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2018-2019版高中物理 第三章 電磁感應(yīng) 第3講 交變電流學(xué)案 新人教版選修1-1

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1、 第3講 交變電流 [目標(biāo)定位] 1.了解交變電流是怎樣產(chǎn)生的.2.定性了解交變電流的變化規(guī)律及其圖象表示和主要特征物理量.3.知道交變電流能通過電容器的原因,了解交變電流這一特性在電子技術(shù)中的應(yīng)用.4.初步了解發(fā)電機、交變電流的發(fā)明和利用對促進人類社會進步的作用,進一步體驗科學(xué)、技術(shù)與社會生活之間的密切關(guān)系. 一、電流發(fā)電機 1.發(fā)電機的原理: 由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動使得穿過線圈的磁通量發(fā)生變化,在線圈中激發(fā)出感應(yīng)電動勢. 2.交變電流:大小、方向隨時間做周期性變化的電流,簡稱交流.各種電池供給的電流只沿一個方向流動,叫做直流. 想一想 你是怎樣區(qū)別直流電流和交變電流的?這兩種電流有

2、何根本區(qū)別? 答案 大小、方向隨時間做周期性變化的電流叫做交變電流,各種電池供給的只沿一個方向流動的電流叫做直流.這兩種電流的根本區(qū)別在于交變電流的方向隨時間做周期性變化,直流電流的方向不隨時間變化. 二、交流的變化規(guī)律 1.電網(wǎng)中的交變電流,它的電流、電壓隨時間按正弦函數(shù)的規(guī)律變化,叫做正弦式電流. 2.表達式:i=Imsin__ωt u=Umsin__ωt 式中Im、Um分別是電流、電壓的最大值,叫做交流的峰值. 3.周期和頻率 (1)交流完成一次周期性變化所需的時間叫做交流的周期,通常用T表示,它的單位是秒.交流在1 s內(nèi)發(fā)生周期性變化的次數(shù),叫做交流的頻率,通常用f表示

3、,它的單位是赫茲,簡稱赫,符號是Hz. (2)周期和頻率的關(guān)系為T=或f=. 想一想 家里電燈用的是交變電流,電流在最大值和零之間不斷變化,但我們?yōu)槭裁纯床坏诫姛舻拈W爍? 答案 交流電的周期是0.02 s,電流每周期內(nèi)兩次達最大值,兩次為零,所以電燈兩次最亮的時間間隔僅0.01 s,比人眼的視覺暫留時間要小,所以感覺不到電燈的閃爍.另外由于電燈發(fā)光是燈絲高溫?zé)霟岚l(fā)光,燈絲的溫度變化需要有一定的時間,而電流兩次最大的時間間隔很短,燈絲的溫度、亮度不會有明顯的變化. 三、交流能夠通過電容器 電容器能夠“隔直流,通交流”,這一點在電子技術(shù)中有重要應(yīng)用. 想一想 交流電是如何“通過”電容器

4、的? 答案 由于交流電的電壓值不斷隨時間變化,電容器接到交流電源兩端時,如果電壓升高,則電容器充電,在電路中形成充電電流.經(jīng)過峰值以后,交流電壓降低,電容器放電,形成放電電流.盡管電荷實際上并沒有越過兩極板間的介質(zhì),但從外電路看來,導(dǎo)線中的電荷確實在流動,所以,電容器的充電和放電表現(xiàn)為交流電通過了電容器. 四、交流的有效值 1.交流的有效值,是根據(jù)電流的熱效應(yīng)來規(guī)定的:把交流和直流通過相同的電阻,如果在相同的時間里它們產(chǎn)生的熱量相等,我們就把這個直流的電壓、電流的數(shù)值叫做交流電壓、電流的有效值. 2.正弦式電流的有效值和峰值之間的關(guān)系: Ie=≈0.707 Im Ue=≈0.707

5、Um 在各種使用交變電流的電器設(shè)備上,所標(biāo)注的額定電壓、額定電流值,都是交流的有效值. 想一想 我們常說“照明電路的電壓是220 V,動力電路的電壓是380 V”指的是交流電壓的什么值? 答案 有效值 一、交流電及其產(chǎn)生 1.直流電:方向不隨時間變化的電流,稱為直流電. 交變電流:大小和方向都隨時間做周期性變化的電流. 2.各種發(fā)電機都由固定不動的“定子”和連續(xù)轉(zhuǎn)動的“轉(zhuǎn)子”組成.常見發(fā)電機有兩類: (1)旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機:線圈在磁場中旋轉(zhuǎn).線圈(電樞)是轉(zhuǎn)子,磁體是定子. (2)旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機:磁體轉(zhuǎn)動,是轉(zhuǎn)子;線圈不動,是定子. 無論是線圈轉(zhuǎn)動,還是磁體轉(zhuǎn)動,都是

6、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動使得穿過線圈的磁通量發(fā)生變化,在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢. 3.交流發(fā)電機的原理 當(dāng)閉合線圈在磁場中繞垂直于磁場的軸勻速轉(zhuǎn)動時,穿過線圈的磁通量發(fā)生變化,因而在線圈中就產(chǎn)生感應(yīng)電流.線圈做周期性的運動,在線圈中就產(chǎn)生了大小和方向隨時間做周期性變化的交變電流. 例1 將線圈置于范圍足夠大、方向豎直向下的勻強磁場B中,各線圈的運動方式如下列圖所示,則能夠在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的是(  ) 答案 C 解析 只有C圖穿過線圈的磁通量發(fā)生變化,在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢. 針對訓(xùn)練1 下圖中屬于交變電流的是(  ) 答案 BC 解析 根據(jù)交變電流的定義判斷,大小和方向都隨時間做

7、周期性變化的電流叫做交變電流.符合此定義的是B、C兩圖,A、D兩圖中只是電流的大小做周期性變化,方向未變,不符合定義. 二、交流電的變化規(guī)律及描述 1.正弦式交流電的變化規(guī)律: (1)電流、電壓隨時間按正弦規(guī)律變化. (2)圖象為正弦曲線(如圖3-3-1所示): 圖3-3-1 2.描述交流電的各物理量的關(guān)系 (1)周期(T)與頻率(f) 周期與頻率互為倒數(shù)關(guān)系,即T=或f=. (2)峰值與有效值 ①對于正弦式交流電: I=,U=,E= ②對于一般的交流電要根據(jù)有效值的定義去求. (3)有效值與平均值 ①對于某交流電,它的有效值是恒定的,可以通過峰值求得. ②交

8、流電的平均值=n,而在不同的時間Δt內(nèi)是不同的,電流的平均值=. ③在計算熱量、電功、電功率時用有效值;在計算通過導(dǎo)體的電荷量時用平均值. 例2 圖3-3-2是一正弦式交變電流的電壓圖象.從圖象可知電壓的最大值和頻率分別為(  ) 圖3-3-2 A.40 V,100 Hz B.20 V,100 Hz C.40 V,50 Hz D.20 V,50 Hz 答案 D 解析 從圖象可知電壓的最大值是20 V,周期是0.02 s,所以頻率f==50 Hz,選項D正確. 針對訓(xùn)練2 在相同時間內(nèi),某正弦交流電流通過一阻值為100 Ω的電阻產(chǎn)生的熱量,與一電流為3 A的直流電通過

9、同一阻值的電阻產(chǎn)生的熱量相等,則(   ) A.此交變電流的有效值為3 A,最大值為3 A B.此交變電流的有效值為3 A,最大值為6 A C.電阻兩端的交變電壓的有效值為300 V,最大值為600 V D.電阻兩端的交變電壓的有效值為300 V,最大值為600 V 答案 A 解析 根據(jù)交變電流有效值的定義方法,易知交變電流的有效值為3 A;根據(jù)最大值與有效值的倍關(guān)系,易知交變電流的最大值為3 A;根據(jù)歐姆定律U=IR,則有U有效=I有效R,Um=ImR,得電阻兩端的交流電壓的有效值為300 V,最大值為300 V. 對交變電流的理解 1.關(guān)于交變電流的理解,下列說法正

10、確的是(  ) A.大小、方向都隨時間周期性變化的電流叫交變電流 B.交變電流就是正弦交變電流 C.我們的照明用電是交流電 D.電池也是提供的交變電流 答案 AC 解析 交變電流不一定是正弦交變電流,電池提供直流電. 2.如圖所示圖象中屬于交流電的有(  ) 答案 ABC 解析 D圖表示的電流大小發(fā)生了周期性變化,而方向沒有變化,A、B、C圖中的電流大小、方向發(fā)生了周期性變化,據(jù)交流電的定義知A、B、C正確,D錯誤. 交流電的變化規(guī)律及描述 3.下列說法正確的是(  ) A.使用交流電的電器設(shè)備所標(biāo)示的額定電壓、額定電流的數(shù)值均為最大值 B.用交流電流表和電壓表測

11、得的數(shù)值是有效值 C.照明電路電壓為220 V指的是有效值 D.所有交變電流的有效值和最大值之間均存在Ee=,Ue=和Ie=的關(guān)系 答案 BC 解析 各種使用交流電的用電器銘牌上所標(biāo)的數(shù)值均為有效值,故A項錯誤;交流電表測量值為有效值,故B項正確;照明電路電壓為220 V是有效值,故C項正確;Ee=,Ue=,Ie=是正(余)弦交變電流有效值和最大值的關(guān)系,故D項錯誤.故正確答案為B、C. 4.如圖3-3-3所示,是一個按正弦規(guī)律變化的交變電流的圖象.根據(jù)圖象可知該交變電流的電流有效值是______A,頻率是______Hz. 圖3-3-3 答案 0.707 5 解析 從圖象

12、可知電流的最大值是1 A,有效值Ie=≈0.707 A;周期是0.2 s,所以頻率f==5 Hz. (時間:60分鐘) 題組一、對交變電流的理解 1.關(guān)于交變電流與直流電的說法中,正確的是(  ) A.如果電流大小做周期性變化,則一定是交變電流 B.直流電的大小可以變化,但方向一定不變 C.交變電流一定是按正弦或余弦規(guī)律變化的 D.交變電流的最大特征就是電流的方向發(fā)生周期性變化 答案 BD 2.關(guān)于交流發(fā)電機,下列說法正確的是(   ) A.基本構(gòu)造分定子、轉(zhuǎn)子兩部分 B.必須是線圈轉(zhuǎn)動 C.電流方向變化的原因是由于切割磁感線運動的方向變了 D.電流大小變化的原因

13、是因為線圈轉(zhuǎn)的時快時慢 答案 AC 3.下列說法中正確的是(   ) A.直流電能通過電容器 B.交流電不能通過電容器 C.直流電、交流電都能通過電容器 D.交流電的頻率越低,電流通過電容器的能力也越低 答案 D 題組二、描述交流電的物理量 4.有一臺使用交流電的電冰箱上標(biāo)有額定電壓為“220 V”的字樣,這“220 V”是指(   ) A.交流電電壓的瞬時值 B.交流電電壓的最大值 C.交流電電壓的平均值 D.交流電電壓的有效值 答案 D 5.下列關(guān)于交變電流的幾種說法中,正確的是(  ) A.交流電器設(shè)備上所標(biāo)的電壓、電流值是峰值 B.交流電流表和交流

14、電壓表測得的值是瞬時值 C.跟交變電流有相同熱效應(yīng)的直流電的值是交變電流的有效值 D.跟直流電有相同熱效應(yīng)的交變電流的值是交變電流的有效值 答案 C 解析 為了表明交變電流通過用電器產(chǎn)生的效果,用電器上所標(biāo)的都是交變電流的有效值,A錯誤;因為交變電流用得最多的是有效值,所以交變電流表或交變電壓表測的都是有效值,B錯誤;根據(jù)有效值的定義可知C正確,D錯誤. 6.以下說法正確的是(  ) A.發(fā)電機、電動機銘牌上所標(biāo)數(shù)值為有效值 B.電容器的擊穿電壓為所加交變電壓的有效值 C.交流電壓表所測數(shù)值為瞬時值 D.保險絲的數(shù)值為最大值 答案 A 題組三、交流電的表達式和圖象 7.

15、如圖所示,面積均為S的單匝線圈繞其對稱軸或中心軸在勻強磁場B中以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動,能產(chǎn)生正弦交變電動勢e=BSωsin ωt的圖是(  ) 答案 A 解析 線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的軸(軸在線圈所在平面內(nèi))勻速轉(zhuǎn)動,產(chǎn)生的正弦交變電動勢為e=BSωsin ωt,由這一原理可判斷,A圖中感應(yīng)電動勢為e=BSω sin ωt;B圖中的轉(zhuǎn)動軸不在線圈所在平面內(nèi);C、D圖中轉(zhuǎn)動軸與磁場方向平行,而不是垂直. 8.一只低壓教學(xué)電源輸出的交流電壓的瞬時值為u=10sin(314t) V,關(guān)于該電源的規(guī)格和使用,下列說法正確的是(  ) A.這個電源可以使“10 V,2 W”的燈泡正常發(fā)

16、光 B.此電源的交流電壓的周期是314 s C.此電源在t=0.01 s時電壓達到峰值 D.這個電源可能把“10 V,2 μF”的電容器擊穿 答案 AD 解析 此電源有效值為10 V,燈泡的額定電壓為10 V,故燈泡能正常發(fā)光,A正確;此交流電周期T=== s=0.02 s,故B錯誤;t=0.01 s=T,此時U=0,故C錯誤;因為電源最大電壓Um=10 V>10 V(電容器的耐壓值),所以電容器可能被擊穿,故D正確. 9.如圖3-3-4所示是一正弦交變電流的電流圖象,此正弦交變電流的頻率和電流的有效值分別為(  ) 圖3-3-4 A.50 Hz,10 A B.50 H

17、z,5 A C.100 Hz,10 A D.100 Hz,5 A 答案 B 解析 由圖象可知此交流電的周期T=0.02 s,故頻率f==50 Hz;由圖可知此交流電電流的最大值為10 A,故其有效值為 A=5 A. 10.一個正弦規(guī)律變化的交變電流的圖象如圖3-3-5所示,根據(jù)圖象計算: 圖3-3-5 (1)交變電流的頻率. (2)交變電流的有效值. (3)寫出該電流的瞬時值表達式. 答案 (1)50 Hz (2)10 A (3)i=20sin(100πt) A 解析 (1)由圖知周期T=0.02 s, 故f== Hz=50 Hz. (2)由圖知峰值Im=20 A, 故有效值Ie== A=10 A. (3)瞬時值表達式 i=Imsin ωt A, ω==100π rad/s, 所以電流瞬時值表達式為i=20sin(100πt) A. 9

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