2023年高考化学第一课时第十三章交变电流电磁场电磁波解析.docx

第十三章交变电流电磁场电磁波 高考调研 考 纲 导 航 内容 要求 说明 82.交流发电机及其产生正弦式电流的原理.正弦式电流的图象和三角函数表达.最大值与有效值,周期与频率只要求讨论单相理想变压器 83.电阻\,电感和电容对交变电流的作用. 84. 85.电能的输送 86.电磁场.电磁波.电磁波的周期\,频率\,波长和波速 87.无线电波的发射和接收 88.电视.雷达 Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅰ 只要求讨论单相理想变压器 命 题 取 向 1.本章高考的热点有三个:一是交流电的规律及描述,交流电有关物理量的考查.包括交流电的产生,瞬时值表达式,e-t图线及与之对应的线圈方位关系,有效值计算等;二是单相变压器的有关问题;三是电能的输送问题. 2.本章知识和电学其他局部相联系的综合性考查,特别是带电粒子在加有交变电压的平行板电容器板间的运动问题,在加强能力考查的现代高考中,更是一个热点. 3.由电磁振荡所激起的电磁波,在高科技和现代信息传递中起着重要的作用.因此本章内容易与现代化技术综合;同时,因许多动物也具有发射和接收电磁信号的功能,这局部内容可与生物学科命题结合,这也是本章内容的一个综合点. 备 考 方 略 本局部内容是电磁感应知识的应用和延伸,在解决交流电的产生过程\,变压器的原理\,远距离高压输电的过程等问题时用到的规律都是以前已学过的知识,如:法拉第电磁感应定律\,楞次定律\,闭合电路的欧姆定律\,焦耳定律等等.因此本局部知识是众多物理规律的综合运用. 1.复习交变电流知识时,要注意区分瞬时值\,有效值\,最大值\,平均值.瞬时值随时间做周期性变化,表达式为e=nBSωsinωt;有效值是利用电流的热效应定义的,计算电功率\,交流电表示数和用电器所标数值均为有效值;最大值是用Em=nBSω来计算.在正弦交流电中,最大值是有效值的2倍;平均值只能用来计算交流电在一段时间内通过导体截面的电量:为该回路的电阻. 2.对理想变压器问题应从电磁感应的本质\,电压比\,功率的关系,掌握输送电能过程中电能损失的计算方法和提高输电效率的方法. 3.交变电流知识和力学知识的综合应用. (1)由于交变电流的大小和方向\,交变电压的大小和正负都随时间周期性变化,这就引起磁场\,电场的强弱和方向周期性变化.因此,在研究带电粒子在电磁场中受力时,一定要仔细地进行动态受力分析. (2)分析有关问题时还应注意因交变电流的周期性变化而引起的分析结果出现多解的情况. 第一课时交变电流的产生和描述 第一关：根底关展望高考 基 础 知 识 一、交变电流 知识讲解 大小和方向都随时间做周期性变化的电流叫做交变电流.如图〔a〕(b)(c)(d)所示都属于交变电流.其中按正弦规律变化的交变电流叫正弦交流电，如图〔a〕所示. 说明：方向不随时间变化的电流称为直流. 二、正弦式交变电流的产生及变化规律 知识讲解 (1)产生:在匀强磁场中,绕垂直于磁场方向的轴匀速转动的线圈里产生的是正弦式交变电流. (2)规律: ①中性面特点:穿过线圈的磁通量最大,但磁通量的变化率为零,感应电动势为零.线圈经过中性面时,内部的电流方向要发生改变. ②函数形式:N匝面积为S的线圈以角速度ω转动,从中性面开始计时,那么e=Emaxsinωmax表示峰值NBSω,那么e=Emaxsinωt. 电流 假设线圈从磁感线与线圈平面平行的位置开始计时,上面表达式变为 :e=NBSωcosωt,i=Imaxcosωt. 活学活用 1. 如以下图，有一闭合的正方形线圈，匝数N=100匝，边长为10 cm，线圈总电阻为10 Ω.线圈绕OO′轴在B=0.°时，感应电动势的值是多少？ 解析：由题意，先求出角速度ω f=1500 r/min=25 Hz,ω=2πf=50π rad/s 感应电动势的最大值为Em=NBωS=100×0.5×50π×0.01 V=78.5 V 由题图可以看出，线圈是从中性面开始计时的，产生交变电动势的瞬时值表达式应为e=Emsinωt. 所以转过30°角时的电动势为e=Emsin30°=78.5× V=39.3 V. 答案：39.3 V 三、描述交变电流的物理量 知识讲解 1.瞬时值:交变电流某一时刻的值. 2.峰值:即最大的瞬时值. 3.有效值:跟交变电流的热效应等效的恒定电流值叫做交变电流的有效值. 对正弦式交流电,其有效值和峰值间关系为: 说明:各种交流电电器设备上所标的,交流电表所测量的,均为有效值. (4) 周期和频率:交变电流完成一次周期性变化所用的时间叫周期;1s内完成周期性变化的次数叫频率,它们和角速度间的关系为 (5) 平均值:交流电图象中波形与t轴所围面积与时间的比值叫交流电平均值.在计算通过导体电荷量时,只能用交流电平均值. 活学活用 2. 交变电流电压表达式为u=20sin314t V,求这个交变电压的最大值Um、有效值U、周期T、频率f.画出交变电流的u-t图象. 解析：据题意，交变电流电压最大值Um=20 V，有效值 ，周期画出交变电流的电压随时间变化图象如以下图. 答案：20 V; V;0.02 s;50 Hz图见解析 第二关：技法关解读高考 解 题 技 法 一、关于交流电的四值问题 技法讲解 1.求交变电流的有效值 (1)重点理解交流电有效值的含义. 根据电流的热效应，即交流和直流通过同 样的电阻，在相同时间内产生的热量相 等，这一直流电流的数值为交流电流的有 效值，即可求得有效值． (2)对正弦交流电可直接利用求解.对非正弦交变电流，求有 效值一定要紧扣定义．抓住三个相同：相 同的时间内，通过相同的电阻，产生相同 的热量，利用焦耳定律列式求解． 2.如何区别应用交变电流的四值 (1)最大值 感应电动势的最大值Em＝nBSω，它 仅由线圈匝数、磁感应强度、角速度、线圈 面积决定，和轴的位置及线圈的形状无 关，很多试题在线圈的形状和转轴的位置 上设置干扰因素，做题时应注意．讨论电 容器耐压问题时应根据交流电的最大值． (2)有效值 在研究交变电流做功、电功率以及产 生热量时，只能用有效值． 另外，各种交流电表指示的电压、电流 和交流电器上标注的额定电流、额定电压， 指的都是有效值.与热效应有关的计算，如 保险丝的熔断电流等都必须用有效值． (3)平均值 交变电流随时间变化的图像中图线 与时间轴所围成的面积与时间的比值叫 平均值，常用公式有等. 在研究交变电流通过导体截面电荷量时，只能用平均值． (4)瞬时值 交流电瞬时值表达式有两种，假设从中 性面开始计时其表达式为i＝Imsinωt；假设 从线圈平面和磁场方向平行时开始计时其表达式为i=Imcosωt. 在研究某一时刻线圈受到的电磁力时，只能用瞬时值. 典例剖析 例1 如以下图，边长为L的正方形线框abcd的匝数为n，ad边的中点和bc边的中点连线OO′′连线为轴，以角速度ω匀速转动，求： 〔1〕闭合电路中电流瞬时值表达式. 〔2〕线框从图示位置时转过90°的过程中电阻R上产生的热量、通过R的电荷量和电阻R上的最大电压分别为多少？ 解析：〔1〕线框转动时，只有一条边切割磁感线，且ab边和cd边的转动线速度大小相等，当线框平行于磁场时，产生的感应电动势最大，为： 由闭合电路欧姆定律得流过R的电流最大值为 当以图示时刻〔线框垂直于磁场〕为计时起点时，流过R的电流表达式为： (2)在线框由图示位置匀速转动90°的过程中，流过R的电流由0变化到最大值，故可以用有效值计算电阻R产生的热量 °过程中的平均电动势为： 流过R的平均电流 所以流过R的电荷量 由局部电路欧姆定律可得电阻R上的最大电压 答案:〔 二、电感和电容对交变电流的影响 技法讲解 1.电感对恒定电流没影响，对变化的电流有阻碍其变化的作用，对交变电流也有阻碍作用.电感对交变电流阻碍作用的大小，用感抗来表示，感抗与线圈自感系数和交变电流的频率都有关系，线圈自感系数越大、交变电流的频率越高，感抗也越大. 2.电容接在交流电路中，由于电容器交替进行充电和放电，使电路中有了电流，说明交流电能通过电容，电容虽能通过交变电流，但对交变电流也有阻碍作用，其大小用容抗来表示.容抗与电容器的电容和交变电流的频率都有关系，电容量越大、交变电流的频率越高，容抗越小. 典例剖析 例2 如以下图，三个灯泡是相同的，而且耐压足够，电源内阻忽略.当单刀双掷开关S接A时，三个灯亮度相同，那S接B时〔〕 A.三个灯亮度相同 B.甲灯最亮，丙灯不亮 C.甲灯和乙灯亮度相同，丙灯不亮 D.只有丙灯不亮，乙灯最亮 解析： 开关S接A时，甲、乙、丙三个支路均有交流电通过.开关S接B时，电路处于直流工作状态，电容C“隔直、通交〞；电感L“阻交、通直〞丙=0，I甲不变，I乙增大；又因为灯泡亮度与热功率〔P=I2R〕成正比.所以只有丙灯不亮，乙灯最亮，应选D. 答案：D 第三关：训练关笑对高考 随 堂 训 练 1.一矩形线圈abcd在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，线圈所围面积的磁通量Φ随时间t变化的规律，如以下图，以下论述正确的选项是〔〕 A.t1时刻线圈中感应电动势最大 B.t2时刻导线ad的速度方向跟磁感线垂直 C.t3时刻线圈平面与中性面重合 D.t4、t5时刻线圈中感应电流方向相同 解析：t1、t3、t5时刻线圈平面与中性面重合；0、t2、t4时刻线圈平面与磁感线平行. 答案：BC 2. 一个边长为6 cm的正方形金属线框置于匀强磁场中，线框平面与磁场垂直，电阻为0.36 Ω.磁感应强度B随时间t的变化关系如以下图，那么线框中感应电流的有效值为〔〕 答案：B 3. 如以下图,把电阻、电感器、电容器并联接到某一交流电源上,三个电流表的示数相同,假设保持电源电压不变,而将频率加大,那么三个电流表的示数I1、I2、I3的大小关系是〔〕 1=I2=I3 1＞I2＞I3 2＞I1＞I3 3＞I1＞I2 解析：原来三个电流表的示数相同，说明三个支路中电阻、感抗、容抗相等，当交变电流的频率加大时，电阻值不变，感抗增大，容抗减小，因此I1不变，I2变小，I3变大，即有I3>I1>I2. 答案：D 1、R2与交流电源按照右图 方式连接，R1=10 Ω.R2=20 Ω合上开关S后，通过电阻R2 1的电流有效值是1.2 A 1两端的电压有效值是6 V 2的电流最大值是1.2 A 2两端的电压最大值是6 V 解析:通过R2的电流最大值为A,那么有效值为0.6 A,由于R1与R2串联,所以通过R1的电流有效值也是0.6 A,选项AC错；R1两端电压有效值为U1=IR1=6 V，选项B对；R2两端电压最大值为U2m=ImR2×20 V=12V，选项D错. 答案：B 点评：能够从交变电流图像中找出交变电流的最大值，知道有效值与最大值的关系以及电路特点是解答该题的关键. 5.正弦交变电压u=50sin325 V时，才开始发光，那么此氖管在一周期内发光时间是多少？在5 min内发光次数是多少？ 25 V～50 V之间时，氖管方能发光.为此，画出交流电压的正弦图象，有利于构建思路. 如图为此交流电压的正弦图象，此交流电周期为： 设在第一周期内电压的绝对值为25 V的时刻为t，那么有 |50 sin〔314t〕|=25. 即：sin〔314t〕=±/2，解得： 对照上图知，在一周期内氖管发光时间，即电压绝对值大于25V的时间为 t′=〔t2-t1〕+〔t4-t3〕= 因交变电压在一周期内两次到达最大值，即两次超过25V，故氖管在一周期