《金版新学案》安徽省2012高三物理一轮 第10章 第一讲 交变电流的产生和描述课件 选修3-2

第十章交变电流传感器交流发电机及其产生正弦式交变电流的原理．正弦式交变电流的图象和三角函数表达．最大值与有效值周期与频率Ⅱ电阻、电感和电容对交变电流的作用Ⅰ变压器的原理、电压比和电流比Ⅱ电能的输送Ⅰ实验：练习使用示波器说明：只要求讨论单相理想变压器第一讲交变电流的产生和描述一、交变电流的产生和变化规律1．交变电流大小和_____都随时间做_______变化的电流，叫做交变电流，简称交流(AC)．2．正弦式交变电流(如下图所示)方向周期性(1)定义：按_________变化的交变电流．(2)产生：将闭合矩形线圈置于_____磁场中，并绕_____________方向的轴做_____转动．(3)中性面：与磁场方向_____的平面．正弦规律匀强垂直于磁场匀速垂直3．正弦式交变电流的变化规律(线圈在中性面位置开始计时)：(1)电动势e随时间变化的规律：e＝_________.(2)负载两端的电压u随时间变化的规律：u＝__________.(3)电流i随时间变化的规律：i＝_________.其中ω等于线圈转动的_______，Em＝_______.EmsinωtUmsinωtImsinωt角速度nBSω4．正弦交变电流的图象(如下图所示)二、描述交变电流的物理量1．周期和频率(1)周期T：交变电流完成一次周期性变化(线圈转一周)所需的______，单位是秒(s)．公式表达式为T＝2πω.(2)频率f：交变电流在1s内完成_______变化的次数，单位是__________．(3)周期和频率的关系：T＝___或f＝___.时间周期性赫兹(Hz)1f1T2．交变电流的瞬时值、峰值、有效值(1)瞬时值：交变电流某一时刻的值，是时间的函数．(2)峰值：交变电流的电流或电压所能达到的最大值，也叫最大值．(3)有效值：①根据电流的________来定义．热效应②用直流电压、电流表征交流电压、电流．③正弦交流电的有效值I＝____U＝____E＝____Im2Um2Em2有效值应用非常广泛，用电器铭牌上所标的电压都是额定电压的有效值．三、电感和电容对交变电流的作用1．电感：通直流，________；通低频，_________．2．电容：通交流，________；通高频，_________．阻交流阻高频隔直流阻低频一、对中性面的理解1．中性面是与磁场方向垂直的平面，是假想的参考面．2．线圈平面位于中性面时，穿过线圈平面的磁通量最大，而磁通量的变化率为零，产生的感应电动势为零．3．线圈平面与中性面垂直时，穿过线圈平面的磁通量为零，但磁通量的变化率最大，产生的感应电动势最大．4．线圈每经过中性面一次电流方向就改变一次，线圈转动一周，两次经过中性面，所以电流的方向改变两次．二、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”一般取一个周期．三、交变电流的瞬时值、峰值、有效值、平均值的比较物理量物理含义重要关系适用情况及说明瞬时值交变电流某一时刻的值e＝Emsinωti＝Imsinωt计算线圈某时刻的受力情况峰值最大的瞬时值Em＝nBSωIm＝Em/(R＋r)讨论电容器的击穿电压有效值跟交变电流的热效应等效的恒定电流值对正(余)弦交变电流有：E＝Em/2U＝Um/2I＝Im/2(1)计算与电流的热效应有关的量(如功、功率、热量等)(2)电器设备“铭牌”上所标的一般是有效值(3)保险丝的熔断电流值为有效值平均值交变电流图象中图线与时间轴所夹的面积与时间的比值E＝BLvE＝nΔΦΔtI＝ER＋r计算通过电路截面的电荷量1.图中闭合线圈都在匀强磁场中绕虚线所示的固定转轴匀速转动，不能产生正弦式交变电流的是()答案：C2．(2011·福州质检)一矩形线圈，绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定轴转动．线圈中的感应电动势e随时间t的变化如右图所示，下列说法中正确的是()A．t1时刻通过线圈的磁通量为零B．t2时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大C．t3时刻线圈的磁通量变化率的绝对值最大D．每当e变换方向时，通过线圈的磁通量的绝对值都为最大答案：D解析：t1、t3时刻线圈中的感应电动势e＝0，故为线圈通过中性面的时刻，线圈的磁通量为最大，磁通量的变化率为零，故A、C错误；t2时刻e＝－Em，为线圈平面转至与磁感线平行时刻，磁通量为零，B错误；每当e变换方向时，也就是线圈通过中性面的时刻，通过线圈的磁通量绝对值最大，D正确．3．如右图所示，矩形线框置于竖直向下的磁场中，通过导线与灵敏电流表相连，线框在磁场中绕垂直于磁场方向的转轴匀速转动，图中线框平面处于竖直面内，下述说法正确的是()A．因为线框中产生的是交变电流，所以电流表示数始终为零B．线框通过图中位置瞬间，穿过线框的磁通量最大C．线框通过图中位置瞬间，通过电流表的电流瞬时值最小D．若使线框转动的角速度增大一倍，那么通过电流表电流的有效值也增大一倍答案：D解析：本题考查电磁感应现象，基础题．线框在匀强磁场中匀速转动时，在中性面即线框与磁感线垂直时，磁通量最大感应电动势最小，而在题中图示位置线框与磁感应线平行时，磁通量最小感应电动势最大，A、B、C项均错；电流的有效值I＝nBSω2R，现在其余的量都不变，角速度增大一倍后，电流也增大一倍，D正确．4．(2011·四川成都高中毕业班摸底)一个矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，产生的交流电动势的瞬时值表达式为e＝2202sin100πt(V)，下列判断错误的是()A．该交变电动势的最大值是2202VB．该交变电动势的有效值是220VC．线圈转动的角速度是100πrad/sD．在1s内，线圈中的电流方向将改变50次答案：D解析：由交变电动势的瞬时值表达式为e＝2202sin100πt(V)，所以该交变电动势的最大值为2202V，有效值是220V，角速度是100πrad/s，选项A、B、C正确，在1s内，线圈中的电流方向将改变100次，选项D错误．5．(2010·广东理综改编题)右图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311VD．表达式为u＝220sin100πt(V)答案：B解析：由图象知，该交变电压的周期为0.02s，最大值为311V，而有效值U＝Um2＝3112V＝220V，故A、C错，B正确．正弦交变电压的瞬时值表达式u＝Umsinωt＝311sin2π0.02t(V)＝311sin100πt(V)，故D选项错误．交变电流的图象及应用某交流发电机给灯泡供电，产生正弦式交变电流的图象如下图所示，下列说法中正确的是()A．交变电流的频率为0.02HzB．交变电流的瞬时表达式为i＝5cos50πt(A)C．在t＝0.01s时，穿过交流发电机线圈的磁通量最大D．若发电机线圈电阻为0.4Ω，则其产生的热功率为5W答案：D解析：由图象知，交流电的周期为0.02s，故频率为50Hz，A错误；转动的角速度ω＝2πT＝100π，故电流瞬时表达式为i＝5cos100πt(A)，B错；t＝0.01s时，电流最大，此时线圈磁通量应为0，C错；交流电电流的有效值I＝Im2＝52A，故P＝I2R＝522×0.4W＝5W，故D正确．根据图象可以确定的物理量(1)电流最大值；(2)周期T和频率f；(3)不同时刻交流电的瞬时值；(4)线圈处于中性面和电流最大值对应的时刻；(5)任意时刻线圈的位置和磁场的夹角．1－1：一只矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，穿过线圈的磁通量随时间变化的图象如图甲所示，则下列说法正确的是()A．t＝0时刻线圈平面与中性面垂直B．t＝0.01s时刻Φ的变化率达最大C．0.02s时刻感应电动势达到最大D．该线圈相应的感应电动势图象如图乙所示答案：B解析：由Φ－t图知，在t＝0时，Φ最大，即线圈处于中性面位置，此时e＝0，故A、D两项错误；由图知T＝0.04s，在t＝0.01s时，Φ＝0，ΔΦΔt最大，e最大，则B项正确；在t＝0.02s时，Φ最大，ΔΦΔt＝0，e＝0，则C项错．交变电流“四值”的应用(15分)如下图所示，线圈abcd的面积是0.05m2，共100匝，线圈电阻为1Ω，外接电阻R为9Ω，匀强磁场的磁感应强度为B＝1πT，当线圈以300r/min的转速匀速旋转时，求：(1)若从线圈处于中性面开始计时，写出线圈中感应电动势的瞬时值表达式；(2)线圈转过130s时电动势的瞬时值多大；(3)电路中，电压表和电流表的示数各是多少？(4)从中性面开始计时，经130s通过电阻R的电荷量为多少？【规范解答】解：(1)e＝Emsinωt＝nBS·2πfsin(2πft)＝100×1π×0.05×2π×30060sin2π×30060t＝50sin(10πt)V.(3分)(2)当t＝130s时e＝50sin10π×130≈43.3V．(2分)(3)电动势的有效值为E＝Em2＝502V≈35.4V，(2分)电流表示数I＝ER＋r＝35.49＋1A＝3.54A，(1分)电压表示数U＝IR＝3.54×9V＝31.86V．(1分)(4)130s内线圈转过的角度θ＝ωt＝30060×2π×130＝π3.(1分)该过程中，ΔΦ＝BS－BScosθ＝12BS，(1分)由I＝qΔt，I＝ER＋r，E＝nΔΦΔt得q＝nΔΦR＋r＝nBS2R＋r＝100×1π×0.052×9＋1C＝14πC．(4分)答案：(1)e＝50sin(10πt)V(2)43.3V(3)31.86V3.54A(4)14πC(1)中性面是交变电流产生过程中的重要位置，从中性面开始计时和从其他位置开始计时计算交变电流的表达式不同．(2)交流电路中，电流表、电压表测量的都是有效值．(3)交流电路中，欧姆定律、焦耳定律同样适用．2－1：如图所示的发电装置向外供电，发电机内部正方形线圈的边长为L，匝数为n，线圈的电阻不计，在磁感应强度为B的匀强磁场中，绕垂直于磁感线的轴OO′匀速转动．灯炮L1、L2的电阻分别为R1和R2，电流表的示数为I.下列说法中正确的是()①灯泡L1的电功率为I2R1②通过电阻R3的电流始终为零③当由图示位置(线圈平面与磁感线垂直)转过90°时，灯泡L2两端的电压达到最大值④线圈转动的角速度为IR1nBL2A．①②B．①③C．③④D．②③答案：B解析：电流表上测得的值是电流的有效值，而计算功率时也用有效值，①正确；线圈中产生交流电，而交流电能通过电容器，②错；当由图示位置转过90°时，线圈平面与磁感线平行，此时线圈中磁通量的变化率最大，线圈产生的电动势也最大，此时灯泡L2两端的电压达到最大值，③正确；线圈产生的电动势的最大值Em＝nBωL2＝2IR1，则ω＝2IR1nBL2，④错．所以选项B正确．1.如右图所示，矩形线圈abcd，面积为S，匝数为N，线圈电阻为R，在匀强磁场中可以分别绕垂直于磁场方向的轴P1和P2以相同的角速度ω匀速转动，(P1以ab边为轴，P2以ad边中点为轴)当线圈平面从与磁场方向平行开始计时，线圈转过90°的过程中，绕P1及P2轴转动产生的交流电的电流大小，电荷量及焦耳热分别为I1，q1，Q1及I2，q2，Q2，则下面判断正确的是()A．线圈绕P1和P2转动时电流的方向相同，都是a→b→c→dB．q1q2＝NBS/2RC．I1＝I2＝(NBωS)/2RD．Q1Q2＝πω(NBS)2/2R答案：C解析：本题考查电磁感应中电荷量、热量、电流的计算和感应电流方向的判断．绕P、P′转动时电流的方向相同，但电流的方向为a→d→c→b→a，A错；电荷量q＝nΔφR，与绕哪个轴转动没有关系，B错；线圈绕两轴转动时产生的电动势相同，所以电流相同，发热也相同，C对D错．2．两只相同的电阻，分别通过简谐波形的交流电和方形波的交流电．两种交变电流的最大值相等，波形如图