專題 交變電流 教案

專題交變電流一、正弦交流電產(chǎn)生及規(guī)律1、交變電流1）定義：方向隨時(shí)間作周期性變化的電流叫做交變電流，簡(jiǎn)稱交流。2）產(chǎn)生：能夠產(chǎn)生交變電流的發(fā)電機(jī)是交流發(fā)電機(jī)；其中按正弦規(guī)律變化的交變電流叫正弦式電流，正弦式電流產(chǎn)生于在勻強(qiáng)電場(chǎng)中，繞垂直于磁場(chǎng)方向的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的線圈里，線圈每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，感應(yīng)電流的方向改變兩次。2、正弦交變電流的規(guī)律1）當(dāng)線圈繞垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感線做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流就是正弦式交流電。2）線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值表達(dá)式為：e=Emsinωt說明：式中Em是電動(dòng)勢(shì)的最大值，對(duì)于單匝矩形線圈來說Em=2Blv=BSω；對(duì)于n匝面積為S的線圈來說Em=nBSω3）線圈中感應(yīng)電流瞬時(shí)值表達(dá)式為：i=Imsinωt說明：式中Im是電流的最大值，對(duì)于總電阻為R的閉合電路來說Im=Em/R4）電路中某段電壓瞬時(shí)值表達(dá)式為：u=Umsinωt說明：式中Um=ImR′，R′是該段電路的電阻值。【例1】某線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng),產(chǎn)生交變電流的圖象如圖所示,由圖中信息可以判斷（）A、在A和C時(shí)刻線圈處于中性面位置B、在B和D時(shí)刻穿過線圈的磁通量為零C、從A～D時(shí)刻線圈轉(zhuǎn)過的角度為2πD、若從O～D時(shí)刻歷時(shí)0.02s,則在1s內(nèi)交變電流的方向改變100次3、正弦交流電的圖像正弦交流電的電動(dòng)勢(shì)、電流、電壓圖像都是正弦(或余弦)曲線。圖像能夠反映出表征交流電的物理量，如周期、頻率和最大值等。如圖所示，如果計(jì)時(shí)時(shí)刻發(fā)生變化，比如滯后T/4開始計(jì)時(shí)，交流電的圖像就成為余弦曲線了。【例2】如圖所示,為某交變電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化的圖象,從圖象中可知交變電動(dòng)勢(shì)的峰值為V,周期T是s,交變電動(dòng)勢(shì)變化最快的時(shí)刻是,穿過產(chǎn)生此電動(dòng)勢(shì)的線圈的磁通量變化最快的時(shí)刻是,若此交流線圈共100匝,則穿過此線圈的最大磁通量是Wb。4、表征正弦交流電的物理量⑴瞬時(shí)值：交流電某一時(shí)刻的數(shù)值。⑵最大值：最大瞬時(shí)值，又叫峰值，通常用Em、Im、Um來表示。⑶有效值：跟交變電流的熱效應(yīng)等效的恒定電流(即直流)的值叫做交流電的有效值，通常用E,I,U來表示。對(duì)于正(余)弦式交流電的有效值和最大值的關(guān)系為：E=、I=、U=。⑷周期和頻率：交變電流完成一次周期性變化所用的時(shí)間，叫做交變電流的周期，通常用T表示。交變電流在1s內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)，叫做交變電流的頻率，通常用f表示。T和f互為倒數(shù)關(guān)系，T=1/f【例3】如圖所示,交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子有n匝線圈,每匝線圈所圍面積為S,勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,線圈勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為,線圈內(nèi)阻為r,外電路電阻為R.當(dāng)線圈由圖中實(shí)線位置勻速轉(zhuǎn)動(dòng)90°到達(dá)虛線位置過程中,求:（1）通過R的電荷量q為多少？（2）R上產(chǎn)生的電熱QR為多少？（3）外力做的功W為多少？5、有效值與平均值的區(qū)別：交流電的有效值是按熱效應(yīng)定義的，對(duì)于一個(gè)確定的交流電，其交流電的有效值是確定的，與時(shí)間無關(guān)。而平均值是由公式E=nΔQ/Δt來計(jì)算的，它的大小與時(shí)間有關(guān)，在一個(gè)周期內(nèi)的前半個(gè)周期內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的平均值為最大值的2/π倍，而一個(gè)周期內(nèi)的平均感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零。在計(jì)算交流電通過電阻放的熱和熱功率時(shí)，用有效值，在計(jì)算通過導(dǎo)體截面電量時(shí)，用平均值。A、5AB.5AC、3.5AD、3.5A練1：一個(gè)邊長(zhǎng)為6cm的正方形金屬線框置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,線框平面與磁場(chǎng)垂直,電阻為0.36Ω.磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間t的變化關(guān)系如圖所示,則線框中感應(yīng)電流的有效值為（）A、×10-5AB、×10-5AC、×10-5AD、×10-5A二、電阻、電感和電容對(duì)交流電流的作用感抗和容抗1、電感對(duì)交變電流的阻礙作用在交流電路中，電感線圈除本身的電阻對(duì)電流有阻礙作用以外，由于自感現(xiàn)象，對(duì)電流起著阻礙作用。如果線圈電阻很小，可忽略不計(jì)，那么此時(shí)電感對(duì)交變電流阻礙作用的大小，用感抗(XL)來表示。線圈的自感系數(shù)越大，交變電流的頻率越高，電感對(duì)交變電流的作用就越大，感抗就越大。電感線圈又叫扼流圈，扼流圈有兩種：一種是阻直流、通交流的低頻扼流圈；另一種是通低頻、阻高頻的主頻扼流圈。2、電容器對(duì)交變電流的阻礙作用電容器的電容越大，交變電流的頻率越高，電容對(duì)電流的阻礙作用越小，容抗也就越小。由于電容大的電容器對(duì)頻率高的交流電流有很好的通過作用，因而可以做成高頻旁路電容器，通高頻、阻低頻；利用電容器對(duì)直流的阻止作用，可以做成隔直電容器，通交流、阻直流。電阻對(duì)交流電流和直流電流一樣有阻礙作用，電流通過電阻時(shí)做功而產(chǎn)生熱效應(yīng)；電感對(duì)交流電流有阻礙作用，大小用感抗來表示，感抗的大小與電感線圈及交變電流的頻率有關(guān)；電容對(duì)交流電流有阻礙作用，大小用容抗來表示，容抗的大小與電容及交變電流的頻率有關(guān)。【例5】如圖所示,三個(gè)燈泡是相同的,而且耐壓足夠,電源內(nèi)阻忽略.當(dāng)單刀雙擲開關(guān)S接A時(shí),三個(gè)燈亮度相同,那S接B時(shí)（）A、三個(gè)燈亮度相同B、甲燈最亮,丙燈不亮C、甲燈和乙燈亮度相同,丙燈不亮D、只有丙燈不亮,乙燈最亮【例6】如圖線圈面積為0.05m2,共100匝,總電阻為r=1Ω；外電阻R=9Ω,線圈處于B=2T/π的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中.當(dāng)線圈繞OO′以轉(zhuǎn)速n=300r/min勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),求:（1）若從線圈處于中性面開始計(jì)時(shí),寫出電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)表達(dá)式.（2）兩電表的示數(shù).（3）線圈轉(zhuǎn)過180°的過程中,通過電阻的電荷量。（4）線圈勻速轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生的總熱量。四、變壓器的工作原理：在原、副線圈上由于有交變電流而發(fā)生的互相感應(yīng)現(xiàn)象，叫做互感現(xiàn)象，互感現(xiàn)象是變壓器工作的基礎(chǔ)。幾種常見的變壓器：①按電壓變化分類：當(dāng)n2>n1時(shí)，u2>u1，叫升壓變壓器；當(dāng)n2<n1時(shí)，u2<u1，叫降壓變壓器。②按構(gòu)造分類：自耦變壓器：只有一個(gè)線圈，例如常用于能夠調(diào)節(jié)輸出電壓的調(diào)壓變壓器，如圖所示。甲圖為自耦降壓變壓器。乙圖為自耦升壓變壓器。丙圖為可調(diào)節(jié)輸出電壓的自耦降壓變壓器。③互感器：用于測(cè)量高電壓或大電流的特殊用途的變壓器，如圖所示。甲圖為電壓互感器，用于測(cè)量高壓電路中的電壓。乙圖為電流互感器，用于測(cè)量大電流電路中的電流。前者并聯(lián)在電路中，后者串聯(lián)在電路中。五、電能的輸送1、輸電線上的功率損失：設(shè)輸電電路中的電流強(qiáng)度為I，輸電導(dǎo)線的電阻為R，那么輸電線電阻消耗的功率為ΔP=I2R式中電流用輸送功率和輸送電壓表示，電阻用輸電線的長(zhǎng)度、橫截面積以及導(dǎo)線材料的電阻率表示，上式變?yōu)棣=()2ρ，這一部分功率就是電路中損失的功率。2、輸電線上的電壓損失：輸電線上的電壓損失主要是電阻造成的電壓損失和感抗及容抗造成的電壓損失。感抗和容抗統(tǒng)稱電抗。減小輸電線上的電壓損失的兩種方法。方法一：減小輸電線電阻R。如果用增大橫截面積來減小電阻R的方法在低壓電路中效果較好，在高壓電路中這種方法會(huì)造成由于電抗而增大電壓損失。

方法二：減小輸電電流I。在輸送功率不變的前提下，提高輸電電壓既可以減小電壓損失，也可以減小功率損失。如圖所示，如果忽略輸電過程中的電抗作用，用戶得到的電壓為u′=u-IR，用戶得到的功率為P′=P-ΔP=I(u-u′)。如果電抗不能忽略，線路中損失的電壓Δu>IR?！纠?】如圖所示,理想變壓器鐵芯上繞有A、B、C三個(gè)線圈，匝數(shù)比為nA:nB:nC=4:2:1,在線圈B和C的兩端各接一個(gè)相同的電阻R，當(dāng)線圈A與交流電源連通時(shí)，交流電流表A2的示數(shù)為I0，則交流電表A1的讀數(shù)為_______________I0?！纠?】發(fā)電廠輸出的交流電壓為2.2萬(wàn)伏,輸送功率為2.2×106瓦,現(xiàn)在用戶處安裝一降壓變壓器,用戶的電壓為220伏,發(fā)電廠到變壓器間的輸電導(dǎo)線總電阻為22歐,求:(1)輸電導(dǎo)線上損失的電功率;(2)變壓器原副線圈匝數(shù)之比。【例9】如圖所示，為四種亮度可調(diào)的臺(tái)燈的示意圖。它們所用的白熾燈泡相同，且都是“220V40W”。當(dāng)燈泡所消耗的功率都調(diào)至20W時(shí)，哪種臺(tái)燈消耗的功率最小?【例10】如圖理想變壓器的原、副線圈匝數(shù)比n1:n2=4:1，原線圈回路中的電阻A與副線圈回路中的負(fù)載電阻B的阻值相等。a、b端接一定交流電壓后，兩電阻消耗的電功率之比PA：PB=_____，兩電阻兩端電壓之比UA:UB=_____。強(qiáng)化訓(xùn)練練1：如圖所示,變壓器輸入交變電壓U一定,兩個(gè)副線圈的匝數(shù)為n2和n3,當(dāng)把一電阻先后接在a,b間和c,d間時(shí),安培表的示數(shù)分別為I和I’，則I：I’為（）A.n22:n32B.:C.n2:n3D.n32:n22練2：有一個(gè)理想變壓器,原線圈1200匝,副線圈400匝,現(xiàn)在副線圈上接一個(gè)變阻器R,如圖所示,則下列說法中正確的是()A.安培表A1與A2的示數(shù)之比為3:1B.伏特表V1與V2的示數(shù)之比為3:1C.當(dāng)變阻器滑動(dòng)頭向下移動(dòng)時(shí),原線圈的輸入功率將增加D.原、副線圈的功率之比為3:1練3：如圖,一理想變壓器原副線圈匝數(shù)比為4:1,圖中五只電燈完全相同,若B、C、D、E都能正常發(fā)光，則A燈（）A.一定能正常發(fā)光B.比正常發(fā)光暗C.比正常發(fā)光亮D.一定被燒壞練4：在某交流電路中,有一正在工作的變壓器,原副線圈匝數(shù)分別為n1=600,n2=120,電源電壓U1=220V，原線圈中串聯(lián)一個(gè)0.2A的保險(xiǎn)絲,為了保證保險(xiǎn)絲不被燒壞,則()A.負(fù)載功率不超過44wB.副線圈電流最大值不能超過1AC.副線圈電流有效值不能超過1AD.副線圈電流有效值不能超過0.2A練5：如圖所示,理想變壓器原、副線圈匝數(shù)比為4：1，平行金屬導(dǎo)軌與原線圈相連，當(dāng)導(dǎo)體ab在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，電流表A1示數(shù)為12mA，則電流表A2示數(shù)為______mA。練6：一臺(tái)小型發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化的正弦規(guī)律圖象如圖甲所示。已知發(fā)電機(jī)線圈內(nèi)阻為5.0，則外接一只電阻為95.0的燈泡，如圖乙所示，則（）A.電壓表eq\o\ac(○,v)的示數(shù)為220vB.電路中的電流方向每秒鐘改變50次C.燈泡實(shí)際消耗的功率為484wD.發(fā)電機(jī)線圈內(nèi)阻每秒鐘產(chǎn)生的焦耳熱為24.2J練7：如圖甲所示，理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為10：1，R1＝20，R2＝30，C為電容器。已知通過R1的正弦交流電如圖乙所示，則（）A.交流電的頻率為0.02HzB.原線圈輸入電壓的最大值為200VC.電阻R2的電功率約為6.67WD.通過R3的電流始終為零練8：某小型水電站的電能輸送示意圖如下。發(fā)電機(jī)的輸出電壓為200V，輸電線總電阻為r，升壓變壓器原副線圈匝數(shù)分別為n，n2。降壓變壓器原副線匝數(shù)分別為n3、n4（變壓器均為理想變壓器）。要使額定電壓為220V的用電器正常工作，則（）A． B．C．升壓變壓器的輸出電壓等于降壓變壓器的輸入電壓D．升壓變壓器的輸出功率:小于降壓變壓器的輸入功率練9：如右圖，一理想變壓器原副線圈匝數(shù)之比為4：1，原線圈兩端接入一正弦交流電源；副線圈電路中R為負(fù)載電阻，交流電壓表和交流電流表都是理想電表．下列結(jié)論正確的是（）A．若電壓表讀數(shù)為6V，則輸入電壓的最大值為VB．若輸入電壓不變，副線圈匝數(shù)增加到原來的2倍，則電流表的讀數(shù)減小到原來的一半C．若輸入電壓不變，負(fù)載電阻的阻值增加到原來的2倍，則輸入功率也增加到原來的2倍D．若保持負(fù)載電阻的阻值不變．輸入電壓增加到原來的2倍，則輸出功率增加到原來的4倍練10：中國(guó)已投產(chǎn)運(yùn)行的1000kV特高壓輸電是目前世界上電壓最高的輸電工程。假設(shè)甲、乙兩地原來用500kV的超高壓輸電，輸電線上的損耗電功率為P。在保持輸送電功率和輸電線電阻都不變的條件下，現(xiàn)改用1000kV特高壓輸電，若不考慮其他因素的影響，則輸電線上損耗的電功率變?yōu)椋ǎ〢.B.C.2PD.4P練11:為探究理想變壓器原、副線圈電壓、電流的關(guān)系，將原線圈接到電壓有效值不變的正弦交流電源上，副線圈連接相同的燈泡L1、L2，電路中分別接了理想交流電壓表V1、V2和理想交流電流表A1，A2，導(dǎo)線電阻不計(jì)，如圖所示。當(dāng)開關(guān)S閉合后()A.A1示數(shù)變大，A1與A2示數(shù)的比值不變B.A1示數(shù)變大，A1與A2示數(shù)的比值變大C.V2示數(shù)變小，V1與V2示數(shù)的比值變大D.V2示數(shù)不變，V1與V2示數(shù)的比值不變練12：一理想變壓器原、副線圈匝數(shù)比n1:n2=11:5。原線圈與正