专题十三 交变电流(原卷版)
考点
要求
考点解读及预测
交变电流 描述交变电流的物理量和图象
Ⅰ
1.考查方式
从近几年命题看,高考对本章内容考查命题频率较低,主要体现在“三突出”:一是突出考查交变电流的产生过程;二是突出考查交变电流的图象和交变电流的“四值”;三是突出考查变压器及远距离输电,难度不大,多以选择题的形式命题.
2.命题趋势
电磁感应结合交变电流、变压器结合电路分析仍将是今后命题的热点.
正弦交变电流的函数表达式
Ⅰ
电感和电容对交变电流的影响
Ⅰ
理想变压器
Ⅱ
.远距离输电
Ⅰ
一 正弦式交变电流的产生
1.正弦式交变电流的变化规律及对应图象(线圈在中性面位置开始计时)
规律
物理量
函数
图象
磁通量
Φ=Φm·cos ωt=BScos ωt
电动势
e=Em·sin ωt=nBSωsin ωt
电压
u=Um·sin ωt= sin ωt
电流
i=Im·sin ωt=sin ωt
2.两个特殊位置的特点
(1)线圈平面与中性面重合时,S⊥B,Φ最大,=0,e=0,i=0,电流方向将发生改变。
(2)线圈平面与中性面垂直时,S∥B,Φ=0,最大,e最大,i最大,电流方向不改变。
二、描述交变电流的物理量的比较
物理量
物理含义
重要关系
适用情况及说明
瞬时值
交变电流某一时刻的值
计算线圈某时刻的受力情况或力矩的瞬时值
最大值
最大的瞬时值
讨论电容器的击穿电压
有效值
跟交变电流的热效应等效的恒定电流值
对正(余)弦交流电有:?
(1)计算与电流的热效应有关的量(如功、功率、热量)等(2)电气设备“铭牌”上所标的一般是有效值(3)保险丝的熔断电流为有效值
平均值
交变电流图像中图线与时间轴所夹的面积与时间的比值
计算通过电路截面的电荷量
周期
完成一次周期性变化所用的时间
物理意义:表示交变电流变化快慢的物理量
频率
1s内完成周期性变化的次数
我国民用交变电流:T=0. 02 s,f=50 Hz,
有效值的理解与计算
1、有效值的求解(1)计算有效值的根据是电流的热效应,抓住“三同”:“相同时间”内“相同电阻”上产生“相同热量”列式求解。
(2)利用公式Q=I2Rt和Q=t可分别求得电流有效值和电压有效值。
四、理想变压器基本规律的应用
1、理想变压器以及原、副线圈基本量的关系
理想变压器
(1)没有能量损失(绕线无电阻、铁芯无涡流)
(2)没有磁通量损失(磁通量全部集中在铁芯中)
基本关系
功率关系
根据能量守恒可得:原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率,即P入=P出
电压关系
原、副线圈的电压之比等于其匝数之比,公式:=,与负载、副线圈的个数无关
电流关系
只有一个副线圈时:=
频率关系
f1=f2(变压器不改变交变电流的频率)
2.物理量之间的制约关系
(1)电压制约关系:输入电压U1决定输出电压U2,这是因为输出电压U2=U1,当U1不变时,不论负载电阻R变化与否,U2不会改变。
(2)电流制约关系:输出电流I2决定输入电流I1。
(3)功率制约关系:输出功率P2决定输入功率P1,也可简记为“用决定供”。
五、理想变压器动态问题分析
1.匝数比不变的情况
(1)U1不变,根据=,输入电压U1决定输出电压U2,不论负载电阻R如何变化,U2不变.
(2)当负载电阻发生变化时,I2变化,输出电流I2决定输入电流I1,故I1发生变化.
(3)I2变化引起P2变化,P1=P2,故P1发生变化.
2.负载电阻不变的情况
(1)U1不变,发生变化,故U2变化.
(2)R不变,U2变化,故I2发生变化.
(3)根据P2=,P2发生变化,再根据P1=P2,故P1变化,P1=U1I1,U1不变,故I1发生
变化.
六、远距离输电问题
远距离高压输电的几个基本关系(以图10-2-11为例)
(1)功率关系
P1=P2,P3=P4,P2=P线+P3。
(2)电压、电流关系
==,==,
U2=U线+U3,I2=I3=I线。
(3)输电电流
I线===。
(4)输电导线上损失的电功率
P损=U线I线=Ir=2r。
一 正弦式交变电流的产生
【典例1】图10-1-6甲是交流发电机模型示意图。在磁感应强度为B的匀强磁场中,有一矩形线圈abcd可绕线圈平面内垂直于磁感线的轴OO′转动,由线圈引出的导线ae和df分别与两个跟线圈一起绕OO′转动的金属圆环相连接,金属圆环又分别与两个固定的电刷保持滑动接触,这样矩形线圈在转动中就可以保持和外电路电阻R形成闭合电路。图10-1-6乙是线圈的主视图,导线ab和cd分别用它们的横截面来表示。已知ab长度为L1,bc长度为L2,线圈以恒定角速度ω逆时针转动(只考虑单匝线圈)。
图10-1-6
(1)线圈平面处于中性面位置时开始计时,试推导t时刻整个线圈中的感应电动势e1 的表达式;
(2)线圈平面处于与中性面成φ0夹角位置时开始计时,如图10-1-6丙所示,试写出t时刻整个线圈中的感应电动势e2的表达式;
(3)若线圈电阻为r,求线圈每转动一周电阻R上产生的焦耳热(其它电阻均不计)。
【思路点拔】(1)要求线圈中的感应电动势,可由E=Blvsin α推出。
(2)要求线圈转动一周电阻R产生的焦耳热,可求出Em进而求出E,再由Q=I2Rt计算。
【解析】(1)矩形线圈abcd转动过程中,只有ab和cd切割磁感线,设ab和cd的转动速度为v,则
v=ω·①
在t时刻,线框转到如图所示位置(主视图),导线ab和cd因切割磁感线而产生的感应电动势均为E1=BL1vy②
由图可知vy=vsin ωt ③
则整个线圈的感应电动势为
e1=2E1=BL1L2ωsin ωt ④
(2)当线圈由题图丙位置开始运动时,在t时刻线圈平面与中性面的夹角为(ωt+φ0),则整个线圈的感应电动势为
e2=BL1L2ωsin (ωt+φ0) ⑤
(3)由闭合电路欧姆定律可知电路电流I= ⑥
电动势有效值E== ⑦
则线圈转动一周在R上产生的焦耳热为QR=I2RT ⑧
其中T= ⑨
于是QR=πRω2⑩
【答案】(1)e1=BL1L2ωsin ωt (2)e2=BL1L2ωsin (ωt+φ0) (3)πRω2
【规律方法】交变电流瞬时值表达式书写的基本思路
(1)确定正弦交变电流的峰值,根据已知图象或由公式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。
①若线圈从中性面位置开始转动,则i-t图象为正弦函数图象,函数式为i=Imsin ωt;
②若线圈从垂直中性面位置开始转动,则i-t图象为余弦函数图象,函数式为i=Imcos ωt。
描述交变电流的物理量的比较
【典例2】(2018·开封模拟)如图所示,一个半径为r的半圆形线圈,以直径ab为轴匀速转动,转速为n,ab的左侧有垂直于纸面向里(与ab垂直)的匀强磁场,磁感应强度为B。M和N是两个集流环,负载电阻为R,线圈、电流表和连接导线的电阻不计,求:
(1)感应电动势的最大值。
(2)从图示位置起转过周期的时间内负载电阻R上产生的热量。
(3)从图示位置起转过周期的时间内通过负载电阻R的电荷量。
(4)求出电流表的示数。
【思路点拔】先画出交流电的图像,知道计算热量、电流的读数用有效值,电荷量用平均值。
【解析】(1)线圈绕轴转动时,在电路中产生如图所示的交变电流。
此交变电流的最大值为
Em=BSω=B2πn=π2Bnr2。
(2)在转过周期的时间内,线圈一直切割磁感线,则产生的热量Q=·=。
(3)在转过周期的时间内,电动势的平均值=
通过R的电荷量q=Δt=Δt==。
(4)根据电流的热效应,在一个周期内:
Q=I2RT=·
故电流表的示数为I=。
【答案】(1)π2Bnr2 (2) (3) (4)
有效值的理解与计算
【典例3】 如图10-1-10所示为一个经双可控硅调节后加在电灯上的电压,正弦交流电的每一个二分之一周期中,前面四分之一周期被截去,则现在电灯上电压的有效值为( )
图10-1-10
A.Um B. C. D.
【解析】由题给图象可知,交流电压的变化规律具有周期性,用电流热效应的等效法求解。设电灯的阻值为R,正弦式交流电压的有效值与峰值的关系是U=,由于一个周期内半个周期有交流电压,一周期内交流电产生的热量为Q=·=·,设交流电压的有效值为U,由电流热效应得Q=·=·T,所以该交流电压的有效值U=,D正确。
【答案】D
理想变压器基本规律的应用
【典例4】(2017·北京高考)如图所示,理想变压器的原线圈接在u=220sin 100πt(V)的交流电源上,副线圈接有R=55 Ω的负载电阻,原、副线圈匝数之比为2∶1,电流表、电压表均为理想电表。下列说法正确的是( )
A.原线圈的输入功率为220 W
B.电流表的读数为1 A
C.电压表的读数为110 V
D.副线圈输出交流电的周期为50 s
【解析】 由交流电压的表达式可知,原线圈两端所加的电压最大值为220 V,故有效值为U1=220 V,由=,故副线圈电压的有效值为U2=110 V,故输出功率P2==220 W,再由输入功率等于输出功率知,P1=P2=220 W,A项错误;根据欧姆定律知,I2==2 A,由=,得I1=1 A,故电流表读数为1 A,所以B项正确;电压表的读数为有效值,即U2=110 V,C项错误;由交流电压的表达式可知,ω=100π(rad/s),又T=,解得T=0.02 s,所以D项错误。
【答案】B
理想变压器动态问题分析
【典例5】如图10-2-9所示,理想变压器输入端PQ接稳定的交流电源,通过单刀双掷开关S可改变变压器原线圈匝数(图中电压表及电流表皆为理想电表),则下列说法中正确的是( )
图10-2-9
A.当滑片c向b端移动时,变压器输入功率变大
B.当滑片c向a端移动时,电流表A1的示数将减小,电压表V的示数不变
C.当滑片c向b端移动时,电流表A2的示数将变大,电压表V的示数也变大
D.滑片c不动,将开关S由1掷向2时,三个电表A1、A2、V的示数都变大
【思路点拔】滑片c移动改变负载电阻的大小,从而改变副线圈中的电流、功率,改变原线圈中的电流。开关S由1掷向2减少了原线圈的匝数,从而改变其他各物理量。
【解析】滑片c向b端移动时,R变大,输出功率P2=,A2示数I2=,又因U2不变,则P2减小,所以输入功率减小,A2示数变小,A、C错误;滑片c向a端移动时,R变小,A2示数I2=变大,则A1示数变大,B错误;当滑片c不动,开关S由1掷向2时,原线圈匝数n1减少,由U2=U1知U2变大,故A2、V示数变大,A1示数变大,D正确。
【答案】 D
【规律方法】变压器动态问题的分析流程
六、远距离输电问题
【典例6】(2015·福建高考)如图为远距离输电示意图,两变压器均为理想变压器,升压变压器T的原、副线圈匝数分别为n1、n2,在T的原线圈两端接入一电压u=Umsin ωt的交流电源,若输送电功率为P,输电线的总电阻为2r,不考虑其他因素的影响,则输电线上损失的电功率为( )
A. B.
C.422r D.422r
【思路点拔】(1)如何计算输电电流?
提示:根据ΔP=I2·R线=10%P计算出I。
(2)如何计算线路损失的电压?
【解析】升压变压器T的原线圈两端电压的有效值为U1=;由变压关系可得=,则U2=;因为输送电功率为P,输电线中的电流为I2==,则输电线上损失的电功率为ΔP=I22(2r)=,故选项C正确。
【答案】 C
【规律方法】输电线路功率损失的计算方法
P损=P1-P4
P1为输送的功率,P4为用户得到的功率
P损=I线2R线
I线为输电线路上的电流,R线为线路电阻
P损=
ΔU为输电线路上损失的电压,不要与U2、U3相混
P损=ΔU·I线
注意:ΔU不要错代入U2或U3
1.一只矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动,穿过线圈的磁通量随时间变化的图象如图1甲所示,则下列说法中正确的是( )
A.t=0时刻线圈平面与中性面垂直
B.t=0.01 s时刻Φ的变化率达到最大
C.t=0.02 s时刻感应电动势达到最大
D.与该线圈相应的感应电动势图象如图1乙所示
2.如图2所示,abcd为一边长为L、匝数为N的正方形闭合线圈,绕对称轴OO′匀速转动,角速度为ω。空间中只有OO′左侧存在垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度为B。若闭合线圈的总电阻为R,则( )
A.线圈中电动势的有效值为NBL2ω
B.线圈中电动势的最大值为NBL2ω
C.在转动一圈的过程中,线圈中有一半时间没有电流
D.当线圈转到图中所处的位置时,穿过线圈的磁通量为NBL2
3. [多选]如图3所示,矩形线圈abcd绕轴OO′匀速转动产生交流电,从图示位置开始计时,则下列说法正确的是 ( )
A.t=0时穿过线圈的磁通量最大,产生的感应电流最大
B.t=(T为周期)时感应电流沿abcda方向
C.若转速增大为原来的2倍,则交变电流的频率是原来的2倍
D.若转速增大为原来的2倍,则产生的电流有效值为原来的4倍
4.[多选]如图4所示,矩形线圈abcd面积为S,匝数为N,电阻为r,在磁感应强度为B的匀强磁场中绕OO′轴以角速度ω匀速转动,外电路电阻为R,当线圈由图示位置转过60°的过程中,下列判断正确的是 ( )
A.电压表的读数为
B.通过电阻R的电荷量为q=
C.电阻R所产生的焦耳热为Q=
D.当线圈由图示位置转过60°时的电流为
5.如图5所示电路,电阻R1与电阻R2阻值相同,都为R,和R1并联的D为理想二极管(正向电阻可看做零,反向电阻可看做无穷大),在A、B间加一正弦交流电u=20·sin 100πt(V),则加在R2上的电压有效值为( )
A.10 V B.20 V C.15 V D.5 V
6.(多选)(2017·龙冈中学模拟)如图12甲,一理想变压器原、副线圈的匝数比为2∶1,原线圈的电压随时间变化规律如图乙所示,副线圈电路中接有灯泡,额定功率为22 W;原线圈电路中接有电压表和电流表.现闭合开关,灯泡正常发光.若用U和I分别表示此时电压表和电流表的读数,则( )
A.灯泡的额定电压为110 V
B.副线圈输出交流电的频率为50 Hz
C.U=220 V,I=0.2 A
D.原线圈输入电压的瞬时表达式为u=220sin 100πt V
7.(多选)(2018·徐州三中月考)如图13所示,理想变压器原、副线圈的匝数比为10∶1,b是原线圈的中心触头,电压表和电流表均为理想表,RT是用氧化锰等金属氧化物烧结而成的热敏电阻(阻值随温度升高而减小).从某时刻开始在原线圈c、d两端加上交变电压,其瞬时值u1=220sin 100πt(V),则下列说法不正确的是( )
A.当t= s时,c、d间的电压瞬时值为110 V
B.当单刀双掷开关与a连接时,电压表的示数为22 V
C.当单刀双掷开关与a连接时,若RT温度升高,则电压表和电流表的示数均变小
D.当单刀双掷开关由a扳向b时,则电压表和电流表的示数都变大
8.图15为远距离输电示意图,两变压器均为理想变压器,升压变压器T的原、副线圈匝数分别为n1、n2,在T的原线圈两端接入一电压u=Umsin ωt的交流电源,若输送电功率为P,输电线的总电阻为2r,不考虑其他因素的影响,则输电线上损失的电功率为( )
A.() B.()
C.4()2()2r D.4()2()2r
9.如图16甲所示为一自耦变压器,变压器的原线圈AB端输入电压如图乙所示,副线圈电路中定值电阻R0=11 Ω,电容器C的击穿电压为22 V,移动滑片P使电容器刚好不会被击穿,所有电表均为理想电表,下列说法正确的是( )
图16
A.电压表的示数为220 V
B.原、副线圈的匝数比为10∶1
C.电流表的示数等于通过电阻R0的电流
D.原线圈AB端输入电压的变化规律为u=311sin πt V
10.图3甲中理想变压器原、副线圈的匝数之比n1∶n2=5∶1,副线圈上的电阻R=20 Ω,L1、L2为规格相同的两只小灯泡,S1为单刀双掷开关。原线圈接正弦式交变电源,输入电压u随时间t的变化关系如图3乙所示。现将S1接1、S2闭合,此时L2正常发光。下列说法正确的是( )
A.输入电压u的表达式u=20sin 50πt(V)
B.只断开S2后,L1、L2均正常发光
C.只断开S2后,原线圈的输入功率增大
D.若S1换接到2后,R消耗的电功率为0.8 W
11.为探究理想变压器原、副线圈电压、电流的关系,将原线圈接到电压有效值不变的正弦式交流电源上,副线圈连接相同的灯泡L1、L2,电路中分别接了理想交流电压表V1、V2和理想交流电流表A1、A2,导线电阻不计,如图4所示。当开关S闭合后( )
A.A1示数变大,A1与A2示数的比值变小
B.A1示数变大,A1与A2示数的比值变大
C.V2示数变小,V1与V2示数的比值变大
D.V2示数不变,V1与V2示数的比值不变
12.如图6所示,边长为L、匝数为N,电阻不计的正方形线圈abcd在磁感应强度为B的匀强磁场中绕转轴OO′转动,转轴OO′垂直于磁感线,在线圈外接一含有理想变压器的电路,变压器原、副线圈的匝数分别为n1和n2。保持线圈以恒定角速度ω转动,下列判断正确的是( )
A.两电压表的示数之比U1∶U2=n1∶n2
B.电压表V1示数等于NBωL2
C.当可变电阻R的滑片P向上滑动时,电压表V2的示数变大
D.当可变电阻R的滑片P向上滑动时,变压器的输入功率减小
13.如图6所示,匀强磁场的磁感应强度B=0.5 T,边长L=10 cm的正方形线圈abcd共n=100匝,线圈电阻r=1 Ω,线圈绕垂直于磁感线的对称轴OO′匀速转动,角速度ω=2π rad/s,外电路电阻R=4 Ω。求:
(1)转动过程中感应电动势的最大值Em;
(2)由图示位置(线圈平面与磁感线平行)转过60°角时的瞬时感应电动势E;
(3)由图示位置转过60°角的过程中产生的平均感应电动势E;
(4)交流电压表的示数U。
14.如图7甲所示,一固定的矩形导线圈水平放置,线圈的两端接一只小灯泡,在线圈所在空间内存在着与线圈平面垂直的均匀分布的磁场。已知线圈的匝数n=100匝,电阻r=1.0 Ω,所围成矩形的面积S=0.040 m2,小灯泡的电阻R=9.0 Ω,磁场的磁感应强度随时间按如图7乙所示的规律变化,线圈中产生的感应电动势瞬时值的表达式为e=nBmScos t(V),其中Bm为磁感应强度的最大值,T为磁场变化的周期。忽略灯丝电阻随温度的变化,求:
(1)线圈中产生感应电动势的最大值;
(2)小灯泡消耗的电功率;
(3)在磁感应强度变化的0~时间内,通过小灯泡的电荷量。
15.图8甲为一理想变压器,ab为原线圈,ce为副线圈,d为副线圈引出的一个接头,原线圈输入正弦式交变电压的u ? t图象如图8乙所示。若只在ce间接一只Rce=400 Ω的电阻,或只在de间接一只Rde=225 Ω的电阻,两种情况下电阻消耗的功率均为P=80 W。
(1)请写出原线圈输入电压瞬时值uab的表达式;
(2)求只在ce间接400 Ω电阻时,原线圈中的电流I1;
(3)求ce和de间线圈的匝数比。
16、北京奥运场馆的建设体现了“绿色奥运”的理念。作为北京奥运会主场馆之一的国家体育馆“鸟巢”拥有9.1万个座位,其扇型屋面和大面积的玻璃幕墙不仅给人以赏心悦目之感,还隐藏着一座年发电量约为98 550 kW·h时的太阳能光伏发电系统,供给体育馆内的照明灯等使用。假如该发电系统的输出功率为1×105 W。求:
(1)按平均每天太阳照射6 h计,该发电系统一年(365天计)能输出多少电能?
(2)假若输出电压为250 V,现准备向远处输电。所用输电线的总电阻为R线=8 Ω,要求输电时在输电线上损失的电功率不超过输送电功率的5%,用户获得220 V电压,求应选用匝数比多大的升压变压器。
专题十三 交变电流(解析版)
考点
要求
考点解读及预测
交变电流 描述交变电流的物理量和图象
Ⅰ
1.考查方式
从近几年命题看,高考对本章内容考查命题频率较低,主要体现在“三突出”:一是突出考查交变电流的产生过程;二是突出考查交变电流的图象和交变电流的“四值”;三是突出考查变压器及远距离输电,难度不大,多以选择题的形式命题.
2.命题趋势
电磁感应结合交变电流、变压器结合电路分析仍将是今后命题的热点.
正弦交变电流的函数表达式
Ⅰ
电感和电容对交变电流的影响
Ⅰ
理想变压器
Ⅱ
.远距离输电
Ⅰ
一 正弦式交变电流的产生
1.正弦式交变电流的变化规律及对应图象(线圈在中性面位置开始计时)
规律
物理量
函数
图象
磁通量
Φ=Φm·cos ωt=BScos ωt
电动势
e=Em·sin ωt=nBSωsin ωt
电压
u=Um·sin ωt= sin ωt
电流
i=Im·sin ωt=sin ωt
2.两个特殊位置的特点
(1)线圈平面与中性面重合时,S⊥B,Φ最大,=0,e=0,i=0,电流方向将发生改变。
(2)线圈平面与中性面垂直时,S∥B,Φ=0,最大,e最大,i最大,电流方向不改变。
二、描述交变电流的物理量的比较
物理量
物理含义
重要关系
适用情况及说明
瞬时值
交变电流某一时刻的值
计算线圈某时刻的受力情况或力矩的瞬时值
最大值
最大的瞬时值
讨论电容器的击穿电压
有效值
跟交变电流的热效应等效的恒定电流值
对正(余)弦交流电有:?
(1)计算与电流的热效应有关的量(如功、功率、热量)等(2)电气设备“铭牌”上所标的一般是有效值(3)保险丝的熔断电流为有效值
平均值
交变电流图像中图线与时间轴所夹的面积与时间的比值
计算通过电路截面的电荷量
周期
完成一次周期性变化所用的时间
物理意义:表示交变电流变化快慢的物理量
频率
1s内完成周期性变化的次数
我国民用交变电流:T=0. 02 s,f=50 Hz,
有效值的理解与计算
1、有效值的求解(1)计算有效值的根据是电流的热效应,抓住“三同”:“相同时间”内“相同电阻”上产生“相同热量”列式求解。
(2)利用公式Q=I2Rt和Q=t可分别求得电流有效值和电压有效值。
四、理想变压器基本规律的应用
1、理想变压器以及原、副线圈基本量的关系
理想变压器
(1)没有能量损失(绕线无电阻、铁芯无涡流)
(2)没有磁通量损失(磁通量全部集中在铁芯中)
基本关系
功率关系
根据能量守恒可得:原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率,即P入=P出
电压关系
原、副线圈的电压之比等于其匝数之比,公式:=,与负载、副线圈的个数无关
电流关系
只有一个副线圈时:=
频率关系
f1=f2(变压器不改变交变电流的频率)
2.物理量之间的制约关系
(1)电压制约关系:输入电压U1决定输出电压U2,这是因为输出电压U2=U1,当U1不变时,不论负载电阻R变化与否,U2不会改变。
(2)电流制约关系:输出电流I2决定输入电流I1。
(3)功率制约关系:输出功率P2决定输入功率P1,也可简记为“用决定供”。
五、理想变压器动态问题分析
1.匝数比不变的情况
(1)U1不变,根据=,输入电压U1决定输出电压U2,不论负载电阻R如何变化,U2不变.
(2)当负载电阻发生变化时,I2变化,输出电流I2决定输入电流I1,故I1发生变化.
(3)I2变化引起P2变化,P1=P2,故P1发生变化.
2.负载电阻不变的情况
(1)U1不变,发生变化,故U2变化.
(2)R不变,U2变化,故I2发生变化.
(3)根据P2=,P2发生变化,再根据P1=P2,故P1变化,P1=U1I1,U1不变,故I1发生
变化.
六、远距离输电问题
远距离高压输电的几个基本关系(以图10-2-11为例)
(1)功率关系
P1=P2,P3=P4,P2=P线+P3。
(2)电压、电流关系
==,==,
U2=U线+U3,I2=I3=I线。
(3)输电电流
I线===。
(4)输电导线上损失的电功率
P损=U线I线=Ir=2r。
一 正弦式交变电流的产生
【典例1】图10-1-6甲是交流发电机模型示意图。在磁感应强度为B的匀强磁场中,有一矩形线圈abcd可绕线圈平面内垂直于磁感线的轴OO′转动,由线圈引出的导线ae和df分别与两个跟线圈一起绕OO′转动的金属圆环相连接,金属圆环又分别与两个固定的电刷保持滑动接触,这样矩形线圈在转动中就可以保持和外电路电阻R形成闭合电路。图10-1-6乙是线圈的主视图,导线ab和cd分别用它们的横截面来表示。已知ab长度为L1,bc长度为L2,线圈以恒定角速度ω逆时针转动(只考虑单匝线圈)。
图10-1-6
(1)线圈平面处于中性面位置时开始计时,试推导t时刻整个线圈中的感应电动势e1 的表达式;
(2)线圈平面处于与中性面成φ0夹角位置时开始计时,如图10-1-6丙所示,试写出t时刻整个线圈中的感应电动势e2的表达式;
(3)若线圈电阻为r,求线圈每转动一周电阻R上产生的焦耳热(其它电阻均不计)。
【思路点拔】(1)要求线圈中的感应电动势,可由E=Blvsin α推出。
(2)要求线圈转动一周电阻R产生的焦耳热,可求出Em进而求出E,再由Q=I2Rt计算。
【解析】(1)矩形线圈abcd转动过程中,只有ab和cd切割磁感线,设ab和cd的转动速度为v,则
v=ω·①
在t时刻,线框转到如图所示位置(主视图),导线ab和cd因切割磁感线而产生的感应电动势均为E1=BL1vy②
由图可知vy=vsin ωt ③
则整个线圈的感应电动势为
e1=2E1=BL1L2ωsin ωt ④
(2)当线圈由题图丙位置开始运动时,在t时刻线圈平面与中性面的夹角为(ωt+φ0),则整个线圈的感应电动势为
e2=BL1L2ωsin (ωt+φ0) ⑤
(3)由闭合电路欧姆定律可知电路电流I= ⑥
电动势有效值E== ⑦
则线圈转动一周在R上产生的焦耳热为QR=I2RT ⑧
其中T= ⑨
于是QR=πRω2⑩
【答案】(1)e1=BL1L2ωsin ωt (2)e2=BL1L2ωsin (ωt+φ0) (3)πRω2
【规律方法】交变电流瞬时值表达式书写的基本思路
(1)确定正弦交变电流的峰值,根据已知图象或由公式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。
①若线圈从中性面位置开始转动,则i-t图象为正弦函数图象,函数式为i=Imsin ωt;
②若线圈从垂直中性面位置开始转动,则i-t图象为余弦函数图象,函数式为i=Imcos ωt。
描述交变电流的物理量的比较
【典例2】(2018·开封模拟)如图所示,一个半径为r的半圆形线圈,以直径ab为轴匀速转动,转速为n,ab的左侧有垂直于纸面向里(与ab垂直)的匀强磁场,磁感应强度为B。M和N是两个集流环,负载电阻为R,线圈、电流表和连接导线的电阻不计,求:
(1)感应电动势的最大值。
(2)从图示位置起转过周期的时间内负载电阻R上产生的热量。
(3)从图示位置起转过周期的时间内通过负载电阻R的电荷量。
(4)求出电流表的示数。
【思路点拔】先画出交流电的图像,知道计算热量、电流的读数用有效值,电荷量用平均值。
【解析】(1)线圈绕轴转动时,在电路中产生如图所示的交变电流。
此交变电流的最大值为
Em=BSω=B2πn=π2Bnr2。
(2)在转过周期的时间内,线圈一直切割磁感线,则产生的热量Q=·=。
(3)在转过周期的时间内,电动势的平均值=
通过R的电荷量q=Δt=Δt==。
(4)根据电流的热效应,在一个周期内:
Q=I2RT=·
故电流表的示数为I=。
【答案】(1)π2Bnr2 (2) (3) (4)
有效值的理解与计算
【典例3】 如图10-1-10所示为一个经双可控硅调节后加在电灯上的电压,正弦交流电的每一个二分之一周期中,前面四分之一周期被截去,则现在电灯上电压的有效值为( )
图10-1-10
A.Um B. C. D.
【解析】由题给图象可知,交流电压的变化规律具有周期性,用电流热效应的等效法求解。设电灯的阻值为R,正弦式交流电压的有效值与峰值的关系是U=,由于一个周期内半个周期有交流电压,一周期内交流电产生的热量为Q=·=·,设交流电压的有效值为U,由电流热效应得Q=·=·T,所以该交流电压的有效值U=,D正确。
【答案】D
理想变压器基本规律的应用
【典例4】(2017·北京高考)如图所示,理想变压器的原线圈接在u=220sin 100πt(V)的交流电源上,副线圈接有R=55 Ω的负载电阻,原、副线圈匝数之比为2∶1,电流表、电压表均为理想电表。下列说法正确的是( )
A.原线圈的输入功率为220 W
B.电流表的读数为1 A
C.电压表的读数为110 V
D.副线圈输出交流电的周期为50 s
【解析】 由交流电压的表达式可知,原线圈两端所加的电压最大值为220 V,故有效值为U1=220 V,由=,故副线圈电压的有效值为U2=110 V,故输出功率P2==220 W,再由输入功率等于输出功率知,P1=P2=220 W,A项错误;根据欧姆定律知,I2==2 A,由=,得I1=1 A,故电流表读数为1 A,所以B项正确;电压表的读数为有效值,即U2=110 V,C项错误;由交流电压的表达式可知,ω=100π(rad/s),又T=,解得T=0.02 s,所以D项错误。
【答案】B
理想变压器动态问题分析
【典例5】如图10-2-9所示,理想变压器输入端PQ接稳定的交流电源,通过单刀双掷开关S可改变变压器原线圈匝数(图中电压表及电流表皆为理想电表),则下列说法中正确的是( )
图10-2-9
A.当滑片c向b端移动时,变压器输入功率变大
B.当滑片c向a端移动时,电流表A1的示数将减小,电压表V的示数不变
C.当滑片c向b端移动时,电流表A2的示数将变大,电压表V的示数也变大
D.滑片c不动,将开关S由1掷向2时,三个电表A1、A2、V的示数都变大
【思路点拔】滑片c移动改变负载电阻的大小,从而改变副线圈中的电流、功率,改变原线圈中的电流。开关S由1掷向2减少了原线圈的匝数,从而改变其他各物理量。
【解析】滑片c向b端移动时,R变大,输出功率P2=,A2示数I2=,又因U2不变,则P2减小,所以输入功率减小,A2示数变小,A、C错误;滑片c向a端移动时,R变小,A2示数I2=变大,则A1示数变大,B错误;当滑片c不动,开关S由1掷向2时,原线圈匝数n1减少,由U2=U1知U2变大,故A2、V示数变大,A1示数变大,D正确。
【答案】 D
【规律方法】变压器动态问题的分析流程
六、远距离输电问题
【典例6】(2015·福建高考)如图为远距离输电示意图,两变压器均为理想变压器,升压变压器T的原、副线圈匝数分别为n1、n2,在T的原线圈两端接入一电压u=Umsin ωt的交流电源,若输送电功率为P,输电线的总电阻为2r,不考虑其他因素的影响,则输电线上损失的电功率为( )
A. B.
C.422r D.422r
【思路点拔】(1)如何计算输电电流?
提示:根据ΔP=I2·R线=10%P计算出I。
(2)如何计算线路损失的电压?
【解析】升压变压器T的原线圈两端电压的有效值为U1=;由变压关系可得=,则U2=;因为输送电功率为P,输电线中的电流为I2==,则输电线上损失的电功率为ΔP=I22(2r)=,故选项C正确。
【答案】 C
【规律方法】输电线路功率损失的计算方法
P损=P1-P4
P1为输送的功率,P4为用户得到的功率
P损=I线2R线
I线为输电线路上的电流,R线为线路电阻
P损=
ΔU为输电线路上损失的电压,不要与U2、U3相混
P损=ΔU·I线
注意:ΔU不要错代入U2或U3
1.一只矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动,穿过线圈的磁通量随时间变化的图象如图1甲所示,则下列说法中正确的是( )
A.t=0时刻线圈平面与中性面垂直
B.t=0.01 s时刻Φ的变化率达到最大
C.t=0.02 s时刻感应电动势达到最大
D.与该线圈相应的感应电动势图象如图1乙所示
【解析】由Φ-t图知,在t=0时,Φ最大,即线圈处于中性面位置,此时e=0,A、D错误;由图知T=0.04 s,在t=0.01 s时,Φ=0,最大,e最大,B正确;在t=0.02 s时,Φ最大,=0,e=0,C错误。
【答案】B
2.如图2所示,abcd为一边长为L、匝数为N的正方形闭合线圈,绕对称轴OO′匀速转动,角速度为ω。空间中只有OO′左侧存在垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度为B。若闭合线圈的总电阻为R,则( )
A.线圈中电动势的有效值为NBL2ω
B.线圈中电动势的最大值为NBL2ω
C.在转动一圈的过程中,线圈中有一半时间没有电流
D.当线圈转到图中所处的位置时,穿过线圈的磁通量为NBL2
【解析】感应电动势最大值Em=NBL2ω,有效值E==NBL2ω,A错误,B正确;在转动的过程中,线圈始终有一半在磁场中运动,故线圈中始终有电流通过,C错误;图中所示位置中,穿过线圈的磁通量为BL2,D错误。
【答案】B
3. [多选]如图3所示,矩形线圈abcd绕轴OO′匀速转动产生交流电,从图示位置开始计时,则下列说法正确的是 ( )
A.t=0时穿过线圈的磁通量最大,产生的感应电流最大
B.t=(T为周期)时感应电流沿abcda方向
C.若转速增大为原来的2倍,则交变电流的频率是原来的2倍
D.若转速增大为原来的2倍,则产生的电流有效值为原来的4倍
【解析】图示时刻,ab、cd边切割磁感线的有效速率为零,产生的感应电动势为零,A错误;根据线圈的转动方向,确定时线圈的位置,用右手定则可以确定线圈中的感应电流方向沿abcda方向,B正确;根据转速和频率的关系可知,C正确;根据ω=2πf,Em=nBSω,E=,I=可知当转速增大为原来的2倍时,电流有效值变为原来的2倍,D错误。
【答案】BC
4.[多选]如图4所示,矩形线圈abcd面积为S,匝数为N,电阻为r,在磁感应强度为B的匀强磁场中绕OO′轴以角速度ω匀速转动,外电路电阻为R,当线圈由图示位置转过60°的过程中,下列判断正确的是 ( )
A.电压表的读数为
B.通过电阻R的电荷量为q=
C.电阻R所产生的焦耳热为Q=
D.当线圈由图示位置转过60°时的电流为
【解析】线圈在磁场中转动产生了正弦式交流电,其电动势的最大值Em=NBSω,电动势的有效值E=,电压表的读数等于交流电源路端电压,且为有效值,则U=R,A正确;求通过电阻R的电荷量要用交流电的平均电流,则q=Δt===,B正确;电阻R上产生的热量应该用有效值来计算,但由于从图示位置转过60°过程中,小于周期,且感应电动势始终未达到最大值,则电阻R产生的热量Q<I2Rt=2R·=,C错误;线圈由图示位置转过60°时的电流为瞬时值,则i=sin ωt=sin =,D错误。
【答案】AB
5.如图5所示电路,电阻R1与电阻R2阻值相同,都为R,和R1并联的D为理想二极管(正向电阻可看做零,反向电阻可看做无穷大),在A、B间加一正弦交流电u=20·sin 100πt(V),则加在R2上的电压有效值为( )
A.10 V B.20 V C.15 V D.5 V
【解析】由于R1=R2,当二极管上有正向电流时,R1短路,加在R2上电压有效值为20 V,当二极管上有反向电流时,R1、R2串联,R2上电压有效值为10 V,由·T=·+·得U=5 V,D正确。
【答案】D
6.(多选)(2017·龙冈中学模拟)如图12甲,一理想变压器原、副线圈的匝数比为2∶1,原线圈的电压随时间变化规律如图乙所示,副线圈电路中接有灯泡,额定功率为22 W;原线圈电路中接有电压表和电流表.现闭合开关,灯泡正常发光.若用U和I分别表示此时电压表和电流表的读数,则( )
A.灯泡的额定电压为110 V
B.副线圈输出交流电的频率为50 Hz
C.U=220 V,I=0.2 A
D.原线圈输入电压的瞬时表达式为u=220sin 100πt V
【解析】原线圈的电压为:U1= V=220 V,副线圈的电压为:U2=U1=110 V,灯泡正常发光,则A正确;原线圈的频率为f= Hz=50 Hz,变压器不会改变频率,故B正确;副线圈电流为:I2== A=0.2 A,原线圈的电流为:I1=I2=0.1 A,则C错误;ω=2πf=100π rad/s,瞬时表达式为:u=220sin 100πt V,故D正确.
【答案】ABD
7.(多选)(2018·徐州三中月考)如图13所示,理想变压器原、副线圈的匝数比为10∶1,b是原线圈的中心触头,电压表和电流表均为理想表,RT是用氧化锰等金属氧化物烧结而成的热敏电阻(阻值随温度升高而减小).从某时刻开始在原线圈c、d两端加上交变电压,其瞬时值u1=220sin 100πt(V),则下列说法不正确的是( )
A.当t= s时,c、d间的电压瞬时值为110 V
B.当单刀双掷开关与a连接时,电压表的示数为22 V
C.当单刀双掷开关与a连接时,若RT温度升高,则电压表和电流表的示数均变小
D.当单刀双掷开关由a扳向b时,则电压表和电流表的示数都变大
【解析】当t= s时,c、d间电压的瞬时值为u=220sin 100π× V=110 V,故A错误;当单刀双掷开关与a连接时,原、副线圈的匝数比为10∶1,原线圈两端的电压有效值U1= V=220 V,根据==,代入数据得U2=22 V,故B正确;当单刀双掷开关与a连接时,RT温度升高,热敏电阻的阻值减小,由=可知电压不变,电流表示数增大,故C错误;当单刀双掷开关由a扳向b时,原线圈匝数减小,由=可知U2变大,RT不变,故电压表和电流表的读数均变大,故D正确.所以错误选项是A、C.
【答案】AC
8.图15为远距离输电示意图,两变压器均为理想变压器,升压变压器T的原、副线圈匝数分别为n1、n2,在T的原线圈两端接入一电压u=Umsin ωt的交流电源,若输送电功率为P,输电线的总电阻为2r,不考虑其他因素的影响,则输电线上损失的电功率为( )
A.() B.()
C.4()2()2r D.4()2()2r
【解析】原线圈电压的有效值:U1=,根据=可得U2=·,又因为是理想变压器,所以T的副线圈的输出功率等于原线圈的输入功率P,所以输电线上的电流I=,输电线上损失的电功率为P′=I22r=4r22,所以C正确,A、B、D错误.
【答案】C
9.如图16甲所示为一自耦变压器,变压器的原线圈AB端输入电压如图乙所示,副线圈电路中定值电阻R0=11 Ω,电容器C的击穿电压为22 V,移动滑片P使电容器刚好不会被击穿,所有电表均为理想电表,下列说法正确的是( )
图16
A.电压表的示数为220 V
B.原、副线圈的匝数比为10∶1
C.电流表的示数等于通过电阻R0的电流
D.原线圈AB端输入电压的变化规律为u=311sin πt V
【解析】由题图乙知输入电压的有效值即电压表的示数,为220 V,A正确;电容器的耐压值为交流电压的最大值,则有效值为 V=11 V,所以原、副线圈的匝数比为10∶1,
B错误;电容器通交流电,所以电流表的示数大于通过电阻R0的电流,C错误;由题图乙知交流电的周期为0.02 s,所以角速度为100π rad/s,原线圈AB端输入电压的变化规律为u=311sin 100πt V,D错误.
【答案】A
10.图3甲中理想变压器原、副线圈的匝数之比n1∶n2=5∶1,副线圈上的电阻R=20 Ω,L1、L2为规格相同的两只小灯泡,S1为单刀双掷开关。原线圈接正弦式交变电源,输入电压u随时间t的变化关系如图3乙所示。现将S1接1、S2闭合,此时L2正常发光。下列说法正确的是( )
A.输入电压u的表达式u=20sin 50πt(V)
B.只断开S2后,L1、L2均正常发光
C.只断开S2后,原线圈的输入功率增大
D.若S1换接到2后,R消耗的电功率为0.8 W
【解析】由题图知,Um=20 V,T=0.02 s,则ω==100π rad/s,输入电压u=20sin 100πt(V),A错误;由变压器的变压规律知=,故U2== V=4 V,由题中将S1接1、S2闭合时,灯泡L2正常发光可得,灯泡L2的额定电压为4 V,当只断开S2后,副线圈两端电压不变,此时副线圈的负载为L1、L2串联,故L1、L2均不能正常发光,B错误;此时P出=,副线圈负载R总增大,故P出减小,又P入=P出,故原线圈的输入功率减小,C错误;当S1换接到2后,副线圈的负载仅是电阻R,故P== W=0.8 W,D正确。
【答案】D
11.为探究理想变压器原、副线圈电压、电流的关系,将原线圈接到电压有效值不变的正弦式交流电源上,副线圈连接相同的灯泡L1、L2,电路中分别接了理想交流电压表V1、V2和理想交流电流表A1、A2,导线电阻不计,如图4所示。当开关S闭合后( )
A.A1示数变大,A1与A2示数的比值变小
B.A1示数变大,A1与A2示数的比值变大
C.V2示数变小,V1与V2示数的比值变大
D.V2示数不变,V1与V2示数的比值不变
【解析】因为变压器的匝数与输入电压U1不变,所以电压表V1的示数和电压表V2的示数不变,C错误,D正确;当S闭合后,因为负载电阻减小,故副线圈中的电流I2增大,由于输入功率等于输出功率,所以I1也将增大,但因为变压器的匝数不变,A1与A2示数的比值不变,A、B错误。
【答案】D
12.如图6所示,边长为L、匝数为N,电阻不计的正方形线圈abcd在磁感应强度为B的匀强磁场中绕转轴OO′转动,转轴OO′垂直于磁感线,在线圈外接一含有理想变压器的电路,变压器原、副线圈的匝数分别为n1和n2。保持线圈以恒定角速度ω转动,下列判断正确的是( )
A.两电压表的示数之比U1∶U2=n1∶n2
B.电压表V1示数等于NBωL2
C.当可变电阻R的滑片P向上滑动时,电压表V2的示数变大
D.当可变电阻R的滑片P向上滑动时,变压器的输入功率减小
【解析】由理想变压器原副线圈电压比等 于匝数比可知,A正确;电压表V1示数为电压的有效值,等于,B错误;当可变电阻R的滑片P向上滑动时,R的有效阻值增大,U2不变,输出功率减小,输入功率减小,C错误,D正确。
【答案】AD
13.如图6所示,匀强磁场的磁感应强度B=0.5 T,边长L=10 cm的正方形线圈abcd共n=100匝,线圈电阻r=1 Ω,线圈绕垂直于磁感线的对称轴OO′匀速转动,角速度ω=2π rad/s,外电路电阻R=4 Ω。求:
(1)转动过程中感应电动势的最大值Em;
(2)由图示位置(线圈平面与磁感线平行)转过60°角时的瞬时感应电动势E;
(3)由图示位置转过60°角的过程中产生的平均感应电动势E;
(4)交流电压表的示数U。
【解析】(1)Em=nBSω=nBL2ω≈3.14 V
(2)由图示位置计时转过60°角时,瞬时感应电动势
E=Em cos 60°=1.57 V
(3)由图示位置转过60°角的过程中产生的平均感应电动势
=n=100× V≈2.60 V
(4)交流电压表测的是有效值,所以其示数
U=≈1.78 V
【答案】(1)3.14 V (2)1.57 V (3)2.60 V (4)1.78 V
14.如图7甲所示,一固定的矩形导线圈水平放置,线圈的两端接一只小灯泡,在线圈所在空间内存在着与线圈平面垂直的均匀分布的磁场。已知线圈的匝数n=100匝,电阻r=1.0 Ω,所围成矩形的面积S=0.040 m2,小灯泡的电阻R=9.0 Ω,磁场的磁感应强度随时间按如图7乙所示的规律变化,线圈中产生的感应电动势瞬时值的表达式为e=nBmScos t(V),其中Bm为磁感应强度的最大值,T为磁场变化的周期。忽略灯丝电阻随温度的变化,求:
(1)线圈中产生感应电动势的最大值;
(2)小灯泡消耗的电功率;
(3)在磁感应强度变化的0~时间内,通过小灯泡的电荷量。
【解析】(1)由图象知,磁场变化的周期为T=π×10-2 s,Bm=1.0×10-2 T,所以线圈中感应电动势的最大值为
Em==8.0 V
(2)根据欧姆定律,电路中电流的最大值为
Im==0.80 A
通过小灯泡电流的有效值为I==0.40 A
故小灯泡消耗的电功率为P=I2 R=2.88 W
(3)在磁感应强度变化的0~时间内,线圈中感应电动势的平均值E=nS
通过灯泡的平均电流I==
通过灯泡的电荷量
Q=IΔt===4.0×10-3 C
【答案】(1)8.0 V (2)2.88 W (3)4.0×10-3 C
15.图8甲为一理想变压器,ab为原线圈,ce为副线圈,d为副线圈引出的一个接头,原线圈输入正弦式交变电压的u ? t图象如图8乙所示。若只在ce间接一只Rce=400 Ω的电阻,或只在de间接一只Rde=225 Ω的电阻,两种情况下电阻消耗的功率均为P=80 W。
(1)请写出原线圈输入电压瞬时值uab的表达式;
(2)求只在ce间接400 Ω电阻时,原线圈中的电流I1;
(3)求ce和de间线圈的匝数比。
【解析】(1)由图乙知周期T=0.01 s,Uab最大值为Um=400 V,所以角速度ω= =200π rad/s
电压瞬时值uab=400sin 200πt(V)
(2)电压有效值U1==200 V
理想变压器输入电压P1=P
原线圈中的电流I1=
解得I1= A≈0.28 A
(3)设ab间匝数为n1,则=同理=
由题意知=,解得=
代入数据得=
【答案】(1)uab=400sin 200πt(V) (2)0.28 A (3)
16、北京奥运场馆的建设体现了“绿色奥运”的理念。作为北京奥运会主场馆之一的国家体育馆“鸟巢”拥有9.1万个座位,其扇型屋面和大面积的玻璃幕墙不仅给人以赏心悦目之感,还隐藏着一座年发电量约为98 550 kW·h时的太阳能光伏发电系统,供给体育馆内的照明灯等使用。假如该发电系统的输出功率为1×105 W。求:
(1)按平均每天太阳照射6 h计,该发电系统一年(365天计)能输出多少电能?
(2)假若输出电压为250 V,现准备向远处输电。所用输电线的总电阻为R线=8 Ω,要求输电时在输电线上损失的电功率不超过输送电功率的5%,用户获得220 V电压,求应选用匝数比多大的升压变压器。