课件22张PPT。第五章 交变电流1 交变电流1.交变电流的概念
知道什么是交变电流,知道它与直流的区别是什么。
2.交变电流的产生
能对交变电流的产生有比较清楚的了解,会分析线圈转动一周过程中电动势和电流方向的变化,会分析线圈处于中性面或垂直于中性面时相关量的特点。
3.交变电流的变化规律
会用函数表达式和图象描述交变电流,知道交变电流的峰值、瞬时值的物理意义,会用正弦式交变电流的峰值、瞬时值函数表达式分析有关问题。1231.交变电流
(1)交变电流(AC):方向随时间做周期性变化的电流叫作交变电流,简称交流。
(2)直流(DC):方向不随时间变化的电流。
交变电流的大小是否一定变化?它与直流的最大区别是什么?
提示:交变电流的大小不一定变化,如方波形电流;它与直流的最大区别是方向随时间做周期性变化。1232.(正弦式)交变电流的产生过程
(1)产生情景
线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动,线圈中就会产生正弦式交变电流(如图所示)。123(2)过程分析 123前面这四幅图中,线圈在哪些位置时的感应电流为零?线圈在哪些位置时的感应电流最大?
提示:甲、丙。乙、丁。
(3)中性面:线圈平面与磁场垂直的位置。
结合上面交变电流的产生过程想一想,线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动时,每转一周,电流方向改变几次?
提示:线圈每转一周,两次经过中性面位置,每经过中性面位置一次,电流方向改变一次,所以线圈每转一周,电流方向改变两次。1233.(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,简称正弦式电流。
(2)正弦式交变电流的瞬时值表达式(从中性面计时):
i= Imsin ωt ;u= Umsin ωt ;e= Emsin ωt 。?
其中i、u、e分别表示电流、电压、电动势的瞬时值。
Im、Um、Em分别表示电流、电压、电动势的峰值(最大值)。
(3)正弦式交变电流的图象(如图所示)123(4)不同类型的交变电流(如图所示) 12341.中性面、中性面的垂面位置的特性及转动过程中各量的变化 1234温馨提示在线圈转动过程中,磁通量的变化率与感应电动势、感应电流的变化步调一致,而与磁通量的变化步调相反。12342.正弦式交变电流瞬时值表达式的推导
如图所示,若线圈平面从中性面开始转动,则经过时间t:1234线圈转过的角度为ωt
ab边的线速度跟磁感线方向的夹角θ=ωt
ab边转动的线速度大小v=ωR=
ab边产生的感应电动势eab=Blabvsin θ=
一匝线圈产生的电动势e'=eab+ecd=2eab=BSωsin ωt
n匝线圈产生的总电动势e=nBSωsin ωt12343.正确理解正弦式交变电流的平均值 1234(2)不同时间内平均值一般不同。平均值大小还和电流的方向有关,若一段时间内电流的方向发生改变,则流过导线横截面上的电荷量为两个方向上的电荷量之差。平均值是和电荷量相关联的,所以凡涉及计算一段时间内通过导线横截面上电荷量的问题,应利用平均值处理。12344.正弦式交变电流的图象信息
(1)瞬时值和峰值:图象中每个时间点对应的曲线上的点表示这个时刻的瞬时值,曲线的波峰和波谷对应的是交变电流的峰值。
(2)周期:由交变电流的图象可得到交变电流的周期T。
(3)线圈的位置:由图象判断线圈的位置有两种方法:一是可以通1234(4)磁通量、磁通量的变化率和感应电流(电压)的极值:根据图象,我们很容易知道感应电流(电压)的最大值(峰值)或最小值(零),与磁通量的极值正好相反,即感应电流(电压)为最大值时,磁通量为零;感应电流(电压)为零时,磁通量为最大值。磁通量的变化率的极值则与感应电流(电压)的极值相同。类型一类型二类型一 对“两个特殊位置”的考查
【例题1】(多选)矩形线圈在匀强磁场中匀速转动,所产生的交变电流的波形如图所示。下列说法中正确的是( )
A.在t1时刻穿过线圈的磁通量达到峰值
B.在t2时刻穿过线圈的磁通量达到峰值
C.在t3时刻穿过线圈的磁通量的变化率达到峰值
D.在t4时刻穿过线圈的磁通量的变化率达到峰值
点拨:首先根据t1、t2、t3、t4这四个时刻电流的特点判断线圈所处的位置,然后判断这四个时刻Φ 、 的特点。类型一类型二解析:由题图可知,t1和t3时刻,i最大,所以这两个时刻磁通量的变化率最大,线圈处于垂直中性面的位置,穿过线圈的磁通量为0。t2和t4两时刻i=0,即 =0 ,线圈处于中性面位置,此时穿过线圈的磁通量最大。
答案:BC
题后反思熟练掌握正弦式交变电流产生过程中,线圈处于中性面和垂直于中性面时相关量的特点是解决这类问题的关键。触类旁通(多选)若将例题1中的图象改为Φ-t图象,如图所示,则应选择( )
答案:AD类型一类型二类型二 对交变电流“瞬时值”的考查
【例题2】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。类型一类型二点拨:正弦式交变电流的瞬时值表达式,从中性面开始计时为e=nBSωsin ωt,将相关量代入即可求解;平均电动势可以由前面学习过的法拉第电磁感应定律E= 求解。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。类型一类型二答案:(1)e=314sin 100πt V (2)200 V
题后反思(1)若从中性面开始计时,交变电流的瞬时值i、e、u的表达式均是正弦形式;若从线圈与中性面垂直时开始计时,则瞬时值的表达式均为余弦形式。从不同位置开始计时,瞬时值表达式不同,通常从中性面开始计时。
(2)Em、Um、Im均表示正弦式交变电流的最大值或峰值,其中Em=nBSω、Im= 、 Um=ImR',式中n表示线圈的匝数、S表示线圈的面积、ω表示线圈转动的角速度、R表示闭合电路的总电阻、R'表示外电路的总电阻。课件18张PPT。2 描述交变电流的物理量1.交变电流的周期、频率
知道交变电流周期与频率的含义,以及它们相互间的关系,知道我国生产和生活用电的周期(频率)的大小。
2.交变电流的峰值和有效值
知道交变电流峰值和有效值的意义,能利用有效值的定义计算某些交变电流的有效值,会应用正弦式交变电流有效值公式进行相关计算。1231.周期和频率
(1)周期:交变电流完成一次周期性变化所需的时间,用T表示,单位是秒。
(2)频率:交变电流在1 s内完成周期性变化的次数,用f表示,单位是赫兹,符号Hz。我国电网中交变电流的周期是多少?1 s内电流的方向改变多少次?
提示:0.02 s 100次
(4)物理意义:交变电流的周期和频率都是描述交变电流变化快慢的物理量。1232.峰值和有效值
(1)峰值
①定义:交变电流的电压、电流所能达到的最大值。
②应用:电容器所能承受的电压要高于交流电压的峰值。
(2)有效值
①定义:让交变电流与恒定电流分别通过大小相同的电阻,如果在交变电流的一个周期内它们产生的热量相同,那么这个恒定电流的电流、电压,叫作这个交变电流的有效值。
②应用
a.交流用电设备上所标的额定电压和额定电流(额定值)。
b.交流电压表测量的数值(测量值)。
c.无特别说明时提到的交变电流的数值(通常值)。123(3)关系:对于正弦式交变电流,有效值I、U与峰值Im、Um之间的关系:
我们根据定义来计算交变电流的有效值时所取的相等时间能不能任意长或任意短呢?
提示:不能。应取周期的整数倍,至少应为一个周期。1233.相位
(1)相位:是反映交变电流任何时刻状态的物理量,在函数y=Asin(ωt+φ)中,ωt+φ称为相位,φ叫作初相位。
(2)相位差:两支交变电流的相位之差。121.对有效值的理解与计算
(1)对有效值的理解
交变电流的有效值是根据电流的热效应定义的,理解有效值重点在“等效”,“效果”相同在定义中体现为相同电阻、相同时间,产生相同热量,交变电流与多大的直流电“效果”相同,有效值就是多大。
(2)有效值的计算
①对于正弦式交变电流,可先根据Em=nBSω求出最大值,然后根据E= 求出其有效值。12②对于非正弦式交变电流,必须根据有效值的定义求解。即例如,某一交变电流的电压波形如图所示,求这一交变电流电压的有效值。12(3)几种常见电流的有效值 12122.正弦式交变电流的“四值”对比分析 1212温馨提示对于一个确定的交变电流来说它的有效值是一定的。而平均值在不同的时间段里一般是不相同的。类型一类型二类型一 对交变电流“有效值”的理解与计算
【例题1】 两个完全相同的电热器,分别通过如图甲、乙所示的交变电流,两个交变电流的最大值相等,它们分别是方波式和正弦式交变电流,则这两个电热器的电功率之比为多少?
点拨:由P=I2R知,要求电功率之比,关键求出这两种电流的有效值。类型一类型二答案:2∶1
题后反思交变电流有效值的计算,关键要搞清该交变电流是否为正弦式交变电流。若是,则可以利用与峰值的 倍关系求解;若不是,则只能根据有效值的定义求解。类型一类型二触类旁通若例题1图乙中正弦式交变电流通过一滤波装置后,只保留了正半周,如图所示,则它的有效值变为多少?类型一类型二类型二 对交变电流“四值”的理解及应用
【例题2】 如图所示,边长为a的单匝正方形线圈在磁感应强度为B的匀强磁场中,以OO'为轴匀速转动,角速度为ω。转轴与磁场方向垂直,线圈电阻为R,求:点拨:弄清交变电流“四值”的适用范围是处理此类问题的关键。类型一类型二题后反思求解交变电流产生的热量问题时,必须用有效值计算,不能用平均值处理。而在计算通过导体横截面的电荷量时,只能用平均值,不能用有效值。课件23张PPT。3 电感和电容对交变电流的影响1.电感器对交变电流的影响
通过实验了解电感器对交变电流的阻碍和导通作用,能运用所学知识分析含有电感器的简单交流电路。
2.电容器对交变电流的影响
通过实验了解电容器对交变电流的阻碍和导通作用,能够分析简单交流电路中电容器的作用。简单了解电感器和电容器在电工和电子技术中的应用。
3.感抗和容抗
知道感抗和容抗的物理意义及决定因素。121.电感器对交变电流的阻碍作用
(1)实验探究:电感器对交变电流的阻碍作用
①实验电路:
②实验条件:取直流电源电压与交流电源电压有效值相等。
③实验现象:接通直流电源时,灯泡亮些;接通交流电源时,灯泡暗些。
④实验结论:电感线圈对交变电流有阻碍作用。12⑤实验现象的本质:
交变电流通过电感线圈时,由于电流的大小和方向时刻都在变化,所以自感现象就不断地发生,而自感电动势总是要阻碍电流变化的,这就是线圈的电感对交变电流的阻碍作用。
(2)感抗
①物理意义:表示电感器对交变电流阻碍作用大小的物理量。
②影响因素:线圈的自感系数越大,交流的频率越高,感抗越大。
③应用:扼流圈。
a.低频扼流圈:可以用来“通直流,阻交流”。
b.高频扼流圈:可以用来“通直流、通低频,阻高频”。12同学们想一下,低频扼流圈对高频交变电流能起到较大的阻碍作用吗?高频扼流圈对低频交变电流呢?
提示:能 不能122.电容器对交变电流的阻碍作用
(1)实验探究:交变电流能否通过电容器。
①实验电路:
②实验现象:电路中串联有电容器时,接通直流电源,灯泡不亮;接通交流电源,灯泡亮。
③实验结论:交变电流能够通过电容器,直流不能通过电容器。12(2)实验探究:电容器对交变电流的阻碍作用。
①实验电路及操作:闭合S1,观察S2闭合与断开时灯泡的亮度。
②实验现象:灯泡直接与交流电源相连比接有电容器时更亮。
③实验结论:电容器对交变电流有阻碍作用。
④实验现象的本质:对于在导线中形成电流的自由电子来说,当电源的电动势推动它们向某一方向做定向运动时,电容器两极板上积聚的电荷就阻碍它们向这个方向运动,这就产生了电容器对交变电流的阻碍作用。12交变电流通过电容器时,自由电荷是否真正通过了两极板间的绝缘介质?
提示:不是。电路中之所以有电流是因为交流电源对电容器不断地充、放电形成的。
(3)容抗。
①物理意义:表示电容器对交变电流阻碍作用大小的物理量。
②影响因素:电容器的电容越大,交变电流的频率越高,容抗越小。
③作用:通交流,隔直流;通高频,阻低频。123451.为什么电感器对交变电流有阻碍作用而对直流几乎没有阻碍作用
这是因为交变电流通过电感线圈时,电流时刻都在改变,由于自感的存在,线圈中必然产生自感电动势,自感电动势阻碍电流的变化,这就形成了对电流的阻碍作用。
而通常所讲的直流,常指恒定电流,恒定电流流过电感线圈时,电流没有变化,因而就不会产生自感现象,因此,电感线圈对恒定电流而言无所谓感抗。又由于线圈的电阻很小,所以对直流几乎没有阻碍作用。123452.为什么交变电流能“通过”电容器而直流却不能
(1)电容器的两极板之间是相互绝缘的,不论是恒定电流还是交变电流,自由电荷都不能通过两极板之间的绝缘介质。通常所说的交变电流“通过”电容器,并不是自由电荷穿过了电容器,而是在交流电源作用下,当电压升高时电容器充电,电容器极板上的电荷量增加,形成充电电流,如图甲;当电压降低时电容器放电,电容器极板上的电荷量减少,形成放电电流,如图乙。由于电容器反复不断地充电和放电,使电路中有持续的交变电流。12345(2)当电容器与直流电源的两极相连接时,除了接通的瞬间因电容器充电而有瞬时电流外,一旦充电完毕,电容器两极板间的电压与电源两极的电压相等,且保持不变,电路中就没有电流了。123453.为什么电容器对交变电流有阻碍作用
对于导线中形成电流的自由电荷来说,当电源的电压推动它们向某一方向做定向运动时,电容器两极板上积累的电荷却反抗它们在这个方向的定向运动,这就产生了电容器对交变电流的阻碍作用。
电容越大,在同样电压下电容器聚集的电荷就越多,因此充电电流与放电电流就越大,容抗就越小;交变电流的频率越高,电容器聚集相同的电荷所用时间就越短,因此充电电流与放电电流就越大,容抗就越小。123454.电阻、感抗、容抗的比较 12345由上表看出三种阻碍作用的形成原因和决定因素等是完全不同的,因此应用上也有区别。123455.电容器与电感器的应用
(1)电容器的应用
①隔直电容器,如图甲,作用是“通交流,隔直流”,因为直流电不能通过电容器,交变电流能“通过”电容器。起这样作用的电容器电容一般很大。
②高频旁路电容器,如图乙,作用是“通高频,阻低频”,因为对不同频率的交变电流来说,频率越高,容抗越小,频率越低,容抗越大,即电容对低频交变电流阻碍作用大,对高频交变电流阻碍作用小。起这样作用的电容器电容一般很小。12345(2)电感器的应用
①低频扼流圈:可起到“通直流,阻交流”的作用。
②高频扼流圈:可起到“通直流、通低频,阻高频”的作用。
(3)电感器和电容器的组合应用
根据电感器、电容器对交变电流阻碍作用的特点,可以将二者结合到一起来完成一定的任务。
①如果将电容器与负载并联,然后与电感器串联,就能更好地起到滤掉电流中交流成分或高频成分的作用,如图甲。②如果将电感器与负载并联,然后与电容器串联,就能更好地起到滤掉电流中直流成分和低频成分的作用,如图乙。类型一类型二类型三类型一 电感器对交变电流的影响
【例题1】 交变电流通过一段长直导线时,电流为I,如果把这根长直导线绕成线圈,再接入原电路,通过线圈的电流为I',则( )
A.I'>I B.I'C.I'=I D.无法比较
点拨:长直导线绕成线圈后自感系数明显增大,所以对同一交变电流的阻碍作用也增大了。
解析:长直导线的自感系数很小,其对交变电流的阻碍作用可以看作是纯电阻的阻碍作用,流经它的交变电流只受到导线电阻的阻碍作用。当导线绕成线圈后,电阻值未变,但自感系数增大,对交变电流的阻碍作用不但有电阻,而且有线圈的阻碍作用(感抗)。阻碍作用增大,电流减小。
答案:B类型一类型二类型三题后反思理解电感器对交变电流的阻碍作用即感抗的大小与什么有关,以及有什么关系,是解决这类问题的关键。
触类旁通如果将例题1中的交变电流换成恒定电流,结论将会怎样?
提示:I'=I。类型一类型二类型三类型二 电容器对交变电流的影响
【例题2】 如图所示,甲、乙两电路是电容器的两种不同连接方式,它们各在什么情况下采用?应该怎样选用电容器?
点拨:交流电路中常同时包含有直流成分和交流成分,电容器在电路中有“通交流,隔直流”或“通高频,阻低频”的作用。类型一类型二类型三解析:题图甲中的C1串联在电路中,它的作用是“通交流,隔直流”,为了使交流成分都能顺利地通过,容抗必须较小,应选用电容较大的电容器。
题图乙中的C2并联在电路中,如果输入端输入的电流中包含有高频和低频两种交流成分,该电容器的作用是“通高频,阻低频”,即对高频电流起旁路作用,而让需要的低频信号输入到下一级,一般取电容较小的电容器;如果输入的电流是直流和交流两种成分,该电容器的作用是滤去交流成分,把直流成分输入到下一级,这时要选用电容较大的电容器。
另外,选用电容器还须注意它的耐压值,以防被击穿。
答案:图甲中C1起隔直的作用,对下级输出的是交流。图乙中C2起过滤高频的作用:若对下级输出直流,C2选用电容较大的;若对下级输出低频,C2选用电容较小的。类型一类型二类型三题后反思理解电容器对交变电流的阻碍作用与哪些因素有关,以及有什么关系,是解决这类问题的关键。类型一类型二类型三类型三 电感器和电容器在交变电路中的应用
【例题3】在收音机线路中,经天线接收到的电信号既有高频成分又有低频成分,经放大后送给下一级,需要把低频成分和高频成分分开,只让低频成分输入给下一级,我们采用了如图所示的电路,其中a、b处应选择的元件是( )
A.a是电容较大的电容器,b是低频扼流线圈
B.a是电容较大的电容器,b是高频扼流线圈
C.a是电容较小的电容器,b是高频扼流线圈
D.a是电容较小的电容器,b是低频扼流线圈类型一类型二类型三点拨:搞清楚a、b处元件应起的作用,是正确选择元件的关键。
解析:电容器要具有通高频、阻低频的作用,这样的电容器电容应较小,故a处是电容较小的电容器。电感线圈在该电路中要求做到“通低频、阻高频”,所以b处应接一个高频扼流圈。
答案:C
题后反思这类问题的考查点还是电感器与电容器对交流的作用,即电感器的作用是“通直流、阻交流,通低频、阻高频”;电容器的作用是“通交流、隔直流,通高频、阻低频”。要求我们熟记并能灵活运用。课件26张PPT。4 变压器1.变压器
知道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,了解变压器在生活中的应用。
2.理想变压器的基本规律
通过实验,探究理想变压器原、副线圈中电压与匝数的关系,电流与匝数的关系。了解理想化模型在物理学研究中的重要性。能够运用理想变压器的基本规律分析、解决相关问题。121.变压器的原理
(1)变压器的构造12(2)变压器的示意图及符号 12(3)变压器的工作原理
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。
(4)变压器的作用
能改变交变电流的电压,不能改变交变电流的周期和频率。(均选填“能”或“不能”)
如果变压器的原线圈接入恒定电流,变压器能起到变压作用吗?接入大小变化的直流电流呢?
提示:不能 能122.理想变压器的概念与规律
(1)概念:没有能量损失的变压器叫理想变压器,它也是一种理想化的模型。
(2)基本关系(只有一个副线圈时)12如果我们想绕制一个升压变压器,应该怎么做呢?这种情况下,哪一个线圈应该用粗一点的导线绕制呢?
提示:根据理想变压器的电压关系,只需要副线圈的匝数比原线圈的匝数多即可。由于匝数少的线圈通过的电流大,所以原线圈应该用较粗的导线绕制。1231.理想变压器的基本关系推导
(1)功率关系
理想变压器为一理想化的模型,其特点是
①不计铜损,即变压器的原、副线圈的内阻很小,可以忽略,在有电流通过时认为不产生焦耳热;
②不计铁损,即变压器铁芯内不产生涡流,无热损耗;
③不计漏磁,即原、副线圈的磁通量总保持相同。
可见理想变压器不计一切电磁能量损失,所以理想变压器的输入功率等于输出功率,即P入=P出。123(2)电动势关系 123(3)电压关系
由于不计原、副线圈的电阻,因此原线圈两端的电压U1=E1,副线圈两端的电压U2=E2,所以 。1231231232.理想变压器几个物理量的决定关系
理想变压器的结构(原、副线圈匝数和铁芯等)确定时,输入功率与输出功率、输入电压与输出电压、输入电流与输出电流、输入电流的频率与输出电流的频率,这些量之间有什么关系?
(1)输出功率决定输入功率。
理想变压器本身无电能损失,所以有P入=P出。但应注意的是,输入功率由输出功率决定,即输出功率增大,输入功率也随之增大;输出功率减小,输入功率也随之减小。通俗地说,就是用多少给多少,而不是给多少用多少。123(2)输入电压决定输出电压。
设理想变压器的原线圈匝数为n1,副线圈匝数为n2,输入电压为U1,输出电压为U2,则有
由于理想变压器的结构确定时,n1、n2均为定值,所以输出电压U2由输入电压U1决定,与负载电阻的大小无关。U1增大,U2也增大;U1减小,U2也减小。123(3)输出电流决定输入电流。
如果理想变压器只有一个副线圈有输出,并设原线圈的匝数为n1,输入电压为U1,输入电流为I1;副线圈的匝数为n2,输出电压为U2,输出电流为I2。123例如:在如图所示的电路中,用一变压器给负载供电,变压器输入端的电压不变,开始时开关S是断开的,现将开关S闭合,则图中所有交流电表的示数如何变化?123123(4)输入电流的频率决定输出电流的频率。
理想变压器工作时,穿过原、副线圈的磁通量的变化频率(周期)相同,等于原线圈中所加交变电流的频率(周期)。因而在副线圈中感应出的交流电动势、电压和电流的频率(周期)也都等于原线圈输入的交变电流的频率(周期),即输入交变电流的频率(周期)决定输出交变电流的频率(周期)。1233.电压互感器与电流互感器
(1)原副线圈匝数、“粗细”特点:电压互感器把高电压变成低电压,所以副线圈比原线圈匝数少,导线粗。电流互感器把强电流变成弱电流,所以副线圈比原线圈匝数多,导线细。
(2)接入特点:电压互感器并联在高压电路中,低压一侧安装保险丝,以防短路,因短路时副线圈阻抗大大减小,会出现很大的短路电流,使副线圈严重发热而烧毁。电流互感器串联在电路中,副线圈端不允许安装保险丝,这是因为若副线圈断开,铁芯中磁通量会急剧增加(因原线圈中电流很大,正常时I1产生的磁通量大部分被I2的磁通量抵消), 这将在副线圈一端感应出高压,给人和仪表带来危险,所以电流互感器副线圈端不允许断路,当然不允许安装保险丝。类型一类型二类型三类型一 对理想变压器基本关系的考查
【例题1】 如图所示,理想变压器的原、副线圈的匝数比为n1∶n2=2∶1,A、B为完全相同的灯泡,电源电压为U,不考虑灯泡电阻随外界因素的变化,则B灯两端电压为( )类型一类型二类型三答案:D 题后反思本题容易犯的错误是把电源电压U当成了原线圈两端电压,实际上电源电压U是A灯两端电压与原线圈两端电压之和。类型一类型二类型三触类旁通若将例题1中的A灯去掉,其他条件不变,这种情况下B灯两端的电压又为多少?类型一类型二类型三类型二 理想变压器的动态分析问题
【例题2】 (多选)如图所示,理想变压器的副线圈上通过输电线接有两个相同的灯泡L1和L2,输电线的等效电阻为R。开始时,开关S断开。当S闭合时,以下说法中正确的是( )
A.副线圈两端M、N的输出电压减小
B.副线圈输电线等效电阻R上的电压增大
C.通过灯泡L1的电流减小
D.原线圈中的电流增大类型一类型二类型三答案:BCD
题后反思明确理想变压器原、副线圈的电压、电流、功率的决定关系是解决这类问题的关键。类型一类型二类型三类型三 对两类互感器的考查
【例题3】 (多选)下图的甲、乙是配电房中的互感器和电表的接线图,下列说法中正确的是( )
A.线圈匝数n1B.线圈匝数n1>n2,n3C.甲图中的电表是电压表,输出端不可以短路
D.乙图中的电表是电流表,输出端不可以断路类型一类型二类型三点拨:解答此类问题关键在于:①观察原线圈是并联在电路中还是串联在电路中,并联在电路中的是电压互感器,串联在电路中的是电流互感器。②分析原、副线圈的匝数关系。电压互感器把高电压变成低电压,所以原线圈比副线圈匝数多,而电流互感器将大电流变成小电流,所以原线圈比副线圈匝数少。
解析:题图甲中原线圈并联在电路中,应为电压互感器,为降压变压器,n1>n2,甲图中的电表为电压表;题图乙中原线圈串联在电路中,为电流互感器,是升压变压器,n3答案:BCD
题后反思结合两类互感器的工作原理,明确这两类互感器原、副线圈匝数多少,所用导线粗细以及原线圈在电路中的连接方式是解题的关键。课件20张PPT。5 电能的输送1.电能输送
了解输送电能的基本要求,了解交变电流从变电站到用户的输电过程。
2.远距离输电
知道远距离输电时输电线上的电压损失和功率损失与哪些因素有关及减小损失的方法,理解应用高压输电的道理,知道远距离输电线路的基本构成,会对简单的远距离输电线路进行定量计算。1231.输送电能的基本要求 1232.降低输电损耗的两个途径
(1)输电线上的功率损失:ΔP= I2R,I为输电电流,R为输电线的电阻。
(2)降低输电损耗的两个途径:
①减小输电线的电阻:在输电距离一定的情况下,为了减小电阻,应当选用电阻率小的金属材料,还要尽可能增加导线的横截面积。
②减小输电导线中的电流:为减小输电电流,同时又要保证向用户提供一定的电功率,就要提高输电电压。1233.电网供电
(1)远距离输电基本原理:在发电站内用升压变压器升压,然后进行远距离输电,在用电区域通过降压变压器降到所需的电压。
(2)电网:通过网状的输电线、变电站,将许多电厂和广大用户连接起来,形成全国性或地区性的输电网络。
(3)电网输电的优点:
①降低一次能源的运输成本,获得最大经济效益。
②减少断电的风险,调剂不同地区电力供需的平衡,保障供电的质量。
③合理调度电力,使电力的供应更加可靠,质量更高。1231.采用高压输电的优越性
(1)减小输电线电阻的局限性123(2)减小输电线上功率损耗 所以,采用高压输电是减小输电线上功率损耗最有效的途径。
(3)保证电能的质量——电压和频率稳定。1232.输电线上的电压损失
(1)电压损失ΔU
输电导线有电阻,电流通过输电导线时,会在导线上产生电势降落,致使输电线路末端的电压U'比起始端电压U低,差值ΔU=U-
U'称为输电线路上的电压损失。123(2)造成电压损失的原因
①输电线有电阻造成电压损失。
②输电线的感抗和容抗造成电压损失。
注意:高中阶段在计算中只考虑输电线电阻所造成的电压损失。
(3)减小输电线路上电压损失的方法
①减小输电线路电阻
用增大输电导线横截面积来减小电阻,对低压照明电路有效,在高压线路中,因容抗和感抗造成的电压损失比电阻造成的还要大,故这种方法对高压输电效果不佳。123②减小输电电流I 高压输电既能减小功率损失,也能减小电压损失,但在实际输送电能时,还需综合考虑各种因素,依照不同的情况,选择合适的输电电压。1233.远距离高压输电电路分析
(1)基本电路(如图)(2)基本关系
①电压关系123②电流关系
③功率关系
P1=P2,P3=P4,联系式:P2=ΔP+P3。
(3)区分几个概念
①输电电压、输电线上损失的电压与用户得到的电压
在上图中,输电电压是指U2,输电线上损失的电压是指ΔU,用户得到的电压是指U4,显然输电电流123②输送功率、输电线上损失的功率与用户得到的功率
在上图中输送功率是指P2(P1=P2),输电线上损失的功率是指ΔP,P3=P4是用户得到的功率,显然P2=ΔP+P3,所以计算输电线上损失的功率可以借助以下公式:类型一类型二类型一 输送电压(功率)和损失电压(功率)辨析
【例题1】 (多选)在远距离输电时,输送的电功率为P,输送电压为U,所用导线的电阻率为ρ,横截面积为S,总长度为l,输电线损失的电功率为P',用户得到的电功率为P用,则P'、P用的表达式正确的是( )点拨:输电线损失的电功率
用户得到的电功率P用=P-P'。类型一类型二答案:BD
题后反思输送的功率(电压)、损失的功率(电压)、用户得到的功率(电压)分别对应于输电过程的“始”“中”“末”。只有理解好“输送”“损失”“得到”的含义,才能避免张冠李戴,正确解题。
触类旁通例题1中输电线上损失的电压U'是多少?类型一类型二类型二 远距离输电问题的分析与计算
【例题2】 发电机的端电压为220 V,输出电功率为 44 kW,输电导线的电阻为0.2 Ω,如果用原、副线圈匝数之比为1∶10的升压变压器升压,经输电线后,再用原、副线圈匝数比为10∶1的降压变压器降压供给用户,求用户得到的电压和功率。
点拨:熟练掌握远距离输电过程中的电压关系、电流关系与功率关系是解决这类问题的关键。
解析:如图所示类型一类型二?类型一类型二降压变压器副线圈的输出电流和电压为
用户得到的功率为
P4=I4U4=200×219.6 W=4.392×104 W。
答案:219.6 V 4.392×104 W类型一类型二题后反思求解远距离输电问题的一般思路
(1)求解远距离输电的关键是熟悉输电线路图,并画出示意图,把需要的物理量都标在图中的相应位置上。
(2)分别在“三个回路”以及“两个变压器”上找各物理量的关系,特别注意以升压变压器的副线圈、输电线、降压变压器的原线圈组成的回路,在此回路中利用电路知识分析电压关系和功率关系。
(3)在远距离输电问题中,也要时刻注意能量守恒这一线索,即发电机的总功率应等于线路上损失的热功率和用户得到的功率之和(在不考虑变压器自身的能量损失的条件下)。类型一类型二触类旁通例题2中,若不经过变压器而直接送到用户,则用户得到的电压和功率分别为多少?解析:若不采用高压输电,用220 V低压直接供电时,电路如图所示。
输电线路上的电压损失
UR'=IR=200×0.2 V=40 V
所以用户得到的电压为
U4'=U1-UR'=(220-40) V=180 V
用户得到的功率为
P4'=IU4'=200×180 W=3.6×104 W。
答案:180 V 3.6×104 W课件26张PPT。本章整合专题一专题二专题三专题一 如何运用交变电流的“四值”
交变电流的“四值”是指交变电流的峰值、瞬时值、有效值和平均值。它是近几年的高考在考查“交变电流”有关内容时的主要考点,只有弄清它们的适用情景,才能在具体应用中避免张冠李戴。下面举例说明。
(1)在研究电容器的耐压值时,只能用峰值。专题一专题二专题三【例题1】 一电容器两端允许加的直流电压最大值是260 V,能否将它接在按正弦规律变化的交流电压为220 V的电路中?
点拨:电容器工作时加在它两端电压的最大值不能超过它的耐压值。
解析:题中所述的220 V交流电压是指有效值,其最大值为Umax=220 V≈311 V>260 V,故不能将该电容器接在按正弦规律变化的电压有效值为220 V的电路中,否则该电容器将会被击穿。
答案:不能专题一专题二专题三【例题2】 如图所示,一理想变压器原、副线圈的匝数比为n1∶n2=1∶2,电源电压
的保险丝,副线圈中接入一可变电阻R,为了使保险丝不致熔断,调节R时,其阻值最低不能小于( ) (2)在研究与交变电流热效应有关的问题时,只能用有效值。如研究交变电流的电功、电功率、保险丝的熔断电流、交流电表的示数等问题时。专题一专题二专题三答案:C 点拨:I0=1 A是指原线圈中电流的有效值不能大于1 A,保险丝才不致熔断。专题一专题二专题三(3)在研究交变电流通过导体横截面的电荷量时,只能用平均值。
【例题3】如图所示,物理实验中,常用一种叫作“冲击电流计”的仪器测定通过电路的电荷量,探测线圈与冲击电流计串联后可用来测定磁场的磁感应强度。已知线圈匝数为n,面积为S,线圈与冲击电流计组成的回路电阻为R。若将线圈放在被测匀强磁场中,开始线圈平面与磁场垂直,现把探测线圈翻转180°,冲击电流计测出通过线圈电荷量为q,由上述数据可测出被测磁场的磁感应强度为( )专题一专题二专题三答案:A 专题一专题二专题三(4)在研究某一时刻线圈受到的安培力或研究氖管的发光时间等问题时,只能用瞬时值来考虑。
【例题4】如图所示,匀强磁场的磁感应强度为B,方向竖直向下。在磁场中有一个边长为l的正方形刚性金属框,ab边质量为m,其他三边的质量不计。金属框的总电阻为R,cd边上装有固定的水平轴。现在将金属框从水平位置由静止释放。不计一切摩擦,金属框经t时间恰好通过竖直位置a'b'cd。若在此t时间内,金属框中产生的焦耳热为Q,求ab边通过最低位置时受到的安培力。专题一专题二专题三点拨:本题既不能用电流的有效值求解,也不能用电流的平均值求解,而是用ab边到最低位置时的瞬时电流值求解。
解析:由能量守恒,在t时间内ab杆重力势能的减少量最后转化为它到达最低点的动能和全过程中框中产生的焦耳热,即专题一专题二专题三专题二 变压器与分压器
变压器(图甲)和分压器(图乙)都能起到改变电压的作用,但二者又有着本质的区别。为了加深同学们对这两种装置的认识,更好地理解和应用它们来解决实际问题,现结合上图将二者区别如下:专题一专题二专题三专题一专题二专题三【例题5】如图甲、乙两电路中,当a、b两端与e、f两端分别加上220 V的交流电压时,测得c、d间与g、h间的电压均为110 V。若分别在c、d两端与g、h两端加上110 V的交流电压,则a、b间与e、f间电压分别为( )
A.220 V,220 V B.220 V,110 V
C.110 V,110 V D.220 V,0
点拨:对变压器应根据理想变压器的电压关系分析求解,对分压器应根据串联电路的分压关系分析求解。专题一专题二专题三解析:具有接头的变压器,由实际所用的原、副线圈匝数比决定电压比,a、b与c、d的匝数比为2∶1,故c、d两端加上110 V的交流电压,a、b间电压为220 V。滑动变阻器则必须用U=IR求电压。g、h两端加上110 V的交流电压,因e、g之间无电流,e与g等电势,e、f间电压为110 V。
答案:B专题一专题二专题三专题三 变压器问题考查的几种类型
1.理想变压器的变压原理问题专题一专题二专题三【例题6】在绕制变压器时,某人将两个线圈绕在如图所示变压器铁芯的左右两个臂上。当通以交变电流时,每个线圈产生的磁通量都只有一半通过另一个线圈,另一半通过中间的臂。已知线圈1、2的匝数之比n1∶n2=2∶1。在不接负载的情况下( )
A.当线圈1输入电压为220 V时,线圈2输出电压为110 V
B.当线圈1输入电压为220 V时,线圈2输出电压为 55 V
C.当线圈2输入电压为110 V时,线圈1输出电压为220 V
D.当线圈2输入电压为110 V时,线圈1输出电压为440 V专题一专题二专题三答案:B 专题一专题二专题三2.理想变压器的动态分析问题
对理想变压器进行动态分析的两种常见情况:
(1)原、副线圈匝数比不变,分析各物理量随负载电阻变化而变化的情况,进行动态分析的顺序是
R→I2→P2→P1→I1。
(2)负载电阻不变,分析各物理量随匝数比的变化而变化的情况,进行动态分析的顺序是
n1、n2→U2→I2→P2→P1→I1。专题一专题二专题三【例题7】如图所示,理想变压器原、副线圈回路中的输电线的电阻忽略不计,当S闭合时( )
A.电流表A1的读数变大,电流表A2的读数变小
B.电流表A1的读数变大,电流表A2的读数变大
C.电流表A1的读数变小,电流表A2的读数变小
D.电流表A1的读数变小,电流表A2的读数变大
点拨:根据动态分析的第一种情况分析,即I2→P2→P1→I1。专题一专题二专题三答案:B 专题一专题二专题三3.变压器原线圈接有用电器的问题
由于原线圈中接有用电器,所以原线圈两端电压不等于电源电压,这种情况下电源两端电压等于用电器两端电压与原线圈两端电压之和。若从电压与匝数关系分析,难以得出结论,所以这类问题一般由电流关系入手解决比较方便。
【例题8】 如图所示,理想变压器的原、副线圈匝数之比为n1∶n2=4∶1,原线圈回路中的电阻A与副线圈回路中的负载电阻B的阻值相等。a、b 端加一交流电压后,两电阻消耗的电功率之比PA∶PB= ,两电阻两端的电压之比UA∶UB= 。?专题一专题二专题三点拨:由原、副线圈中的电流关系入手可判断两电阻两端的电压关系,进而判断出两电阻消耗的功率关系。
解析:理想变压器的原、副线圈中的电流之比
IA∶IB=n2∶n1=1∶4
又RA=RB,因此消耗的电功率之比
由UA=IARA、UB=IBRB,得
UA∶UB=IA∶IB=n2∶n1=1∶4。
答案:1∶16 1∶4专题一专题二专题三4.有两组或两组以上副线圈的变压器问题
两个副线圈以上的变压器称为多个副线圈问题,这一类理想变压器同样遵守功率关系和电压关系,一个副线圈时的电流跟匝数的反比关系不再成立。同一铁芯上的每个线圈都处在同样的变化的磁场中,因此穿过任何一个线圈的每一匝的磁通量的变化率是一样的,因此电压关系同样成立,而电流关系,只能由P入=P出(即I1U1=I2U2+I3U3+…)求解。专题一专题二专题三【例题9】如图所示,理想变压器原线圈 Ⅰ 接到220 V的交流电源上,副线圈 Ⅱ 的匝数为30,与一标有“12 V 12 W”的灯泡连接,灯泡正常发光。副线圈Ⅲ的输出电压为110 V,电流为0.4 A。求:
(1)副线圈 Ⅲ 的匝数。
(2)原线圈 Ⅰ 的匝数以及通过原线圈的电流。
点拨:有两个副线圈时,电压关系U1∶U2∶U3=n1∶n2∶n3
电流关系n1I1=n2I2+n3I3(两个副线圈时,电流与匝数成反比不再成立)。专题一专题二专题三答案:(1)275 (2)550 0.25 A
