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2019-2020學(xué)年高中物理 第3章 3 交變電流學(xué)案 新人教版選修1-1

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1、三、交變電流 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識 脈 絡(luò) 1.知道交變電流是如何產(chǎn)生的.(難點) 2.知道交變電流的變化規(guī)律,會用圖象及特征物理量描述交變電流.(重點) 3.掌握正弦式交變電流的有效值.(重點) 4.理解交變電流通過電容器的原因.(難點) 一、交流發(fā)電機及交流的變化規(guī)律 1.構(gòu)造 發(fā)電機都由固定不動的定子和能夠連續(xù)轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子等部件構(gòu)成. 2.工作原理 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,通過接線端引出,接在回路中,便產(chǎn)生了交變電流. 3.交變電流和直流 大小和方向隨時間做周期性變化的電流叫交變電流.簡稱交流(AC).只沿一

2、個方向流動的電流叫直流(DC). 4.正弦式電流的變化規(guī)律 (1)正弦式電流規(guī)律:i=Imsin ωt,u=Umsin ωt (2)波形如圖所示: 5.描述交變電流的物理量 (1)瞬時值:交流電在某一時刻的值. (2)峰值:電動勢、電流、電壓的最大值. (3)周期和頻率:表示交變電流變化的快慢,T=. 我國使用的交流頻率為50 Hz. 二、交流與電容器 交流的有效值 1.當(dāng)電容器接到交流電路上,電容器交替進(jìn)行充電和放電,電路中形成電流. 2.電容器的電路特征:電容器能夠通交流、隔直流. 3.有效值:把交流和直流分別通過相同的電阻,如果在相等的時間內(nèi)它們產(chǎn)生的熱量相等

3、,這個直流電壓、電流的數(shù)值稱為交流電壓、電流的有效值. 4.正弦式電流的有效值 Ue=≈0.707Um,Ie=≈0.707Im. 1.思考判斷 (1)交流發(fā)電機可以將機械能轉(zhuǎn)化為電能. (√) (2)家用照明電是交變電流. (√) (3)只要線圈在磁場中轉(zhuǎn)動,就可以產(chǎn)生交變電流. (×) (4)電容器在交流電路中對電流有阻礙作用. (√) (5)交變電流的有效值是以電流的熱效應(yīng)定義的. (√) (6)交流電、直流電都能通過電容器. (×) 2.(多選)如圖所示圖象中屬于交流電的有(  ) ABC [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

4、的電流大小、方向發(fā)生了周期性變化.] 3.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 D [若無特殊說明,各電器上標(biāo)的額定值都是有效值,故D正確.] 4.(多選)如圖所示,將電燈與電容器串聯(lián)接入通有交變電流的電路中,燈泡發(fā)光,則(  ) A.自由電荷通過了電容器兩極板間的絕緣電介質(zhì) B.自由電荷沒有通過電容器兩極板間的絕緣電介質(zhì) C.接入交變電源使電容器兩極板間的絕緣電介質(zhì)變成了導(dǎo)體 D.電容器交替進(jìn)行充放電,電路中就有電流,表現(xiàn)

5、為交變電流“通過”了電容器 BD [電容器“通交流”是因為兩極板不斷地充、放電,從而使電路中有電流,而不是自由電荷通過了兩極板間的電介質(zhì),所以B、D項正確.] 交變電流的變化規(guī)律 1.描述交變電流的物理量 (1)瞬時值:i=Imsin ωt,u=Umsin ωt. (2)峰值:電流和電壓的最大值,即Im和Um. (3)周期和頻率 ①周期:交流完成一次周期性變化所用的時間叫做交流的周期,用T表示. ②頻率: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,用f表示.單位是赫茲,符號Hz. 周期與頻率的關(guān)系:T=.角速度與周期、頻率的關(guān)系:ω==2πf. 2.圖象

6、交變電流的變化規(guī)律可以用示波器顯示出來,正弦式電流的變化規(guī)律圖象如圖所示. 【例1】 (多選)一個按正弦規(guī)律變化的交變電流的i-t圖象如圖所示,根據(jù)圖象可以斷定(  ) A.交變電流的頻率f=0.2 Hz B.交變電流的有效值I有=14.14 A C.交變電流瞬時值表達(dá)式i=20sin(0.02t) A D.在t=時刻,電流的大小與其有效值相等 思路點撥:解此題要把握兩點: ①圖象提供的信息及和瞬時值的對應(yīng)關(guān)系. ②最大值和有效值之間的關(guān)系. BD [從圖中可以看出,交變電流的最大值為Im=20 A.有效值為I有== A=10 A=14.14 A 交變電流的周期為T

7、=0.02 s 所以f==50 Hz 交變電流的瞬時值表達(dá)式為 i=Imsin ωt=Imsin(2πft)=20sin(314t) A 在t=時,交變電流的瞬時值為i=Imsin t=Imsin =(A),所以答案為B、D.] [注意事項]  (1)利用有效值U=≈0.707Um,I=≈0.707Im計算只適用正弦交流電. (2)理解圖象的物理意義,從圖象中找出周期和最大值,寫出瞬時表達(dá)式. 1.已知交變電壓瞬時值的表達(dá)式為u=311sin 100πt V,從t=0到第一次電壓出現(xiàn)峰值的時間(  ) A.0.005 s      B.0.001 s C.0.02 s

8、D.0.01 s A [交變電壓按正弦規(guī)律變化,當(dāng)?shù)谝淮坞妷撼霈F(xiàn)峰值時,sin 100πt=1,即100πt=,t=0.005 s,故A正確.] 交變電流有效值的理解 1.在定義有效值時要注意:三同 2.公式Ue=、Ie=僅適用于正弦式電流. 3.在計算交變電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量和電功率以及確定保險絲的熔斷電流時,只能用交變電流的有效值.如電功率的計算式:P=IU中,U、I均為有效值. 4.在交流電路中,電壓表、電流表等電工儀表的示數(shù)均為交變電流的有效值.在沒有具體說明情況下,所給出的交變電流的電壓、電流指的都是有效值. 5.各種使用交變電流用電器銘牌上標(biāo)出的額定電壓、額

9、定電流均指有效值. 【例2】 如圖所示為一交流電隨時間變化的圖象,其中電流的正值為正弦曲線的正半周,其最大值為Im;電流的負(fù)值的強度為Im,則該交流電的有效值為 (  ) A.    B.Im C.Im D.Im D [交變電流一個周期內(nèi)通過電阻R產(chǎn)生的熱量為R×1×10-2+I(xiàn)R×1×10-2,直流電流I通過R相同時間產(chǎn)生的熱量為I2R×2×10-2. 由有效值的定義知:R×1×10-2+I(xiàn)R×1×10-2=I2R×2×10-2,得I=Im.] 在有效值的計算中要掌握的原則是:認(rèn)清交變電流的變化規(guī)律,分清每一階段的電流的特征,確定每一階段電流的有效值,一定要在

10、一個周期內(nèi)使用焦耳定律來計算有效值. 2.如圖表示一交變電流的電流隨時間而變化的圖象.此交變電流的有效值是(  ) A.5 A B.5 A C.3.5 A D.3.5 A B [使此交變電流通過電阻R,在一個周期內(nèi)產(chǎn)生的熱量為Q交=IR·+I(xiàn)R·=(I+I(xiàn))R·. 式中I1=4 A,I2=3 A,T=0.02 s. 設(shè)另一直流電I,通過同樣的電阻在同樣時間(T=0.02 s)內(nèi)產(chǎn)生的熱量則為: Q直=I2RT 根據(jù)有效值的定義,由Q直=Q交,即 I2RT=(I+I(xiàn))R· 得I== A=5 A 這個直流電流值,就稱為此交變電流的有效值.] 1.目前,我國照

11、明電路的電壓瞬時值表達(dá)式為u=311·sin 100πt V,則我國照明電路的電壓有效值與頻率分別為(  ) A.220 V,50 Hz  B.311 V,50 Hz C.220 V,60 Hz D.311 V,60 Hz A [由電壓表達(dá)式知Um=311 V, ω=100π rad/s,則U==220 V, f==Hz=50 Hz,故選項A正確.] 2.(多選)一矩形線圈在勻強磁場中以角速度4π rad/s勻速轉(zhuǎn)動,產(chǎn)生的交變電動勢的圖象如圖所示,則(  ) A.交變電流的頻率是4π Hz B.交變電動勢的最大值是10 V C.當(dāng)t=0.5 s時,e有最大值 D.交變

12、電流的周期是0.5 s BD [由于線圈轉(zhuǎn)動的角速度試題中已給出,所以線圈的轉(zhuǎn)動頻率可以由公式直接求出,線圈的頻率和交變電流的頻率是相同的,ω=4π rad/s,而ω=2πf,故f=2 Hz,T==0.5 s.由圖象可看出:電動勢最大值為10 V,t=0.5 s時,ωt=2π,e=0.] 3.關(guān)于電容對交變電流的影響,以下說法中正確的是(  ) A.電容對交變電流有阻礙作用 B.電容對交變電流的阻礙作用越小,容抗就越大 C.電容具有“通直流、隔交流,通低頻、阻高頻”的作用 D.電容器的電容越小,交變電流的頻率越低,電容器對交變電流的阻礙作用就越小 A [很明顯,A項對;電容對交變

13、電流的阻礙作用越小,容抗就越小,B項錯;電容具有“通交流、隔直流,通高頻、阻低頻”的作用,C項錯;電容器的電容越小,交變電流的頻率越低,電容器對交變電流的阻礙作用就越大,D項錯.] 4.在相同時間內(nèi),某正弦交變電流通過一阻值為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 A [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.] - 7 -

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