廣西專版新教材高中物理第3章交變電流2交變電流的描述課件新人教版選擇性必修第二冊

1、2交變電流的描述課前基礎(chǔ)認(rèn)知課堂重難突破素養(yǎng)目標(biāo)定位模型方法素養(yǎng)提升隨 堂 訓(xùn) 練素養(yǎng)目標(biāo)定位目 標(biāo) 素 養(yǎng)1.知道交變電流周期、頻率的物理意義,掌握它們之間的關(guān)系。2.理解交變電流有效值的物理意義,掌握其計算方法。3.會運用正弦式交變電流有效值和峰值的關(guān)系計算交變電流的有效值。知 識 概 覽課前基礎(chǔ)認(rèn)知一、周期和頻率1.物理意義:描述交變電流變化快慢的物理量。2.周期:交變電流完成一次周期性變化所需的時間,用T表示,單位是秒(s)。3.頻率:交變電流在1 s內(nèi)完成周期性變化的次數(shù),用f表示,單位是赫茲(Hz)。微訓(xùn)練 關(guān)于正弦式交變電流的周期和頻率,下列說法正確的是()A.正弦式交變電流最大

2、值連續(xù)出現(xiàn)兩次的時間間隔等于周期B.1 s內(nèi)正弦式交變電流出現(xiàn)最大值的次數(shù)等于頻率C.正弦式交變電流方向變化的頻率為交變電流頻率的2倍D.50 Hz的交變電流,其周期等于0.05 s答案:C解析:在一個周期內(nèi),交變電流會出現(xiàn)正向和負(fù)向最大值各一次,相鄰兩個峰值的時間間隔為半個周期,1 s內(nèi)交變電流出現(xiàn)最大值的次數(shù)等于頻率的2倍,選項A、B錯誤。交變電流在一個周期內(nèi)方向改變兩次,即方向變化的頻率為交變電流頻率的2倍,選項C正確。 ,選項D錯誤。二、峰值和有效值1.峰值。(1)定義:交變電流的電壓、電流所能達(dá)到的最大數(shù)值。(2)應(yīng)用:電容器所能承受的電壓要高于交流電壓的峰值。2.有效值。(1)定義

3、:讓交變電流與恒定電流分別通過相同的電阻,如果它們在交變電流的一個周期內(nèi)產(chǎn)生的熱量相等,則這個恒定電流的電流I、電壓U,叫作這個交變電流的有效值。(2)應(yīng)用:交流用電設(shè)備上所標(biāo)的額定電壓和額定電流;交流電壓表測量的數(shù)值;無特別說明時提到的交變電流的數(shù)值。微判斷(1)交變電流的有效值總是小于峰值。()(2)交變電流的峰值為有效值的 倍。()(3)某段時間內(nèi)的交變電流的有效值等于這段時間初、末時刻瞬時值的算術(shù)平均值。()(4)我國民用交變電流的照明電壓220 V和動力電壓380 V都是指有效值。()(5)交變電流的有效值即為一個周期內(nèi)的平均值。()三、正弦式交變電流的公式和圖像1.公式描述:已知一

4、正弦式交變電流的周期T或頻率f,又知道它的電壓的有效值U或峰值Um,可表示為2.圖像描述:以電壓隨時間變化為例,圖像如圖所示。正弦式交變電流u-t圖像 微思考 正弦交變電流的圖像一定是正弦曲線嗎?提示:不一定。根據(jù)計時起點不同而定,也可能是余弦曲線。課堂重難突破一 有效值的理解和計算重難歸納1.有效值的理解。(1)交變電流的有效值是根據(jù)電流的熱效應(yīng)來定義的。(2)理解交變電流的有效值要注意三同:電阻相同,時間相同,產(chǎn)生熱量相同。(3)幾種情況的有效值:通常所說的交變電流的電流和電壓值。交變電流表和電壓表表盤上標(biāo)示的數(shù)值。交變電流用電器上標(biāo)注的額定電壓、額定電流。保險絲的熔斷電流、電壓等。在沒有

5、具體說明的情況下,所給出的交變電流的數(shù)值都指有效值。2.交變電流有效值的計算。(1)若是正弦式交變電流,可利用交變電流的有效值與峰值間的關(guān)系求解,即(2)若不是正弦式交變電流,則必須根據(jù)電流的熱效應(yīng)來求解其有效值,且時間取一個周期。(3)求解思路:假設(shè)讓交變電流通過電阻R,計算出交變電流在一個周期內(nèi)產(chǎn)生的熱量Q(可分段計算),其中熱量Q再用相應(yīng)的物理量I或U來表示,如Q=I2RT或 ,則I或U為交變電流相應(yīng)的有效值。3.幾種常見交變電流有效值。 圖甲為一電容器,圖乙為保險絲管,請思考:(1)將電容器接在交流電路上,要保證電容器正常工作,需要考慮交變電流哪一個值?(2)若保證保險絲管正常使用,應(yīng)

6、考慮交變電流哪一個值?提示:(1)交變電流的最大值。(2)交變電流的有效值。典例剖析【例1】 下圖是一交變電流隨時間變化的圖像,此交變電流的有效值是()答案:B 【例2】 下圖為一交變電流的圖像,則該交變電流的有效值為()答案:B 特別提醒求解有效值時應(yīng)注意的問題。(1) ,非正弦式交變電流一般不符合該關(guān)系。(2)一個周期內(nèi)交變電流存在多種形式,可分段計算熱量,再求其和,從而確定有效值。學(xué)以致用一個匝數(shù)為100、電阻為R=0.5 的閉合線圈處于某一磁場中,磁場方向垂直于線圈平面,從某時刻起穿過線圈的磁通量按如圖所示規(guī)律變化,則線圈中產(chǎn)生交變電流的有效值為()答案:B 二 正弦式交變電流的公式和

7、圖像重難歸納1.交變電流的變化規(guī)律(線圈在中性面位置開始計時)。2.交變電流瞬時值表達(dá)式的書寫。(1)確定正弦式交變電流的峰值,根據(jù)已知圖像讀出或由公式Em=nBS求出相應(yīng)峰值。(2)明確線圈的初始位置,找出對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式。線圈在中性面位置開始計時,則i-t圖像為正弦函數(shù)圖像,函數(shù)表達(dá)式為i=Imsin t。線圈在垂直于中性面的位置開始計時,則i-t圖像為余弦函數(shù)圖像,函數(shù)表達(dá)式為i=Imcos t。3.從正弦式交變電流的e-t圖像上可以確定的信息。(1)可以讀出電動勢的峰值Em。(2)可根據(jù)線圈轉(zhuǎn)至中性面時電動勢為零的特點,確定線圈處于中性面的時刻,確定了該時刻,也就確定了磁通量最大的時刻

8、和磁通量變化率最小的時刻。(3)可根據(jù)線圈轉(zhuǎn)至與磁場平行時感應(yīng)電動勢最大的特點,確定線圈與中性面垂直的時刻,此時刻也就是磁通量為零的時刻和磁通量變化率最大的時刻。(4)可以確定某一時刻電動勢大小以及某一時刻電動勢的變化趨勢。如圖所示,正弦波和方波交變電流的最大值相等,周期也相等,現(xiàn)使它們通過完全相同的電阻,則在相同的時間(遠(yuǎn)大于周期)內(nèi),兩電阻發(fā)熱之比 等于多少?【例1】 一正弦式交變電流的電壓隨時間變化的規(guī)律如圖所示,由圖可知()A.該交變電流的電壓的有效值為100 VB.該交變電流的頻率為25 HzC.該交流電壓瞬時值的表達(dá)式為u=100sin 25t (V)D.并聯(lián)在該電壓兩端的電壓表指

9、針不停擺動答案:B解析:根據(jù)題圖可知該交變電流電壓的最大值為100 V,周期為410-2 s,所以頻率為25 Hz,選項A錯誤,B正確。而=2f= 50 rad/s,所以u=100sin 50t (V),選項C錯誤。交流電壓表的示數(shù)為交變電流的有效值而不是瞬時值,不隨時間變化,選項D錯誤?！纠?】 在水平方向的勻強磁場中,有一個正方形閉合線圈繞垂直于磁感線的軸勻速轉(zhuǎn)動,已知線圈的匝數(shù)n=100,邊長為20 cm,電阻為10 ,轉(zhuǎn)動頻率f=50 Hz,磁場的磁感應(yīng)強度為0.5 T,求:(1)外力驅(qū)動線圈轉(zhuǎn)動的功率;(2)當(dāng)線圈轉(zhuǎn)至線圈平面與中性面的夾角為30時,線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢及感應(yīng)電流的大

10、小;(3)線圈由中性面轉(zhuǎn)至與中性面成60角的過程中,通過導(dǎo)線橫截面的電荷量。答案:(1)1.97104 W(2)314 V31.4 A(3)0.1 C特別提醒應(yīng)用交變電流四值時的注意事項:(1)研究電容器是否被擊穿時,應(yīng)用交變電流的峰值(最大值),因為電容器上標(biāo)明的電壓是電容器長時間工作時所能承受的最大電壓。(2)研究電功、電功率和電熱時,只能用有效值。(3)研究通過導(dǎo)體某橫截面的電荷量時,要用平均值。學(xué)以致用圖甲是阻值為5 的線圈與阻值為15 的電阻R構(gòu)成的回路。線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的軸勻速轉(zhuǎn)動,產(chǎn)生的電動勢隨時間變化的規(guī)律如圖乙所示。則()A.電壓表的示數(shù)為14.14 VB.通

11、過電阻R的電流為0.707 AC.電阻R上消耗的功率為3.75 WD.通過電阻R的電流方向每秒變化100次答案:B模型方法素養(yǎng)提升產(chǎn)生正(余)弦式交變電流的五類模型模型構(gòu)建方法歸納產(chǎn)生正(余)弦式交變電流的五類模型。1.線圈在勻強磁場中轉(zhuǎn)動:由矩形線圈繞垂直于勻強磁場的軸勻速轉(zhuǎn)動。2.線圈處于周期性變化的磁場中:閉合線圈垂直于勻強磁場,線圈靜止不動,磁場按正弦規(guī)律做周期性變化,則線圈中會產(chǎn)生正弦式交變電流。3.導(dǎo)體棒在勻強磁場中平動:導(dǎo)體棒在勻強磁場中平動,導(dǎo)體棒切割磁感線的有效長度按正弦規(guī)律變化,則棒中會產(chǎn)生正弦式交變電流。4.導(dǎo)體棒在勻強磁場中振動:導(dǎo)體棒在勻強磁場中沿平行導(dǎo)軌平動切割磁感

12、線時,棒的速度按正弦規(guī)律變化,則棒中會產(chǎn)生正弦式交變電流。5.棒在不均勻磁場中平動:導(dǎo)體棒在磁場中勻速平動切割磁感線,在棒的平動方向上,磁場按照正弦規(guī)律變化,則棒中會產(chǎn)生正弦式交變電流。如圖甲所示,邊長為a、匝數(shù)為n的正方形導(dǎo)線框置于均勻分布的磁場區(qū)域內(nèi),磁感應(yīng)強度的方向與線框平面垂直,磁感應(yīng)強度B隨時間按圖乙所示的正弦規(guī)律變化。設(shè)導(dǎo)線橫截面的面積為S,電阻率為,圖像中所標(biāo)物理量為已知量,求在時間t內(nèi)(tT)線框中產(chǎn)生的熱量是多少?典例剖析圖甲為小型旋轉(zhuǎn)電樞式交流發(fā)電機的原理圖,其矩形線圈在磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中,繞垂直于磁場方向的固定軸OO勻速轉(zhuǎn)動,線圈的兩端經(jīng)集流環(huán)和電刷與R=10 的

13、電阻連接,與電阻R并聯(lián)的交流電壓表為理想電表,示數(shù)是10 V。圖乙是穿過矩形線圈磁通量隨時間t變化的圖像。則下列說法正確的是()A.電阻R的電功率為20 WB.0.02 s時R兩端的電壓瞬時值為零C.R兩端的電壓隨時間變化的規(guī)律是u=14.1cos 100t(V)D.通過R的電流隨時間變化的規(guī)律是i=cos 50t(A)答案:C解析:電阻R的電功率P= =10 W,選項A錯誤。0.02 s時穿過線圈的磁通量變化率最大,R兩端的電壓瞬時值最大,選項B錯誤。R兩端的電壓u隨時間t變化的規(guī)律是u=14.1cos 100t(V),通過R的電流隨時間變化的規(guī)律是i=1.41cos 100t(A),選項C

14、正確,D錯誤。方法總結(jié)1.正(余)弦式交變電流是一種最常見、最特殊而且應(yīng)用廣泛的交變電流,關(guān)于它的產(chǎn)生、描述及有關(guān)的變化規(guī)律是一個熱點。由法拉第電磁感應(yīng)定律 及其推論E=Blv可探究其產(chǎn)生方法。2.正弦式交變電流的產(chǎn)生的實質(zhì)是產(chǎn)生了正弦式感應(yīng)電動勢,根據(jù)E=Blv,可以分別在B、l、v這三個物理量上做文章。熟悉e=Emsin t和Em=nBS的推導(dǎo)過程。學(xué)以致用1.(多選)如圖所示,線圈ABCD匝數(shù)n=10,面積S=0.4 m2,邊界MN(與線圈的AB邊重合)右側(cè)存在磁感應(yīng)強度B= T的勻強磁場,若線圈從圖示位置開始繞AB邊以=10 rad/s的角速度勻速轉(zhuǎn)動,則以下說法正確的是()A.線圈產(chǎn)

15、生的是正弦式交變電流B.線圈在轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的最大感應(yīng)電動勢為80 VD.線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的有效值為40 V答案:BD 2.如圖所示,矩形裸導(dǎo)線框長邊的長度為2l,短邊的長度為l,在兩個短邊上均接有電阻R,其余部分電阻不計,導(dǎo)線框一長邊與x軸重合,左端的坐標(biāo)x=0,線框處在一垂直于線框平面的磁場中,磁感應(yīng)強度滿足關(guān)系式 。一光滑導(dǎo)體棒AB與短邊平行且與長邊接觸良好,電阻也是R。開始時導(dǎo)體棒處于x=0處,之后在沿x軸方向的力F作用下做速度為v的勻速運動。求導(dǎo)體棒AB從x=0到x=2l的過程中力F隨時間t的變化規(guī)律。隨 堂 訓(xùn) 練1.下列提到的交變電流,不是指有效值的是()A.交流電壓表的讀數(shù)

16、B.保險絲熔斷電流C.電容器擊穿電壓D.220 V交流電壓答案:C解析:電容器擊穿電壓指電容器兩端所能承受電壓的最大值。2.兩個完全相同的電熱器分別通以如圖甲、乙所示的交變電流,兩電熱器的實際電功率之比P甲P乙為()A.12B.11C.D.21答案:D3.一臺手搖交流發(fā)電機,線圈內(nèi)阻1 ,產(chǎn)生的電動勢隨時間變化的規(guī)律為 。發(fā)電機只與9 的電阻組成閉合電路。則()A.交變電流的頻率為10 HzB.電動勢的峰值為20 VC.電路中電流的有效值為1 AD.一周期內(nèi)外接電阻消耗電能為9 J答案:C4.(多選)如圖甲所示,在勻強磁場中,一矩形金屬線圈兩次分別以不同的轉(zhuǎn)速,繞與磁感線垂直的軸勻速轉(zhuǎn)動,產(chǎn)生

17、的交流電動勢圖像如圖乙中曲線a、b所示,則()A.兩次t=0時刻線圈平面與中性面重合B.曲線a、b對應(yīng)的線圈轉(zhuǎn)速之比為23C.曲線a表示的交流電動勢頻率為25 HzD.曲線b表示的交流電動勢有效值為10 V答案:AC甲 乙5.(多選)如圖所示,M為半圓形導(dǎo)線框,圓心為OM,N是圓心角為直角的扇形導(dǎo)線框,圓心為ON,兩導(dǎo)線框在同一豎直面(紙面)內(nèi),兩圓弧半徑相等,過直線OMON的水平面上方有一勻強磁場,磁場方向垂直于紙面?，F(xiàn)使線框M、N在t=0時從圖示位置開始,分別繞垂直于紙面、且過OM和ON的軸、以相同的周期T逆時針勻速轉(zhuǎn)動,則()A.兩導(dǎo)線框中均會產(chǎn)生正弦式交變電流B.兩導(dǎo)線框中感應(yīng)電流的周期都等于TC.在 時,兩導(dǎo)線框中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相等D.兩導(dǎo)線框的電阻相等時,兩導(dǎo)線框中感應(yīng)電流的有效值也相等答案:BC解析:兩導(dǎo)線框勻速轉(zhuǎn)動切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)