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電路、電磁感應、交變電流
二. 知識點:
三. 教學過程 (一)直流電路的分析 1、電路的動態(tài)變化分析方法 (1)程序法:基本思路是“部分→整體→部分”。即從阻值變化的部分入手,由串、并聯(lián)規(guī)律判斷 (2)直觀法:即直接應用“部分電路中R、I、U的關系”中的兩個結論。 ①任一電阻R阻值增大,必引起該電阻中電流I的減小和該電阻兩端電壓U的增大。
②任一電阻R阻值增大,必將引起與之并聯(lián)的支路中電流
(3)極端法:即因變阻器滑動引起電路變化的問題,可將變阻器的滑動端分別滑至兩個端點去討論。 (4)特殊值法:對于某些雙臂環(huán)路問題,可以采取代入特殊值去判定,從而找出結論。 2、電路故障分析 (1)電路的典型工作狀態(tài) ①通路狀態(tài) 外電阻滿足 ②斷路狀態(tài) 外電阻 ③短路狀態(tài) 外電阻 (2)故障特點 ①斷路的特點:電源電壓不為零而電流強度為零,若外電路中任意兩點間電壓不為零,則這兩點間有斷點。 ②短路的特點:有電流通過的電路而電壓為零。 (3)故障分析方法 ①儀器檢測法 i. 斷點故障的判斷:用電壓表與電源并聯(lián),若有電壓時,再逐段與電路并聯(lián),若電壓表指針偏轉,則該段電路中可能有斷點。 ii. 短路故障:用電壓表與電源并聯(lián),若有電壓時再逐段與電路并聯(lián);若電壓表示數(shù)為零時,該電路被短路。 ②假設法 已知電路發(fā)生某種故障,尋求故障發(fā)生在何處時,可將整個電路劃分為若干部分,然后逐一假設某部分電路發(fā)生故障,運用有關規(guī)律進行推導,結果若與題設現(xiàn)象不符合,則此段電路無故障,否則可能發(fā)生在這部分電路,照此下去,直到找到全部故障。 ③排除法 在明確電路結構的基礎上,從分析比較故障前后電路中電流、電壓的變化入手,確立故障原因并對電路中元件逐一分析,排除不可能情況,尋找故障所在。故障前后電路的兩種狀態(tài),可根據(jù)不同狀態(tài)物理量間的關系求解有關量。 3、含電容器電路的分析與計算: (1)在直流電路中,當電容器充、放電時,電路里有充、放電流,一旦電路達到穩(wěn)定狀態(tài),電容器在電路中就相當于一個阻值無限大(只考慮電容器是理想的不漏電的情況)的元件,在電容器處電路可看作是斷路,簡化電路時可摘掉它。簡化后若要計算電容器所帶電量時,可依據(jù)電容器相應的位置,求出其兩端電壓。 (2)含有電容器的直流電路的分析和計算: ①電路穩(wěn)定后,由于電容器所在支路無電流通過,所以在此支路中的電阻上無電壓降,因此電容器兩極間的電壓等于該支路兩端的電壓。 ②當電容器和電阻并聯(lián)后接入電路時,電容器兩極間的電壓與其并聯(lián)電阻兩端的電壓相等。 ③電路的電流、電壓變化時,將會引起電容器的充(放)電,如果電容器兩端電壓升高,電容器將充電;如果電壓降低,電容器將通過與它連接的電路放電,電容器所帶電量的變化 4、恒定電流電路的能量轉化分析 閉合電路歐姆定律的本質(zhì)是能的轉化和守恒定律,一個有電流通過的給定的恒定電流電路,從能量的觀點來看就是一個能的轉化問題,對電路進行能量轉化分析時應抓住兩個問題:一是能量轉化的方向問題;二是能量轉化量的計算問題。 電動勢和電阻是恒定電流電路中決定能量轉化方向的兩個常見因素:凡是電路中存在電源電動勢的區(qū)域則將有其他形式的能量向電能轉化;凡是存在電阻的區(qū)域必將有電能向內(nèi)能轉化。 能量轉化量的計算就是電路中電功、電功率的計算問題,應注意以下幾點:(1)區(qū)分各種電功率計算公式的物理意義;(2)區(qū)別某電阻兩端的電壓和某段含電源或非純電阻電路兩端的電壓;(3)要善于運用能量守恒定律處理電路中能量轉化量的計算。
例1. 在如圖1所示電路中,閉合電鍵S,當滑動變阻器的滑動觸頭P向下滑動時,四個理想電表的示數(shù)都發(fā)生變化,電表的示數(shù)分別用I、
圖1 A. B. C. D. 解析:由電路圖可知, 答案:ACD 點評:本題是對動態(tài)直流電路分析的考查,解答的一般順序是:先電阻后干路電流;先內(nèi)電壓,后外電壓;先固定電阻的電壓,后變化電阻的電壓,同時要結合部分電路的歐姆定律去分析。
例2. 在如圖2所示的電路中,由于某一電阻發(fā)生短路或斷路,使A燈變暗,B燈變亮,則故障可能是
圖2 A. 分析:(1)A燈變暗,說明干路電流發(fā)生了怎樣變化? (2)B燈變暗,說明B燈兩端電壓增大了還是減小了? 解析:由于A串聯(lián)于干路中,且故障發(fā)生后,A燈變暗,故知電路中總電流變小,即電路總電阻變大,由此推知,故障應為某一電阻斷路,排除選項A、D。 若假設 若假設 答案:BC
(二)交變電流分析 1、交流電最大值、有效值和平均值的應用 (1)求電功、電功率、焦耳熱以及確定保險絲的熔斷電流等物理量時,要用有效值計算,正弦交流電的有效值為 (2)求一段時間內(nèi)通過導體橫截面的電量時要用平均值, (3)在考慮電容器的耐壓值時,則應根據(jù)交流電的最大值。 (4)有效值與平均值的含義不同;有效值是對能的平均結果,平均值是對時間的平均值。 2、變壓器 (1)變壓器是根據(jù)電磁感應原理制成的,穩(wěn)恒電流不能通過變壓器改變信號。 理想變壓器:輸入功率和輸出功率相等 (2)理想變壓器的基本關系式: 變壓比: 電流關系: 若干副線圈時: 3、遠距離輸電: (1)關鍵:減少輸電線上電能的損失。 (2)方法:①減小輸電導線的電阻,如采用電阻率小的材料;加大導線的橫截面積。 ②提高輸電電壓,減小輸電電流。 (3)交流電遠距離高壓輸電電路模式如圖3所示。
圖3 (4)遠距離高壓輸電的幾個基本關系: ①功率關系:
②電流、電壓關系:
③輸電電流: ④輸電導線上損耗的電功率:
例3. 一正弦交流電的電壓隨時間變化的規(guī)律如圖4所示。由圖可知
圖4 A. 該交流電的電壓瞬時值的表達式為 B. 該交流電的頻率為 C. 該交流電的電壓的有效值為 D. 若將該交流電壓加在阻值為 解析:由圖象可知, 答案:BD
例4. 如圖5所示電路中的變壓器為理想變壓器,S為單刀雙擲開關,P是滑動變阻器R的滑動觸頭,
圖5 A. 保持P的位置及 B. 保持P的位置及 C. 保持P的位置及 D. 保持 解析:S由b切換到a時,副線圈匝數(shù)增多,則輸出電壓 答案:BC 點評:本題涉及了理想變壓器的電壓關系、電流關系和功率關系等知識,考查了考生靈活選擇公式解決問題的能力。要明確:變壓器的輸出電壓決定于輸入電壓和匝數(shù)比,輸入功率決定于輸出功率。
(三)電磁感應 1、電磁感應中的電路分析 在電磁感應中,切割磁感線的導體或磁通量發(fā)生變化的回路將產(chǎn)生感應電動勢,該導體或回路相當于電源。因此電磁感應問題常常跟電路問題聯(lián)系在一起。解決與電路相聯(lián)系的電磁感應問題的基本方法是: (1)用法拉第電磁感應定律和楞次定律確定感應電動勢的大小和方向。當切割磁感線的導體棒勻速運動或磁通量均勻變化時,感應電動勢不變,是恒定電流問題;當切割磁感線的導體棒變速運動或磁通量非均勻變化時,則是交變電流的問題。 (2)畫出等效電路,對整個回路進行分析,確定哪一部分是電源,哪一部分為負載以及負載間的連接關系。 (3)運用全電路歐姆定律,串、并聯(lián)電路的特點,電功率公式聯(lián)立求解。這一部分知識要求熟練運用楞次定律、電磁感應定律、焦耳定律以及能量轉化及守恒定律。 (4)感應電動勢的求解方法 ①導體切割磁感線運動產(chǎn)生感應電動勢 ②法拉第電磁感應定律 (5)易混淆的幾個概念 ①求解一段時間通過電路某處的電量問題,要用平均值。 ②求解一段時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量要用有效值。 ③求解瞬時功率要用瞬時值。 2、電磁感應中力學問題 感應電流在磁場中要受到安培力,這個力與物體所受的其他力將決定物體的力學狀態(tài),安培力做功又涉及功和能的知識。 處理電磁感應力學問題,要做好受力和運動狀態(tài)的動態(tài)分析,抓住導體受力運動產(chǎn)生感應電動勢→感應電流→通電導體受安培力→合外力變化→加速度變化→速度變化→周而復始地循環(huán),循環(huán)結束時加速度a=0,導體以極值速度勻速運動或恒定加速度做勻變速運動,處理的基本方法是: (1)用法拉第電磁感應定律和楞次定律求感應電動勢的大小和方向。 (2)由全電路歐姆定律求回路中的感應電流。 (3)分析導體受力情況。 (4)列動力學方程求解。 分析電磁感應中的力學問題與解力學問題的基本方法相同,只不過受力分析時多了一個安培力,求解時應抓住安培力的特征進行動態(tài)分析。 3、電磁感應中的能量轉化問題 電磁感應過程實質(zhì)是不同形式的能量轉化過程,電磁感應過程中產(chǎn)生的感應電流在磁場中必定受到安培力的作用,要維持安培力的存在,必須有外力克服安培力做功,此過程中,其他形式的能轉化為電能。當感應電流通過用電器時,電能又轉化為其他形式的能,外力克服安培力做了多少功,就有多少其他形式的能轉化為電能。同理,安培力做功的過程,是電能轉化為其他形式的能的過程,安培力做了多少功就有多少電能轉化為其他形式的能。電磁感應現(xiàn)象中涉及的能量轉化問題多為機械能、電磁能和內(nèi)能間的相互轉化,電磁感應現(xiàn)象中的電能最終通常轉化為電路中電阻產(chǎn)生的內(nèi)能,處理此類問題常應用能的轉化和守恒定律。 4、電磁感應中的圖象問題 圖象問題是一種半定量分析,電磁感應中常涉及磁感應強度B,磁通量 這些圖象問題大體可分為兩類:(1)由給出的電磁感應過程選出或畫出正確的圖象。(2)由給定的有關圖象分析電磁感應過程,求解相應物理量。不管是哪種類型,電磁感應中圖象問題常需利用右手定則、楞次定律和法拉第電磁感應定律等規(guī)律分析解決。 電磁感應現(xiàn)象中圖象問題的分析,要抓住磁通量的變化是否均勻,從而推知感應電動勢(電流)是否大小恒定。用楞次定律判斷出感應電動勢(或電流)的方向,從而確定其正負,以及在坐標中的范圍。 分析回路中的感應電動勢或感應電流的大小及其變化規(guī)律,要利用法拉第電磁感應定律來分析。有些圖象問題還要畫出等效電路來輔助分析。 另外,要正確理解圖象問題,必須能根據(jù)圖象的定義把圖象反映的規(guī)律對應到實際過程中去,又能根據(jù)實際過程的抽象規(guī)定對應到圖象中去,最終根據(jù)實際過程的物理規(guī)律進行判斷,這樣才抓住了解決圖象問題的根本。
例5. 如圖6所示,P、Q為水平面內(nèi)平行放置的光滑金屬長直導軌,間距為
圖6 (1)通過ab邊的電流 (2)導體桿ef的運動速度v是多大? 解析:(1)設通過正方形金屬框的總電流為I,ab邊的電流為
金屬框受重力和安培力,處于靜止狀態(tài),有
由①②③,解得
(2)由(1)可得
設導體桿切割磁感線產(chǎn)生的電動勢為E,有
設ad、dc、bc三邊電阻串聯(lián)后與ab邊電阻并聯(lián)的總電阻為R,則
根據(jù)閉合電路歐姆定律,有
由⑤~⑧,解得
答案:(1) (2)
例6. 如圖7所示,將邊長為a、質(zhì)量為m、電阻為R的正方形導線框豎直向上拋出,穿過寬度為b、磁感應強度為B的勻強磁場,磁場的方向垂直紙面向里。線框向上離開磁場時的速度剛好是進入磁場時速度的一半,線框離開磁場后繼續(xù)上升一段高度,然后落下并勻速進入磁場。整個運動過程始終存在著大小恒定的空氣阻力f且線框不發(fā)生轉動。求:
圖7 (1)線框在下落階段勻速進入磁場時的速度 (2)線框在上升階段剛離開磁場時的速度 (3)線框在上升階段通過磁場過程中產(chǎn)生的焦耳熱Q。 解析:(1)線框下落階段勻速進入磁場時,其受力如圖8所示。
圖8 由平衡條件可得:
由①②式聯(lián)立解得: (2)線框從最高點到剛落回磁場時,設下落高度為h,由動能定理得:
線框從上升離開磁場下落剛回到磁場,由功能關系得:
聯(lián)立③④⑤式得: (3)線框進入磁場中的速度
從線框上升進入磁場到剛離開磁場,由能量守恒得:
解得 答案:(1) (2) (3) 點評:本題把電磁感應、安培力、物體的運動知識巧妙結合在一起,是一道綜合題,涉及力的平衡、動能定理、能量守恒等知識,知識容量大,考查學生對知識掌握的程度和靈活的分析綜合能力。
四、電磁感應中的滑桿類問題 例7. 兩根光滑的長直金屬導軌MN、M′N′平行置于同一水平面內(nèi),導軌間距為l,電阻不計,M、M′處接有如圖9所示的電路,電路中各電阻的阻值均為R,電容器的電容為C。長度也為l、阻值同為R的金屬棒ab垂直于導軌放置,導軌處于磁感應強度為B、方向豎直向下的勻強磁場中。ab在外力作用下向右勻速運動且與導軌保持良好接觸,在ab運動距離為s的過程中,整個回路中產(chǎn)生的焦耳熱為Q。求:
圖9 (1)ab運動速度v的大小; (2)電容器所帶的電荷量q。 解析:(1)設ab上產(chǎn)生的感應電動勢為E,回路中的電流為I,ab運動距離s所用時間為t,則有
由上述方程解得 (2)設電容器兩極板間的電勢差為U,則有 U=IR ⑥ 電容器所帶電荷量q=CU ⑦ 解得 答案:(1) 【模擬試題】 一、選擇題 1、(2007·寧夏)電阻R、電容C與一線圈連成閉合回路,條形磁鐵靜止于線圈的正上方,N極朝下,如圖1所示,現(xiàn)使磁鐵開始自由下落,在N極接近線圈上端的過程中,流過R的電流方向和電容器極板的帶電情況是( )
圖1 A. 從a到b,上極板帶正電 B. 從a到b,下極板帶正電 C. 從b到a,上極板帶正電 D. 從b到a,下極板帶正電 2、(2007·海南)一白熾燈泡的額定功率與額定電壓分別為36W與36V。若把此燈泡接到輸出電壓為18V的電源兩端,則燈泡消耗的電功率( ) A. 等于36W B. 小于36W,大于9W C. 等于9W D. 小于9W 3、(2007·北京)電阻
圖2 A. 通過 B. C. 通過 D. 4、如圖3是霓虹燈的供電電路,電路中的變壓器可視為理想變壓器,已知變壓器原線圈與副線圈匝數(shù)比
圖3 A. 副線圈兩端電壓6220V,副線圈中的電流14.1mA B. 副線圈兩端電壓4400V,副線圈中的電流10.0mA C. D. 5、(2007·廣東)壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小。有位同學利用壓敏電阻設計了判斷小車運動狀態(tài)的裝置,其工作原理如圖4所示,將壓敏電阻和一塊擋板固定在絕緣小車上,中間放置一個絕緣重球。小車向右做直線運動過程中,電流表示數(shù)如圖(b)所示,下列判斷正確的是( )
圖4 A. 從 B. 從 C. 從 D. 從 6、(2006·上海)如圖5所示,平行金屬導軌與水平面成
圖5 A. 電阻 B. 電阻 C. 整個裝置因摩擦而消耗的熱功率為 D. 整個裝置消耗的機械功率為 7、(2007·全國II)如圖6所示,在PQ、QR區(qū)域中存在著磁感應強度大小相等、方向相反的勻強磁場,磁場方向均垂直于紙面。一導線框abcdefa位于紙面內(nèi),框的鄰邊都相互垂直,bc邊與磁場的邊界P重合,導線框與磁場區(qū)域的尺寸如圖所示。從t=0時刻開始,線框勻速橫穿兩個磁場區(qū)域,以a→b→c→d→e→f為線框中的電動勢E的正方向,以下四個E→t關系示意圖中正確的是( )
圖6
圖7
二、計算題 8、圖8甲所示是一種自行車上照明用的車頭燈,圖乙是這種車頭燈發(fā)電機的結構示意圖,轉軸的一端裝有一對隨軸轉動的磁極,另一端裝有摩擦小輪,電樞線圈繞在固定的U形鐵芯上,自行車車輪轉動時,通過摩擦小輪帶動磁極轉動,使線圈中產(chǎn)生正弦交變電流,給車頭燈供電。
圖8 已知自行車車輪半徑 (1)發(fā)電機磁極轉動的角速度; (2)車頭燈中電流的有效值。 9、兩根光滑平行的電阻不計的金屬導軌MN和PQ相距L,豎直放置于垂直導軌平面向外,磁感應強度為B的勻強磁場中,導軌上端接有由阻值為
圖9 (1)ab棒開始運動后電阻 (2)ab棒的最大加速度; (3)ab棒的最大速度; (4)試討論:若 10、(2005·江蘇)如圖10所示,固定的水平光滑金屬導軌,間距為L,左端接有阻值為R的電阻,處在方向豎直、磁感應強度為B的勻強磁場中,質(zhì)量為m的導體棒與固定彈簧相連,放在導軌上,導軌與導體棒的電阻均可忽略。初始時刻,彈簧恰處于自然長度,導體棒具有水平向右的初速度
圖10 (1)求初始時刻導體棒受到的安培力。 (2)若導體棒從初始時刻到速度第一次為零時,彈簧的彈性勢能為 (3)導體棒往復運動,最終將靜止于何處?從導體棒開始運動直到最終靜止的過程中,電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱Q為多少? 11、磁鐵在電器中有廣泛的應用,如發(fā)電機。如圖11所示,已知一臺單相發(fā)電機轉子導線框共有N匝,線框長為
圖11 12、(2006·江蘇)電熱毯、電飯鍋等是人們常用的電熱式家用電器,它們一般具有加熱和保溫功能,其工作原理大致相同。圖12①為某種電熱式電器的簡化電路圖,主要元件有電阻絲
圖12 (1)當自動開關S閉合和斷開時,用電器分別處于什么狀態(tài)? (2)用電器由照明電路供電( (3)若將圖①中的自動開關S換成理想的晶體二極管D,如圖12②所示,其他條件不變,求該用電器工作1小時消耗的電能。
【試題答案】 1、D 2、B 3、B 4、BD 5、D 6、BCD 7、C 8、(1) (2) 9、(1)由M到P (2)g (3) (4)當棒的速度達到最大值后,感應電動勢不再增加,電容器的電荷量最大。 電容器的電壓 設電容器的電容為C,最大電荷量 從上式可見, 10、(1) (2) (3) 11、 12、(1)S閉合,處于加熱狀態(tài);S斷開,處于保溫狀態(tài)。 (2) (3)
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