人教版(新教材)高中物理選擇性必修2第三章 交變電流章末核心素養(yǎng)提升

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第二冊(cè)PAGEPAGE1章末核心素養(yǎng)提升eq\a\vs4\al(交,變,電,流)eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\a\vs4\al(交,變,電,流,的,產(chǎn),生)\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(產(chǎn)生\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)方向的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng),特殊位置\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(線圈平面與中性面重合\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(磁通量最大,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零,電流改變方向)),線圈平面與中性面垂直\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(磁通量為零,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大)))))),表達(dá)式：e＝Emsinωt（從線圈位于中性面開始計(jì)時(shí)），,其中Em＝NBSω,表征交變電流的物理量\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(最大值：Em＝NBSω,有效值：根據(jù)電流的熱效應(yīng)定義，,正弦交流電E＝\f(Em,\r(2))，U＝\f(Um,\r(2))，I＝\f(Im,\r(2)),周期T與頻率f的關(guān)系：T＝\f(1,f)或f＝\f(1,T),平均值：\o(E,\s\up6(－))＝n\f(ΔΦ,Δt))))),理想變壓器\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(原理：互感現(xiàn)象,基本規(guī)律\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\f(U1,U2)＝\f(n1,n2),\f(I1,I2)＝\f(n2,n1),P入＝P出)))),電能輸送\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(功率損失：P損＝I2R線,電壓損失：U損＝IR線,高壓輸電原理))))

一、交變電流的“四值”的理解與應(yīng)用1．瞬時(shí)值是指交變電流在某一時(shí)刻的值，書寫瞬時(shí)值表達(dá)式，要弄清線圈的起始位置，若線圈處于中性面位置，可直接寫成正弦函數(shù)形式；若處于與中性面垂直位置，則在正弦函數(shù)的角度處需要加上eq\f(π,2)(或?qū)懗捎嘞液瘮?shù))。2．峰值是指交變電流的最大值，一般可從圖像中讀出。當(dāng)線圈平面與磁感線平行時(shí)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，為Em＝NBSω，與轉(zhuǎn)軸在線圈上的位置、線圈的形狀無(wú)關(guān)。涉及電容器的耐壓值時(shí)，要考慮峰值。3．有效值：是根據(jù)電流的熱效應(yīng)規(guī)定的。涉及電功、電熱、交流電表的讀數(shù)等問(wèn)題時(shí)要用有效值。4．平均值：交變電流的平均值可以根據(jù)交變電流圖像中圖線與橫軸(時(shí)間軸)所圍面積與時(shí)間的比值得出。也可以利用法拉第電磁感應(yīng)定律eq\o(E,\s\up6(－))＝neq\f(ΔΦ,Δt)計(jì)算得出。求一段時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量時(shí)要用平均值q＝eq\o(I,\s\up6(－))t?！祭?〗某正弦交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)波形如圖所示，已知該發(fā)電機(jī)線圈匝數(shù)N＝100匝，線圈面積為S＝0.1m2，線圈內(nèi)阻為r＝1Ω，用一理想交流電壓表接在發(fā)電機(jī)的兩個(gè)輸出端。由此可知()A．線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為50πrad/sB．線圈所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度是B＝1TC．交流電壓表的讀數(shù)為220VD．0～eq\f(T,4)時(shí)間內(nèi)交變電動(dòng)勢(shì)的平均值為eq\o(E,\s\up6(－))＝200V〖答案〗D〖解析〗由正弦交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)波形圖可知，周期T＝0.02s，而T＝eq\f(2π,ω)，解得線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為ω＝100πrad/s，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；由正弦交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)波形圖可知，電動(dòng)勢(shì)最大值為Em＝314V，而Em＝NBSω，解得B＝0.1T，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；由于電壓表是理想交流電壓表，測(cè)量值等于交變電壓的有效值，為U＝eq\f(Um,\r(2))＝eq\f(Em,\r(2))＝314×eq\f(\r(2),2)V＝222V，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；由法拉第電磁感應(yīng)定律，交變電壓的平均值為eq\o(E,\s\up6(－))＝Neq\f(ΔΦ,Δt)，0～eq\f(T,4)時(shí)間內(nèi)，磁通量變化量ΔΦ＝BS，所以eq\o(E,\s\up6(－))＝eq\f(NBS,\f(T,4))＝200V，選項(xiàng)D正確?！坚槍?duì)訓(xùn)練1〗(多選)如圖所示，有一矩形線圈，面積為S，匝數(shù)為N，整個(gè)線圈的電阻為r，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，線圈繞OO′軸以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，外電阻為R，當(dāng)線圈由圖示位置轉(zhuǎn)過(guò)90°的過(guò)程中，下列說(shuō)法正確的是()A．磁通量的變化量為ΔΦ＝NBSB．平均感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為eq\o(E,\s\up6(－))＝eq\f(2NBSω,π)C．電阻R所產(chǎn)生的焦耳熱為Q＝eq\f(（NBSω）2,2R)D．通過(guò)電阻R的電荷量為q＝eq\f(NBS,R＋r)〖答案〗BD〖解析〗線圈在圖示位置時(shí)磁通量Φ＝0，轉(zhuǎn)過(guò)90°后磁通量Φ′＝BS，該過(guò)程中磁通量的變化量為ΔΦ＝Φ′－Φ＝BS，與線圈匝數(shù)無(wú)關(guān)，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；該過(guò)程中所用時(shí)間Δt＝eq\f(θ,ω)＝eq\f(π,2ω)，所以平均感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)eq\o(E,\s\up6(－))＝eq\f(NΔΦ,Δt)＝eq\f(2NBSω,π)，選項(xiàng)B正確；電路中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值E＝eq\f(Em,\r(2))＝eq\f(NBSω,\r(2))，電路中的感應(yīng)電流有效值I＝eq\f(E,R＋r)＝eq\f(NBSω,\r(2)（R＋r）)，所以電阻R所產(chǎn)生的焦耳熱Q＝I2RΔt＝eq\f(πRωN2B2S2,4（R＋r）2)，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；電路中的感應(yīng)電流的平均值eq\o(I,\s\up6(－))＝eq\f(\o(E,\s\up6(－)),R＋r)＝eq\f(2NBSω,π（R＋r）)，所以通過(guò)電阻R的電荷量q＝eq\o(I,\s\up6(－))Δt＝eq\f(NBS,R＋r)，選項(xiàng)D正確。二、與理想變壓器有關(guān)的問(wèn)題1．理想變壓器的幾個(gè)基本關(guān)系(1)電壓關(guān)系：輸入電壓決定輸出電壓。①單個(gè)副線圈時(shí)：eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)。②多個(gè)副線圈時(shí)：U1∶U2∶U3∶…＝n1∶n2∶n3∶…(2)功率關(guān)系：輸出功率決定輸入功率。①單個(gè)副線圈時(shí)：P1＝P2。②多個(gè)副線圈時(shí)：P1＝P2＋P3＋…(3)電流關(guān)系：輸出電流決定輸入電流。①單個(gè)副線圈時(shí)：eq\f(I1,I2)＝eq\f(n2,n1)。②多個(gè)副線圈時(shí)：n1I1＝n2I2＋n3I3＋…2．理想變壓器的動(dòng)態(tài)變化問(wèn)題的分析思路(1)匝數(shù)比不變，負(fù)載電阻變化的情況，如圖甲所示。甲①U1不變，根據(jù)eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)，輸入電壓U1決定輸出電壓U2，不論負(fù)載電阻R如何變化，U2不變。②當(dāng)負(fù)載電阻發(fā)生變化時(shí)，I2變化，輸出電流I2決定輸入電流I1，故I1發(fā)生變化。③I2變化引起P2變化，P1＝P2，故P1發(fā)生變化。(2)負(fù)載電阻不變，匝數(shù)比變化的情況，如圖乙所示。乙①U1不變，eq\f(n1,n2)發(fā)生變化，故U2變化。②R不變，U2變化，故I2發(fā)生變化。③根據(jù)P2＝eq\f(Ueq\o\al(2,2),R)，可知P2發(fā)生變化，再根據(jù)P1＝P2，故P1變化，P1＝U1I1，U1不變，故I1發(fā)生變化。〖例2〗(多選)如圖甲所示，一理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為2∶1，原線圈兩端的電壓隨時(shí)間變化規(guī)律如圖乙所示，副線圈電路中接有燈泡，額定功率為22W；原線圈電路中接有電壓表和電流表(均可視為理想電表)?，F(xiàn)閉合開關(guān)，燈泡正常發(fā)光，若用U和I分別表示此時(shí)電壓表和電流表的讀數(shù)，則()A．燈泡的額定電壓為110VB．副線圈輸出交變電流的頻率為50HzC．U＝220V，I＝0.2AD．原線圈輸入電壓的瞬時(shí)表達(dá)式為u＝220eq\r(2)sin(100πt)V〖答案〗ABD〖解析〗原線圈兩端電壓的有效值為220V，則副線圈兩端電壓為110V，由于燈泡正常發(fā)光，故燈泡的額定電壓為110V，選項(xiàng)A正確；原線圈交流電的頻率f＝eq\f(1,0.02)Hz＝50Hz，變壓器不改變交變電流的頻率，所以副線圈輸出交變電流的頻率為50Hz，選項(xiàng)B正確；根據(jù)P入＝P出得出電流表讀數(shù)為I＝eq\f(P,U)＝eq\f(22,220)A＝0.1A，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；圖乙電壓隨時(shí)間變化的表達(dá)式為u＝220eq\r(2)sin(100πt)V，選項(xiàng)D正確?！祭?〗如圖甲是一理想變壓器的電路圖，圖乙是原線圈兩端所加電壓隨時(shí)間變化的關(guān)系圖像，已知電壓表和電流表均為理想電表，電壓表的示數(shù)為20V，兩個(gè)定值電阻的阻值R均為10Ω。(1)求原、副線圈的匝數(shù)之比；(2)將開關(guān)S閉合，求原線圈的輸入功率；(3)若將電流表A2換成一只具有單向?qū)щ娦缘亩O管，求電壓表示數(shù)?！即鸢浮?1)11∶1(2)80W(3)14.14V〖解析〗(1)由題圖乙可知原線圈電壓有效值為U1＝eq\f(220\r(2),\r(2))V＝220V，已知電壓表的示數(shù)為20V，即U2＝20V根據(jù)電壓與匝數(shù)的關(guān)系eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)可知，原、副線圈的匝數(shù)之比是eq\f(n1,n2)＝eq\f(11,1)。(2)將開關(guān)S閉合，副線圈總電阻R