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1、高考物理專題復(fù)習(xí) 交變電流(一)
【親愛的同學(xué):過了這條河我們就可以抵達(dá)花的海洋;爬過這座山我們就可以到達(dá)山的頂峰;戰(zhàn)勝這個困難我們就可以來到夢想的地方!相信自己!】
一、 回顧舊知
1、 《恒定電流》一節(jié)中電流、電阻定律、電功和電功率、電阻的串并聯(lián)、電動勢概念公式。
2、 楞次定律、右手定則、電磁感應(yīng)定律
二、新課講解?
1、考 點(diǎn):交變電流的變化規(guī)律、周期頻率、有效值及最大值、電感和電容、變壓器和應(yīng)用。
2、重難點(diǎn):交變電流的變化規(guī)律及產(chǎn)生過程的分析,電感和電容、變壓器
3、易混點(diǎn):電感和電容
三、知識點(diǎn)精講
(一)交變電流
1、 概念:大小和方
2、向都隨時間作周期性變化的電流
如圖15-1所示(b)、(c)、(e)所示電流都屬于交流,其中按正弦規(guī)律變化的交流叫正弦交流。如圖(b)所示。而(a)、(d)為直流其中(a)為恒定電流。
2、 交變電流的產(chǎn)生
矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動,為什么會產(chǎn)生交變電流呢?
發(fā)電機(jī)的工作原理:
(甲) (乙) (丙) (?。? (戊)
線框逆時針勻速轉(zhuǎn)動過程中,哪些邊在切割磁感線?(ab和cd)
ab邊和cd邊在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動,切割磁感線,在線框中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,在電路中就產(chǎn)生感應(yīng)電流。
緩慢轉(zhuǎn)動線框,當(dāng)線框平面與磁感線平行時,就會發(fā)現(xiàn)此時感應(yīng)電
3、動勢最大。繼續(xù)轉(zhuǎn)動線框,當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)指針偏角最小,即此時線框平面與磁感線垂直。
我們把與磁感線垂直的平面稱為中性面,線框處于中性面時通過的磁通量最大,感應(yīng)電流、感應(yīng)電動勢為零。
為了能更加方便地說明問題,我們將立體圖轉(zhuǎn)化為平面圖來分析。
a(b)
d(c)
甲
a(b)
d(c)
戊
a(b)
d(c)
乙
a(b)
d(c)
丙
a(b)
d(c)
丁
甲圖線框處于中性面,ab邊和cd邊不切割磁感線,線框中E感=0,I感=0,
乙圖線框ab邊和cd邊都在切割磁感線,線框中產(chǎn)生感應(yīng)電流,根據(jù)右手定則可知,感應(yīng)電流是沿abcd方
4、向流動的。
丙圖(同甲圖)
丁圖線框ab邊和cd邊都在切割磁感線,線框中產(chǎn)生感應(yīng)電流,根據(jù)右手定則可知,感應(yīng)電流是沿dcba方向流動的。
戊圖(同甲圖)
可以看出,線框每經(jīng)過一次中性面,感應(yīng)電流的方向就改變一次,因此線框每轉(zhuǎn)動一周,感應(yīng)電流的方向改變兩次。
3.交變電流的圖像和變化規(guī)律
定量分析線框轉(zhuǎn)動一周過程中感應(yīng)電動勢大小隨時間的變化關(guān)系。
設(shè)線框平面從中性面開始轉(zhuǎn)動,角速度是ω,經(jīng)時間t線框轉(zhuǎn)過的角度是ωt,ab邊的線速度v的方向跟磁感線方向的夾角也等于ωt,ab邊的長度為L,磁感強(qiáng)度為B,則ab邊的感應(yīng)電動勢是
Eab=Blvsinωt
a(b)
d(c)
戊
5、
v
v
Cd邊中的感應(yīng)電動勢跟ab邊中的感應(yīng)電動勢大小相同,且兩邊又是串聯(lián),所以這一瞬間整個線框中的感應(yīng)電動勢
e=2 Blvsinωt
t(s)
e(i,u)
0
Em
-Em
令Em=2 Blv
即e=Em sinωt
i=e/R=Em sinωt/R=Imsinωt
總結(jié):交變電流的大小和方向都隨時間按正弦規(guī)律變化。
因此,交變電流的規(guī)律也可以用圖像來表示。
在直角坐標(biāo)系中,橫軸表示線圈平面跟中性面的夾角(或者表示線圈轉(zhuǎn)動經(jīng)過的時間t),縱坐標(biāo)表示感應(yīng)電動勢e(感應(yīng)電流I)。
4、交流發(fā)電機(jī)
(1)發(fā)電機(jī)的基本組成:
①用來產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的
6、線圈(叫電樞)②用來產(chǎn)生磁場的磁極
(2)發(fā)電機(jī)的基本種類
①旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)(電樞動磁極不動)②旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)(磁極動電樞不動)
無論哪種發(fā)電機(jī),轉(zhuǎn)動的部分叫轉(zhuǎn)子,不動的部分叫定子
(二)描述交變電流的物理量
1、表征交變電流大小物理量
①瞬時值:對應(yīng)某一時刻的交流的值 用小寫字母x 表示,e i u
②峰值:即最大的瞬時值 用大寫字母表示,Um Im εm
εm= nsBω Im=εm/ R
注意:線圈在勻強(qiáng)磁場中繞垂直于磁感線方向的軸勻速轉(zhuǎn)動時,所產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的峰值為
ε=NBSω,即僅由匝數(shù)N,線圈面積S,磁感強(qiáng)度B和
7、角速度ω四個量決定。與軸的具體位置,線圈的形狀及線圈是否閉合都是無關(guān)的。
③有效值:
ⅰ、意義:描述交流電做功或熱效應(yīng)的物理量
ⅱ、定義:跟交流熱效應(yīng)相等的恒定電流的值叫做交流的有效值。
ⅲ、正弦交流的有效值與峰值之間的關(guān)系是ε= I= U=。
注意:正弦交流的有效值和峰值之間具有ε=,U=的關(guān)系,非正弦(或余弦)交流無此關(guān)系,但可按有效值的定義進(jìn)行推導(dǎo),如對于正負(fù)半周最大值相等的方波電流,其熱效應(yīng)和與其最大值相等的恒定電流是相同的,因而其有效值即等于其最大值。即I=I。
ⅳ、交流用電器的額定電壓和額定電流指的是有效值;交流電流表和交流電壓表的讀數(shù)是有效值。對于交流電若沒有
8、特殊說明的均指有效值。
ⅴ、在求交流電的功、功率或電熱時必須用交流電的有效值。
④、峰值、有效值、平均值在應(yīng)用上的區(qū)別。
峰值是交流變化中的某一瞬時值,對純電阻電路來說,沒有什么應(yīng)用意義。若對含電容電路,在判斷電容器是否會被擊穿時,則需考慮交流的峰值是否超過電容器的耐壓值。
交流的有效值是按熱效應(yīng)來定義的,對于一個確定的交流來說,其有效值是一定的。而平均值是由公式確定的,其值大小由某段時間磁通量的變化量來決定,在不同的時間段里是不相同的。如對正弦交流,其正半周或負(fù)半周的平均電動勢大小
為,而一周期內(nèi)的平均電動勢卻為零。在計(jì)算交流通過電阻產(chǎn)生的熱功率時,只能用有
9、效值,而不能用平均值。在計(jì)算通過導(dǎo)體的電量時,只能用平均值,而不能用有效值。
在實(shí)際應(yīng)用中,交流電器銘牌上標(biāo)明的額定電壓或額定電流都是指有效值,交流電流表和交流電壓表指示的電流、電壓也是有效值,解題中,若題示不加特別說明,提到的電流、電壓、電動勢時,都是指有效值。
2、表征交變電流變化快慢的物理量
①、周期T:電流完成一次周期性變化所用的時間。單位:s .
②、頻率f:一秒內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)。單位:HZ.
③、角頻率ω:就是線圈在勻強(qiáng)磁場中轉(zhuǎn)動的角速度。單位:rad/s.
④、角速度、頻率、周期,的關(guān)系 ω=2f=
[疑難辨析]
交流電的電動勢瞬時值和穿過線圈面積的
10、磁通量的變化率成正 比。當(dāng)線圈在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動時,線圈磁通量也是按正弦(或余弦)規(guī)律變化的,若從中性面開始計(jì)時,t=0時,磁通量最大,φ應(yīng)為余弦函數(shù),此刻變化率為零(切線斜率為零),t=時,磁通量為零,此刻變化率最大(切線斜率最大),因此從中性面開始計(jì)時,感應(yīng)電動勢的瞬時表達(dá)式是正弦函數(shù),如圖15-2(a)(b)所示分別是φ=φcosωt和e=εsinωt。
(二)課堂練習(xí)
【例1】一矩形線圈,繞垂直于勻強(qiáng)磁場并位于線圈平面內(nèi)的固定軸轉(zhuǎn)動,線圈中的感應(yīng)電動勢e隨時間t的變化如圖所示。下面說法中正確的是 ( )
A.t1時刻通過線圈的磁通量為零
B.t2時刻通過線圈的磁通量的
11、絕對值最大
C.t3時刻通過線圈的磁通量變化率的絕對值最大
D.每當(dāng)e轉(zhuǎn)換方向時,通過線圈的磁通量的絕對值都為最大
【例2】如圖表示一交流隨時間變化的圖像,求此交流的有效值。
解析:此題所給交流正負(fù)半周的最大值不相同,許多同學(xué)對交流電有效值的意義理解不深,只知道機(jī)械地套用正弦交流電的最大值是有效值的倍的關(guān)系,直接得出有效值,而對此題由于正負(fù)半周最大值不同,就無從下手。應(yīng)該注意到在一個周期內(nèi)前半周期和后半周期的有效值是可求的,再根據(jù)有效值的定義,選擇一個周期的時間,利用在相同時間內(nèi)通過相同的電阻所產(chǎn)生的熱量相同,從焦耳定律求得。
IR·T=I1R·+ I2R
12、·
即I=(·+()·
解得 I=A
四、 課堂小結(jié),布置作業(yè)。
練 習(xí) 題
一、選擇題
1.下面哪些因素影響交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電動勢的最大值 【 】
A.磁感強(qiáng)度 B.線圈匝數(shù)C.線圈面積 D.線圈轉(zhuǎn)速E.線圈初始位置
2.甲、乙兩電路中電流與時間關(guān)系如圖1,屬于交變電流的是 【 】
A.甲乙都是 B.甲是乙不是
C.乙是甲不是 D.甲乙都不是
3.矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的電動勢e-t圖像如圖2,則在時刻 【 】
A.t1,t3線圈通過中性面
B.t2,t4線圈中磁通量最大
13、 C.t1,t3線圈中磁通量變化率最大
D.t2,t4線圈平面與中性面垂直
4.如圖3,矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中繞OO′軸勻速轉(zhuǎn)動,當(dāng)轉(zhuǎn)到圖示位置時,線圈的 【 】
A.磁通變化率為零
B.感應(yīng)電流為零
C.磁力矩為零
D.感應(yīng)電流最大
5.關(guān)于線圈在勻強(qiáng)磁場中轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的交變電流,以下說法中正確的是 【 】
A.線圈平面每經(jīng)過中性面一次,感應(yīng)電流方向就改變一次,感應(yīng)電動勢方向不變
B.線圈每轉(zhuǎn)動一周,感應(yīng)電流方向就改變一次
C.線圈平面每經(jīng)過中性面一次,感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流的方向都要改變一次
D.線圈轉(zhuǎn)動一周,
14、感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流方向都要改變一次
6.下列說法正確的是 【 】
A.使用交流的設(shè)備所標(biāo)的電壓和電流都是最大值
B.交流電流表和電壓表測定的是有效值
C.在相同時間內(nèi)通過同一電阻,跟直流電有相同熱效應(yīng)的交變電流值是交流的有效值
D.給定的交變電流值在沒有特別說明的情況下都是指有效值
7.四個接220V交流的用電器,通電時間相同,則消耗電能最多的是 【 】
A.正常發(fā)光的額定功率為100W的燈泡
B.電流最大值為0.6A的電熨斗
C.每秒發(fā)熱40cal的電熱器
D.額定電流I=0.5A的電烙鐵
8.如圖4所示的交
15、流為u=311sin(314t+π/6)V,接在阻值220Ω的電阻兩端,則 【 】
A.電壓表的讀數(shù)為311V
B.電流表讀數(shù)為1.41A
C.電流表讀數(shù)是1A
D.2s內(nèi)電阻的電熱是440J
二、填空題
為______,頻率為______,接上R=10Ω電阻后,一周期內(nèi)產(chǎn)生的熱量為______,在圖5中作出電流與時間關(guān)系圖i-t.
10.正弦交變電流圖象如圖6所示,其感應(yīng)電動勢的最大值為_____ V,周期為 s.當(dāng)線圈轉(zhuǎn)速變?yōu)樵瓉淼谋稌r,所產(chǎn)生交變電動勢的有效值為______V.周期為______.
11.如圖6所示
16、,在第一個周期時間內(nèi),線圈轉(zhuǎn)到中性面的時刻為______末,此時穿過線圈的磁通量______(填最大,最小或零.下同),流過線圈的電流為______.在0.02s末時刻,線圈在磁場中的位置是_____________.
三、計(jì)算題
12.邊長為a的正方形線圈在磁感強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中,以一條邊為軸勻速轉(zhuǎn)動,角速度為ω,轉(zhuǎn)動軸與磁場方向垂直,若線圈電阻為R,則從圖7所示線圈平面與磁場方向平行的位置轉(zhuǎn)過90°角的過程中,在線圈中產(chǎn)生的熱量是多少?
13.如圖8中正方形線框abcd邊長L=0.1m,每邊電阻1Ω,在磁感強(qiáng)度B=0.3T勻強(qiáng)磁場中繞cd以勻速轉(zhuǎn)動,cd兩點(diǎn)與外電路相連,外電路電阻R=1Ω,求①S斷開時,電壓表讀數(shù);②當(dāng)電鍵S閉合時,電流表讀數(shù).