高中物理：交變電流復習

1、高中物理：交變電流復習考綱要求1、交流發(fā)電機及其產(chǎn)生正弦式電流的原理,正弦式電流的圖象和三角函數(shù)表達,最大值與有效值,周期與頻率n2、電阻、電感和電容對交變電流的作用,感抗和容抗I3、變壓器的原理,電壓比和電流比n4、電能的輸送I說明：只要求討論單相理想變壓器知識網(wǎng)絡：單元切塊：根據(jù)考綱的要求,本章內(nèi)容可以分成兩局部,即：交變電流；變壓器、電能的輸送.其中重點是交變電流的規(guī)律和變壓器,交流電路的分析和計算是復習的難點.§1交變電流教學目標:1 .掌握交流發(fā)電機及其產(chǎn)生正弦式電流的原理,正弦式電流的圖象和三角函數(shù)表達,2 .理解最大值與有效值,周期與頻率；3 .知道電阻、電感和電容對交

2、變電流的作用,感抗和容抗教學重點：交流的根本概念教學難點：交流電路的分析與計算教學方法：講練結合,計算機輔助教學教學過程：一、交變電流的產(chǎn)生1 .正弦交流電的產(chǎn)生當閉合矩形線圈在勻強磁場中,繞垂直于磁感線的軸線做勻角速轉(zhuǎn)動時,閉合線圈中就有交流電產(chǎn)生.如下圖.設矩形線圈abcd以角速度繞oo'軸、從線圈平面跟磁感線垂直的位置開始做逆時針方向轉(zhuǎn)動.此時,線圈都不切割磁感線,線圈中感應電動勢等于零.經(jīng)過時間t線圈轉(zhuǎn)過t角,這時ab邊的線速度v方向跟磁感線方向夾角等于wt,設ab邊的長度為l,bd邊的長度為1',線圈中感應電動勢為e2Bl-sint2當線圈平面轉(zhuǎn)到跟磁感線平行的位置時

3、,線圈轉(zhuǎn)過T/4時間,cot=7t/2,ab邊和cd邊都垂直切割磁感線,sinwt=1,線圈中感應電動勢最大,用Em來表示,Em=BSco.貝Ue=Emsinwt由上式知,在勻強磁場中,繞垂直于磁感線的軸做勻角速轉(zhuǎn)動的線圈里產(chǎn)生的感應電動勢是按正弦規(guī)律變化的.根據(jù)閉合電路歐姆定律：i-Emsint,令RRImEm,那么i=Imsinwt路端電壓U=iR=ImRsincot,令Um=|mR,貝Ju=Umsinte=Emcosti=ImcoswtU=Umcoswt如果線圈從如下圖位置開始轉(zhuǎn)動,電路中感應電動勢、感應電流和路端電壓將按余弦規(guī)律變化2 .中性面當線圈轉(zhuǎn)動至線圈平面垂直于磁感線位置時,各

4、邊都不切割磁感線,線圈中沒有感應電流,這個特定位置叫做中性面.應注意：中性面在垂直于磁場位置.線圈通過中性面時,穿過線圈的磁通量最大.線圈平面通過中性面時感應電動勢為零.線圈平面每轉(zhuǎn)過中性面時,線圈中感應電流方向改變一次,轉(zhuǎn)動一周線圈兩次通過中性面,故一周里線圈中電流方向改變兩次.3 .正弦交流電的圖象矩形線圈在勻強磁場中,繞垂直于磁感線的軸做勻角速轉(zhuǎn)動,線圈里產(chǎn)生正弦交流電.當線圈從中性面開始轉(zhuǎn)動,在一個周期中：在乒I(0,T/4)時間內(nèi),線圈中感應電動勢從0到達最大值Em.在tQI(T/4,T/2)時間內(nèi),線圈中感應電動勢從最大值Em減小到0.在tE(T/2,3T/4)時間內(nèi),線圈中感應電

5、動勢從0增加到負的最大值-Em.在t=(3T/4,T)時間內(nèi),線圈中感應電動勢的值從負的最大值-Em減小到0.電路中的感應電流、路端電壓與感應電動勢的變化規(guī)律相同,如下圖.、描述交變電流的物理量1、瞬時值：它是反映不同時刻交流電的大小和方向,正弦交流瞬時值表達式為：emsint,iImsint.應當注意必須從中性面開始.生活中用的市電電壓為220V,其最大值為220、MV=311V有時寫為310V,頻率為50Hz,所以其電壓瞬時值的表達式為u=311sin314V.【例11有一正弦交流電源,電壓有效值U=120V,頻率為f=50Hz向一霓虹燈供電,假設霓虹燈的激發(fā)電壓和熄滅電壓均為U0=60V

6、,試估算在一個小時內(nèi),霓虹燈發(fā)光時間有多長？為什么人眼不能感到這種忽明忽暗的現(xiàn)象？解析：由正弦交流電白最大值與有效值U的關系得：Um=120五V設t=0時交流電的瞬時電壓U=0那么交流電的瞬時表達式為U=120,2sin100tV如下圖,畫出一個周期內(nèi)交流電的U-t圖象,其中陰影部分對應的時間t1表示霓虹燈不能發(fā)光的時間,根據(jù)對稱性,一個周期內(nèi)霓虹燈不能發(fā)光的時間為4t1,當U=U0=60、5V時,由上式得t1=1/600s,再由對稱性求得一個周期內(nèi)能1發(fā)光的時間：t=T-4t1=s75再由比例關系求得一小時內(nèi)霓虹燈發(fā)光的時間為,3600:t=1501752400s很明顯霓虹燈在工作過程中是忽

7、明忽暗的,而熄滅的時間只有1/300s如圖t2時刻到t3時刻由于人的眼睛具有視覺暫留現(xiàn)象,而這個視覺暫留時間約1/16S為遠大于1/300S,因此經(jīng)過燈光刺激的人眼不會由于短暫的熄滅而有所感覺.2、最大值：也叫峰值,它是瞬時值的最大者,它反映的是交流電大小的變化范圍,當線圈平面跟磁感線平行時,交流電動勢最大,EmNBS轉(zhuǎn)軸垂直于磁感線.電容器接在交流電路中,那么交變電壓的最大值不能超過電容器的耐壓值.【例2】把一電容器C接在220V的交流電路中,為了保證電容不被擊穿,電容器C的耐壓值是多少？解析：不低于200V2V,不少學生往把電容器與燈泡類比,額定電壓220V的燈泡接在220V的交流電源上正

8、常發(fā)光.從而錯誤的認為電容器的耐壓值也只要不低于220V即可,事實上,電容器接在交流電路中一直不斷地進行充、放電過程.電容器兩極間電壓最大可達200J2V,故電容器C的耐壓值應不低于2002V.3、平均值：它是指交流電圖象中圖線與橫軸所圍成的面積值跟時間的比值.其量值可用法拉第電磁感應定律EN來求,特殊地,當線圈從中性面轉(zhuǎn)t過90度的過程中,有E<Em.計算平均值切忌用算術平均法即E一2求2解.平均值不等于有效值.600角的過程中,通過線圈某一【例3】如下圖,求線圈由圖示位置轉(zhuǎn)過橫截面的電量.占電壓平均解析：在計算電量問題中,一定要用電流、值EN而21BSsin60t_3NBS2R4、有

9、效值：交變電流的有效值是根據(jù)電流的熱效應規(guī)定的：讓交流和直流通過相同阻值的電阻,如果它們在相同的時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量相等,就把這一直流的數(shù)值叫做這一交流的有效值.正弦交流電的有效值跟最大值之間的關系是:對于非正弦電流的有效值以上關系不成立,應根據(jù)定義來求.通常所說交流電壓、電流是用電壓表、電流表測得的,都是指有效值.用電器上所標電壓、電流值也是指有效值.在計算交流電通過導體產(chǎn)生熱量、熱功以及確定保險絲的熔斷電流時,只能用有效值.【例4】如下圖,兩平行導軌與水平面間的傾角為距L=0.3m,長度足夠長,導軌處于磁感應強度B=1T,方向垂直于導軌平面向上的勻強磁場中.導軌兩端各接一個阻值為Ro=2Q電阻

10、,另一橫跨在導軌間的金屬棒質(zhì)量m=1kg,電阻r=1Q棒與導軌間的滑動摩擦因數(shù)尸0.5,當金屬棒以平行于導軌的向上初速度切=10m/s上滑,直至上升到最高點過程中,通過上端電阻電量q=0.1Cg取10m/s2,求上端電阻Ro產(chǎn)生的焦耳熱?解析：設棒沿斜面能上升的最大距離為s,磁感應強度B垂直斜面向上,那么(1)(2)等效電路和導體棒受力分析分別如圖1、2所示.由圖可知,在棒上升過程中,通過棒某一截面的電量應為2q.,-2qE由I-=tRoBLs而qtt.s=q(Ror)2mBL設電路各電阻消耗的總焦耳熱為Q總一2R232Q總=I總(,r)t(210)R0t6I0R0t6Qr0220從金屬棒開始

11、運動到最高點過程,利用能量守恒關系有1 2Q總+nmgosOs+mgsin0-s=-mv0Qr0=1Q總=5J06此題中,求電阻產(chǎn)生的焦耳熱Q應該用電流的有效值計算,由于I有I無法求,因此只能通過能量關系求得Q.三、感抗和容抗統(tǒng)稱電抗1、感抗表示電感對交變電流的阻礙作用,低頻,阻高頻.2、容抗表示電容對交變電流的阻礙作用,高頻,阻低頻.【例5】左右兩個電路都是從左端輸入信號,從右端輸出信號.左圖中輸入的是高頻、低頻混合的交流信號,要求只輸出低頻信號；右圖中輸入的是直流和低頻交流的混合信號,要求只其特點是“通直流,阻交流、其特點是“通交流,隔直流、C2“通“通輸出低頻交流信號.那么Ci、C2中哪

12、個該用大電容？哪個該用小電容？解：電容的作用是“通交流,隔直流、“通高頻,阻低頻,由其表達式Xc=1/2冗fC可看出：左圖中的Ci必須用電容小些的,才能使高頻交流順利通過,而低頻不易通過,這種電容器叫高頻旁路電容器.右圖中的C2一股用電容大的,使低頻交流電很容易通過,只有直流成分從電阻上通過,這種電容器叫隔直電容器.【例6】電學元件的正確使用,對電路平安工作起著重要作用.某電解電容器上標有“25V,450仙F字樣,以下說法中正確的選項是A.此電容器在交流、直流電路25V的電壓時都能正常工作B.此電容器只有在不超過25V的直流電壓下才能正常工作C.當工作電壓是直流25V時,電容才是450仙FD.

13、假設此電容器在交流電壓下工作,交流電壓的最大值不能超過25V解：電解電容器的極性是固定的,因此只能在直流電壓下工作.選B四、綜合例析【例7】交流發(fā)電機的轉(zhuǎn)子由B/S的位置開始勻速轉(zhuǎn)動,與它并聯(lián)的電壓表的示數(shù)為14.1V,那么當線圈轉(zhuǎn)過30°時交流電壓的瞬時值為V.解：電壓表的示數(shù)為交流電壓有效值,由此可知最大值為Um=$U=20VO而轉(zhuǎn)過300時刻的瞬時值為u=Umcos30=17.3VO【例8】通過某電阻的周期性交變電流的圖象如右.求該交流電的有效值I.解：該交流周期為T=0.3s,前t1=0.2s為恒定電流Ii=3A,后t2=0.1s為恒定電流I2=-6A,因此這一個周期內(nèi)電流做

14、的功可以求出來,根據(jù)有效值的定義,有:I2RT=I12Rt1+I22Rt2帶入數(shù)據(jù)計算得：I=3%'2A【例9】交流發(fā)電機轉(zhuǎn)子有n匝線圈,每匝線圈所圍面積為S,勻強磁場的磁感應強度為B,勻速轉(zhuǎn)動的角速度為,線圈內(nèi)電阻為r,外電路電阻為Ro當線圈由圖中實線位置勻速轉(zhuǎn)動900到達虛線位置過程中,求：通過R的電荷量q為多少？R上產(chǎn)生電熱Qr為多少?外力做的功W為多少？解：由電流的定義,計算電荷量應該用平均值：即q而I工-nBSq匹S,這里電流和電動勢都必須要用平均'RrtRrtRr'Rr值,不能用有效值、最大值或瞬時值.求電熱應該用有效值,先求總電熱Q,再根據(jù)內(nèi)外電阻之比求R

15、上產(chǎn)生的電熱QrQI2(Rr)tnBS2n2B2S24Rr,n2B2S2R4Rr2A.110VB.156VC.220VD.311V解：從u-t圖象看出,每個周期的前半周期是正弦圖形,其有效值為220V;后半周期電壓為零.根據(jù)有效值的定義,UTUi2T0,得U=156V,選Bo一R一QrQRr這里的電流必須要用有效值,不能用平均值、最大值或瞬時值.根據(jù)能量守恒,外力做功的過程是機械能向電能轉(zhuǎn)化的過程,電流通過電22c2阻,又將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,即放出電熱.因此w=qnBS.一定要學會4Rr用能量轉(zhuǎn)化和守恒定律來分析功和能.【例10左圖所示是某種型號的電熱毯的電路圖,電熱毯接在交變電源上,通過裝置P

16、使加在電熱絲上的電壓的波形如右圖所示.此時接在電熱絲兩端的交流電壓表的讀數(shù)為五、針對練習1、矩形線圈在勻強磁場中繞著垂直磁感線方向的軸勻速轉(zhuǎn)動,當線圈通過中性面時,以下說法中正確的選項是A、穿過線圈的磁通量最大,線圈中的感應電動勢最大B、穿過線圈的磁通量等于零,線圈中的感應電動勢最大C、穿過線圈的磁通量最大,線圈中的感應電動勢等于零D、穿過線圈的磁通量等于零,線圈中的感應電動勢等于零2.一矩形線圈繞垂直磁場方向的軸在勻強磁場中轉(zhuǎn)動,產(chǎn)生的交變電動勢e=20亞sin20兀tV,由此可以判斷A. t=0時,線圈平面和磁場垂直B. t=0時,線圈的磁通量為零C. t=0.05s時,線圈切割磁感線的有

17、效速度最小D. t=0.05s時,e第一次出現(xiàn)最大值3 .線圈在勻強磁場中勻角速轉(zhuǎn)動,產(chǎn)生的交變電流如下圖,那么A.在A和C時刻線圈平面和磁場垂直B.在B和時刻線圈中的磁通量為零C.從A時刻到B時刻線圈轉(zhuǎn)動的角度為九radD.假設從O時刻到D時刻經(jīng)歷的時間為0.02s,那么該交變電流在1.0s的時間內(nèi)方向會改變100次4 .一個矩形線框的面積為S,在磁感應強度為B的勻強磁場中,從線圈平面與磁場垂直的位置開始計時,轉(zhuǎn)速為n轉(zhuǎn)/秒,那么A.線框交變電動勢的最大值為n：BSB.線框交變電動勢的有效值為2n：BSC.從開始轉(zhuǎn)動經(jīng)過1/4周期,線框中的平均感應電動勢為2nBSD.感應電動勢瞬時值為e=2

18、nBSsin2nA5 .關于交流電的有效值和最大值,以下說法正確的選項是A.任何形式的交變電流的有效值和最大值都有關系U=Um/渡B.只有正弦式電流才有U=Um/；2的關系C.照明電壓220V、動力電壓380V,指的都是交變電流的有效值D.交流電壓表和電流表測量的都是交變電流的有效值6.一只三管的起輝電壓為50V,把它接在u=50sin314tV的交變電源上,在一個交變電壓的周期內(nèi),凝管的發(fā)光時間為A.0.02sB.0.01sC.0.015sD.0.005s7 .對于如下圖的電路,以下說法正確的選項是A. a、b端接穩(wěn)恒直流電,燈泡發(fā)亮B. a、b端接交變電流,燈泡發(fā)亮C. a、b端接交變電流

19、,燈泡發(fā)亮,且將電容器電容增大時,燈泡亮度增大D. a、b端接交變電流,燈泡發(fā)亮,且將電容器電容減小時,燈泡亮度增大8 .對于如下圖的電路,以下說法正確的選項是A,雙刀雙擲開關S接上部時,燈泡亮度較大9 .雙刀雙擲開關S接下部時,燈泡亮度較大C.雙刀雙擲開關S接下部,同時將電感線圈的L的鐵芯抽出,在抽出的過程中,燈泡亮度變大D,雙刀雙擲開關S接下部,同時將電感線圈的L的鐵芯抽出,在抽出的過程中,燈泡亮度變小10 在圖所示的電路中,如果交變電流的頻率增大,1、2和3燈的亮度變化情況是1A. 1、2兩燈均變亮,3燈變暗£IV1088B. 1燈變亮,2、3兩燈均變暗>：？丫C. 1、

20、2燈均變暗,3燈亮度不變D. 1等變暗,2燈變亮,3燈亮度不變10.在電工和電子技術中使用的扼流圈有兩種：低頻扼流圈和高頻扼流圈.它們的區(qū)別在于A.低頻扼流圈的自感系數(shù)較大B.高頻扼流圈的自感系數(shù)較大C.低頻扼流圈的能有效地阻礙低頻交變電流,但不能阻礙高頻交變電流D.高頻扼流圈的能有效地阻礙高頻交變電流,但不能阻礙低頻交變電流11關于電容器通過交變電流的理解,正確的選項是A,有自由電荷通過電容器中的電介質(zhì)B.電容不斷的充、放電,與之相連的導線中必須有自由電荷移動,這樣就形成了電流C.交變電壓相同時,電容越大,電流越大D.交變電壓相同時,頻率越高,電流越大ao12對于圖所示的電路,以下說法正確的

21、選項是IA. a、b兩端接穩(wěn)包直流,燈泡將不發(fā)光|0B. a、b兩端接交變電流,燈泡將不發(fā)光C. a、b兩端由穩(wěn)恒的直流電壓換成有效值相同的交變電壓,燈泡亮度相同D. a、b兩端由穩(wěn)恒的直流電壓換成有效值相同的交變電壓,燈泡亮度將會減弱13 .在電子技術中,從前一級裝置輸出的既有直流成分(工作電流),又有交流成分(信號電流).如果我們希望輸送到后一級裝置的只有直流成分,電容器應該和后一級裝置;如果我們希望輸送到后一級裝置的只有交流成分,電容器應該和后一級裝置(兩空均填“串聯(lián)或“并聯(lián))014 .將u=110應sin1007ttV的交變電壓接到“220V,100W的燈泡兩端,設燈絲的電阻不隨溫度變化,試求：(1)流過燈泡電流的最大值；(2)燈泡發(fā)揮的實際功率.15 .一閉合線圈在勻強磁場中做勻角速轉(zhuǎn)動,線圈轉(zhuǎn)速為240rad/min,當線圈平面轉(zhuǎn)動至與磁場平行時,線圈的電動勢為2.0V.設線圈從垂直磁場瞬時開始計時,試求：(1)該線圈電動勢的瞬時表達式；1(2)電動勢在,s末的瞬時值.4816 .如下圖,勻強磁場的磁感強度B=0.1T,矩形線圈的匝數(shù)N=