2019_2020学年高考物理主题3电磁场与电磁波初步4交变电流变压器课件必修3.pptx

4 交变电流 变压器,主题3 电磁场与电磁波初步,学科素养与目标要求,物理观念： 1.了解交变电流是怎样产生的. 2.了解交变电流的变化规律、图象及描述交变电流的物理量. 3.了解变压器的构造，知道变压器改变交变电压的原理. 科学探究： 1.通过实验，探究交变电流的产生. 2.通过实验探究总结变压器原、副线圈的电压和匝数的关系. 科学态度与责任： 1.了解发电机的发明和交变电流的利用对促进人类社会进步的作用，进一步体会科学、技术与社会生活之间的密切联系. 2.体验科学探究过程，培养实验设计与分析论证能力.,NEIRONGSUOYIN,内容索引,自主预习,达标检测,课时对点练,预习新知 夯实基础,检测评价 达标过关,注重双基 强化落实,重点探究,启迪思维 探究重点,自主预习,一、交流发电机,1.发电原理：由于 的转动使得穿过线圈的 发生变化，在线圈中产生了 . 2.交变电流：大小、方向随时间做 变化的电流，简称 . 方向不随时间变化的电流叫 .,转子,磁通量,感应电动势,周期性,交流,直流,1.定义：电流、电压随时间按 的规律变化的交流电叫做正弦式交变电流，简称正弦式电流. 2.图象： 图象. 3.表达式：i ，u ，eEmsin t，式中 、 、Em分别是电流、电压、电动势的最大值，叫做交流的 .,二、正弦式交变电流的变化规律,正弦函数,正弦,Imsin t,Umsin t,Im Um,峰值,4.交变电流的周期和频率 (1)交变电流完成 所需的时间叫做它的 ，通常用T表示，单位是秒.交变电流在1 s内发生周期性变化的 ，叫做它的 ，通常用f表示，单位是赫兹，简称赫，符号是 . (2)周期和频率的关系为T 或f .,一次周期性变化,周期,次数,频率,Hz,5.交变电流的有效值(Ue、Ie) (1)交变电流的有效值是根据 来规定的：把交流和直流分别通过 的电阻，如果在 的时间内它们产生的热量 ，我们就把这个直流电压、电流的数值叫做这一交流的有效值. (2)对正弦式交变电流，其有效值和峰值之间存在着如下的关系： Ie Im Ue Um,电流的热效应,相同,相同,相等,0.707,0.707,1.变压器的结构 (1)变压器由 和绕在 组成. (2)原、副线圈 原线圈：与电源(或前一级电路)连接的线圈叫原线圈(也叫初级线圈). 副线圈：与负载(或下一级电路)连接的线圈叫副线圈(也叫次级线圈).,三、变压器,铁芯,铁芯上的两个线圈,2.变压器的工作原理 (1)原理 电磁感应现象是变压器工作的基础.当原线圈中的电流变化时，在铁芯中就会产生 ，就会引起副线圈中的 的变化，从而产生 . (2)变压器的作用：能改变交变电流的 ，不改变交变电流的周期和频率.,变化的磁场,磁通量,感应电动势,电压,即学即用,判断下列说法的正误. (1)交变电流的方向随时间做周期性变化.( ) (2)跟交流具有相同热效应的直流的值是交流的有效值.( ) (3)变压器也能改变恒定直流电的电压.( ) (4)当原线圈匝数比副线圈匝数多时，该变压器是升压变压器.( ),×,×,重点探究,一、交变电流的产生,1.交流发电机的组成 交流发电机通常包括固定不动的“定子”和能够连续转动的“转子”. 2.发电机原理 当闭合线圈在磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动时，穿过线圈的磁通量发生变化，因而在线圈中产生感应电流.线圈做周期性的运动，在线圈中就产生了大小和方向随时间做周期性变化的交变电流.,3.发电机的分类 (1)旋转电枢式发电机：线圈在磁场中旋转.线圈(电枢)是转子，磁体是定子，如图1甲所示. (2)旋转磁极式发电机：磁体转动，是转子；线圈不动，是定子.如图乙所示. 无论线圈转动，还是磁体转动，都是转子的转动使得穿过线圈的磁通量发生变化，在线圈中产生感应电动势.,图1,4.直流电和交变电流 (1)直流电：方向不随时间变化的电流，称为直流电，简称直流，用字母“DC”或符号“”表示. (2)交变电流：大小、方向随时间做周期性变化的电流，称为交变电流，简称交流，用字母“AC”或符号“”表示. 注意：电流方向随时间做周期性变化，是交流电的最主要特征，也是交流电与直流电最主要的区别.,例1 (多选)如图2所示为交流发电机的结构和原理示意图，当线圈在磁场中缓慢匀速转动时，观察电流表的指针，可以判断 A.指针随着线圈的转动而摆动，并且线圈转动一周指针左右摆动一次 B.当线圈平面转动到跟磁感线平行时，电流表指针的偏转角最大 C.当线圈平面转动到跟磁感线垂直时，电流表指针的偏转角最大 D.因线圈的转动是匀速的，则线圈产生的感应电动势和感应电流是周期性的,图2,解析 这是一个旋转电枢式交流发电机模型，当线圈在磁场中转动时，线圈产生的感应电动势和感应电流都随时间变化，线框转动一周，完成一个周期性变化，对应的指针左右摆动一次，故选项A正确； 当线圈平面跟磁感线平行时，穿过线圈的磁通量为零，但线圈的两条边切割磁感线，此时的速度方向跟磁感线垂直，所以线圈中的感应电动势最大，对应的感应电流也最大，所以B项正确； 当线圈平面跟磁感线垂直时，穿过线圈的磁通量最大，但此时速度方向平行于磁感线，线圈中的感应电动势和感应电流均为零，所以选项C错误； 因线圈是匀速转动的，那么产生的感应电动势和感应电流就是周期性变化的，故D项正确.,例2 (多选)下图中属于交变电流的是,解析 根据交变电流的定义判断，大小、方向随时间做周期性变化的电流叫做交变电流，符合此定义的是B、C两图， A、D两图中只是电流的大小变化，方向未变，不符合定义.,二、交变电流的变化规律及描述,1.正弦式交流电的变化规律： (1)电流、电压随时间按正弦规律变化. (2)图象为正弦曲线(如图3所示)：,图3,2.描述交流电的各物理量的关系 (1)周期(T)与频率(f ),(2)有效值：交流的有效值是根据电流的热效应规定的：把交流和直流分别通过相同的电阻，如果在相等的时间里它们产生的热量相等，就把这个直流电压、电流的数值，叫该交变电流的有效值.,3.说明 (1)我们通常说家庭电路的电压是220 V，是指有效值.各种使用交变电流的电器设备上所标的是额定电压和额定电流的有效值，一般交流电流表和交流电压表测量的数值也都是有效值. (2)对电容器来说，其击穿电压值应小于交流的最大值. (3)以后提到交变电流的数值，凡没有特别说明的，都是指有效值.,例3 (多选)一个按正弦函数规律变化的交变电流的et图象如图4所示，根据图象可以断定 A.交变电流的频率f0.2 Hz B.交变电流电动势的最大值是220 V C.交变电流电动势的有效值是220 V D.把此交流电接在阻值为100 的电阻两端，其发热 功率为484 W,图4,学科素养 本题通过交变电流的图象考查了对交变电流的认识及描述交变电流的物理量间的关系，锻炼了识图、用图的能力和数学知识与物理知识相结合的综合能力，这正是学科素养“科学思维”的体现.,例4 某一电热器接在U110 V的直流电源上，每秒产生的热量为Q；现把它改接到交流电源上，每秒产生的热量为2Q，则该交流电压的最大值Um是 A.110 V B.110 V C.220 V D.220 V,解析 设电热器的电阻为R，当电热器接在U110 V的直流电源上时，,联立解得Um2U220 V，故选C.,三、变压器的结构及原理,1.变压器的结构 变压器组成如图5所示：,图5,(1)线圈：由漆包线绕制而成.原线圈连接前一级电路，副线圈连接下一级电路. (2)铁芯：由硅钢片叠合而成. (3)变压器的符号：如图6所示.,图6,2.变压器的工作原理 (1)变压器工作的基本原理和发电机一样，也是电磁感应现象. (2)当原线圈上加交变电压时，原线圈中就有交变电流，铁芯中产生交变的磁通量，如果副线圈是闭合的，则副线圈中将产生感应电流，在原、副线圈中由于有交变电流而发生互感现象. (3)穿过每匝线圈中的磁通量的变化率是一样的，因此每匝线圈中产生的感应电动势大小相等，匝数越多，总感应电动势越大. (4)能量转换：变压器是把电能转化为磁场能，又把磁场能转化为电能的装置.,例5 下图中，属于升压变压器且能使灯泡发光的电路是,解析 变压器不改变直流的电压，A、D错； 升压变压器的原线圈比副线圈的匝数少，B错，C对.,四、变压器的规律及应用,1.变压器的规律 (1)电压关系 设原线圈匝数n1，输入电压U1，副线圈匝数n2，输出电压U2，则 n1n2，是降压变压器，用户附近的变电室内的变压器一般是降压变压器. n1n2，是升压变压器，发电站出来的电压一般要先经过升压变压器升压. (2)频率关系 变压器输出电压与输入电压的频率相等.,(3)功率关系 对于理想变压器，由于不考虑能量损失，由能量守恒得 P入P出，即P1P2. (4)电流关系,2.变压器的应用 (1)变压器在电器设备中的应用： 电器设备接220 V交流电，若工作电压低于220 V，则设备内需装降压变压器.若工作电压高于220 V，则需装有升压变压器.,(2)变压器在高压输电电路中的应用： 在输电电路中，为减小输电线路的功率损耗，根据PI2R和PUI可知需采用高压输电，在电源一侧采用升压变压器将电压升高，在用户一侧采用降压变压器将电压降低，输电线路如图7.,图7,例6 一台理想变压器，其原线圈2 200匝，副线圈440匝，并接一个100 的负载电阻，如图8所示. (1)当原线圈接在44 V直流电源上时，理想电压表示数为 V，理想电流表示数为 A.,0,图8,0,解析 原线圈接在直流电源上时，由于原线圈中的电流恒定，所以穿过原、副线圈的磁通量不发生变化，副线圈两端不产生感应电动势，故电压表示数为零，电流表示数也为零.,(2)当原线圈接在220 V交流电源上时，理想电压表示数为 V，理想电流表示数为 A，此时输入功率为 W.,44,0.44,19.36,P入P出I2U20.44×44 W19.36 W.,针对训练 一台理想变压器，原、副线圈的匝数比n1n2201，原线圈接入220 V的交流电压，副线圈向一电阻为110 的纯电阻用电器供电，则副线圈中的电流为 A.2 A B.0.1 A C.0.5 A D.0.005 A,达标检测,1.(正弦交流电的规律)(多选)某交变电流电压的表达式为u220 sin (100t) V，关于这个交变电流的下列说法中正确的是 A.频率为100 Hz B.电压的有效值为220 V C.电压的峰值为311 V D.周期为0.05 s,1,2,3,4,1,2,3,4,2.(描述交变电流的物理量)(多选)下列说法正确的是 A.使用交流电的用电器设备所标示的额定电压、额定电流的数值均为最大值 B.用交流电流表和交流电压表测得的数值是有效值 C.照明电路电压为220 V指的是有效值 D.耐压值为220 V的电容器可以直接接在220 V照明电路上,1,2,3,4,解析 各种使用交流电的用电器铭牌上所标的数值均为有效值，故A项错误； 交流电表测量值为有效值，故B项正确； 照明电路电压为220 V是有效值，故C项正确； 照明电路电压的有效值为220 V，最大值为220 V311 V，大于电容器的耐压值，故D项错误.,3.(变压器的规律)一台理想降压变压器从10 kV的线路中降压并提供 200 A的负载电流.已知两个线圈的匝数比为401，则变压器的输出电压及输出功率是 A.250 V,50 kW B.10 kV,200 kW C.250 V,200 kW D.10 kV,2×103 kW,1,2,3,4,P出U2I2200×250 W50 kW，故选项A正确.,4.(变压器的规律)如图9所示的理想变压器，它的原线圈接在交流电源上，副线圈接一个标有“12 V 100 W”的灯泡，已知变压器原、副线圈的匝数比为181，那么小灯泡正常工作时，图中的理想交流电压表的读数为 V，理想交流电流表的读数为 A.,图9,1,2,3,4,216,0.46,解析 两电表的读数均为原线圈的电压和电流的有效值.,1,2,3,4,课时对点练,一、选择题 考点一 交流电的理解 1.(多选)关于交变电流与直流电的说法中，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，但方向一定不变 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变化,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,2.(多选)关于交流发电机，下列说法正确的是 A.基本构造分定子、转子两部分 B.必须是线圈转动 C.电流方向变化的原因是线圈切割磁感线运动的方向变了 D.电流大小变化的原因是线圈转的时快时慢,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,考点二 交流电的描述 3.如图1所示的电路中，已知交流电源电压u200sin(100t) V，电阻R100 ，则理想交流电流表和理想交流电压表的示数分别为 A.1.41 A 200 V B.1.41 A 141 V C.2 A 200 V D.2 A 141 Vl,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,图1,解析 由交流电压的表达式知电压的峰值是200 V，,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,4.如图2所示是一正弦交变电流的电流图象，此正弦交变电流的频率和电流的有效值分别为 A.50 Hz,10 A B.50 Hz,5 A C.100 Hz,10 A D.100 Hz,5 A,图2,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,5.(多选)在相同的时间内，某正弦交变电流通过一阻值为100 的电阻产生的热量，与一电流为3 A的直流电通过同一阻值的电阻产生的热量相等，则 A.此交变电流的有效值为3 A，峰值为3 A B.此交变电流的有效值为3 A，峰值为6 A C.电阻两端交流电压的有效值为300 V，峰值为300 V D.电阻两端交流电压的有效值为300 V，峰值为600 V,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,解析 根据有效值的定义知，交变电流的有效值即为等效直流电的电流值，为3 A；,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,根据欧姆定律，得交流电压的有效值UeIeR3×100 V300 V，,6.一只“220 V 100 W”的灯泡接在u311sin (314t) V的交流电源上，则下列说法中错误的是 A.通过灯泡的电流为0.64 A B.与灯泡串联的理想交流电流表示数为0.45 A C.灯泡能正常发光 D.与灯泡并联的理想交流电压表示数为220 V,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,与实际电流相等，所以灯泡能正常发光，选项C正确.,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,考点三 变压器 7.关于理想变压器，下面各说法中正确的是 A.它的输出功率可以大于它的输入功率 B.它不仅可以改变交流电压还可以改变直流电压 C.原、副线圈两端的电压与它们的匝数成正比 D.原、副线圈的电流与它们的匝数成正比,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,解析 理想变压器的输出功率等于输入功率，A错； 变压器不能改变直流电压，B错； 原、副线圈两端的电压与它们的匝数成正比，通过原、副线圈的电流与它们的匝数成反比，C对，D错.,8.把直流电源接到变压器的原线圈上，变压器却不能改变直流电压.其原因是 A.没有磁通量通过原线圈 B.没有磁通量通过副线圈 C.通过原、副线圈的磁通量没有变化 D.通过原、副线圈的磁通量不相等,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,解析 直流电的磁场是不变的，所以通过原、副线圈的磁通量就不变，也就不能在副线圈上产生感应电动势，故C选项正确.,9.有一台理想变压器，已知副线圈有400匝.现把原线圈接到220 V的交流电的线路中，测得副线圈的电压是55 V，则原线圈的匝数为 A.100匝 B.25匝 C.1 600匝 D.110匝,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,10.如图3所示，一理想变压器原、副线圈的匝数比为12；副线圈电路中接有灯泡，灯泡的额定电压为220 V，额定功率为22 W；原线圈电路中接有电压表和电流表(均为理想电表).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.U110 V，I0.2 A B.U110 V，I0.05 A C.U110 V，I0.2 A D.U110 V，I0.2 A,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,图3,解析 副线圈中的电压、电流分别为220 V、0.1 A.根据电压、电流与线圈匝数的关系可知原线圈中的电压、电流分别为110 V、0.2 A.,11.(多选)如图4所示，理想变压器原、副线圈的匝数比n1n214，在A、B端输入交流电压uAB15 sin (100t) V时，电流表的示数为1 A，电路中电流表和电压表均为理想电表，则 A.交流电的频率为100 Hz B.电压表的示数为60 V C.灯泡L消耗的功率为15 W D.灯泡L的电阻为15 ,图4,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,即电压表的示数为60 V，B项正确；,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,二、非选择题 12.一个正弦规律变化的交变电流的图象如图5所示，根据图象计算： (1)交变电流的频率.,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,答案 50 Hz,图5,(2)交变电流的有效值.,解析 由题图知峰值Im20 A，,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,(3)写出该电流的瞬时值表达式.,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,答案 i20sin(100t) A,解析 瞬时值表达式iImsin t A，,所以电流瞬时值表达式为i20sin(100t) A.,13.如图6所示，一个理想变压器的原线圈接在220 V的市电上，向额定电压为1.8×104 V的霓虹灯供电，使它正常发光，为了安全，需要在原线圈回路中接入熔断器，当副线圈电路中电流超过12 mA时，熔丝熔断.求： (1)原、副线圈的匝数比为多少；,图6,答案 11900,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,(2)熔丝的熔断电流是多大.(结果保留三位有效数字),答案 0.982 A,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,