2012优化方案高三物理一轮复习课件--第10章第一节《交变电流的产生和描述》

第一节交变电流的产生和描述课堂互动讲练经典题型探究知能优化演练第一节交变电流的产生和描述基础知识梳理基础知识梳理一、交变电流的产生和变化规律1．交变电流：_______和_______都随时间做周期性变化的电流叫交变电流．2．正弦交变电流(1)特点：随时间按正(余)弦规律变化的交变电流．(2)产生：如图10－1－1所示，将线圈置于匀强磁场中，并绕垂直于_______的轴做匀速转动．大小方向磁感线图10－1－1(3)变化规律(线圈在中性面位置开始计时)①电动势(e)：e＝_________②电压(u)：u＝_________③电流(i)：i＝_________(4)图象(如图10－1－2)EmsinωtUmsinωtImsinωt图10－1－22．峰值和有效值(1)峰值：交变电流的峰值是它能达到的______．(2)有效值：让交流与恒定电流分别通过大小____的电阻，如果在交流的一个周期内它们产生的______相等，则这个恒定电流I、恒定电压U就是这个交变电流的有效值．二、描述交变电流的物理量1．交变电流的周期和频率的关系：T＝___.1f最大值相同热量(3)正弦交变电流的有效值与峰值之间的关系I＝____，U＝_____，E＝Em2.3．平均值：E＝_____＝BLv.Im2Um2nΔΦΔt4．相位：在正弦交变电流的公式U＝Emsin(ωt＋φ)中，ωt＋φ叫______，φ叫______，两支交流的相位之差叫做它们的______．相位初相位相位差特别提示：(1)只有正弦交变电流的最大值和有效值满足2倍关系，其他交变电流无这种关系，且用电器铭牌上标出的值均为有效值(电容器除外)．(2)通常所说交变电流、电压的数值，各种交流电器设备所标的额定电压和额定电流的数值，一般交流电表测量的数值，都是指有效值(除非有特殊说明)．课堂互动讲练一、正弦式电流的变化规律1．正弦式电流的变化规律(线圈在中性面位置开始计时)2.交变电流瞬时值表达式的书写基本思路(1)确定正弦交变电流的峰值，根据已知图象或由公式Em＝nBSω求出相应峰值．(2)明确线圈的初始位置，找出对应的函数关系式．如：①线圈从中性面开始转动，则it图象为正弦函数图象，函数式为i＝Imsinωt.②线圈从垂直中性面开始转动，则it图象为余弦函数图象，函数式为i＝Imcosωt.特别提醒：在交变电流的产生过程中，要特别注意两个特殊位置的不同特点．(1)线圈平面与中性面重合时，S⊥B，Φ最大，ΔΦ/Δt＝0，e＝0，i＝0，电流方向将发生改变．(2)线圈平面与中性面垂直时，S∥B，Φ＝0，ΔΦ/Δt最大，e最大，i最大，电流方向不改变．即时应用(即时突破，小试牛刀)1．如图10－1－3所示，单匝矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，其转动轴线OO′与磁感线垂直．已知匀强磁场的磁感应强度B＝1T，线圈所围面积S＝0.1m2，转速12r/min.若从中性面开始计时，则线圈中产生的感应电动势的瞬时值表达式应为()A．e＝12πsin120t(V)B．e＝24πsin120πt(V)C．e＝0.04πsin0.4πt(V)D．e＝0.4πcos2πt(V)图10－1－3解析：选C.矩形线圈在匀强磁场中匀速转动产生感应电动势的最大值为Em＝BSω＝BS·2πn＝1×0.1×0.4π(V)＝0.04π(V)角速度：ω＝2πn＝2π×1260rad/s＝0.4πrad/s初相：Φ0＝0则感应电动势瞬时值表达式为e＝Emsin(ωt＋Φ0)＝0.04πsin0.4πt(V)由此可知选项C是正确的．二、对交变电流“四值”的比较和理解1．交变电流的瞬时值、峰值、有效值、平均值的比较2.对交变电流有效值的理解交变电流的有效值是根据电流的热效应(电流通过电阻生热)进行定义的，所以进行有效值计算时，要紧扣电流通过电阻生热(或热功率)进行计算．注意“三同”：即“相同电阻”，“相同时间”内产生“相同热量”．计算时“相同时间”要取周期的整数倍，一般取一个周期．注意：在交流电路中，电压表、电流表等电工仪表的示数均为交变电流的有效值．在没有具体说明的情况下，所给出的交变电流的电压、电流指的是有效值．特别提醒：(1)由感应电动势的最大值公式Em＝nBSω得，Em仅由n、B、S、ω四个物理量所决定，与轴的具体位置和线圈的形状都无关．(2)若图象部分是正弦交变电流，其中的14T和12T部分的有效值可直接应用I＝Im2，U＝Um2的关系．即时应用(即时突破，小试牛刀)2．(2011年青岛模拟)已知某电阻元件在正常工作时，通过它的电流按如图10－1－4所示的规律变化．今与这个电阻元件串联一个多用电表(已调至交流电流挡)，则多用电表的读数为()图10－1－4A．42AB．4AC．5AD．52A解析：选C.多用电表的读数为有效值，由I2RT＝(82)2RT2＋(32)2RT2，得I＝5A．C项正确．经典题型探究交流电的描述(2010年高考广东理综卷)如图10－1－5是某种正弦式交变电压的波形图，由图可确定该电压的()A．周期是0.01sB．最大值是311VC．有效值是220VD．表达式为u＝220sin100πt(V)例1图10－1－5【解析】由交变电流的图象知，周期是0.02s，A错误；最大值是311V，B正确；有效值是220V，C正确；瞬时值表达式为u＝311sin100πt(V)，D错误．【答案】BC(满分样板16分)一个电阻为r、边长为L的正方形线圈abcd共N匝，线圈在磁感应强度为B的匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴OO′以如图10－1－6所示的角速度ω匀速转动，外电路电阻为R.交流电“四值”的计算例2图10－1－6(1)在图中标出此刻线圈感应电流的方向．(2)线圈转动过程中感应电动势的最大值有多大？(3)线圈平面与磁感线夹角为60°时的感应电动势为多大？(4)设发电机由柴油机带动，其他能量损失不计，线圈转一周，柴油机做多少功？(5)从图示位置开始，线圈转过60°的过程中通过R的电量是多少？(6)图中电流表和电压表的示数各是多少？解题样板规范步骤，该得的分一分不丢！(1)由右手定则可判定电流的方向沿dcba.(2分)(2)Em＝NBSω＝NBωL2.(2分)(3)线圈平面与B成60°角时的瞬时感应电动势e＝Em·cos60°＝12NBωL2.(2分)(4)电动势的有效值E＝Em2(1分)电流的有效值I＝ER＋r，柴油机做的功转化为电能，线圈转一周柴油机做的功W＝EIt＝E2R＋rt＝NBωL222R＋r·2πω＝πNB2ωL4R＋r.(2分)(5)因为I平均＝E平均R＋r＝N·ΔΦΔtR＋r，(2分)故电量q＝I平均·Δt＝NBS·sin60°R＋r＝3NBL22R＋r.(2分)(6)电流表显示干路电流的有效值，则读数为I＝Im2＝NBωL22R＋r.(1分)电压表显示路端电压的有效值，则读数为U＝Um2＝NBωL2R2R＋r.(2分)【答案】见解题样板【规律总结】正确理解交变电流的“四值”是解题关键，求电荷量时要用平均值，由法拉第电磁感应定律E＝ΔΦΔt求得；交流电路中电表显示的是有效值；计算热量、功率、电功一定要用有效值求解．如图10－1－7所示，交流发电机转子有n匝线圈，每匝线圈所围面积为S，匀强磁场的磁感应强度为B，线圈匀速转动的角速度为ω，线圈的电阻为r，外电路电阻为R.当线圈由图中实线位置匀速转动90°到达虚线位置过程中，试问：(1)通过R的电荷量q为多少？(2)R上产生的电热QR为多少？(3)外力做的功W为多少？交变电流的综合问题分析例3图10－1－7【思路点拨】(1)计算通过截面的电荷量q应该用电流的平均值．(2)求电热应该用有效值，可以先求电路的总电热Q，然后再按照内外电阻之比求R上产生的电热QR.(3)根据能量守恒定律，外力做功的过程是机械能向电能转化的过程，电流通过电阻而发热，又将电能转化为内能，即产生电热．【解析】(1)由I＝qt可得q＝It，I＝ER＋r＝nΔΦtR＋r＝nBStR＋r，则q＝nBSR＋r.(2)Q＝I2(R＋r)t＝E2R＋r·π2ω＝nBSω22R＋r·π2ω＝πωn2B2S24R＋r，QR＝RR＋rQ＝πωn2B2S2R4R＋r2.(3)W＝Q＝πωn2B2S24R＋r.【易误警示】本题中求电荷量时易错用交变电流的峰值或有效值求解．平均值是交变电流图象中的波形和横轴(时间轴)所围面积与时间的比值，其数值可根据法拉第电磁感应定律求得，而不是两个时刻瞬时值的算术平均值．在交变电流的一个周期中，时间取值范围不同，往往平均值就不同．求通过电路的电荷量用电流的平均值．【答案】(1)nBSR＋r(2)πωn2B2S2R4R＋r2(3)πωn2B2S24R＋r