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1、交变电流 电磁场和电磁波一、考纲解读内 容要求1、交流发电机及其产生正弦交流电的原理、正弦交流电的图象和三角函数表达式。最大值与有效值，周期与效率2、电阻电感和电容对交变电流的作用3、变压器的原理，电压比和电流比4、电能的输送5、电磁场、电磁波、电磁波的周期、频率、波长和波速6、无线电波的发射和接收7、电视、雷达二、命题趋势近年来高考有关交流电的试题，平均每年都有，通常是选择题形式出现，考查方式上既有对本章知识内容的单独考查，如命题频率较高的交流电的产生及变化规律（包括图像）、最大值与有效值、变压器的变压比和变流比等频繁出现；又有对本章知识和电学的其他部分、力学等内容相联系的综合性考查，特别是
2、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，预计在今后的高考中，对这部分内容的考查仍是立足于基础，保持以往的水平。电磁振荡和电磁波在近年来高考中，重点考查LC振荡电路的振荡过程和规律的判断，几乎每年都有一道有关电磁振荡的基础题，且多为选择题。电磁波基础知识试题出现的较少。本章有关论证和计算较少而概念叙述较强，高考只限于掌握课本范围内的知识，且都是“A”级，预计今后高考仍将保持这个水平。三、夯实基础(一.) 交流电： 1. 交流电：大小和方向随时间作周期性变化的电流。 如： 2. 正弦交流电的产生：矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场轴匀速转动。 （
3、1）电动势的产生： 任意时刻t，线圈从中性面转过角度=t 说明：交流电的峰值与线圈转轴位置和线圈形状都无关。 交流电瞬时表达式是正弦或余弦，取决于计时零点线圈所处位置。 （2）外电路闭合，R外，r （3）线圈转动一圈，交流电变化一个周期，电流方向变化两次。（每经过中性面时，e=0，i=0，电流方向将发生改变） 3. 描述交流电变化规律： 4. 描述交流电物理量： （5）有效值：根据交流电热效应利用等效原理规定：让交流电和恒定电流通过同样阻值的电阻，在相等时间内产生的热量Q相等，则恒定电流的值为交流电有效值。 式交流电，依据定义Q交=Q直求有效值。 （2）通常所说交流电值均指交流电的有效值。 秒
4、电流方向改变100次） 交流电器的铭牌上标明U额、I额是有效值，交流电表（电压表、电流表）读数也是有效值。 （3）计算通过电量，用平均值，计算交流产生热量，电功率用有效值。Q=I2Rt，P=I2R ( 二.) 变压器 1. 主要构造：输入线圈（原、初级）、输出线圈（副、次级）、闭合铁芯 符号： 2. 工作原理：原线圈输入交流电U1，在铁芯中产生变化的磁通量，这样原线圈产生自感，副线圈产生电磁感应，反过来，副线圈在铁芯中产生变化的磁通量，引起原线圈的电磁感 3. （1）理想变压器：传输交流电能时，自身不消耗电能。P2=P1。 原、副线圈没有电阻，不产生焦耳热，不计铜损。 不计铁芯内电磁感应，即不
5、计铁损。 注：(三. )远距离输电 1. 输电原理：输电线总电阻R线，输送电功率P，输电电压U。 2. 高压输电原理：已知P输，输电电压U，输电线电阻R线，n1，n2，n3，n4。 (四.) 电磁场电磁波（1）要深刻理解和应用麦克斯韦电磁场理论的两大支柱：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。恒定的磁场不会产生电场，恒定的电场不会产生磁场。均匀变化的磁场产生恒定的电场，均匀变化的电场产生恒定的磁场。可以证明：振荡电场产生同频率的振荡磁场；振荡磁场产生同频率的振荡电场。（2）按照麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场和磁场总是相互联系的，形成一个不可分离的统一的场，这就是电磁场。电场和磁场只是这个统
6、一的电磁场的两种具体表现。. 电磁波变化的电场和磁场从产生的区域由近及远地向周围空间传播出去，就形成了电磁波。有效地发射电磁波的条件是：（1）频率足够高（单位时间内辐射出的能量Pf 4）；（2）形成开放电路（把电场和磁场分散到尽可能大的空间里去）。(3)电磁波是横波。E与B的方向彼此垂直，而且都跟波的传播方向垂直，因此电磁波是横波。电磁波的传播不需要靠别的物质作介质，在真空中也能传播。在真空中任何频率的电磁波的波速均为c=3.0108m/s。(4)要知道广播、电视、雷达、无线通信等都是电磁波的具体应用。四典型例题 问题1：注意有效值、平均值、最大值、瞬时值的应用有效值是表示交流电热效应平均效果
7、的物理量，交流电的平均值是交流电对时间的平均值，利用I=和E=，求出的I、E均为平均值。要注意区分有效值和平均值两个概念的使用范围。求功、功率、焦耳热等物理量，通常要用有效值计算，求一时间内通过导体横截面的电量q，穿过线圈平面的磁通量的变化量，应用平均值计算。求电容器的耐压值时应用最大值。例1 如图表示一交变电流随时间变化的图象，此电流的有效值是_。解析：由图象知此交流不是正弦式电流，而是方波形交变电流，则此交变电流的有效值不是其峰值的，而应从有效值的定义入手，即根据电流的热效应，把此交变电流和直流电分别通过同一电阻R，如果它们在相同时间（一般取交变电流的一个周期）产生的热量相等，则此交变电流
8、的有效值就是直流电流的数值。图示交变电流的周期T=0.02 s，在前半周期，电流为I1=4A；后半周期电流I2=3A。根据焦耳定律，在一个周期内交变电流通过电阻R产生的热量Q=I12R+I22R=I2RT，所以交变电流的有效值I=5 A。例2 通过某用电器的电流如图所示，则电流的有效值为_。解析：在相同时间内该电流流过电阻R产生的热量应等于其全波电流通过同一电阻R产生热量的一半，根据有效值的意义得：I2RT=（）2RT，所以I=3.6 A。答案：3.6 A问题2：理解电压互感器或电流互感器的工作原理，并能做出相关判断例3 互感器是一种特殊的变压器，借助它，交流电压表（或电流表）可以间接测量高电
9、压和大电流（1）如图所示为电压互感器或电流互感器的接线图，其中正确的是（2）为什么电流互感器的副线圈绕组不允许安装保险丝？为什么电压互感器的副线圈低压侧要装保险丝？答：_。解析：（1）电压互感器并联在电路中，且原线圈匝数大于副线圈匝数（降压），因此，C、D图均错误。电流互感器串联在电路中，原线圈匝数小于副线圈匝数。因此，B图错误而A图正确。答案：（1）A （2）如果电流互感器在运行时副线圈断开，I2=0，则铁芯中的磁通量会急剧增加（因为原线圈中电流很大，在铁芯中产生的磁通量很大，正常运行时I20，且n2n1，所以I1产生的磁通量大部分被I2所产生的磁通所抵消），这将在副绕组两端感应出高压（可达
10、103 V以上），即使副绕组的一端接地，对人及仪表仍不安全。因此，电流互感器副绕组决不允许断路，当然不允许安装保险丝。电压互感器在运行时应严防短路，因短路时副线圈电路阻抗大大减小，会出现很大短路电流，使副线圈严重发热而烧毁，所以在电压互感器低压侧要装保险丝。问题3：变压器规律的应用、动态电路分析、电能的输送例4 如图所示，理想变压器的副线圈上通过输电线接两个相同的灯泡L1和L2，输电线的等效电阻为R，开始时开关K断开。当K接通时，以下说法正确的是（ ）A. 副线圈两端M、N的输出电压减小B. 副线圈输电线等效电阻R上的电压将增大C. 通过灯泡L1的电流减小D. 原线圈中的电流增大解析：理想变压
11、器不计原副线圈的直流电阻，端电压UMN（有效值）不受负载电阻的影响，始终等于副线圈的感应电动势，而保持不变，故A项是错误的。K接通后，次级回路的总电阻减小，而UMN保持不变，故次级回路中电流I2增大，输电线等效电阻R上的电压增大，导致灯泡L1两端电压减小，L1中电流减小，可见B、C项正确，又因I2增大，UMN不变，变压器的输出功率增大，故输入功率随着增大，原线圈中电流I1增大，D项正确。答案：BCD小结：本题属于含理想变压器电路的动态分析问题，解决此类问题的关键是要在深入理解变压器原理的基础上，弄清“谁”决定“谁”的关系，即输出电压是由输入电压决定，输入功率由输出功率决定，输入电流又由输出电流
12、决定。例5 某发电厂通过两条输电线向远处的用电设备供电。当发电厂输出的功率为P0时，额定电压为U的用电设备消耗的功率为P1。若发电厂用一台升压变压器T1先把电压升高，仍通过原来的输电线供电，到达用电设备所在地，再通过一台降压变压器T2把电压降到用电设备的额定电压，供用电设备使用，如图所示。这样改动后，当发电厂输出的功率仍为P0，用电设备可获得的功率增加至P2。试求所用升压变压器T1的原线圈与副线圈的匝数比N1/N2以及降压变压器的原线圈与副线圈的匝数比n1/n2各为多少?解析：应用线路上消耗的电功率找出两种情况下线路上的电流强度，从而确定升压变压器的匝数比N1/N2，再求用电设备增加了功率后的
13、电流强度，就可以求出降压变压器的匝数比n1/n2。规范解答：设输电线的电阻为R，当发电厂变压器直接向用电设备供电时，输电线中的电流强度为I1，则有P1=I1U，=I12R解得I1=P1/U，R=U 2设降压变压器T2的输入电流为I2，输出电流为I2，则有P2=I2U，=R，由此得I2=P2/UI2=故降压变压器T2原线圈匝数n1与副线圈匝数n2之比=升压变压器T1的原线圈匝数N1与副线圈匝数N2之比=小结：通过计算远距离输电中变压器的匝数比，考查对远距离输电原理的理解及灵活运用变压规律、电路知识的能力。例6 边长为L的正方形线框abcd在磁感应强度为B的匀强磁场中绕轴OO匀速转动。初始时刻线框
14、平面与磁场垂直，如图所示。经过t时间，线框转过120。求： （1）线框转动周期和线框转过120时感应电动势的瞬时值； （2）线框内感应电动势在t时间内的平均值；（3）若线框电阻为r，小灯泡电阻为R，计算小灯泡的电功率。解析： 例7 如图所示，在匀强磁场中有一个“”形导线框可绕AB轴转动，已知匀强磁场的磁感强度B=T，线框的CD边长为20cm、CE、DF长均为10cm，转速为50r/s，若从图示位置开始计时（1）写出线框中感应电动势的瞬时值表达式。（2）若线框电阻r=3,再将AB两端接“6V，12W”灯泡，小灯泡能否正常发光？若不能，小灯泡实际功率多大？解析：（1）注意到图示位置磁感线与线圈平面平行，瞬时值表达式应为余弦函数，先求出最大值和角频率。E=BS=0.20.1100=10（V）所以电动势瞬时表达式应为e=10cos100t（V）。（2）小灯泡是纯电阻电路，其电阻为R=首先求出交流电动势有
