第十六講交流電

第十六講交流電第1頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月【知識(shí)要點(diǎn)】強(qiáng)度和方向隨時(shí)間做周期性變化的電流叫做交流電。隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的電流叫做正弦交流電。一、正弦交流電的產(chǎn)生及變化規(guī)律二、表征交流電的物理量三、變壓器四、遠(yuǎn)距離送電第2頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月一、正弦交流電的產(chǎn)生及變化規(guī)律1、正弦交流電的產(chǎn)生用矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中繞垂直于磁感線的對稱軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，則在線圈中產(chǎn)生正弦交流電。第3頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2、正弦交流電的變化規(guī)律其中第4頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月3、交流電的圖象第5頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月二、表征交流電的物理量1、最大值第6頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2、角頻率、周期和頻率角頻率ω：對于簡單的發(fā)電機(jī)，相當(dāng)于線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。周期T：交流電完成一次周期性變化所需的時(shí)間，頻率f：交流電在1秒的時(shí)間內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)，顯然同期與頻率互為倒數(shù)第7頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月3、初相角與相角中性面：線圈在勻強(qiáng)磁場中旋轉(zhuǎn)，當(dāng)線圈平面與磁感線垂直時(shí)，各邊都不切割磁感線，線圈中沒有感應(yīng)電動(dòng)勢，這個(gè)位置叫做中性面。第8頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4、有效值交流電的有效值是根據(jù)電流的熱效應(yīng)耒規(guī)定的，即在同一時(shí)間內(nèi)，跟某一交流電能使同一電阻產(chǎn)生相等熱量的直流電的數(shù)值，叫該交流的有效值。正弦交流電的有效值與最大值的關(guān)系是：第9頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月證明:同理亦可證明:第10頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月三、變壓器變壓器是交流電能輸送中改變電壓的裝置。它的主要構(gòu)造是把輸入線圈與輸出線圈繞在同一閉合鐵芯上。它的工作原理是電磁感應(yīng)。對于理想變壓器，磁通量全部集中在鐵芯上，變壓器本身不損耗能量。理想變壓器的基本關(guān)系式為：第11頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月四、遠(yuǎn)距離送電1、輸電線上的功率損失2、輸電效率第12頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月【典型例題】例1

如圖所示，正方形線圈abcd繞對稱軸OO′在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，圖中的位置是初始位置，轉(zhuǎn)數(shù)n=120r/min。若已知ab=bc=20cm，匝數(shù)N=20，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.2T，試求：

(1)瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢的表達(dá)式。

(2)從圖示位置轉(zhuǎn)過90°過程中的平均感應(yīng)電動(dòng)勢。

(3)設(shè)線圈是閉合的，總電阻R=10Ω，線圈所受磁力矩的瞬時(shí)值表達(dá)式。第13頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

分析：根據(jù)導(dǎo)線切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的公式可計(jì)算瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢;e=BLvsinθ根據(jù)通電導(dǎo)線在磁場中受安培力的公式

F=BIlsinθ可推導(dǎo)并計(jì)算線圈所受磁力矩的瞬時(shí)值表達(dá)式。根據(jù)磁通量的平均變化率計(jì)算公式可計(jì)算平均感應(yīng)電動(dòng)勢；第14頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月解：(1)N匝線圈從圖示位置在磁場中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，感應(yīng)電動(dòng)勢的瞬時(shí)值為由①、②式得第15頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)從圖示位置轉(zhuǎn)過90°的過程中，線圈中發(fā)生的磁通量變化

(3)由于電流不是恒定電流，通電線圈所受安培力矩受兩個(gè)因素的影響：一是安培力隨電流發(fā)生變化，一是力臂隨線圈的位置發(fā)生變化。第16頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月由③、④兩式得線圈受磁力矩的瞬時(shí)值表達(dá)式為答：瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢e=2.01cos4πtV；從圖示位置轉(zhuǎn)過90°過程中的平均感應(yīng)電動(dòng)勢為1.28V；線圈所受磁力矩的瞬時(shí)值表達(dá)式為M=說明：要掌握最大感應(yīng)電動(dòng)勢、瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢、平均感應(yīng)電動(dòng)勢的區(qū)別及各自的計(jì)算。要掌握閉合線圈在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所受的磁力矩，與線圈通過恒定電流在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所受的磁力矩是不同的，并會(huì)分別進(jìn)行計(jì)算。第17頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月例2

有一交流電壓的變化規(guī)律為u=311sin314tV，若將一輝光電壓最小值是220V的氖管接上此交流電壓，則在1秒鐘內(nèi)氖管發(fā)光的時(shí)間是多少？分析：根據(jù)氖管的發(fā)光條件|U|＞220V，先計(jì)算在半個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)氖管發(fā)光的時(shí)間間隔△t，再算出1秒包含的半周期數(shù)n，兩者相乘即是1秒鐘內(nèi)氖管發(fā)光的時(shí)間。第18頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月解：根據(jù)u=311sin314tV，可知周期為

在0～T/2，即0～1/100s的時(shí)間內(nèi)，將U=220V代入u=311sin314tV中，可得氖管的發(fā)光時(shí)間為1秒鐘的時(shí)間包含的半周期數(shù)為答：1秒鐘內(nèi)氖管的發(fā)光時(shí)間為0.5s。說明：交流電的瞬時(shí)值反映的是不同時(shí)刻交流電的大小和方向，瞬時(shí)值是時(shí)間的函數(shù)，不同時(shí)刻瞬時(shí)值是不一樣的，要求熟練掌握正弦交流電瞬時(shí)值表達(dá)式。第19頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月例3.接通電鍵后正確結(jié)論是第20頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月分析：燈泡的亮度由它的實(shí)際功率決定，3個(gè)規(guī)格相同的燈泡，燈絲電阻都相同，實(shí)際功率與燈泡兩端的實(shí)際電壓的平方成正比，或與流更方便。理想變壓器正常工作時(shí)，原、副線圈的電壓與匝數(shù)成正比；原線圈第21頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

第22頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月答：本題選項(xiàng)C、D正確。第23頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月例4

圖表示一個(gè)交流電隨時(shí)間變化的圖像，此交流電的有效值是分析：圖給出的是非正弦交流電，其周期是0.2s。此交流電在前半定義，設(shè)想讓此交流電通過一阻值為R的電阻，則在一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)，第24頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月答：此交流電的有效值為5A，選項(xiàng)B正確。說明：學(xué)習(xí)物理，要分清什么規(guī)律是普遍適用的規(guī)律，什么規(guī)律是特殊規(guī)律。例如，正弦交流電不同于其他交流電，它是按正弦規(guī)律變化的情況)就不能套用這個(gè)結(jié)論。但不論什么形式的交流電有效值的定義卻是相同的，都可以根據(jù)有效值的物理意義去計(jì)算有效值的大小。第25頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月例5.的圓筒，如圖所示。整個(gè)裝置放在真空內(nèi)，電子發(fā)射的初速度不計(jì)。沿入射方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，應(yīng)加怎樣的磁場？中心軸按圖示方向以n=2轉(zhuǎn)/秒勻速轉(zhuǎn)運(yùn)，試確定電子在記錄紙上的軌跡形狀，并畫出1秒鐘內(nèi)所記錄到的圖形。第26頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月分析：由于電子通過兩極間的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)地小于交流電的周期，所以一個(gè)電子通過兩板間的時(shí)間內(nèi)，交流電的電壓的變化可以略去不計(jì)，可視為恒定電壓。電子在兩板間做類似于平拋的運(yùn)動(dòng)，而飛離兩板后沿豎直方向的分運(yùn)動(dòng)是勻速運(yùn)動(dòng)。(1)加直流電壓時(shí)，板間場強(qiáng)方向垂直紙面向內(nèi)。第27頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月從飛離板到達(dá)圓筒時(shí)偏距(2)加交流電壓時(shí)，A、B兩極間場強(qiáng)電子飛離時(shí)偏距電子飛離板時(shí)堅(jiān)直速度在記錄紙上落點(diǎn)的總偏距第28頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圓筒每秒轉(zhuǎn)2周，故在1秒內(nèi)，紙上圖形如圖所示。第29頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月【反饋練習(xí)】1．一個(gè)按正弦規(guī)律變化的交流電流，如圖所示，根據(jù)圖像可以知道A．該交流電流的頻率是0.02HzB．該交流電流的有效值是14.1AC．該交流電流的瞬時(shí)值表示式為i=20sin0.02tAD．在t=T/8(T是周期)時(shí)刻，該電流的大小與其有效值相等答案：D第30頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(zhuǎn)速提高1倍，其他條件不變，則其電動(dòng)勢變?yōu)榇鸢福篋第31頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

3．電路如圖所示，已知交流電源電壓u=200sin100πtV，電阻R=100Ω。則電流表和電壓表的讀數(shù)分別為

A．1.41A，200VB．1.41A，141VC．2A，200VD．2A，141V答案：B第32頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

4．如圖5-22所示的(a)、(b)兩圖分別表示兩個(gè)交流電壓，比較這兩個(gè)交變電壓，它們具有共同的

A．有效值

B．頻率

C．最大值

D．均不一樣答案：BC第33頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

5．在圖中，4個(gè)電燈的規(guī)格完全相同，而且都在正常發(fā)光，下述說法正確的有

A．n1∶n2=1∶3B．n1∶n2=3∶1C．電源電壓的有效值為一個(gè)電燈額定電壓的4倍

D．電源的輸出能量與變壓器的輸出能量相等答案:BC第34頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月6．如圖5-5所示為一理想變壓器，K為單刀雙擲開關(guān)，P是滑動(dòng)則答案：ABD第35頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月答案：C第36頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

8．遠(yuǎn)距離送電時(shí)，在輸送的電功率和輸電線電阻一定的條件下，輸電線上損失的電功率

A．與輸電電壓成正比

B．與輸電電壓的平方成正比

C．與輸電電壓成反比

D．與輸電電壓的平方成反比答案：D第37頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

9．電站向某地輸送5000kW的電功率，輸電線上損耗的電功率為100kW。如果把輸電電壓提高為原來的10倍，同時(shí)將輸電線的截面積減為原來的一半，而輸送的電功率不變，那么輸電線損耗的電功率為

A．0.5kWB．1.0kWC．2.0kWD．5.0kW答案：C第38頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

10．A、B是一對平行金屬板，在兩板間加有周期為T的交變電壓子從A板小孔進(jìn)入兩板間的電場中，設(shè)電子的初速度和重力的影響均可以忽略，則

A．若電子是在t=0時(shí)刻進(jìn)入的，它將一直向B板運(yùn)動(dòng)

B．若電子是在t=T/8時(shí)刻進(jìn)入的，它可能時(shí)而向B板運(yùn)動(dòng)，時(shí)而向A板運(yùn)動(dòng)，最后打在B板上

C．若電子是在t=3T/8時(shí)刻進(jìn)入的，它可能時(shí)而向B板運(yùn)動(dòng)，時(shí)而向A板運(yùn)動(dòng)，最后打在B板上

D．若電子是在t=T/2時(shí)刻進(jìn)入的，它可能時(shí)而向B板運(yùn)動(dòng)，時(shí)而向A板運(yùn)動(dòng)答案：AB第39頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月【課后練習(xí)】

1．在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.2T的勻強(qiáng)磁場中，有一正方形閉合線圈，邊長為20cm，匝數(shù)為100匝，總電阻為0.986Ω，繞垂直磁感線的轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為3000r/min。試求外界驅(qū)動(dòng)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的功率。答案：32千瓦。第40頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.8T的勻強(qiáng)磁場中，有一邊長為20cm的10匝正方形線圈，線圈的總電阻為1Ω，線圈外接一阻值為9Ω的電阻。若以某一垂直于磁場的邊為軸在磁場中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，現(xiàn)測得電阻R上的電功率為4.5W，試求：

(1)線圈中感應(yīng)電流的有效值；

(2)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的最大值；

(3)線圈在磁場中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速；

(4)寫出感應(yīng)電動(dòng)勢的瞬時(shí)表達(dá)式。答案：(1)0.707安；(2)10伏；(3)5轉(zhuǎn)/秒(4)e=10sin10πt伏。第41頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月3．電路如圖所示，一理想變壓器的原線圈跟副線圈的匝數(shù)比R時(shí)，其阻值最低不能小于多少歐？答案：55歐。第42頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

4．一臺(tái)發(fā)電機(jī)組輸出電壓為250V，輸出功率為4.4kW，輸電線路的電阻是2Ω。用原、副線圈匝數(shù)比為1∶8.8的變壓器高壓送電，再用10∶1的變壓器將電壓降低供給用戶。求用戶實(shí)際得到的電壓和功率各是多少？答案：219.6伏，4392瓦。第43頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

5．如圖，閉合的單匝線