿过线圈的磁通量的变化率为零
D.感应电动势e的方向变化时,穿过线圈的磁通量的方向也变化
解析 由题图可知,当t=0时,感应电动势最大,说明穿过线圈的磁通量的变化率最大,磁通量为零,即是从线圈平面与磁场方向平行时开始计时的,选项A错误;t2时刻感应电动势最大,穿过线圈的磁通量的变化率最大,磁通量为零,选项B正确,C错误;感应电动势e的方向变化时,线圈通过中性面,穿过线圈的磁通量最大,但方向并不变化,选项D错误。
答案 B
三
五类变压器
1.常规变压器:变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成的。
2.自耦变压器:自耦变压器(又称调压器),它只有一个线圈,原、副线圈共用其中的一部分作为另一个线圈,当交流电源接不同的端点时,它可以升压也可以降压,变压器的基本关系对自耦变压器同样适用,如图甲所示。
3.互感器:电压互感器将高电压变为低电压,如图乙所示;电流互感器将大电流变成小电流,如图丙所示。
4.多个副线圈的变压器:计算具有两个(或两个以上)副线圈的变压器问题时,应注意三个关系:
(2)电流关系:n1I1=n2I2+n3I3+…
(3)功率关系:P1=P2+P3+…
例3(2020辽宁沈阳质检)如图,T1、T2是监测交流高压输电参数的互感器,其中a、b是交流电压表或交流电流表。若高压输电线间的电压为220 kV,T1的原、副线圈匝数比为1∶100,交流电压表的示数为100 V,交流电流表的示数为1 A,则( )
A.b是交流电压表
B.T2的原、副线圈匝数比为100∶1
C.高压线路输送的电流为1 A
D.高压线路输送的电功率为220 kW
解析 右侧的互感器原线圈并联在高压线上,b是交流电压表,选项A正确;高压输电线间的电压为220 kV,副线圈交流电压表的示数为100 V,根据变压器变压公式,T2的原、副线圈匝数比为2 200∶1,选项B错误;T1的原、副线圈匝数比为1∶100,a是交流电流表,交流电流表的示数为1 A,根据变压器变流公式,高压线路输送的电流为100 A,选项C错误;高压线路输送的电功率为P=UI=220 kV×100 A=22 000 kW,选项D错误。
答案 A
方法技巧 电压互感器和电流互感器,比较如下:
比较项 电压互感器 电流互感器
原线圈的连接 并联在高压电路中 串联在大电流电路中
副线圈的连接 连接电压表 连接电流表
互感器的作用 将高电压变为低电压 将大电流变为小电流
利用的公式 I1n1=I2n2
变式训练2(多选)现用电压为380 V的正弦式交流电给额定电压为220 V的电灯供电,以下电路中可以使电灯正常发光的有( )
解析 由图可知,A、B选项中均有电阻分压,可以使电灯正常发光;C选项为降压变压器,通过变压器降压也可以使电灯正常发光;D选项为升压变压器,电灯两端的电压要大于380 V,不可以使电灯正常发光。
答案 ABC
四
节能与电能的输送
近年来,农村进行电网改造,为减少远距离输电的损耗而降低电费价格可采取的措施有:一是减小输电导线中的电流,即可提高输电电压;二是减小输电线的电阻,即增大导线的横截面积。
如图所示,若发电站输出电功率为P,输电电压为U,用户得到的电功率为P',用户得到的电压为U',输电线总电阻为R。
4.减少输电线上电能损失的方法:(1)减小输电线的电阻R。由 知,可加大导线的横截面积、采用电阻率小的材料做导线。采用该种方法效果有限,因为加大输电线的横截面积会增加材料的使用量,而且输电线的重力增大给架设线路带来困难。(2)减小输电线中的电流。在输电功率一定的情况下,根据P=UI,要减小电流,必须提高输电电压。
例4(2020安徽枞阳浮山中学检测)发电机的输出电压为220 V,输出功率为44 kW,每条输电线的电阻为0.2 Ω。
(1)此时用户得到的电压和电功率各为多少
(2)如果发电站先用变压比为1∶10的升压变压器将电压升高,经同样的输电线路后经10∶1的降压变压器将电压降低后供给用户,则用户得到的电压和电功率各是多少
损失的电压UR=IRR=2×0.2×200 V=80 V
损失的功率PR=URIR=80×200 W=16 kW
故用户得到的电压U用户=U-UR=140 V
用户得到的功率为P用户=P-PR=28 kW。
(2)已知升压变压器的匝数比n1∶n2=1∶10
输入电压U1=220 V
因此,升压变压器的输出电压U2= U1=2 200 V
损失的电压UR'=IR'R=2×0.2×20 V=8 V
损失的功率PR'=UR'IR'=8×20 W=160 W
因此,降压变压器的输入电压U3=U2-UR'=2 192 V
已知降压变压器的匝数比n3∶n4=10∶1
所以用户得到的电压U4= U3=219.2 V
用户得到的功率P用户'=P-PR'=43.84 kW。
答案 (1)140 V 28 kW (2)219.2 V 43.84 kW
方法技巧 处理远距离输电的方法技巧
(1)画好一张图——远距离输电示意图;
(2)抓住电两端——发电站和用户;
(3)分析一条线——输电线;
(4)研究两次变——升压变压器升压和降压变压器降压;
(5)区分三个量——输送电压(功率)、损失电压(功率)、用户电压(功率)。
变式训练3(多选)某小型水电站的电能输送示意图如图所示,发电机的输出电压为200 V,输电线总电阻为r,升压变压器原、副线圈匝数分别为n1、n2,降压变压器原、副线圈匝数分别为n3、n4(变压器均为理想变压器)。要使额定电压为220 V的用电器正常工作,则( )
C.升压变压器的输出电压等于降压变压器的输入电压
D.升压变压器的输出功率大于降压变压器的输入功率
答案 AD(共41张PPT)
第1节 交变电流的特点
第3章
2021
学习目标
1.知道什么是交变电流。(物理观念)
2.通过实验探究恒定电流与交变电流的区别。(科学探究)
3.知道交变电流的周期和频率、最大值和有效值。(物理观念)
4.了解最大值和有效值不同的实际应用意义。(科学思维)
思维导图
课前篇 自主预习
一、直流电流与交变电流
1.恒定电流
正常工作的干电池提供的电压不变,因而在电路中形成的电流大小和方向都不随时间变化,是恒定电流(如图甲)。
2.直流电流
方向不随时间变化的电流为直流电流。
3.交变电流
在电路中形成的电流大小和方向随时间做周期性变化的电流是交变电流(如图乙)。
想一想如图甲、乙所示的电流为交变电流的是哪个图
提示 乙所示的电流为交变电流。
二、交变电流的周期和频率
1.周期:交变电流完成一次周期性变化所需要的时间。用T表示,单位是
秒(s)。
2.频率:交变电流在一段时间内完成周期性变化的次数与这段时间之比称为交变电流的频率,用f表示,单位是赫兹(Hz)。
3.周期(T)和频率(f)之间的关系: 。
4.正弦式交变电流:电流的大小和方向随时间按正弦规律变化的电流。
想一想打点计时器总是每0.02 s打一次点,交变电流的频率为多少
提示 每0.02 s打一次点,打点计时器接的交变电流的频率f=50 Hz。
三、交变电流的最大值和有效值
1.最大值
我们用Um、Im分别表示交变电压和电流能达到的最大值,又称峰值。
2.有效值
让恒定电流和交变电流分别通过阻值相等的电阻,如果它们在相同的
时间内产生的热量相等,就把该恒定电流的数值规定为这个交变电流的有效值。交变电流的电流、电压的有效值分别用I、U表示。
3.正弦式交变电流的有效值和最大值的关系
4.应用
(1)电气元件或设备上所标的耐压值指该设备所能承受的交变电流的
最大值。
(2)交流用电设备上所标的额定电压和额定电流是有效值;交流电压表测量的数值是有效值;交变电流的数值在无特别说明时都指有效值。
想一想家用电是正弦式交变电流,电流的大小和方向在不断变化,我们常说家用电电压为220 V,频率为50 Hz,这里的220 V和50 Hz的物理意义是什么 如果电路中含有电容器,对电路的电压有什么要求
提示 家用电压为220 V,指的是交变电流电压的有效值,频率为50 Hz,指交流电压、电流每秒钟周期性变化50次。把交变电流接到电容器两端时,交流电压的峰值应小于电容器所能承受的最大电压(又叫电容器的耐压值、击穿电压),否则电容器就有被击穿的危险。
【自我检测】
1.正误判断(判定结果为错误的小题请写出原因)
(1)方向不变的电流就是恒定电流。( )
解析 大小和方向都不随时间变化的电流是恒定电流。
答案 ×
(2)i-t波形图是正弦曲线的一定是交变电流。( )
解析 只有电流的方向发生变化,才有可能是交变电流,若方向不变,尽管大小随时间做周期性变化亦为直流电。
答案 ×
(3)我国交变电流周期为0.02 s,频率为50 Hz。( )
答案 √
(4)只要是交变电流,其最大值就是有效值的 倍。( )
解析 正弦式交变电流,其最大值是有效值的 倍。
答案 ×
2.在阻值为70 Ω的电阻中通以正弦交变电流,测得在10 min内放出的热量为2.1×104 J,则此交变电流的最大值为( )
A.0.24 A B.0.5 A
C.0.707 A D.1 A
答案 D
课堂篇 探究学习
问题一
直流电流与交变电流
【情境探究】
两种电流的图像:恒定电流(如图甲所示),交变电流(如图乙所示)。
下面电流的波形图是表示交变电流的吗
要点提示 图中电流均为正值,说明电流的方向不随时间变化,则此电流不是交变电流。
【知识点拨】
1.交变电流的方向随时间变化,而直流电流的方向不随时间变化。另外,交变电流的大小可以不变,如矩形脉冲,而直流电流的大小可以变化。
2.判断是不是交变电流,至少需在一个周期内
看方向是否变化
观察。如矩形波,该电流在正半周期或负半周期,电流的大小和方向都没有发生变化,但在一个周期或更长的时间内,电流的方向随时间发生周期性变化,所以是交变电流。
画龙点睛 交变电流的波形不一定是曲线,不能认为凡是波形是曲线的,就一定是交变电流。
【典例剖析】
例1(2020安徽宣城郎溪中学月考)关于交变电流和直流电流的说法,正确的是( )
A.如果电流大小做周期性变化,则一定是交变电流
B.直流电的大小可以变化,但方向不一定变化
C.交变电流一定是按正弦或余弦规律变化的
D.交变电流的最大特征就是电流的方向发生周期性的变化
解析 直流电的特征是电流方向不变,交变电流的特征是电流方向改变,另外交变电流不一定都是正弦交变电流或余弦交变电流,D项正确。
答案 D
规律方法 直流电流与交变电流的区别
(1)区分直流电流和交变电流的最根本的一点就是看方向是否变化。
(2)明确交变电流的性质,知道交变电流的重要特征是电流方向的变化;明确只要方向不变即为直流电流。
变式训练1如图所示,属于交变电流的是( )
解析 方向随时间做周期性变化是交变电流最重要的特征。A、B、D三项所示的电流大小随时间做周期性变化,但其方向不变,不是交变电流,它们所表示的是直流电。C选项中电流的方向随时间做周期性变化,故选C。
答案 C
问题二
交变电流的周期和频率
【情境探究】
特斯拉,他既是发明家,也是物理学家、机械工程师、电气工程师,24岁发明交流电,一生拥有1 000多项专利发明,获得11次诺贝尔物理学奖提名,我们都很熟悉的雷达、收音机、传真机、霓虹灯、飞弹导航等全是出自他手,特斯拉堪称天才。如图所示是一个正弦式交变电流的图像。
(1)该交变电流完成一次周期性变化需要多长时间
(2)在1 s内完成多少次周期性变化
要点提示 (1)完成一次周期性变化需要0.02 s;(2)在1 s内完成50次周期性变化。
【知识点拨】
1.线圈转动一周,交变电流恰好完成一次周期性变化。
2.从线圈转动的角度来说,周期就是线圈在磁场中转动一周所用的时间;频率就是线圈在磁场中一秒钟内转动的圈数。
画龙点睛 我国日常生活中所用的市电的周期为0.02 s,频率为50 Hz,电流方向在1 s内改变100次。
【典例剖析】
例2(多选)关于交变电流的周期和频率,下列说法中正确的是( )
A.正弦式交变电流出现两次最大值的时间间隔等于周期的一半
B.正弦式交变电流1 s内出现最大值的次数等于频率
C.正弦式交变电流方向变化的频率为交变电流频率的2倍
D.50 Hz的交变电流,其周期等于0.05 s
解析 根据周期的定义知选项A正确。根据频率的定义可知选项B错误。因为在一个周期的时间内,正弦式交变电流会出现正向和负向最大值各一次,正弦式交变电流在一个周期内方向改变两次,即正弦式交变电流方向变化的频率为交变电流频率的2倍,所以选项C正确。由 =0.02 s,知选项D错误。故正确答案为A、C。
答案 AC
规律方法 民用交变电流的周期和频率
(1)我国电网中交变电流的周期是0.02 s,频率是50 Hz。但并不是所有国家交变电流频率都是50 Hz,有少数国家交变电流频率是60 Hz。
(2)我国民用交变电流的周期和频率:①周期T=0.02 s。②频率f=50 Hz。ω=100π rad/s,电流方向每秒钟改变100次。③线圈在匀强磁场中转动一周,电动势、电流都按正(余)弦规律变化一次。
变式训练2(多选)如图所示,下列对图像的描述正确的是( )
A.该电压是直流电压
B.该电压是交流电压
C.该电压的周期是0.2 s
D.该电压的频率是 Hz
解析 从图像可以看出每经过0.3 s开始重复上一个过程,所以0.3 s是一个周期,频率是 Hz,在一个周期内,前0.1 s电压为正值,后0.2 s电压为负值,表示前后电流方向相反,所以是交变电流,B、D对,A、C错。
答案 BD
问题三
交变电流的最大值和有效值
【情境探究】
如图所示为一交变电流的图像。
(1)此交变电流的周期为多大
(2)此交变电流的最大值为多少
(3)此交变电流的有效值为 A吗 为什么
【知识点拨】
1.交变电流有效值的定义
(1)交变电流的有效值是根据电流的热效应定义的。
(2)等效是指恒定电流和交变电流,在相同的时间内,在相同的电阻上产生的热量相同。
(3)通常所说的交变电流的电压、电流,用电表测量的交变电流的电压、电流,以及用电器的额定电压、额定电流,还有保险丝的熔断电流,都是指其有效值。
2.交变电流有效值的计算
(1)若是正弦式交变电流,可利用交变电流的有效值与峰值间的关系求解,
(2)若不是正弦式交变电流,则必须根据电流的热效应来求解其有效值,且时间取一个周期。
(3)求解思路:假设让交变电流通过相同电阻R,计
抓住“三同”
算交变电流在一个周期内产生相同的热量Q(可分段计算),其中热量Q用相应的物理量I或U来表示如Q=I2Rt或Q= ,则I或U为交变电流的相应有效值。
画龙点睛 在定义有效值时应注意三同:①相同电阻;②相同时间;③产生相同热量。
【典例剖析】
例3一个匝数为100匝,电阻为R=0.5 Ω的闭合线圈处于某一磁场中,磁场方向垂直于线圈平面,从某时刻起穿过线圈的磁通量按如图所示规律变化,则线圈中产生交变电流的有效值为( )
答案 B
变式训练3有一交变电流如图所示,则由此图像可知( )
A.它的周期是0.4 s
B.它的峰值是4 A
C.它的有效值是2 A
D.它的频率是0.8 Hz
解析 由此图像可知它的周期是0.8 s,故A错误;它的峰值是4 A,故B正确;它不是正弦式交变电流,因此有效值不等于最大值除以 ,即它的有效值不是2 A,故C错误;它的周期是0.8 s,频率f= =1.25 Hz,故D错误。
答案 B
随堂检测
1.下列各选项的图像中表示交变电流的是( )
解析 在B、C两图像中,虽然电流大小随时间做周期性变化,但方向不变,故不是交变电流。A图像中电流的方向没有发生变化,不是交变电流。D图像中,电流的大小、方向均随时间做周期性变化,是交变电流,故选D。
答案 D
2.如图所示是一个正弦式交变电流的图像,下列说法正确的是( )
A.周期是0.2 s,电流的峰值是10 A
B.周期是0.15 s,电流的峰值是10 A
C.频率是5 Hz,电流的有效值是10 A
D.频率是0.2 Hz,电流的有效值是7.07 A
解析 由图像可知T=0.2 s,Im=10 A,故频率 ,选项A正确,B、C、D错误。
答案 A
3.(多选)下列说法正确的是( )
A.使用交变电流的用电器铭牌上所标示的额定电压、额定电流的数值均为最大值
B.用交流电流表和电压表测得的数值是有效值
C.照明电路电压220 V指的是有效值
D.所有交变电流的有效值和最大值之间均存在
解析 各种使用交流电的用电器铭牌上所标示的额定电压、额定电流均为有效值,故A项错误;交流电表测量值为有效值,故B项正确;照明电路电压220 V指的是有效值,故C项正确; 是正弦式交变电流有效值和最大值的关系,故D项错误。
答案 BC
4.(多选)对于如图所示的电流i随时间t做周期性变化的图像,下列说法中正确的是( )
A.电流大小变化、方向不变,是直流电
B.电流大小、方向都变化,是交变电流
C.电流最大值为0.2 A,周期为0.01 s
D.电流的周期为0.005 s,有效值为0.1 A
解析 i-t图像中i数值的正负表示电流的方向,图中电流始终为正值,表示电流方向不变,是直流电,A对、B错;从图中可以看出每经过0.01 s,i-t图像重复一次,周期为0.01 s,电流最大值为0.2 A,C对、D错。
答案 AC
5.如图表示一交变电流随时间变化的图像,则此交变电流的有效值是多少
答案 5 A(共48张PPT)
第2节 交变电流的产生
第3章
2021
学习目标
1.认识交流发电机,了解交流发电机结构。(物理观念)
2.理解正弦式交变电流的产生原理,知道中性面的概念。(物理观念)
3.掌握交变电流的变化规律,能用数学表达式和图像描述正弦式交变电流的变化规律。(科学思维)
4.理解交变电流的瞬时值和最大值,能正确表示出正弦式交变电流的最大值、有效值和瞬时值。(科学思维)
思维导图
课前篇 自主预习
【必备知识】
一、交流发电机的原理
1.交流发电机的原理:由法拉第电磁感应定律可知,只要通过闭合回路的
磁通量发生变化,就可以产生感应电动势和感应电流。
2.磁极固定不动,让电枢在磁极中旋转,使穿过线圈的磁通量发生变化而产生感应电动势,这种发电机被称为旋转电枢式发电机。
3.电枢固定不动,让磁极在电枢中旋转,使穿过线圈的磁通量发生变化而产生感应电动势,这种发电机被称为旋转磁极式发电机。
4.不论哪一种发电机,转动的部分都叫转子,固定不动的部分都叫定子。
想一想如何理解线圈平面转到中性面时感应电动势为零,而线圈平面与中性面垂直时感应电动势最大呢
提示 根据法拉第电磁感应定律E=n 可知,感应电动势的大小不是与磁通量Φ成比例,而是与磁通量的变化率成正比。虽然线圈经过中性面时磁通量最大,但磁通量的变化率为零,所以感应电动势为零;虽然线圈平面与中性面垂直时磁通量为零,但磁通量的变化率最大,所以感应电动势最大。
二、正弦式交变电流的产生原理
1.产生条件:在匀强磁场中,矩形线圈绕垂直于磁场方向的轴匀速转动。
2.中性面:线圈在磁场中转动的过程中,线圈平面与磁场垂直时所在的平面。
3.当线圈平面位于中性面时,线圈中的磁通量最大,线圈中的电流为零,且线圈平面经过中性面时,电流方向就发生改变,故线圈转动一周电流方向改变两次。
想一想中性面是任意规定的吗
提示 不是。中性面是一个客观存在的平面,即与磁感线垂直的平面。
三、正弦式交变电流的变化规律
1.正弦式交变电流:按正弦规律变化的交变电流叫正弦式交变电流。
2.正弦式交变电流瞬时值表达式
当从中性面开始计时:瞬时感应电动势e=Emsin ωt ,瞬时电压u=Umsin ωt ,瞬时感应电流i=i=Imsin ωt。式中Em、Um、Im分别表示感应电动势、电压、感应电流的最大值。
3.交变电流的图像(如图所示)
想一想交流发电机输出的电流都可以表示为i=Imsin ωt吗
提示 不一定。如果线圈从中性面的垂面开始计时,则输出的电流表示为i=Imcos ωt。
【自我检测】
1.正误判断(判定结果为错误的小题请写出原因)
(1)中性面的特点是磁通量最大,但感应电动势为零。( )
答案 √
(2)线圈转一周有两次经过中性面,每转一周电流方向改变一次。( )
解析 线圈经过中性面时,感应电流改变方向,线圈转动一周,两次通过中性面,感应电流方向改变两次。
答案 ×
(3)正弦式交变电流的图像一定是正弦函数曲线。( )
解析 不一定,根据计时起点不同,也可能是余弦函数曲线。
答案 ×
(4)交变电流的感应电动势的瞬时值表达式为e=Emsin ωt时,穿过线圈磁通量的瞬时值表达式Φ=Φmcos ωt。( )
答案 √
2.当摇动如图所示的手摇交流发电机时,发现小灯泡闪烁,此时流过小灯泡的电流是( )
A.交变电流
B.直流电
C.恒定电流
D.涡流
解析 交变电流是指方向随时间发生周期性变化的电流,直流电的方向不变,而恒定电流是指大小与方向均不变的电流,涡流是感应电流。手摇交流发电机产生的是交变电流,故A正确,B、C、D错误。
答案 A
3.关于线圈在匀强磁场中转动时产生的交变电流,以下说法中正确的是( )
A.线圈平面每经过中性面一次,感应电流方向就改变一次,感应电动势方向不变
B.线圈每转动一周,感应电流方向就改变一次
C.线圈平面每经过中性面一次,感应电动势和感应电流的方向都要改变一次
D.线圈转动一周,感应电动势和感应电流方向都要改变一次
解析 线圈转至中性面时,线圈平面垂直于磁感线,磁通量最大,但磁通量的变化率、感应电动势、感应电流均为零,电流方向恰好发生变化。因此,线圈在匀强磁场中转动产生交变电流时,每经过中性面一次,感应电动势和感应电流的方向都要改变一次,线圈每转动一周,经过中性面两次,感应电动势和感应电流的方向都改变两次,所以C正确。
答案 C
课堂篇 探究学习
问题一
正弦式交变电流的产生原理
【情境探究】
如图所示,将矩形线圈与电流计连接,线圈处于匀强磁场中,并绕垂直磁场的轴匀速转动。
(1)电流表指针如何摆动,这说明了什么
(2)总结产生交变电流的条件是什么
(3)分析产生交变电流的过程,如何判断线圈中电流的方向
要点提示 (1)矩形线圈转动时,电流计指针左右摆动,说明流过电流计的电流方向改变,线圈转动产生的是交变电流;(2)可总结出产生交变电流的条件:线圈绕垂直于磁场的轴匀速转动时可产生交变电流;(3)线圈中的电流方向可用楞次定律或右手定则判断。
【知识点拨】
1.两个特殊位置的特点
一最大三零
一零三最大
比较项 中性面 中性面的垂面
位置 线圈平面与磁场垂直 线圈平面与磁场平行
磁通量 最大 零
磁通量变化率 零 最大
感应电动势 零 最大
感应电流 零 最大
电流方向 改变 不变
2.交变电流的
产生过程分析
画龙点睛 正弦交变电流的产生条件:(1)匀强磁场。(2)线圈匀速转动。(3)线圈的转轴垂直于磁场方向。
【典例剖析】
例1(多选)(2020山西晋中和诚高中检测)如图所示,矩形线框置于竖直向下的磁场中,通过导线与灵敏电流计相连,线框在磁场中绕垂直于磁场方向的转轴匀速转动,图中线框处于竖直面内,下述说法正确的是( )
A.因为线框中产生的是交变电流,所以灵敏电流计示数始终为零
B.线框通过图中位置瞬间,穿过线框的磁通量最大
C.线框通过图中位置瞬间,通过灵敏电流计的电流瞬时值最大
D.线框通过与图中位置相垂直的位置时,感应电流的方向发生改变
解析 线框在匀强磁场中匀速转动时,在中性面即线框与磁感线垂直时,磁通量最大,感应电动势最小,而在题中图示位置线框与磁感线平行,磁通量最小,感应电动势最大,A、B错误,C正确;经过中性面位置时,感应电流方向改变,D正确。
答案 CD
规律方法 正弦式交变电流的产生原理
(1)产生正弦式交变电流的条件是:线圈绕垂直于匀强磁场的轴匀速转动,与线圈的形状和转轴的位置无关。
(2)线圈在中性面位置时磁通量最大,电流为零。线圈在垂直于中性面位置时,磁通量为零,电流最大。
(3)线圈每经过中性面一次,感应电流的方向就改变一次;线圈每转动一周,经过中性面两次,感应电流的方向改变两次。
变式训练1(多选)(2020黑龙江鸡西检测)矩形线框绕垂直于匀强磁场且在线框平面内的轴匀速转动时产生了交变电流,下列说法正确的是( )
A.当线框位于中性面时,线框中感应电动势最大
B.当穿过线框的磁通量为零时,线框中的感应电动势也为零
C.当线框经过中性面时,感应电动势或感应电流的方向就改变一次
D.线框经过中性面时,各边切割磁感线的速度为零
解析 线框位于中性面时,线框平面与磁感线垂直,穿过线框的磁通量最大,但此时切割磁感线的两边的速度与磁感线平行,即不切割磁感线,所以感应电动势等于零,此时穿过线框的磁通量的变化率等于零,感应电动势或感应电流的方向在此时刻改变。线框垂直于中性面时,穿过线框的磁通量为零,但切割磁感线的两边都是垂直切割,有效切割速度最大,所以感应电动势最大,即此时穿过线框的磁通量的变化率最大,故C、D选项正确。
答案 CD
问题二
正弦式交变电流的变化规律
【情境探究】
如图是某发电站交流发电机示意图,发电机产生正弦式交变电流,表达式为e=400sin 314t V。
(1)电动势的峰值是多少
(2)线圈匀速转动的角速度是多少
(3)如果这个发电机的外电路只有电阻元件,内、
外电路的总电阻为2 kΩ,写出电流瞬时值的表达式。
要点提示 (1)根据电动势的瞬时值表达式可知,电动势的峰值Em=400 V;
(2)线圈匀速转动的角速度ω=314 rad/s=100π rad/s;(3)由闭合电路欧姆定律得Im= =0.2 A,所以电流瞬时值表达式为i=0.2sin 314t A。
【知识点拨】
1.正弦式交变电流瞬时值
若线圈平面从中性面开始转动,如图所示。
2.正弦式交变电流峰值
(1)由 e=NBSωsin ωt 可知,电动势的峰值Em=NBSω。
(2)交变电动势的最大值,由线圈匝数N、磁感应强度B、转动角速度ω及线圈面积S决定,与线圈的形状无关,与转轴的位置无关,但转轴必须垂直于磁场,因此如图所示几种情况,若N、B、S、ω相同,则电动势的最大值相同。
(3)电流的峰值可表示为
注意:从中性面开始计时
【典例剖析】
例2如图所示,正方形线圈abcd的边长是0.5 m,共150匝,匀强磁场的磁感应强度为B= T,当线圈以150 r/min的转速绕中心轴线OO'匀速旋转时,若从线圈处于中性面开始计时,求:
(1)线圈中感应电动势的瞬时值表达式;
(2)线圈转过 s时感应电动势的瞬时值。
解析 分别把Em、ω的数值推出,代入一般式e=Emsin ωt就得出了瞬时值表达式。求瞬时值时,只需把t的时刻代入表达式就可以了。
(1)e=Emsin ωt=NBS·2πnsin 2πnt,代入数据可得e=375sin 5πt V。
答案 (1)e=375sin 5πt V (2)375 V
规律方法 求解交变电流的瞬时值问题的答题模型
变式训练2(2020山东德州期末)如图甲为小型旋转电枢式交流发电机的原理图,其矩形线圈在磁感应强度为B的匀强磁场中,绕垂直于磁场方向的固定轴OO'匀速转动,线圈的两端经集流环和电刷与R=10 Ω的电阻连接,与电阻R并联的交流电压表为理想电压表,示数是10 V。图乙是矩形线圈中磁通量Φ随时间t变化的图像,则( )
A.电阻R上的电功率为20 W
B.0.02 s时R两端的电压瞬时值为零
C.R两端的电压u随时间t变化的规律是u=14.1cos 100πt V
D.通过R的电流i随时间t变化的规律是i=1.41cos 50πt A
答案 C
问题三
用图像描述交变电流
【情境探究】
一正弦式交变电流的电压随时间变化的规律如图所示。
(1)该交变电流的电压的最大值为多少
(2)该交变电流的频率为多少
(3)该交变电流的电压瞬时值的表达式是什么
(4)并联在该电压两端的电压表指针不停摆动吗
要点提示 (1)该交变电流的电压的最大值为100 V;(2)周期为4×10-2 s,所以频率为25 Hz;(3)ω=2πf=50π rad/s,该交变电流的电压瞬时值的表达式u=100sin 50πt V;(4)交流电压表的示数为交变电流的有效值而不是瞬时值,不随时间变化,指针不摆动。
【知识点拨】
1.交变电流的变化规律(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
(1)确定正弦交变电流的峰值,根据已知图像读出或由公式Em=nBSω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线圈在中性面位置开始计时,则i-t图像为正弦函数图像,函数表达式为i=Imsin ωt。
②线圈在垂直于中性面的位置开始计时,则i-t图像为余弦函数图像,函数表达式为i=Imcos ωt。
画龙点睛 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,再根据特殊位置求解。
【典例剖析】
例3(多选)图甲、乙分别为两种电压的波形,其中图甲所示的电压按正弦规律变化,图乙所示的电压是正弦函数的一部分。下列说法正确的是( )
A.图甲、图乙均表示交变电流
B.图甲所示电压的瞬时值表达式为
u=20sin 100πt V
C.图乙所示电压的有效值为20 V
D.图乙所示电压的有效值为10 V
解析 根据交变电流的定义,图甲、图乙均表示交变电流,图甲所示电压的瞬时值表达式为u=20sin 100πt V,选项A、B正确;根据有效值的定义得:
,解得图乙所示电压的有效值U=10 V,选项D正确,C错误。
答案 ABD
规律方法 应用交变电流四值时的注意事项
(1)研究电容器是否被击穿时,应用交变电流的峰值(最大值),因为电容器上标明的电压是电容器长时间工作时所能承受的最大电压。
(2)研究电功、电功率和电热时,只能用有效值。
(3)研究通过导体某横截面的电荷量时,要用平均值。
变式训练3如图所示,单匝线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的固定轴OO'匀速转动(俯视图中沿逆时针的方向)。某时刻磁感线与线圈平面所成的锐角为30°,从此时开始计时,通过边AB的电流i随时间t变化的图线是(以A→B→C→D→A为电流正向)( )
解析 根据楞次定律可知,线圈在开始转动的一小段时间内磁通量增大产生负向电流,选项A、C错误;当线圈转动六分之一周期后,处于中性面,磁通量最大,电动势为零,感应电流为零,选项D正确,B错误。
答案 D
随堂检测
1.下列说法不正确的是( )
A.交流发电机是把其他形式的能转变为电能的装置
B.交流发电机是把电能转变成其他形式能的装置
C.交流发电机中电枢和磁极不管谁转动,只要转动,就称为转子,只要不动,就称为定子
D.交流发电机利用的是电磁感应原理
解析 交流发电机是利用线圈在磁场中转动,引起电磁感应现象形成电流,将其他形式的能转化为电能。交流发电机的内部是由转子和定子组成的,转动的为转子,不动的为定子。故选项A、C、D正确,B错误。
答案 B
2.(2020四川遂宁射洪中学月考)如图所示,线圈中不能产生交变电流的是( )
解析 在B、C、D中线圈产生的感应电流方向均发生变化,故能产生交变电流,A中不产生交变电流。
答案 A
3.(多选)如图所示,一矩形闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的转轴OO'以恒定的角速度ω转动,从线圈平面与磁场方向平行时开始计时,则在0~ 这段时间内( )
A.线圈中的感应电流一直在减小
B.线圈中的感应电流先增大后减小
C.穿过线圈的磁通量一直在减小
D.穿过线圈的磁通量的变化率一直在减小
解析 计时开始时线圈平面与磁场平行,感应电流最大,在0~ 时间内,线圈转过四分之一个圆周,感应电流从最大减小为零,磁通量逐渐增大,其变化率一直减小,故A、D正确。
答案 AD
4.如图所示,匀强磁场B=0.1 T,所用矩形线圈的匝数N=100,边长ab=0.2 m,
bc=0.5 m,以角速度ω=100π rad/s绕OO'轴匀速转动。当线圈平面通过中性面时开始计时,试求:
(1)线圈中感应电动势的瞬时值表达式。
(2)由t=0至t= 过程中的平均电动势值。
解析 (1)感应电动势的瞬时值e=NBSωsin ωt,由题可知
S=ab·bc=0.2×0.5 m2=0.1 m2,Em=NBSω=100×0.1×0.1×100π V=314 V,所以e=314sin 100πt V。
答案 (1)e=314sin 100πt V (2)200 V(共42张PPT)
第3节 科学探究:变压器
第3章
2021
学习目标
1.了解变压器的构造及几种常见的变压器。理解变压器的工作原理及工作规律。(物理观念)
2.通过实验探究理想变压器的原、副线圈中电压与匝数、电流与匝数的关系。(科学探究)
3.理解理想变压器的原、副线圈中电压、电流与匝数的关系。(科学思维)
4.理解理想变压器原线圈的输入功率与副线圈的输出功率的关系。(科学思维)
思维导图
课前篇 自主预习
【必备知识】
一、变压器的工作原理 互感现象
1.构造:由闭合的铁芯和绕在铁芯上的两个或两个以上的线圈组成,如图所示。
(1)原线圈:与电源相连的线圈,也叫初级线圈。
(2)副线圈:与负载相连的线圈,也叫次级线圈。
2.原理:互感现象是变压器工作的基础。原线圈中电流的大小、方向不断变化,在铁芯中激发的磁场也不断变化,变化的磁场在副线圈中产生
感应电动势。
3.作用:改变交变电流的电压,不改变交变电流的周期和频率。
4.在两绕组变压器中,原线圈中电流的变化会在副线圈中产生感应电动势,这种由一个线圈中电流的变化导致相邻线圈的磁通量发生变化,而在该相邻线圈中产生感应电动势的现象,称为互感现象。
想一想生活中的用电器一般都可以使用220 V的交流电源,与它们的额定工作电压都不相同,用电器是如何正常工作的呢 如果把变压器接入直流电路,变压器能起到变压作用吗
提示 变压器可以降低电压也可以升高电压,通过变压器得到用电器所需的合适电压。变压器是依据电磁感应工作的,因此只能在交流电路中工作,如果变压器接入直流电路,原线圈中的电流不变,在铁芯中不会引起磁通量的变化,就没有互感现象出现,变压器就起不到变压作用。
二、探究变压器电压与线圈匝数的关系
定性探究变压器电压与匝数的关系:如图所示为原、副线圈匝数可变的变压器。先保持原线圈匝数不变,使副线圈的匝数依次减少,电压表V2的示数依次减小。再保持副线圈的匝数不变,使原线圈匝数依次减少,电压表V2的示数依次增大。
想一想变压器的两个线圈所用导线的粗细一样吗
提示 不一样。高压线圈匝数多而通过的电流小,用较细的导线绕制而成;低压线圈匝数少而通过的电流大,用较粗的导线绕制而成。
三、理想变压器电压与线圈匝数的关系
1.理想变压器:没有能量损失的变压器叫做理想变压器,它是一个理想化模型。
2.电压与匝数的关系
理想变压器原、副线圈的电压之比等于两个线圈的匝数之比,即 。
3.理想变压器原、副线圈功率的关系
P1=P2(填“>”“=”或“<”)。
4.两类变压器:副线圈的电压比原线圈电压低的变压器叫降压变压器;副线圈的电压比原线圈电压高的变压器叫升压变压器。
5.理想变压器电流与线圈匝数的关系: (适用于只有一个副线圈的变压器)。
想一想变压器的铁芯为什么用薄硅钢片叠压而成
提示 为了减少损耗,变压器的铁芯常用涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成。这样,涡流被限制在狭窄的薄片之中,回路的电阻很大,涡流大为减弱,从而减少了铁损。
【自我检测】
1.正误判断(判定结果为错误的小题请写出原因)
(1)变压器工作的原理是自感。( )
解析 电磁感应是变压器的工作原理,即互感现象是变压器工作的基础。
答案 ×
(2)理想变压器无能量损失,其输入功率与输出功率相等。( )
答案 √
(3)变压器的两个线圈所用导线的粗细一样。( )
解析 不一样。高压线圈匝数多而通过的电流小,用较细的导线绕制而成;低压线圈匝数少而通过的电流大,用较粗的导线绕制而成。
答案 ×
(4)变压器能改变交变电流的频率。( )
解析 对变压器,当加在原线圈上的交变电压发生一个周期性变化时,原线圈中的交变电流就发生一个周期性变化,铁芯中产生的磁通量也发生一个周期性变化,副线圈中产生的交变电动势(电压)也发生一个周期性变化,因此,变压器只能改变交变电流的电压及电流,不能改变交变电流的频率。
答案 ×
2.对理想变压器作出的判断正确的是( )
A.高压线圈匝数多、电流大、导线粗
B.低压线圈匝数少、电流小、导线细
C.高压线圈匝数多、电流大、导线细
D.低压线圈匝数少、电流大、导线粗
解析 电压高的匝数多,电流小,用细线。电压低的,匝数少,电流大,用粗线。
答案 D
3.如图所示,理想变压器原、副线圈的匝数比为n1∶n2=10∶1,a、b两点间的电压为u=220 sin 100πt V,R为可变电阻,P为用铅锑合金制成的保险丝,其电阻可忽略不计,熔断电流为2 A。为使保险丝不熔断,可变电阻R连入电路的最小阻值是( )
答案 B
课堂篇 探究学习
问题一
变压器的工作原理
【情境探究】
变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置,如图所示是一个变压器通过降压给用户供电的示意图。
(1)理想变压器实际存在吗 为什么
(2)变压器的原、副线圈连在一起吗
(3)是原线圈中的电流跑到副线圈中去了吗
要点提示 (1)理想变压器实际不存在,因为原、副线圈中的电流产生电热、变压器铁芯中的涡流产生电热、变压器铁芯漏磁引起的能量损失均不可避免。(2)变压器的原、副线圈虽然都套在同一个铁芯上,但两线圈是彼此绝缘的。(3)是利用互感现象在副线圈上感应出电流的,并不是原线圈的电流直接跑到副线圈中去了。
【知识点拨】
1.理想变压器 记住“三个特点”
理想变压器是实际变压器的近似。理想变压器有三个特点:
(1)铁芯封闭性好,无漏磁现象,即穿过原、副线圈两绕组每匝的磁通量Φ都一样,每匝线圈中所产生的感应电动势相等。
(2)线圈绕组的电阻不计,无能损现象。
(3)铁芯中的电流不计,铁芯不发热,无能损现象。
2.工作原理 电磁感应的互感现象
变压器的变压原理是电磁感应。
(1)当原线圈两端加上交变电压U1时,就有交变电流I1通过原线圈,并在铁芯中产生变化的磁场,铁芯中就有变化的磁通量。
(2)由于副线圈也绕在同一铁芯上,这个变化的磁通量同样穿过副线圈,并在副线圈上产生感应电动势。
(3)如果在副线圈两端连接负载构成闭合回路,在副线圈中就会产生交变电流I2。
画龙点睛 理想变压器的工作原理
【典例剖析】
例1(多选)关于变压器,下列说法正确的是( )
A.变压器的工作原理是电磁感应
B.一切变压器的工作基础都是互感现象
C.各种电流接入变压器的输入端,变压器都能持续正常工作
D.只有交变电流接入变压器的原线圈中,变压器才能持续正常工作
解析 变压器的原线圈接交流电源时,有交变电流流过,引起穿过原、副线圈的磁通量发生变化,在原、副线圈中都产生了感应电动势,所以变压器的工作原理是电磁感应,A项正确;有一种变压器叫自耦变压器,它只有一个线圈绕在铁芯上,但有三个抽头,可升压、也可降压,这种变压器的工作基础是自感,B项错误;变压器要想持续正常工作,原线圈必须接交变电流,若接直流,原、副线圈中不可能出现持续的感应电动势,变压器不能持续正常工作,C项错误,D项正确。
答案 AD
规律方法 互感现象是变压器工作的基础
(1)在原、副线圈中由交变电流而引发的相互感应现象,叫互感现象。
(2)互感现象是变压器工作的基础:变压器通过闭合铁芯,利用互感现象实现了电能向磁场能再到电能的转化。
(3)变压器是依据电磁感应来工作的,因此只能在交流电路中工作,如果变压器接入直流电路,原线圈中的电流不变,在铁芯中不能引起磁通量的变化,没有互感现象出现,变压器起不到变压作用。
变式训练1(2020江苏常州期中)关于理想变压器的工作原理,以下说法正确的是( )
A.通有正弦交变电流的原线圈产生的磁通量不变
B.穿过原、副线圈的磁通量在任何时候都不相等
C.穿过副线圈磁通量的变化使得副线圈产生感应电动势
D.原线圈中的电流通过铁芯流到了副线圈
解析 通有正弦交变电流的原线圈产生的磁场是变化的,由于面积S不变,故磁通量Φ变化,A错误;因理想变压器无漏磁,故B错误;由互感现象知C正确;线圈中的电能转化为磁场能又转化为电能,原、副线圈通过磁场联系在一起,故D错误。
答案 C
问题二
理想变压器电压、电流、功率与匝数的关系
【情境探究】
如图所示,把两个没有导线相连的线圈套在同一个闭合铁芯上,一个线圈(原线圈)通过开关可以连接到交流电源的两端,另一个线圈(副线圈)连到小灯泡两端。连接电路,接通电源,小灯泡能发光。
(1)两个线圈并没有连接,小灯泡为什么会发光
(2)变压器的变压原理是什么 原、副线圈的电压和电流与线圈的匝数有什么关系
(3)小灯泡两端的电压与学生电源的输出电压相等吗 如果不相等,与什么因素有关
(4)若将原线圈接在恒定的直流电源上小灯泡发光吗 为什么
要点提示 (1)当左边线圈接上交流电源时,左边线圈中就有交变电流,它在铁芯中产生周期性变化的磁场,根据法拉第电磁感应定律知,在右边线圈中会产生感应电动势,右边线圈作为电源给小灯泡供电,小灯泡就会发光。
(2)变压器的变压原理是电磁感应现象中的互感现象。原、副线圈的电压、电流与匝数的关系: 。(3)左、右线圈中每一圈上磁通量的变化率 都相同,若左边线圈匝数为n1,则U1=E1=n1 。若右边匝数为n2,则U2=E2=n2 故有 ;若忽略左边线圈的电阻,则有U1=U电源,这样看来只要n1≠n2,小灯泡两端的电压与学生电源的输出电压就不相等。小灯泡两端的电压,即副线圈两端的电压与原线圈两端的电压及原、副线圈匝数比有关。(4)不发光,因为无法在副线圈中产生感应电动势。
【知识点拨】
不能改变直流电压
3.功率关系:输入功率等于输出功率,即P入=P出,U1I1=U2I2。
4.电流关系:(1)由功率关系可知,当只有一个副线圈时, ;
(2)当有多个副线圈时, I1U1=I2U2+I3U3+…,I1n1=I2n2+I3n3+…
U1、U2、I1、I2均为有效值
画龙点睛 电压、电流、功率的制约关系
(1)电压制约:输入电压U1决定输出电压U2。
(2)功率制约:P出决定P入,这体现了能量守恒的特点。
(3)电流制约:输出电流I2决定输入电流I1。
【典例剖析】
例2用理想变压器给负载电阻R供电,变压器输入电压一定时,在下列四个方法中,可以使变压器输入功率增加的是( )
A.增加变压器原线圈匝数,而副线圈匝数及负载电阻的阻值保持不变
B.减小负载电阻的阻值,而变压器原、副线圈匝数不变
C.增加负载电阻的阻值,而变压器原、副线圈匝数不变
D.减小变压器副线圈匝数,而原线圈匝数和负载电阻的阻值保持不变
答案 B
规律方法 变压器的特点
(1)理想变压器没有能量损失,所以输入功率和输出功率相等。任何实际的变压器都会有能量损失,所以理想变压器是不存在的。
(2)根据变压器的电流与匝数关系,电流大的线圈匝数少,为了减小导线上的电阻发热,要求用较粗的导线绕制;电流小的线圈匝数多,要求用较细的导线绕制,故可利用导线的粗细判断线圈匝数的多少。
(3)变压器的输出电压由输入电压和原、副线圈的匝数比决定,与交变电流的频率无关。
变式训练2(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变电源上。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( )
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n1∶n2=11∶3
答案 BD
随堂检测
1.理想变压器原、副线圈匝数比为10∶1,下列说法中正确的是( )
A.穿过原、副线圈每一匝磁通量之比是10∶1
B.穿过原、副线圈每一匝磁通量的变化率相等,但穿过每匝线圈的磁通量并不相等
C.原、副线圈每一匝产生的电动势瞬时值之比为10∶1
D.正常工作时,原、副线圈的输入、输出功率之比为1∶1
解析 对理想变压器,无磁通量损失,因而穿过两个线圈的磁通量相同,磁通量变化率相同,因而每匝线圈产生的感应电动势相等,才导致电压与匝数成正比,选项A、B、C错误;理想变压器可以忽略各种损耗,故输入功率等于输出功率,选项D正确。
答案 D
2.理想变压器正常工作时,原、副线圈中不相同的物理量为( )
A.每匝线圈中磁通量的变化率
B.交变电流的频率
C.原线圈的输入功率和副线圈的输出功率
D.原线圈中的感应电动势和副线圈中的感应电动势
解析 理想变压器是没有能量损失的变压器,铁芯中无漏磁,所以每匝线圈中磁通量相等,其变化率相等,故A、C不符合题意;根据变压器的工作原理及用途可知,B不符合题意,选D。
答案 D
3.如图为一与电源相接的理想变压器,当副线圈中的负载电阻变小时,则原线圈中的电流I1 ;副线圈中的电流I2 。(选填“变大”“变小”或“不变”)
答案 变大 变大
4.黑光灯是利用物理方法灭蛾杀虫的一种环保型设备,它发出的紫色光能够引诱害虫飞近黑光灯,然后被黑光灯周围的交流高压电网“击毙”。如图所示是高压电网的工作电路。高压电网是利用变压器将有效值为220 V的交流电压变成高压,高压电网相邻两极间距离为0.5 cm,已知空气在常温常压下的击穿强度为6 220 V/cm,为防止空气被击穿而造成短路,变压器的次、初级线圈匝数比不得超过多少
答案 10∶1(共43张PPT)
第4节 电能的远距离输送
第3章
2021
学习目标
1.知道采用高压输电的原因,理解降低输电损耗的两个途径及其各自的优缺点。(物理观念)
2.了解从变电站到用户的输电过程。知道高压输电原理。(科学思维)
3.了解高压交流和高压直流输电的优缺点及两种系统的区别和联系。(科学思维)
4.了解电能的应用与社会发展。(科学态度与责任)
思维导图
课前篇 自主预习
【必备知识】
一、采用高压输电的原因
1.电功率损失:表达式P= I2R ;减小方法:(1)减小输电线电阻,可采用电阻率小的材料做导线,还可增大导线的横截面积;(2)减小输电电流。
2.高压输电:输送电功率不变的前提下提高输电电压,会减小电流,从而减小导线上的电功率损失。
想一想输电电压与输电线路上损失的电压有何不同
提示 输电线路上损失的电压是指降落在输电线电阻上的电压;输电电压是输电线路两端的总电压,它等于降落在输电线电阻上的电压与输电线末端的电压之和。
二、高压交流输电与直流输电
1.直流输电的优点:不会受到电感和电容的影响。
2.直流输电的基本过程:在发电站区域经变压器升压,由整流器将高压交变电流变换成高压直流电流,用高压直流电进行远距离传输,在用电区域将高压直流电流变为高压交变电流,经降压变压器降压。
想一想由欧姆定律 可知,导体两端加的电压越大,导体中流过的电流越大,可在高压输电过程中,却有“提高电压,降低电流”的结论,这二者间是不是有矛盾
提示 不矛盾。欧姆定律是对纯电阻耗能元件而成立的定律,而“提高电压,降低电流”是从输送角度,由P=IU,且在P一定的条件下得出的结论,两者没有联系。
三、电能的利用与社会发展
1.蒸汽机的广泛使用使社会生产力得以飞跃发展,引发了第一次工业革命,人类社会进入蒸汽机时代。
2.发电机、电动机在工业上的运用,克服了蒸汽机在使用过程中的不少难题,体现许多优越性。由于发电机和电动机的发明和使用,电力的应用日益广泛。电力成为工厂机器的主要动力,电力也被广泛地应用于生活领域。
3.电能是二次能源。日常生活中使用的电能,主要来自其他形式能量的转换,包括热能(火力发电)、水能(水力发电)、原子能(核电)、风能(风力发电)等。
想一想利用超导线输电可以很大程度地减少输电损耗,从输送电能的要求分析,我国现在为什么不大规模使用超导线输电
提示 利用超导线输电,材料比较贵重,不经济,技术要求也比较高,所以现在我国不能大规模使用。
【自我检测】
1.正误判断(判定结果为错误的小题请写出原因)
(1)远距离输送交变电流时,导线的电阻是影响电压损失的因素之一。( )
答案 √
(2)输电电压越高越好。( )
解析 输送电压越高,会增加绝缘难度,提高架线费用,还容易引起输电线路向大气放电,增加能量损失。因此,并不是输送电压越高越好。
答案 ×
(3)在电能的输送过程中,U为输电电压,r为输电线电阻,则输电线中电流为 。( )
解析 U为输电电压,而不是加在输电导线上的电压,即U≠Ir,而输电电流可通过P=UI求得。
答案 ×
(4)家庭用电常用铜导线,是为了减小输电导线的电阻,从而减小电能损失。( )
答案 √
2.(多选)远距离输送交变电流都采用高压输电,下列关于高压输电的说法正确的是( )
A.采用高压输电的优点是可节省输电线材料
B.采用高压输电的优点是可减小输电线上的能量损失
C.采用高压输电的原因是用电器是串联的,用电器数量增多总电压变大
D.采用高压输电的原因是对个别偷电行为进行威慑
解析 高压输电的目的是减小输电导线上的电流,从而可以减小导线的横截面积,节约输电线材料,同时减小输电线路上的功率损失和电压损失,故选项A、B正确。
答案 AB
课堂篇 探究学习
问题一
采用高压输电的原因
【情境探究】
世界首个特高压多端混合直流输电工程——昆柳龙直流工程昆北—龙门极2高低端换流器成功解锁,系统电压第一次跃升至800千伏,输送功率稳增到800兆瓦,标志着昆柳龙直流工程开启800 kV运行模式,特高压进入柔性直流新时代。远距离输电过程中,输电线上不可避免地有电压和能量损失。
(1)输电线上的电压和能量损失是如何引起的
(2)如何减小输电线上的电压和能量损失
要点提示 (1)因输电线有电阻,当电流流过输电线时,不可避免地要产生电压损失和能量损失;(2)由ΔU=IR和ΔP=I2R可知,减小输电线上的电压和能量损失的措施可从减小输电线电阻R、减小输电线上电流(即采用高压输电)两方面考虑。
【知识点拨】
1.输电线上的电压损失
(1)电压损失:输电导线有电阻,电流通过输电导线时,会在线路上产生电势降落,致使输电线路末端的电压比起始端电压要低,这就是输电线上的电压损失。
(2)减少输电线路电压损失的两种方法:①减小输电线路电阻:由 可知,距离一定时,使用电阻率小的材料、增大导线横截面积可减小电阻。②减小输电电流:由 可知,当输送功率一定时,升高电压可以减小电流。
2.输电线上的电功率损失
(1)电功率损失:①原因:任何输电导线都有电阻,因此当电流通过输电导线向远方输送时,输电线因有电阻而发热。②功率损失的计算:ΔP=I2R,I为输电线路上的电流,R为线路电阻。
(2)减少功率损失的方法:①减小输电线的电阻R:根据 ,减小电阻率ρ,目前一般用电阻率较小的铜或铝作为导线材料;增大导线的横截面积S,这要多耗费金属材料,增加成本,同时给输电线的架设带来很大的困难。②减小输电电流I:根据 ,在输送功率P一定,输电线电阻R一定的条件下,输电电压提高到原来的n倍,根据 知,输电线上的功率损耗将降为原来的 。
画龙点睛 现代远距离输电都采用高压输电。实际输送电能时,要综合考虑输送功率、距离、技术和经济要求等选择合适的电压。
【典例剖析】
例1(2020甘肃金昌永昌期中)在远距离输电中,原来用电压U0输电,输电线上损失的电功率为P0,现在要使输电线上损失的电功率减小到原来的 ,则输电电压应为( )
答案 B
规律方法 输电线上电功率的损失
(1)由P=I2r可知,输电线上电功率的损失,与输电线的电阻成正比,与输电电流的平方成正比。
(2)由P=I2r可知,减小输电损失可通过减小输电线的电阻和降低输电电流来实现。
(3)输电电压越小,输电电流就越大,降落在输电线上的电压也就越大,输电线上的损失就越大。
变式训练1(2020甘肃庆阳二中月考)远距离输电时,在输送功率不变的条件下( )
A.只有增大导线的电阻,才能减小输电电流,提高输电效率
B.提高输电电压,能减小输电电流,提高输电效率
C.提高输电电压,势必增大输电导线上能量的损耗
D.提高输电电压,势必增大输电导线上的电流
答案 B
问题二
高压交流输电与直流输电
【情境探究】
2021年,新疆电网计划投资63.11亿元进行农村电网改造升级,其中中央预算内投资10亿元,农村居民实现从“用上电”向“用好电”转变。近来进行农村电网改造,主要是改造那些线路损耗大,线路绝缘差的线路。
(1)为了减少远距离输电线路上的电能损耗而降低电费价格,采用切实可行的措施有哪些
(2)为什么要电网供电
(3)电网远距离输电时,是不是输送电压越高越好
要点提示 (1)应用电阻率小的材料做输电线,提高输电电压等;(2)电网供电可降低一次能源的运输成本,合理地调度电力,减小断电的风险,调节不同地区的供需平衡,保障供电的质量;(3)不是。电压越高,对输电线路绝缘性能和变压器的要求就越高,线路修建费用会增多。
【知识点拨】
1.远距离输电的几个基本关系式
输电线长度等于距离的2倍
2.两个联系
3.计算输电线上功率损失的两种方法
计算输电线上损失的功率时,要注意区分两个电压:输电电压(输电线始端的电压)U和输电线上的损失电压ΔU。
输电电压不是输电线上的损失电压
4.高压直流输电
(1)组成部分:主要由整流站、直流线路和逆变站三部分组成。
(2)原理图如图所示。
画龙点睛 高压直流输电主要用途:主要用于远距离大功率输电、联系不同频率或相同频率但非同步运行的交流系统等。
【典例剖析】
例2如图所示,学校有一台应急备用发电机,内阻为r=1 Ω,升压变压器匝数比为n1∶n2=1∶4,降压变压器的匝数比为n3∶n4=4∶1,输电线总电阻为
R线=4 Ω,全校有22间教室,每间教室安装“220 V 40 W”的电灯6盏,要求所有的电灯都正常发光,求:
(1)输电线上损耗的电功率P损多大
(2)发电机的电动势E多大
解析 (1)所有电灯正常发光时消耗的功率为
P灯=40×22×6 W=5 280 W=P4
由于灯正常发光时,降压变压器副线圈两端电压U4=220 V,所以降压变压器原线圈两端电压
(2)输电线上损失的电压U损=I线R线=6×4 V=24 V
升压变压器副线圈两端电压U2=U3+U损=(880+24)V=904 V
升压变压器原线圈两端电压
升压变压器原线圈中的电流
发电机内阻上的电压Ur=I1r=24 V
发电机的电动势E=U1+Ur=226 V+24 V=250 V
答案 (1)144 W (2)250 V
规律方法 解决远距离输电问题的步骤
(1)首先画出远距离输电的电路图,并将已知量和待求量写在电路图中的相应位置。
(2)以变压器为界将整个输电电路划分为几个独立的回路,每个回路都可以用欧姆定律、串并联电路的特点和电功、电功率的公式等进行计算,联系各回路的桥梁是原、副线圈的电压和电流与匝数的关系及输入功率和输出功率的关系。
变式训练2远距离输电线路的示意图如图所示,若发电机的输出电压不变,则下列叙述中正确的是( )
A.升压变压器的原线圈中的电流与用户用电设备消耗的功率无关
B.输电线中的电流只由升压变压器原、副线圈的匝数比决定
C.当用户用电器的总电阻减少时,输电线上损失的功率增大
D.升压变压器的输出电压等于降压变压器的输入电压
解析 变压器的输入功率、输入电流的大小是由次级负载消耗的功率大小决定的,选项A、B错误;用户用电器总电阻减少,根据 ,消耗功率增大,输电线中电流增大,线路损失功率增大,C项正确;升压变压器的输出电压等于输电线路电阻上损失的电压加上降压变压器的输入电压,D项错误。
答案 C
随堂检测
1.某用电器离供电电源的距离为l,线路上的电流为I。若要求线路上的电压降不超过U。已知输电导线的电阻率为ρ,那么该输电导线的横截面积的最小值是( )
答案 C
2.远距离输电,输电功率一定,当输电电压为U0时,输电线上的电流为I0,损失的电功率为P0。则当输电电压提高为2U0时( )
答案 B
3.(多选)在远距离输电中,当输电线的电阻和输送的电功率不变时,那么( )
A.输电线路上损失的电压与输电电流成正比
B.输电电压越高,输电线路上损失的电压越大
C.输电线路上损失的功率跟输电电压的平方成反比
D.输电线路上损失的功率跟输电线上的电流成正比
答案 AC
4.(多选)(2020贵州铜仁月考)发电厂发电机的输出电压是U1,发电厂至学校的输电导线总电阻为R,导线中的电流为I,学校得到的电压为U2,则输电线上损失的功率下列表达式正确的是( )
解析 用 求电阻上损失的功率时,U要与电阻R相对应,选项A中的U1是输出电压不是输电线上的电压,故选项A是错误的。选项B中的(U1-U2)是输电线上的电压,因此,选项B是正确的。选项C、D中的电流I是输电线中的电流,故选项C、D都是正确的。
答案 BCD
5.某变电站用220 V的电压输电,导线上损失的功率为输送功率的20%。若要使导线上损失的功率降为输送功率的5%,则输电电压应为多少 若输电电压不变,输电线的电阻应变为原来的多少倍 (共33张PPT)
习题课:交变电流“四值”
与理想变压器的动态分析
第3章
2021
课堂篇 探究学习
问题一
交变电流“四值”
【情境探究】
如图所示,矩形线圈abcd与可变电容器C、理想电流表A组成闭合电路。线圈在有界匀强磁场中绕垂直于磁场的bc边匀速转动,转动的角速度
ω=100π rad/s。线圈的匝数N=100,边长ab=0.2 m、ad=0.4 m,电阻不计。磁场只分布在bc边的左侧,磁感应强度大小B= T。
电容器放电时间不计。
(1)该线圈产生的交流电动势峰值为多大
(2)该线圈产生的交流电动势有效值为多大
(3)电容器的耐压值至少为多大
(4)电容器的电容C变大时,电流表的示数怎样变化
【知识点拨】
对交变电流“四值”的比较和理解
【典例剖析】
例1(多选)(2020威海质检)如图甲所示为手机无线充电工作原理的示意图,由送电线圈和受电线圈组成。已知受电线圈的匝数为n=50,电阻r=1.0 Ω,在它的c、d两端接一阻值R=9.0 Ω的电阻。设在受电线圈内存在与线圈平面垂直的磁场,其磁通量随时间按图乙所示的规律变化,可在受电线圈中产生电动势最大值为20 V的正弦交变电流,设磁场竖直向上为正方向,则( )
A.在t=π×10-3 s时,受电线圈中产生电流的大小为2.0 A
B.在t=π×10-3 s时,c端电势低于d端
C.在一个周期内,电阻R上产生的热量为5.7×10-3 J
D.从t1到t2时间内,通过电阻R的电荷量为2×10-3 C
答案 AD
规律方法 几种典型电流的有效值
变式训练1(多选)边长为L的正方形线框在匀强磁场B中以角速度ω匀速转动,产生的感应电流的最大值为Im,设灯泡的电阻为R,其他电阻不计。从如图所示位置开始计时,则( )
答案 AD
问题二
理想变压器的动态分析问题
【情境探究】
如图所示是变压器通过降压给用户供电的示意图。变压器的输入电压是市区电网的电压,负载变化时输入电压不会有大的波动,可以认为电压表V1示数不变。两条输电线的总电阻用R0表示,滑动变阻器R表示用户用电器的总电阻。
如果变压器上的能量损失忽略不计,当用户的用电器增加时,图中各表的示数怎样变化
要点提示 理想变压器的输出电压是由输入电压和匝数比决定的,由于输入电压和匝数比不变,所以副线圈的输出电压不变,所以电压表V2的示数不变;当用电器增加时,相当于R值减小,副线圈的总电阻减小,所以电流变大,即电流表A2的示数变大;由于变压器的输入功率和输出功率相等,副线圈的电阻减小时,输出功率变大,所以原线圈的输入功率也变大,因为输入电压不变,所以输入电流变大,所以电流表A1的示数变大;由于副线圈的电流变大,电阻R0两端的电压变大,又因为电压表V2的示数不变,所以电压表V3的示数变小。
【知识点拨】
常见的理想变压器的动态分析问题一
般有两种:匝数比不变的情况和负载电阻不变的情况。
画龙点睛 理想变压器动态变化问题的分析方法
(1)分清不变量:①线圈匝数比;②负载电阻。
(2)弄清理想变压器中的制约关系:
【典例剖析】
例2(2020山东卷)图甲中的理想变压器原、副线圈匝数比n1∶n2=22∶3,输入端a、b所接电压u随时间t的变化关系如图乙所示。灯泡L的电阻恒为15 Ω,额定电压为24 V。定值电阻R1=10 Ω、R2=5 Ω,滑动变阻器R的最大阻值为10 Ω。为使灯泡正常工作,滑动变阻器接入电路的电阻应调节为( )
A.1 Ω B.5 Ω C.6 Ω D.8 Ω
甲
乙
答案 A
规律方法 含有变压器的动态电路问题的解题思路
变式训练2(多选)(2020广东东莞联考)如图所示,电源输出电压不变,要使电路中电流表示数变大,可采用的方法有( )
A.将R上的滑片向上移动
B.将R上的滑片向下移动
C.将开关S掷向1
D.将开关S掷向2
解析 输入的电压和匝数比不变,输出的电压也不变,当滑片向上移动时,副线圈所在电路的电阻变小,所以电流变大,电流表示数变大,故选项A正确;当滑片向下移动时,副线圈所在电路的电阻变大,所以电流变小,故选项B错误;将开关S掷向1,原线圈的匝数变大,由电压与匝数成正比可得,副线圈的输出电压变小,副线圈所在电路的电阻不变,所以电流变小,故选项C错误;将开关S掷向2时,原线圈的匝数变小,副线圈的输出电压变大,副线圈所在电路的电阻不变,所以电流变大,故选项D正确。
答案 AD
随堂检测
1.(2020北京朝阳期末)A、B是两个完全相同的电热器,A、B分别通以图甲、乙所示的交变电流,则( )
A.通过A、B两电热器的电流有效值之比为IA∶IB=3∶4
B.通过A、B两电热器的电流有效值之比为IA∶IB=3∶2
C.A、B两电热器的电功率之比为PA∶PB=3∶2
D.A、B两电热器的电功率之比为PA∶PB=5∶4
答案 D
2.(2020湖北重点中学联考)某物理兴趣小组对变压器进行研究,实验电路图如图所示,接在学生电源交流挡位上的理想变压器给两个完全相同的小灯泡L1、L2供电,导线可视为超导体,电压表和电流表均为理想电表,开关处于断开状态。现闭合开关,其他条件不变情况下,则( )
A.小灯泡L1变暗
B.小灯泡L1变亮
C.电压表示数变大
D.电流表示数变大
解析 变压器的输入电压U1不变,匝数比不变,根据 可知,变压器的输出电压U2不变,而电压表测量的就是变压器的输出电压U2,故电压表的示数不变,故C错误。开关闭合前后,灯泡L1的电压一直等于U2,故灯泡L1的电压不变,则亮度不变,A、B错误。S闭合后,副线圈的总电阻减小,而电压不变,则副线圈的电流I2变大,根据 可知原线圈的电流变大,即电流表示数变大,故D正确。
答案 D
3.小型交流发电机的矩形金属线圈在匀强磁场中匀速转动,产生的感应电动势与时间的关系是正弦函数。将发电机与一个标有“6 V,6 W”的小灯泡连接形成闭合回路,不计电路的其他电阻。当线圈的转速为n=5 r/s时,小灯泡恰好正常发光,则电路中电流的瞬时值表达式为( )
A.i=sin 5t A
B.i=sin 10πt A
C.i=1.41sin 10πt A
D.i=1.41sin 5t A
解析 因为小灯泡正常发光,所以电路中电流的有效值为 =1 A,则电流的最大值为Im= A=1.41 A。因为转速n=5 r/s,且ω=2nπ,所以ω=10π rad/s,故电路中电流的瞬时值表达式为i=1.41sin 10πt A,选项C正确。
答案 C
4.(2020安徽砀山二中第一次月考)如图所示,a、b接在电压不变的交流电源两端,R0为定值电阻,R为滑动变阻器,现将滑动变阻器的滑片从c位置滑动到d位置,电流表A1示数变化量为ΔI1,电流表A2示数变化量为ΔI2,电路中电表均为理想电表,变压器为理想升压变压器。下列说法正确的是( )
A.电压表V2示数减小
B.电压表V3示数不变
C.电流表A1示数减小
D.电流表A1,A2示数变化量ΔI1>ΔI2
解析 a、b接在电压不变的交流电源两端,匝数比不变,所以副线圈电压不变,即电压表V1,V2示数不变,故A错误。当滑片从c位置滑动到d位置,负载电阻减小,则电流表A2的示数增大,所以R0两端电压增大,滑动变阻器R两端电压减小,即电压表V3示数减小,故B错误。根据电流和匝数的关系可知,输出电流增大,则输入电流增大,即电流表A1的示数增大,故C错误。该变压器为升压变压器,原线圈电流增大量大于副线圈电流增大量,即ΔI1>ΔI2,故D正确。
答案 D
5.某交流发电机输出功率为5×105 W,输出电压为U=1.0×103 V,假如输电线的总电阻R=10 Ω,在输电线上损失的电功率等于输电功率的5%,用户使用电压U用户=380 V。
(1)画出输电线路的示意图(标明各部分的符号);
(2)所用升压和降压变压器的原、副线圈的匝数比是多少(使用的变压器是理想变压器)。
解析 (1)输电线路示意图如图所示。
答案 (1)见解析图 (2)1∶10 25∶1
