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(共34张PPT)
第三节　变压器
第1课时　变压器的认识及规律应用
[课标引领]
建构核心素养 物理观念 知道变压器的组成,掌握原线圈、副线圈等概念,体会物理观念的生成过程
科学思维 掌握理想变压器的基本规律,通过规律的应用体会物理模型建立的重要意义
科学探究 通过探究原、副线圈电压与匝数的关系,体会科学探究在物理规律形成过程中的作用
科学态度与责任 通过变压器在生产、生活中的应用,体会科技对社会发展的推动作用
基础探究
形成概念,掌握新知
一、认识变压器
如图,两线圈绕制在同一铁芯上,请思考并回答:
(1)若在左侧线圈中通入恒定电流,则穿过右侧线圈中有没有磁通量 磁通量是否变化 右侧线圈两端有没有感应电动势产生
答案:(1)电流周围存在磁场,左侧线圈中通入恒定电流后穿过右侧线圈中有磁通量;由于电流恒定,故穿过右侧线圈中磁通量不变;穿过右侧线圈中磁通量不变,根据法拉第电磁感应定律知右侧线圈两端没有感应电动势产生.
(2)若在左侧线圈中通入交变电流,则穿过右侧线圈中有没有磁通量 磁通量是否变化 右侧线圈两端有没有感应电动势产生 这种现象是电磁感应中的什么现象
答案:(2)由于交变电流是不断变化的,故穿过右侧线圈中不仅有磁通量而且磁通量在不断变化;根据法拉第电磁感应定律知右侧线圈两端将有感应电动势产生;这种现象是电磁感应中的互感现象.
1.变压器的构造
变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的 组成,如图所示.与电源连接的线圈称为 ,也称为初级线圈;与负载连接的线圈称为 ,也称为次级线圈.
线圈
原线圈
副线圈
2.变压器的符号
3.变压器的原理
变压器工作的基本原理是 现象.在原线圈上加上交变电压,原线圈中的交变电流在铁芯中产生变化的磁通量,这个变化的磁通量不仅穿过原线圈,也穿过副线圈,并在副线圈中产生相应的 .如果在副线圈两端接入负载构成闭合回路,回路中就会形成交变电流.
4.变压器的作用
变压器是用于改变 电压的设备.
互感
感应电动势
交流
二、探究变压器的电压与匝数的关系
如图为变压器的示意图,原、副线圈的匝数分别为n1、n2,交流电源加在原线圈上的电压为U1,副线圈输出的电压为U2,若不计线圈的电阻和各种电磁能量损失,思考并回答下列问题:
答案:(1)相同.
(2)在原、副线圈中产生的感应电动势表达式分别是什么
(3)不计线圈电阻,两线圈两端的电压数值是否与对应的感应电动势相等
答案:(3)相等.
(4)尝试写出U1和U2的关系.
1.理想变压器
理想变压器是指原、副线圈的 和各种电磁能量损失可以忽略不计的变压器.它是一个理想化模型.
电阻
匝数
3.两类变压器
(1)升压变压器:n2 n1,U2 U1.
(2)降压变压器:n2 n1,U2 U1.
>
>
<
<
三、理想变压器原、副线圈中的电流
如图所示,接通电源后小灯泡发光,若将变压器视为理想变压器,思考并回答下列问题:
(1)变压器副线圈的输出功率P2和原线圈的输入功率P1之间的关系是什么
答案:(1)因为理想变压器不计能量损耗,所以P2=P1.
(2)根据P1、P2的关系和电功率定义式,尝试推导原、副线圈中的电流I1和I2的关系.
1.变压器能量损耗
实际变压器的线圈有电阻,电流通过它时会发热,会损耗一小部分能量.铁芯在交变磁场中反复被磁化,也会因铁芯发热而损耗一小部分能量.一般情况下,变压器的这两类能量损耗都很小,所以在实际计算中常忽略损耗的能量,将其视为
变压器.
2.理想变压器原、副线圈中的功率和电流
(1)功率:理想变压器副线圈的输出功率P2 原线圈的输入功率P1,即P2 P1.
理想
等于
=
(2)电流:理想变压器工作时,原、副线圈中的电流与它们的匝数成 比,用公式表示为 .
反
1.判断正误
(1)变压器只能改变交变电流的电压,不能改变直流电流的电压.(　 　)
(2)实际应用中,不存在原线圈与副线圈匝数相等的变压器.(　 　)
(3)理想变压器是客观存在的.(　 　)
√
√
×
√
2.如图所示,理想变压器原、副线圈的匝数比为n1∶n2=4∶1,当导体棒在匀强磁场中向左做匀速直线运动切割磁感线时,电流表A1的示数是12 mA,则电流表A2的示数是多少
解析:导体棒向左匀速切割磁感线时,在原线圈中通过的是恒定电流,不能引起穿过副线圈的磁通量变化,在副线圈上无感应电动势出现,所以A2中无电流通过.
答案:0
3.有些机床为了安全,照明电灯用的电压是36 V,这个电压是把380 V的电压降压后得到的.如果变压器的原线圈是1 440 匝,副线圈是多少匝 在某次实际工作时输入电压只有220 V,则输出电压是多少
答案:136匝　21 V
合作探究
突破要点,提升关键
探究点一　理想变压器的工作原理及规律
交变电流通过变压器改变电压,而频率是否会发生改变
答案:频率不发生改变,这是因为原线圈中电流产生的变化磁场以不变的频率通过副线圈,而使副线圈产生同频率的感应电流.
1.理想变压器的特点
(1)原、副线圈的电阻不计,不产生热量.
(2)变压器的铁芯无漏磁,原、副线圈磁通量无差别.
(3)变压器自身的能量损耗不计,原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率.
2.工作原理
(1)原线圈上通有交变电流时,铁芯中产生交变磁场,即在副线圈中产生交变磁通量,从而在副线圈中产生交变电动势;当副线圈接负载时,副线圈相当于交流电源向外界负载供电.
(2)从能量转化角度看,变压器是把电能转化为磁场能,再将磁场能转化为电能的装置.经过转化后电压、电流均发生了变化.
3.理想变压器的规律
C
命题角度1　理想变压器的原理
[例1] 关于理想变压器的工作原理,以下说法正确的是(　 　)
A.通有正弦式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:通有正弦式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,原、副线圈的磁通量总相等,B错误;由互感现象知C正确;原线圈中的电能转化为磁场能,磁场能再转化为副线圈的电能,原、副线圈通过磁场联系在一起,D错误.
命题角度2　理想变压器规律的应用
[例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式交变电源上.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
BD
关于变压器关系式的两点说明
[题组训练]
1.(多选)理想变压器的原、副线圈中一定相同的物理量有(　 　)
A.交流电的频率
B.磁通量的变化率
C.功率
D.交流电的峰值
ABC
解析:理想变压器没有漏磁,没有能量损失,所以原、副线圈中磁通量的变化率相同,原、副线圈中功率相同,B、C正确;变压器能改变交流电的峰值,但不能改变交流电的频率,A正确,D错误.
A.电流频率为100 Hz
B.电压表的读数为24 V
C.电流表的读数为0.5 A
D.变压器输入功率为6 W
D
探究点二　理想变压器的动态变化
如图所示电路中,理想变压器原、副线圈匝数比是确定的.
(1)理想变压器原、副线圈的电压、电流、功率分别由谁决定
答案:(1)副线圈输出电压U2由原线圈输入电压U1决定,原线圈中的电流I1由副线圈中的输出电流I2决定,原线圈输入功率由副线圈输出功率决定.
(2)若只增大副线圈的负载电阻,则理想变压器原、副线圈的电压、电流、功率分别怎样变化
答案:(2)原线圈输入电压U1不变,副线圈输出电压U2不变,增大负载电阻,副线圈输出电流I2减小,原线圈输入电流I1也减小,副线圈输出功率P2减小,原线圈输入功率P1减小.
1.理想变压器各物理量间的制约关系
(2)输出功率决定输入功率:对理想变压器P出=P入.
2.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.
[例3] 如图所示,一理想变压器接在电压为U的交流电源上,原线圈接入电路的匝数可以通过调节滑动触头P来改变.副线圈连接交流电流表、定值电阻R0和可变电阻R,则(　 　)
A.保持P的位置不动,将R的阻值增大,电流表的读数变小
B.保持P的位置不动,将R的阻值增大,R0的电功率变大
C.保持R的阻值不变,将P向上滑动,电流表的读数变大
D.保持R的阻值不变,将P向上滑动,R0的电功率变大
A
理想变压器动态问题的处理方法
(1)首先抓住三个决定原则:输入电压U1决定输出电压U2;输出电流I2决定输入电流I1;输出功率P2决定输入功率P1.
(2)把副线圈当作电源,研究副线圈电路电阻变化.
(3)根据闭合电路的欧姆定律,判定副线圈电流、功率的变化.
[针对训练] (多选)理想变压器原、副线圈的匝数比为10∶1.原线圈输入电压的变化规律如图甲所示,副线圈所接电路如图乙所示,P为滑动变阻器R的滑片.下列说法正确的是(　 　)
A.副线圈输出电压的频率为50 Hz
B.若在副线圈两端接一交流电压表,则交流电压表的示数为31.1 V
C.滑片P向下移动时,原、副线圈的电流都减小
D.滑片P向下移动时,变压器的输出功率变大
AD
课堂小结
自主建构 教材链接
教材第76页“讨论与交流”提示:
灯泡中没有电流通过.原因是变压器的输入端接的是直流电源,副线圈两端无输出电压,所以灯泡中不会有电流通过(共37张PPT)
第三章　交变电流
[本章学业要求]
物理观念:能了解交变电流的内涵,能用公式和图像描述正弦式交变电流,知道远距离高压输电的原因和变压器的工作原理;能说明发电机和电动机工作过程中的能量转化,能解释生产、生活中的远距离输电现象.具有与交变电流相关的运动与相互作用观念和能量观念.
科学思维:能用理想变压器模型分析升压、降压的问题;能通过控制变量法分析线圈匝数与电压的关系;能恰当使用证据说明远距离输电需要高压的原因;能对交变电流高压输电提出质疑及改进建议.
科学探究:能完成“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”等物理实验.能分析物理现象,能提出并准确表述可探究的物理问题,能作出有依据的假设;能根据实验目的和实验器材设计实验方案,能根据电路图设计实验步骤,用相关实验器材获得数据,能主动注意安全;能分析数据,形成与实验目的相关的结论,作出解释,能撰写规范的实验报告,在报告中能呈现设计的实验方案、实验步骤、实验表格,以及数据分析过程和实验结论,能根据实验中的问题提出改进措施.
科学态度与责任:能认识到物理学的理论发展是推动技术进步的源泉;对交变电流及远距离输电等有进一步了解的兴趣;能领会发电机和电动机的发明及应用对人类生活和社会发展的深远影响,能体会基础科学的重大发现在工业革命和社会发展中的作用.
第一节　认识交变电流
[课标引领]
建构核心素养 物理观念 知道交变电流的概念,借助交流和直流的区别,初步形成物理观念
科学思维 掌握交变电流瞬时值表达式,通过瞬时值的推导,体会物理模型在物理规律形成中的作用
科学探究 通过探究交变电流产生的原理,培养学生分析现象和归纳总结的能力
科学态度与责任 通过了解交流发电机的结构及应用,体会科技对社会发展的推动作用
基础探究
形成概念,掌握新知
一、观察交变电流的图像
在日常生活中,手电筒和日光灯是家庭中常见的照明工具,用示波器显示出来的两者工作时的电流波形图分别如图甲和乙所示,请观察两者的电流波形图,分析它们有何区别
答案:手电筒中的电流强弱和方向不随时间改变,是直流;日光灯中的电流强弱和方向都随时间做周期性变化.
1.交变电流
强弱和方向随时间做 变化的电流,称为交变电流,简称交流(AC).我们日常生活和生产中所使用的交变电流是按 规律变化的.
2.直流
不随时间改变的电流称为直流.其中 和 都不随时间变化的电流称为恒定电流.
3.波形图
电流或电压随时间变化的 称为交变电流的波形图.
周期性
正弦
方向
强弱
方向
图像
二、交变电流的产生
1.交流发电机
(1)构造:交流发电机最基本的结构是 和 ,线圈可绕中心轴转动.
(2)能量转化:交流发电机的工作过程是将 能转化为电能和回路中内能的过程.
线圈
磁极
机械
2.交变电流的产生原理
(1)产生条件:在匀强磁场中,线圈绕垂直于磁场方向的轴匀速转动.
(2)过程分析.
线圈位置 穿过线圈 的磁通量 有无感 应电流 感应电流 方向(若有) 说明
图甲所在位置 最 . . 线圈此时所处的位置叫作 面
图甲至图乙的过程 . . .
图乙所在位置 为 . . . 此位置与中性面 .
图乙至图丙的过程 . . .
图丙所在位置 最 . . 此位置与中性面 .
图丙至图丁的过程 . . .
图丁所在位置 为 . . . 此位置与中性面 .
图丁至图戊的过程 . . .
图戊所在位置 最 . . 此位置与中性面 .
示意图
大
无
中性
变小
有
abcd
零
有
abcd
垂直
变大
有
abcd
大
无
平行
变小
有
dcba
零
有
dcba
垂直
变大
有
dcba
大
无
平行
(3)交变电流的方向变化.
线圈每经过 一次,感应电流的方向就改变一次,而线圈每转动一周要经过 次中性面,感应电流的方向改变 次.
中性面
两
两
三、用公式描述交变电流
阅读教材“讨论与交流”,尝试完成瞬时感应电动势表达式的推导.
1.正弦式交变电流
按 规律变化的交变电流称为正弦式交变电流,简称正弦式电流.
2.正弦式交变电流的公式
(1)瞬时电动势:e= .
(2)最大值表达式:Em=NBSω.
正弦
Emsin ωt
Imsin ωt
Umsin ωt
注意:表达式中Em、Um、Im分别为感应电动势、路端电压、感应电流的 值,而e、i、u则是这几个量的 值.
峰
瞬时
3.其他形式的交变电流
在电子技术中应用的交变电流,不只限于正弦式交变电流,它们随时间变化的规律是各式各样的,如图所示.
1.判断正误
(1)线圈转动一周有两次经过中性面,每转一周电流方向改变一次.(　　)
(2)当线圈中的磁通量最大时,产生的感应电流也最大.(　　)
(3)线圈绕垂直于磁场的轴匀速转动时产生的电流是交变电流.(　　)
(4)交变电流的瞬时值表达式与开始计时的位置无关.(　　)
×
×
√
×
2.如图所示是电流i随时间t做周期性变化的图像,该电流是直流还是交流
答案:由i-t图像可知,电流的大小变化,但电流方向一直为正,故电流方向不变,该电流是直流.
3.如图所示,设磁感应强度为0.01 T,线圈(单匝)边长AB为20 cm,宽BC为10 cm,转速n=50 r/s,求线圈转动时感应电动势的最大值以及电动势瞬时值的表达式
(设0时刻电动势瞬时值为0).
解析:线圈转动角速度ω=2πn=314 rad/s,
电动势最大值Em=BSω=6.28×10-2 V,
电动势瞬时值e=Emsin ωt=6.28×10-2sin 314t(V).
答案:6.28×10-2 V　6.28×10-2sin 314t(V)
合作探究
突破要点,提升关键
探究点一　正弦式交变电流的产生
1.交变电流产生过程中的两个特殊位置
2.两点说明
(1)线圈中的磁通量最大时,电流并不是最大,这时磁通量的变化率为零,电流为零.
(2)线圈转动一周,交变电流的方向并不是改变一次,而是改变两次.
[例1] 如图所示为演示交变电流产生的装置图,关于这个实验,正确的说法是
(　　)
A.线圈从中性面位置转过180°过程,穿过线圈的磁通量变化量为零
B.图示位置为中性面,线圈中无感应电流
C.图示位置ab边的感应电流方向为a→b
D.线圈平面与磁场方向平行时,磁通量变化率为零
C
思路点拨:(1)明确中性面的概念以及中性面的位置.
(2)明确线圈在中性面位置时,各物理量有什么特点.
(3)明确线圈在与中性面垂直位置时,各物理量有什么特点.
解析:若磁场的磁感应强度为B,线圈面积为S,线圈从中性面位置转过180°过程,穿过线圈的磁通量可认为由BS变化为-BS,其变化量大小为2BS,故A错误;图示位置线圈平面与磁场平行,不是中性面,故B错误;根据楞次定律,图示位置ab边的感应电流方向为a→b,故C正确;线圈平面与磁场方向平行时,磁通量为零,磁通量变化率最大,故D错误.
交变电流产生的两点注意
(1)中性面是一个假想的参考平面,实际不存在.
(2)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.
[针对训练1] 关于线圈在匀强磁场中转动产生的交变电流,下列说法正确的是
(　　)
A.线圈中磁通量最大时,感应电动势为零
B.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
C.线圈平面每经过中性面一次,感应电流和感应电动势方向都不改变
D.线圈通过中性面时,磁通量为零
A
解析:线圈中磁通量最大时,磁通量的变化率为零,则感应电动势为零,故A正确;线圈平面每经过中性面一次,感应电流和感应电动势的方向均改变一次,故B、C错误;线圈通过中性面时,磁通量最大,故D错误.
探究点二　交变电流的变化规律
如图所示,矩形线圈在匀强磁场中绕垂直磁场的轴匀速转动.
(1)感应电动势的峰值与什么因素有关
答案:(1)感应电动势的峰值与线圈的匝数N、磁感应强度B、线圈的面积S和线圈转动的角速度ω有关.
(2)当线圈平面从中性面开始计时,写出线圈中感应电动势瞬时值的表达式
答案:(2)e=NBSωsin ωt.
(3)若从垂直中性面的位置开始计时,线圈中感应电动势瞬时值的表达式是怎样的
答案:(3)e=NBSωcos ωt.
1.从两个特殊位置开始计时的瞬时值表达式
2.峰值
(1)由e=NBSωsin ωt可知,电动势的峰值Em=NBSω.
(2)交变电动势的峰值,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,则电动势的峰值相同.
[例2] 如图所示,N=50匝的矩形线圈abcd,边长ab=20 cm,ad=25 cm,放在磁感应强度B=0.4 T 的匀强磁场中,外力使线圈绕垂直于磁感线且通过线圈中线的OO′轴以n=3 000 r/min的转速匀速转动,线圈电阻r=1 Ω,外电路电阻R=9 Ω,
t=0时,线圈平面与磁感线平行,ab边正转出纸外、cd边转入纸内.
(1)判断t=0时感应电流的方向;
思路点拨:(1)明确切割磁感线的方向,由右手定则确定感应电流的方向.
解析:(1)ab、cd边切割磁感线,由右手定则可得线圈中感应电流方向a→d→c→b→a.
答案:(1)a→d→c→b→a
[例2] 如图所示,N=50匝的矩形线圈abcd,边长ab=20 cm,ad=25 cm,放在磁感应强度B=0.4 T 的匀强磁场中,外力使线圈绕垂直于磁感线且通过线圈中线的OO′轴以n=3 000 r/min的转速匀速转动,线圈电阻r=1 Ω,外电路电阻R=9 Ω,
t=0时,线圈平面与磁感线平行,ab边正转出纸外、cd边转入纸内.
(2)写出线圈感应电动势的瞬时表达式.
思路点拨:(2)感应电动势的瞬时表达式与N、B、S、ω及计时起点有关.
答案:(2)e=314cos 100πt(V)
确定正弦式交变电流瞬时值表达式的基本方法
(1)明确线圈从什么位置开始计时以确定瞬时值表达式正弦函数零时刻的角度.
(2)确定线圈转动的角速度、线圈的面积、匝数,从而确定感应电动势的最大值.
(3)根据e=Emsin ωt写出正弦式交变电流的表达式.
(1)若从线圈处于中性面开始计时,写出线圈中感应电动势的瞬时值表达式;
答案:(1)e=375sin 5πt(V)
答案:(2)375 V
课堂小结
自主建构 教材链接
教材第68页“练习第4题”提示:
(1)通过灯丝的电流方向不断变化,故灯丝所受安培力方向不断变化,所以灯丝会晃动.
(2)电能转化为灯丝的机械能(共22张PPT)
专题提升6　交变电流规律的应用
[素养目标]
1.掌握交变电流的产生规律,能解决与表达式和图像相关的问题.
2.理解交变电流的“四值”,能在实际问题中分析求解相关问题.
分类研析
突破要点,提升关键
类型一　交变电流的产生、表达式和图像问题
1.要掌握好中性面及垂直中性面位置的特点
(1)中性面:磁通量最大,但变化率为零,感应电动势E=0.
2.用公式和图像描述交变电流的变化规律(从中性面开始计时)
[例1] (多选)如图所示是某交流发电机产生的交变电流的图像,根据图像可以判定(　 　)
A.此交变电流的频率为5 Hz
B.该交变电流的电压瞬时值的表达式为u=12sin 10πt(V)
C.将标有“12 V　3 W”的灯泡接在此交流电源上,灯泡可以正常发光
D.图像上对应的0.1 s时刻,发电机中的线圈刚好转至中性面
ABD
[对点训练1]一矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时,产生的交变电动势的图像如图所示,则(　 　)
B
类型二　交变电流的“四值”问题
[例2] 如图所示,位于竖直平面内的矩形金属线圈,边长L1=0.40 m、L2=0.25 m,其匝数n=100,总电阻r=1.0 Ω,线圈的两个末端分别与两个彼此绝缘的铜环C、D(集流环)接在一起,并通过电刷和R=3.0 Ω 的定值电阻相连接.线圈所在空间存在水平向右的匀强磁场,磁感应强度B=1.0 T,在外力驱动下线圈绕竖直固定中心轴O1O2匀速转动,角速度ω=2.0 rad/s.求:
(1)电阻R两端电压的最大值;
(3)在线圈转动一周的过程中,整个电路产生的焦耳热.
思路点拨:(1)线圈等效为电源,是内电路,电阻R为外电路.
(2)利用公式Em=nBSω求电动势的最大值,其中S=L1L2.
(3)R两端的电压为路端电压,不是电动势.
(4)求电荷量用平均值,求焦耳热用有效值.
答案:(1)15 V　(2)2.5 C　(3)157 J
应用“四值”的几点技巧
(2)计算时一般取一个周期,如果一个周期内各时段交变电流的规律不同,应分段计算然后求和.
(3)各种交流电表、交流电器上标注的额定值及与热效应有关的计算等都指的是有效值.
(4)计算流过导体横截面的电荷量时必须用平均值.
D
随堂演练
检测效果,发展素养
1.小型手摇发电机线圈共N匝,每匝可简化为矩形线圈abcd,磁极间的磁场视为匀强磁场,方向垂直于线圈中心轴OO′,线圈绕OO′匀速转动,如图所示.矩形线圈ab边和cd边产生的感应电动势的最大值都为e0,不计线圈电阻,则发电机输出电压(　 　)
D
AB
2.(多选)一交流电压的图像如图所示.将该交流电压加在一阻值为22 Ω的电阻两端,下列说法中正确的是(　 　)
3.图甲为一台小型发电机构造示意图,线圈逆时针转动,产生的电动势随时间变化的正弦规律图像如图乙所示.发电机线圈内阻为1 Ω,外接灯泡的电阻为9 Ω,则(　 　)
A.电压表的示数为6 V
B.在t=10-2 s的时刻,穿过线圈的磁通量为零
C.若线圈转速改为25 r/s,则电动势的有效值为3 V
D.若线圈转速改为25 r/s,则通过灯泡的电流为1.2 A
C(共39张PPT)
第二节　描述交变电流的物理量
[课标引领]
建构核心素养 物理观念 知道描述交变电流的周期、频率、峰值、有效值等概念,体会物理观念的生成过程
科学思维 掌握交变电流有效值的推导及公式和图像的描述,体会物理模型在物理规律形成中的作用
科学态度与责任 通过交变电流在生产、生活中的应用,体会科技发展对社会进步的推动作用
基础探究
形成概念,掌握新知
一、周期和频率
前面我们学习过的匀速圆周运动和简谐运动,都是一种周期性运动,我们用周期T来描述它们周期性运动的快慢,请先回忆一下周期的定义以及周期T和频率f的关系,并思考交变电流的变化具不具有周期性 能否用周期和频率来描述交变电流变化的快慢
1.周期
交变电流完成一次 的时间称为交变电流的周期,用符号T表示,单位是秒(s).
2.频率
是反映交变电流做周期性变化快慢的物理量,用交变电流在一段时间内做 的次数与所用时间之比来表示,它的符号是f,单位是 (Hz).
3.周期和频率的物理意义
描述交变电流 的物理量.
周期性变化
周期性变化
赫兹
变化快慢
2πf
二、峰值和有效值
我们知道交变电流的瞬时电动势是随时间不断变化的,如图为一电容器,若将电容器接在交流电源上,要保证电容器不被击穿,需要注意交变电压的哪个值不能超过它所承受的最大电压
答案:最大值.
1.峰值
(1)定义:交变电流的峰值是指在一个周期内所能达到的 数值.交变电流的电动势、电流和电压的峰值分别用 、 和 表示.
(2)应用:交流电压的 值不能超过电容器、二极管等元器件所能承受的最大电压.
2.有效值
(1)定义.
让交变电流和恒定电流分别通过相同阻值的电阻,如果在交变电流的 .
内它们产生的 相等,那么这一恒定电流的数值称为交变电流的有效值.交变电流的电动势、电流和电压的有效值分别用 、 和 表示.
最大
Em
Im
Um
峰
一个周期
热量
E
I
U
(2)应用.
①各种使用交变电流的电气设备所标注的 电压和 电流的数值.
②交流电流表、交流电压表等电气仪表测出的 .
③无特别说明时提到的交变电流的数值.
3.正弦式交变电流的电动势、电流和电压的有效值和峰值的关系:
E= =0.707Em,I= =0.707Im,U= =0.707Um.
额定
额定
数值
三、用图像描述交变电流
如图所示的两种交变电流的图像不同的原因是什么 你在图像上可以直接或间接得到哪些信息
答案:图像不同的原因是计时位置起点不同;图像上可以直接得到的信息是交变电流电动势的峰值和周期,可间接得到的是交变电流电动势的有效值、交变电流的频率、线圈转动的角速度等.
1.正弦式交变电流的公式描述
已知正弦式交变电流的周期T,又知电动势、电流和电压的峰值,可表示为
e= ,
i= ,
u= .
2.正弦式交变电流的图像描述
1.判断正误
(1)生活用电的电压是220 V,这个电压是峰值.(　　)
(2)某段时间内交变电流的平均值等于这段时间初、末时刻瞬时值的算术平均值.
(　　)
(3)交变电流电压的变化规律u=Umsin ωt中ω表示交变电流的频率.(　　)
×
×
×
2.我国民用交变电流的周期T=0.02 s,频率是多少 电流方向每秒改变多少次
答案:50 Hz　100次
3.如图是一个正弦式交变电流的波形图.根据i-t图像求出它的周期、频率、
电流的峰值、电流的有效值.
合作探究
突破要点,提升关键
探究点一　周期和频率
图甲为线框在磁场中匀速转动产生交变电流的示意图,图乙所示的是一个正弦式交变电流的电流随时间变化的图像.
(1)图甲中电流表指针等时左、右摇摆说明了什么问题
答案:(1)说明了线框在磁场中转动产生的交变电流具有周期性.
(2)图乙中所示交变电流完成一次周期性变化需要多长时间 在1 s内完成多少次周期性变化
答案:(2)0.02 s;50次.
1.对交变电流的周期和频率的理解
周期和频率是描述交变电流的物理量,跟任何周期性过程一样,交变电流也要用周期或频率来表示变化的快慢.在实验中,线圈匀速转动一周,电动势、电流都按正弦规律变化一次.
(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1 s内线圈在磁场中转动的圈数.
BC
[针对训练1] 关于交变电流的周期和频率,下列说法中正确的是(　　)
A.正弦式交变电流最大值连续出现两次的时间间隔等于周期
B.1 s内交变电流出现最大值的次数等于频率
C.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
C
探究点二　对交变电流有效值的理解和计算
如图甲、乙中电炉烧水,设其他条件都相同,水的质量相等,水的初温相同.若恒定电流用10分钟把水烧开,而交变电流也用10分钟把水烧开.两种情况的电阻热量相同吗 交变电流的有效值是多少
答案:热量相同;有效值是3 A.
(2)对于非正弦式交变电流,必须根据有效值的定义进行计算.
①计算交变电流在一个周期内产生的热量Q;
③代入数值,求解有效值.
2.几种常见电流有效值的计算
[例2] 如图所示为一交变电流的图像,则该交变电流的有效值为(　　)
思路点拨:
B
求解有效值的一般方法与技巧
(1)首先要分析交变电流的变化规律,在一个交变电流中可能存在几种形式的交变电流.
(2)一个交变电流中存在几种形式,可在一个周期内分段求出产生的热量,
求其和.
[针对训练2] (2021·广东广州测试)某5G芯片里有A、B两个完全相同的电阻,若A通以图甲所示的方波交变电流,B通以图乙所示的正弦式交变电流,则通过这两个电阻的电流的有效值之比IA∶IB等于(　　)
D
探究点三　交变电流的图像
如图是一个正弦式交变电流的图像:
(1)该电流的峰值Im、周期T分别是多少
(2)写出该交变电流的瞬时值表达式.
1.对交变电流图像的认识
如图所示,正弦式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.
2.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.
[例3] (多选)如图所示,图线a是线圈在匀强磁场中匀速转动时所产生的正弦式交变电流的图像,当调整线圈转速后,所产生的正弦式交变电流的图像如图线b所示,以下关于这两个正弦式交变电流的说法正确的是(　　)
A.在图中t=0时刻穿过线圈的磁通量均为零
B.线圈先后两次转速之比为3∶2
C.交变电流a的电动势瞬时值表达式为e=10sin 5πt(V)
D.交变电流b的电动势最大值为5 V
BC
图像的分析方法
一看:看“轴”、看“线”、看“斜率”、看“点”,并理解其物理意义.
二变:掌握“图与图”“图与式”和“图与物”之间的变通关系.
三判:在此基础上进行正确的分析和判断.
[针对训练3] 某一电子设备所加正弦式交变电流的电压随时间变化规律如图
所示,则(　　)
D
课堂小结
自主建构 教材链接
教材第72页“实践与拓展”提示:
电压窗口内的波形图不是正弦波的原因可能是发电机转子的转动不是匀速转动或者转子不是在匀强磁场中转动造成的(共17张PPT)
第2课时　实验:探究变压器原、副线圈电压与
匝数的关系
实验探究
一、实验目的
探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系.
二、实验原理
原线圈通过电流时,铁芯中产生磁场,由于交变电流的大小和方向都在不断变化,铁芯中的磁场也在不断地变化,变化的磁场在副线圈中产生感应电动势,副线圈中就存在输出电压.本实验通过改变原、副线圈匝数,探究原、副线圈的电压与匝数的关系.
三、实验器材
交流电压表(多用电表)、学生电源、开关、可拆变压器、导线若干.
四、实验步骤
1.按如图所示电路图连接实物图.
2.保持原线圈匝数不变,并把原线圈匝数和学生电源显示的原线圈两端电压记录在表格中.
3.改变副线圈匝数,用交流电压表分别测量副线圈的电压,把匝数、电压的对应数据记录在表格中.
4.保持副线圈匝数不变,改变原线圈匝数,重复步骤2、3.
科学处理
一、数据处理
1.实验数据记录表格
2.由表格数据得出结论
当原线圈匝数不变、输入电压不变时,随着副线圈匝数增加,输出电压增大.进一步研究可知,副线圈电压与副线圈匝数成正比.
当副线圈匝数不变、输入电压不变时,随着原线圈匝数增加,副线圈输出电压变小,进一步研究可知,副线圈电压与原线圈匝数成反比.
二、误差分析
1.由于漏磁,通过原、副线圈的每一匝的磁通量不严格相等造成误差.
2.原、副线圈有电阻,原、副线圈中的焦耳热损耗造成误差.
3.铁芯中有磁损耗,产生涡流,造成误差.
4.电表的读数存在误差.
三、注意事项
1.在改变学生电源电压、线圈匝数前均要先断开开关,再进行操作.
2.学生电源的电压不要设置太高,一般不要超过12 V,以免发生危险,且通电时不要用手接触祼露导线、接线柱.
3.使用交流电压表测电压时,先用最大量程挡试测,大致确定被测电压后再选用适当的量程进行测量.
迁移研析
类型一　仪器选取与操作
[例1] 在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验中,某同学利用“教学用的可拆变压器”进行探究.
答案:(1)BEG
解析:(1)实验需要的器材是低压交流电源,提供低压交变电流,同时还需要交流电压表来测量电压及可拆变压器和导线,故选B、E、G.
(1)下列器材中,实验需要的器材有　　　　.
A.干电池 B.低压交流电源
C.220 V交流电源 D.条形磁铁
E.可拆变压器和导线 F.直流电压表
G.多用电表
[例1] 在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验中,某同学利用“教学用的可拆变压器”进行探究.
(2)关于实验操作,下列说法正确的是　　　　.
A.为了人身安全,原线圈两端只能使用低压交流电源,所用电压不要超过12 V
B.实验通电时,可用手接触裸露的导线、接线柱等检查电路
C.使用多用电表测电压时,先用中等量程挡试测,再选用恰当的挡位进行测量
答案:(2)A
解析:(2)变压器是为了改变电压,因此为了人身安全,原线圈两端只能使用低压交流电源,所用电压不超过12 V,故A正确;实验通电时,若用手接触裸露的导线、接线柱等检查电路,就将人体并联进电路中,会导致所测数据不准确,故B错误;使用多用电表测电压时,先用最大量程挡试测,再选用恰当的挡位进行测量,故C错误.
[例1] 在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验中,某同学利用“教学用的可拆变压器”进行探究.
(3)在实验中,某同学保持原线圈两端的电压及副线圈的匝数不变,仅减小原线圈的匝数,副线圈两端的电压将　　　　(选填“增大”“减小”或“不变”).
答案:(3)增大
类型二　实验原理与数据处理
[例2] 在“探究变压器线圈两端电压与匝数关系”的实验中,小型可拆变压器的原、副线圈匝数分别为n1=120匝、n2=240匝,某实验小组在原线圈两端依次加上不同的电压,用多用电表的交流电压挡分别测量原、副线圈两端的电压,数据如表所示.
(1)实验小组根据测得的数据在表格中算出U1、U2的比值,还有一组U1、U2的比值没有算出,把求出的结果填在表格中.
答案:(1)1∶1.9
[例2] 在“探究变压器线圈两端电压与匝数关系”的实验中,小型可拆变压器的原、副线圈匝数分别为n1=120匝、n2=240匝,某实验小组在原线圈两端依次加上不同的电压,用多用电表的交流电压挡分别测量原、副线圈两端的电压,数据如表所示.
(2)本实验可得出结论:变压器线圈两端电压与匝数关系为　　　　(用题目中给出的字母表示).
[例2] 在“探究变压器线圈两端电压与匝数关系”的实验中,小型可拆变压器的原、副线圈匝数分别为n1=120匝、n2=240匝,某实验小组在原线圈两端依次加上不同的电压,用多用电表的交流电压挡分别测量原、副线圈两端的电压,数据如表所示.
(3)该变压器是　　　　(选填“升压”或“降压”)变压器.
答案:(3)升压
解析:(3)从表格中的数据可知副线圈匝数多、电压高,所以该变压器是升压变压器.(共35张PPT)
第四节　远距离输电
[课标引领]
建构核心素养 物理观念 知道远距离输电时通常采用高压输电的原因
科学思维 理解远距离输电时决定电能损耗的因素,理解高压输电的原理.通过对降低输电损耗的分析,体会科学思维在建构物理模型中的重要作用
科学探究 探讨远距离输电中导致电能损耗的因素
科学态度与责任 通过对简单的远距离输电线路的分析与计算,体会科技对社会发展的推动作用
基础探究
形成概念,掌握新知
一、远距离输电中的电功率和电压损耗及高压交流输电
从发电厂发出的电能一般都要经过远距离输送,才能供几百千米甚至几千千米之外的用户使用,这种情况下,输电线上的电阻就不能忽略不计.如图所示是一个用输电线直接将发电厂发出的电能输送给用户的示意图,设此时发电厂的发电机的输出功率为P,发电机两端电压为U,输电线总电阻为r,请思考并回答下列问题:
(1)通过输电线的电流、输电线两端的电压、输电线上的发热功率各是多少
(2)用户两端的电压以及用户消耗的总功率是多少
(3)在输送功率一定时,输电电压U越小,输电线上损耗的电压和输电线上的发热功率如何变化
答案:(3)在输送功率一定时,输电电压U越小,输电线上损耗的电压和输电线上的发热功率越大.
1.降低远距离输电中电能损耗的两种方法
由导线的发热功率计算公式P=I2r,可知输电过程中,减少电能损耗的方法有两种:
(1)减小输电线的电阻.
(2)减小输电导线中的电流.
第二种方法是减小输电导线中的电流.在输电导线电阻不变的条件下,输电电流如果减小到原来的百分之一,根据公式P=I2r,输电的功率损耗将减小到原来的
.由公式P=UI,可知在保证输送功率不变的前提下,可通过提高
以减小输电电流.
电阻率
横截面积
万分之一
输电电压
2.高压输电
(1)现代发电站的大型发电机输出的电压一般在10 kV左右,不符合远距离输电的要求.因此,要在发电站区域内用 变压器将电压升高到几百千伏再进行远距离输电.
(2)目前我国远距离输电常采用的电压有110 kV、220 kV、330 kV等,输电干线已经采用500 kV的超高压,西北电网的电压甚至达到750 kV.
(3)实际上,输电电压也不能无限制提高,因为输电电压过高会增加 难度,提高架线费用,还容易引起输电线路向大气放电,增加能量损耗.
升压
绝缘
3.电能输送配电网
(1)电网输电的基本过程.
当电能从发电站升压经过远距离输送到用电区域后,先在“一次高压变电站”通过降压变压器,电压降到100 kV左右,再输送到“二次电压变电站”,电压降到10 kV左右.然后,一部分电能送往大量用电的工业用户;另一部分经过“降压变电站”降到 V,用于一般用户的生活用电.
220
(2)电网输电的优点.
现代电网把许多发电站连成一体,根据火电、水电、核电、风电、光伏发电的特点,调剂不同地区的电力供需,提高电力使用的经济效益.
二、直流输电
1.高压交流输电的局限性
输电导线中的交变电流会因电磁感应产生 ,同时与附近的导线产生 .在输送大功率的电能时,这些电感导致的电能损耗会超过导线电阻造成的损耗.此外,要使输电线路正常工作,为同一电网供电的所有发电机都必须同步运行,这在技术层次上是很难实现的.
自感
互感
2.直流输电的优点及过程示意图
(1)直流输电的优点.
采用直流输电时,导线对于稳定的直流电流只有电阻作用而没有电感作用,并且直流输电也不存在需要发电机同步运行的问题.
(2)现代直流输电示意图.
1.判断正误
(1)为了减少能量损失,要用高压输电,而且越高越好.(　 　)
(2)输送功率一定时,提高输送电压,可以减少功率损失.(　 　)
√
×
√
2.输送4 800 kW的电功率,采用110 kV高压输电,输电导线中的电流是多少 如果用110 V电压输电,输电导线中的电流是多少
我们在初中曾经做过类似的题目,那时是用直流的知识来处理的.在纯电阻的交流电路中,同样有U=IR 和P=UI,想想看,这里的U和I的含义与初中有什么不同
答案:见解析
3.从发电站输出的功率为200 kW,输电线的总电阻为0.05 Ω,用110 V和11 kV两种电压输电.试估算两种情况下输电线上由电阻造成的电压损失.
答案:90 V　0.9 V
合作探究
突破要点,提升关键
探究点一　输电线上电压和功率损失的计算
1.输电线上的电功率损失
(1)原因:输电导线有电阻R线,电流流过输电线时,电流的热效应引起电功率的损失.
2.输电线上的电压损失
若用U表示输电线始端电压,U′表示输电线末端电压,则U损=U-U′或U损=IR线.
4.注意:交流输电时,导线不但有电阻,还有线路的电感、电容产生的感抗和容抗,但高中阶段计算中,可将输电线看作纯电阻电路,不再考虑感抗和容抗对交流电路的影响.
[例1] 三峡电站某机组输出的电功率为5×105 kW,某处与电站间每根输电线的电阻为10 Ω.
(1)若输出的电压为2×105 V,则输电线上的电流为多少
答案:(1)2 500 A
(2)在(1)的条件下,输电线上损失的功率为多少 它占输出功率的几分之几
[例1] 三峡电站某机组输出的电功率为5×105 kW,某处与电站间每根输电线的电阻为10 Ω.
(3)若将电压升高至5×105 V,输电线上的电流为多少 输电线上损失的功率又为多少 它占输出功率的几分之几
计算输电线上功率损耗的方法
(1)ΔP=I2R,I为输电线上的电流,R为线路电阻.
(3)ΔP=ΔUI,ΔU为输电线上损失的电压,I为输电线上的电流.
[针对训练1] 我国西北采用1 100 kV特高压输电,是目前世界上电压最高的输电工程.假设甲、乙两地原来用550 kV的超高压输电,在保持输送电功率和输电线电阻都不变的条件下,现改用1 100 kV特高压输电,不考虑其他因素的影响.则(　 　)
C
探究点二　高压远距离输电的分析与计算
某发电站向远处送电的示意图如图所示,其中各部分的物理量已在图上标注,该输电线路划分为三部分:输入电路、输送电路、输出电路.
(1)若输入、输出电路输电线电阻不计,输送电路中输电线电阻为r,各个回路中,I、U、P、r之间有怎样的关系
(2)若两个变压器均为理想变压器,匝数分别为n1、n2、n3、n4,则每个变压器中的电流、电压、功率及匝数有什么关系
1.输送过程示意图
2.对高压输电中几个电压的理解
(1)输送电压:输电线始端电压,如图中的U2.
(2)用户电压:最终用户得到的电压,如图中的U4.
(3)损失电压:输电线始端电压与末端电压的差值(U线=U2-U3=I2R线),形成的原因是输电导线有电阻,电流通过输电线时,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.
3.基本关系式
(1)功率关系:P1=P2,P2=P线+P3,P3=P4.
[例2] 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,求:
(1)用户得到的电压和电功率;
答案:(1)140 V　28 kW
[例2] 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,求:
(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
答案:(2)219.2 V　43.84 kW
远距离输电问题的分析思路
(1)明确远距离输电的过程,画出输电的过程图.
(2)清楚远距离输电过程图的三个独立的回路.
(3)变压器是连接三个回路的关键,明确各个回路的电压、电流间的关系.
(4)利用输电电压、输电功率或输电线的功率损失与输电线的电阻计算输电电流.
(5)分清输电电压和输电线上的电压,确定输电功率、输电线损失功率和用户得到的功率.
(6)根据欧姆定律确定用户回路中各个元件的电压、电流和功率.
[针对训练2] 如图所示为一台发电机通过升压和降压变压器给用户供电的示意图.已知发电机的输出电功率为100 kW,输出电压为250 V.升压变压器原、副线圈的匝数比是1∶8,两变压器之间输电导线的总电阻为4 Ω,向用户供220 V交变电流,若变压器是理想变压器.求:
(1)升压变压器的输出端电压;
答案:(1)2 000 V
[针对训练2] 如图所示为一台发电机通过升压和降压变压器给用户供电的示意图.已知发电机的输出电功率为100 kW,输出电压为250 V.升压变压器原、副线圈的匝数比是1∶8,两变压器之间输电导线的总电阻为4 Ω,向用户供220 V交变电流,若变压器是理想变压器.求:
(2)降压变压器原、副线圈的匝数比.
答案:(2)90∶11
课堂小结
自主建构 教材链接
教材第84页“练习第2题”提示:
用电高峰期高压输电线和变压器到家庭的输电线中电流较大,输电线上有较大的电压损失,因此加在电灯上的电压变低,达不到额定功率,因此灯光较暗

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