2020高考物理 月刊專版 專題09 交變電流和電磁感應(yīng)交變電流專題解讀

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1、交變電流和電磁感應(yīng)交變電流 一、交變電流的產(chǎn)生 1. 正弦交流電的產(chǎn)生 當(dāng)閉合矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，繞垂直于磁感線的軸線做勻角速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，閉合線圈中就方向轉(zhuǎn)動(dòng)．此時(shí)，線圈都不切割磁感線，線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于零．經(jīng)過時(shí)間t線圈轉(zhuǎn)過ωt角，這時(shí)ab邊的線速度v方向跟磁感線方向夾角等于ωt ，設(shè)ab邊的長(zhǎng)度為l，bd邊的長(zhǎng)度為l'，線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)到跟磁感線平行的位置時(shí)，線圈轉(zhuǎn)過T/4時(shí)間，ωt=π/2，ab邊和cd邊都垂直切割磁感線，sinωt =1，線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，用Em來表示，Em=BSω．則e =Emsinωt 由上式知，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，繞垂直于磁感線的軸做勻角

2、速轉(zhuǎn)動(dòng)的線圈里產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是按正弦規(guī)律變化的． 根據(jù)閉合電路歐姆定律：，令，則 i=Imsinωt 路端電壓u=iR=ImRsinωt，令Um=ImR，則 　　　　　　　　　　　u=Umsinωt 如果線圈從如圖所示位置開始轉(zhuǎn)動(dòng)，電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、感應(yīng)電流和路端電壓將按余弦規(guī)律變化 　　　　　　　　　　e=Emcosωt 　 　i=Imcosωt 　u=Umcosωt 2．中性面 當(dāng)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)至線圈平面垂直于磁感線位置時(shí)，各邊都不切割磁感線，線圈中沒有感應(yīng)電流，這個(gè)特定位置叫做中性面． 應(yīng)注意：①中性面在垂直于磁場(chǎng)位置．②線圈通過中性面時(shí)，穿過線圈的磁通量最大．③線

3、圈平面通過中性面時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零．④線圈平面每轉(zhuǎn)過中性面時(shí)，線圈中感應(yīng)電流方向改變一次，轉(zhuǎn)動(dòng)一周線圈兩次通過中性面，故一周里線圈中電流方向改變兩次． 3．正弦交流電的圖象 矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，繞垂直于磁感線的軸做勻角速轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈里產(chǎn)生正弦交流電．當(dāng)線圈從中性面開始轉(zhuǎn)動(dòng)，在一個(gè)周期中：在t（0，T/4）時(shí)間內(nèi)，線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)從0達(dá)到最大值Em．在t （T/4，T/2）時(shí)間內(nèi)，線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)從最大值Em減小到0．在t （T/2，3T/4）時(shí)間內(nèi)，線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)從0增加到負(fù)的最大值-Em．在t （3T/4，T）時(shí)間內(nèi)，線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的值從負(fù)的最大值-Em減小到0． 電路中的感應(yīng)電流、

4、路端電壓與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化規(guī)律相同，如圖所示． 生活中用的市電電壓為220V，其最大值為220V=311V（有時(shí)寫為310V），頻率為50HZ，所以其電壓瞬時(shí)值的表達(dá)式為u=311sin314tV。 【例1】有一正弦交流電源，電壓有效值U=120V，頻率為f=50Hz向一霓虹燈供電，若霓虹燈的激發(fā)電壓和熄滅電壓均為U0=60V，試估算在一個(gè)小時(shí)內(nèi)，霓虹燈發(fā)光時(shí)間有多長(zhǎng)？為什么人眼不能感到這種忽明忽暗的現(xiàn)象？ 解析：由正弦交流電的最大值與有效值U的關(guān)系得：Um=120V 設(shè)t=0時(shí)交流電的瞬時(shí)電壓U=0則交流電的瞬時(shí)表達(dá)式為 U=120sin100t V 如圖所示，畫出一個(gè)周期內(nèi)交流

5、電的U-t圖象，其中陰影部分對(duì)應(yīng)的時(shí)間t1表示霓虹燈不能發(fā)光的時(shí)間，根據(jù)對(duì)稱性，一個(gè)周期內(nèi)霓虹燈不能發(fā)光的時(shí)間為4t1， 當(dāng)U=U0=60V時(shí)，由上式得t1=1/600s，再由對(duì)稱性求得一個(gè)周期內(nèi)能發(fā)光的時(shí)間：t=T-4t1= 再由比例關(guān)系求得一小時(shí)內(nèi)霓虹燈發(fā)光的時(shí)間為：t= 很明顯霓虹燈在工作過程中是忽明忽暗的，而熄滅的時(shí)間只有1/300s（如圖t2時(shí)刻到t3時(shí)刻）由于人的眼睛具有視覺暫留現(xiàn)象，而這個(gè)視覺暫留時(shí)間約1/16s為遠(yuǎn)大于1/300s，因此經(jīng)過燈光刺激的人眼不會(huì)因?yàn)槎虝旱南缍兴杏X。 在220 V的交流電源上正常發(fā)光.從而錯(cuò)誤的認(rèn)為電容器的耐壓值也只要不低于220V即可

6、，事實(shí)上，電容器接在交流電路中一直不斷地進(jìn)行充、放電過程.電容器兩極間電壓最大可達(dá)200V，故電容器C的耐壓值應(yīng)不低于200V. 3、平均值：它是指交流電圖象中圖線與橫軸所圍成的面積值跟時(shí)間的比值.其量值可用法拉第電磁感應(yīng)定律·來求，特殊地，當(dāng)線圈從中性面轉(zhuǎn)過90度的過程中，有.計(jì)算平均值切忌用算術(shù)平均法即求解。平均值不等于有效值。 【例3】如圖所示，求線圈由圖示位置轉(zhuǎn)過60°角的過程中，通過線圈某一橫截面的電量. 解析：在計(jì)算電量問題中，一定要用電流、電壓平均值 ·而 又，　　∴·＝ 4、有效值： 交變電流的有效值是根據(jù)電流的熱效應(yīng)規(guī)定的：讓交流和直流通過相同阻值的電阻，如果它

7、們?cè)谙嗤臅r(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量相等，就把這一直流的數(shù)值叫做這一交流的有效值。 正弦交流電的有效值跟最大值之間的關(guān)系是：， 對(duì)于非正弦電流的有效值以上關(guān)系不成立，應(yīng)根據(jù)定義來求。通常所說交流電壓、電流是用電壓表、電流表測(cè)得的，都是指有效值.用電器上所標(biāo)電壓、電流值也是指有效值.在計(jì)算交流電通過導(dǎo)體產(chǎn)生熱量、熱功以及確定保險(xiǎn)絲的熔斷電流時(shí)，只能用有效值。 設(shè)電路各電阻消耗的總焦耳熱為 ＝R 從金屬棒開始運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)過程，利用能量守恒關(guān)系有 ＋μmgcosθ·s＋mgsinθ·s＝ R＝＝5J 此題中，求電阻產(chǎn)生的焦耳熱應(yīng)該用電流的有效值計(jì)算，由于無法求，因此只能通過能量關(guān)系求得. 三

8、、感抗和容抗（統(tǒng)稱電抗） 1、感抗表示電感對(duì)交變電流的阻礙作用，其特點(diǎn)是“通直流，阻交流”、“通低頻，阻高頻”。 2、容抗表示電容對(duì)交變電流的阻礙作用，其特點(diǎn)是“通交流，隔直流”、“通高頻，阻低頻”。 C1 C2 【例5】 左右兩個(gè)電路都是從左端輸入信號(hào)，從右端輸出信號(hào)。左圖中輸入的是高頻、低頻混合的交流信號(hào)，要求只輸出低頻信號(hào)；右圖中輸入的是直流和低頻交流的混合信號(hào)，要求只輸出低頻交流信號(hào)。那么C1、C2中哪個(gè)該用大電容？哪個(gè)該用小電容？ 解：電容的作用是“通交流，隔直流”、“通高頻，阻低頻”，由其表達(dá)式XC=1/2πfC可看出：左圖中的C1必須用電容小些的，才能使高頻交流順利通

9、過，而低頻不易通過，這種電容器叫高頻旁路電容器。右圖中的C2一般用電容大的，使低頻交流電很容易通過，只有直流成分從電阻上通過，這種電容器叫隔直電容器。 【例6】 電學(xué)元件的正確使用，對(duì)電路安全工作起著重要作用。某電解電容器上標(biāo)有“25V ，450μF”字樣，下列說法中正確的是 A.此電容器在交流、直流電路25V的電壓時(shí)都能正常工作 B.此電容器只有在不超過25V的直流電壓下才能正常工作 C.當(dāng)工作電壓是直流25V時(shí)，電容才是450μF D.若此電容器在交流電壓下工作，交流電壓的最大值不能超過25V 解：電解電容器的極性是固定的，因此只能在直流電壓下工作。選B 四、綜合例析 【例

10、7】交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子由B∥S的位置開始勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，與它并聯(lián)的電壓表的示數(shù)為14.1V，那么當(dāng)線圈轉(zhuǎn)過30°時(shí)交流電壓的瞬時(shí)值為＿＿V。 解：電壓表的示數(shù)為交流電壓有效值，由此可知最大值為Um=U=20V。而轉(zhuǎn)過30°時(shí)刻的瞬時(shí)值為u=Umcos30°=17.3V。 不能用有效值、最大值或瞬時(shí)值。 ⑵求電熱應(yīng)該用有效值，先求總電熱Q，再按照內(nèi)外電阻之比求R上產(chǎn)生的電熱QR。 ， 這里的電流必須要用有效值，不能用平均值、最大值或瞬時(shí)值。 ⑶根據(jù)能量守恒，外力做功的過程是機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)化的過程，電流通過電阻，又將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，即放出電熱。因此W=Q 。一定要學(xué)會(huì)用能量轉(zhuǎn)化和守恒定律來分析功和能。 【例10】 左圖所示是某種型號(hào)的電熱毯的電路圖，電熱毯接在交變電源上，通過裝置