(2021新人教版)高中物理选择性必修第二册第3章 2.交变电流的描述讲义.doc
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1、2.2.交变电流的描述交变电流的描述 学习目标学习目标:1.物理观念物理观念知道描述交变电流的峰值知道描述交变电流的峰值、瞬时值瞬时值、平均值平均值、周期周期、 频率等物理量,并理解这些物理量的意义。频率等物理量,并理解这些物理量的意义。2.科学思维科学思维会根据有效值的定义会根据有效值的定义 求交变电流的有效值。求交变电流的有效值。3.科学思维科学思维能根据正弦式交变电流的峰值和有效值的能根据正弦式交变电流的峰值和有效值的 关系进行计算。关系进行计算。 一、周期和频率一、周期和频率 1物理意义:描述交变电流物理意义:描述交变电流变化快慢变化快慢的物理量的物理量。 2周期周期:交变电流完成一次
2、周期性变化所需的时间交变电流完成一次周期性变化所需的时间, ,用用 T 表示表示,单位是秒单位是秒 (s)。 3频率:频率:交变电流完成周期性变化的次数与所用时间之比。交变电流完成周期性变化的次数与所用时间之比。用 用 f 表示表示,单单 位是位是赫兹赫兹(Hz)。 4、T、f 的关系:的关系:2 T 2f,T1 f或 或 f1 T。 。 5我国民用交变电流的周期和频率我国民用交变电流的周期和频率 (1)周期:周期:T0.02 s。 (2)频率:频率:f50 Hz。 100 rad/s,电流方向每秒钟改变电流方向每秒钟改变 100 次次。 二、峰值、有效值和相位二、峰值、有效值和相位 1峰值峰
3、值 (1)定义:交变电流的电压定义:交变电流的电压、电流所能达到的电流所能达到的最大最大数值数值。 (2)应用:电容器所能承受的电压要应用:电容器所能承受的电压要高于高于交流电压的峰值交流电压的峰值。 2有效值有效值 (1)定义:让交变电流与恒定电流分别通过相同的定义:让交变电流与恒定电流分别通过相同的电阻电阻,如果它们在交流的如果它们在交流的 一个周期内产生的热量一个周期内产生的热量相等相等,则这个恒定电流的电流则这个恒定电流的电流 I、电压电压 U,叫作这个交流叫作这个交流 的有效值的有效值。 (2)应用应用 交流用电设备上所标的交流用电设备上所标的额定额定电压和电压和额定额定电流;电流;
4、 交流电压表测量的数值;交流电压表测量的数值; 无特别说明时提到的交变电流的数值无特别说明时提到的交变电流的数值。 3正弦式交变电流峰值和有效值的关系:正弦式交变电流峰值和有效值的关系:IIm 2, ,UUm 2。 。 1思考判断思考判断(正确的打正确的打“”“”,错误的打错误的打“” “”) (1)打点计时器所接交流电频率打点计时器所接交流电频率 f50 Hz 时时,打点周期为打点周期为 T0.02 s。 ( () ) (2)我国电网中交流电的频率是我国电网中交流电的频率是 100 Hz。( () ) (3)某段时间内的交流电的平均值等于这段时间初某段时间内的交流电的平均值等于这段时间初、末
5、时刻瞬时值的算术平末时刻瞬时值的算术平 均值均值。( () ) (4)我国民用交变电流的照明电压为我国民用交变电流的照明电压为 220 V 和动力电压为和动力电压为 380 V 都是指有效都是指有效 值值。( () ) (5)交变电流的有效值即为一个周期内的平均值交变电流的有效值即为一个周期内的平均值。( () ) 2关于交变电流的周期和频率关于交变电流的周期和频率,下列说法中正确的是下列说法中正确的是() A正弦式交变电流最大值连续出现两次的时间间隔等于周期正弦式交变电流最大值连续出现两次的时间间隔等于周期 B1 s 内交变电流出现最大值的次数等于频率内交变电流出现最大值的次数等于频率 C交
6、变电流方向变化的频率为交变电流频率的交变电流方向变化的频率为交变电流频率的 2 倍倍 D50 Hz 的交变电流的交变电流,其周期等于其周期等于 0.05 s C根据周期的定义知选项根据周期的定义知选项 A、B 错误错误;因为在一个周期的时间内因为在一个周期的时间内,交变电交变电 流会出现正向和负向最大值各一次,但相邻两个峰值的时间间隔为半个周期;流会出现正向和负向最大值各一次,但相邻两个峰值的时间间隔为半个周期; 交变电流在一个周期内方向改变两次,即方向变化的频率为交变电流频率的交变电流在一个周期内方向改变两次,即方向变化的频率为交变电流频率的 2 倍,故选项倍,故选项 C 正确;由正确;由
7、T1 f 1 50 s0.02 s,知选项,知选项 D 错误。错误。 3电阻电阻 R1、R2与交流电源按照图甲方式连接与交流电源按照图甲方式连接,R110 ,R220 。合上合上 开关开关 S 后后,通过电阻通过电阻 R2的正弦式交变电流的正弦式交变电流 i 随时间随时间 t 变化的情况如图乙所示变化的情况如图乙所示。 则则() 甲甲乙乙 A通过通过 R1的电流有效值是的电流有效值是 1.2A BR1两端的电压有效值是两端的电压有效值是 6 V C通过通过 R2的电流最大值是的电流最大值是 1.2 2A DR2两端的电压最大值是两端的电压最大值是 6 2 V B从题图乙可以看出从题图乙可以看出
8、, 该交变电流的电流最大值为该交变电流的电流最大值为 0.6 2A, 正弦式正弦式 交变电流有效值为交变电流有效值为 IIm 2 0.6 A,R1两端电压有效值为两端电压有效值为 U1IR16 V,R2两端两端 电压最大值为电压最大值为 UmImR20.6 220 V12 2 V,综上所述,正确选项为,综上所述,正确选项为 B。 周期和频率周期和频率 矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时,在线圈中产生在线圈中产生 了正弦交变电流了正弦交变电流。我国使用的交变电流的周期和频率各是多大?我国使用的交变电流的周期和频率各是多大? 提示:
9、提示:f50 Hz,T0.02 s 1线圈转动一周线圈转动一周,交变电流恰好完成一次周期性变化交变电流恰好完成一次周期性变化。 。 2从线圈转动的角度来说从线圈转动的角度来说,周期就是线圈在磁场中转动一周所用的时间周期就是线圈在磁场中转动一周所用的时间; 频率就是线圈在磁场中一秒钟内转动的圈数频率就是线圈在磁场中一秒钟内转动的圈数。 3线圈在匀强磁场中转动一周线圈在匀强磁场中转动一周,电动势电动势、电流都按正电流都按正(余余)弦规律变化一个弦规律变化一个 周期周期。 【例【例 1】如图所示如图所示,单匝闭合金属线框单匝闭合金属线框 abcd 在匀强磁场中绕垂直于磁场在匀强磁场中绕垂直于磁场 的
10、轴的轴 OO匀速转动匀速转动,设穿过线框的最大磁通量为设穿过线框的最大磁通量为m,线框中产生的最大感应电线框中产生的最大感应电 动势为动势为 Em,从线框平面与磁场平行时刻从线框平面与磁场平行时刻(图示位置图示位置)开始计时开始计时,下面说法正确的下面说法正确的 是是() A线框转动的角速度为线框转动的角速度为Em m B线框中的电流方向在图示位置发生变化线框中的电流方向在图示位置发生变化 C当穿过线框的磁通量为当穿过线框的磁通量为m的时刻的时刻,线框中的感应电动势为线框中的感应电动势为 Em D若转动周期减小一半若转动周期减小一半,线框中的感应电动势也减小一半线框中的感应电动势也减小一半 A
11、根据交流电产生的原理可知,线圈匀速转动产生的交流电的电动势峰根据交流电产生的原理可知,线圈匀速转动产生的交流电的电动势峰 值值 EmNBS,所以结合本题情境可得线框转动的角速度为,所以结合本题情境可得线框转动的角速度为Em m, ,A 正确;图示正确;图示 位置感应电动势最大位置感应电动势最大,电流方向的改变在电动势等于电流方向的改变在电动势等于 0 的时刻的时刻,B 错误错误;当穿过当穿过 线框的磁通量为线框的磁通量为m的时刻,线框的速度与磁感线平行,感应电动势为的时刻,线框的速度与磁感线平行,感应电动势为 0,C 错错 误;根据法拉第电磁感应定律可知,若转动周期减小一半,磁通量变化越快,误
12、;根据法拉第电磁感应定律可知,若转动周期减小一半,磁通量变化越快, 线框中的感应电动势变为原来线框中的感应电动势变为原来 2 倍,倍,D 错误。错误。 跟进训练跟进训练 1(多选多选)一只矩形线圈在匀强磁场中转动产生的交流电动势为一只矩形线圈在匀强磁场中转动产生的交流电动势为 e10sin 4t(V),则则() A交流电的频率是交流电的频率是 4Hz B当当 t0 时线圈平面跟磁感线垂直时线圈平面跟磁感线垂直 C当当 t0.5 s 时时,e 有最大值有最大值 D交流电的周期是交流电的周期是 0.5 s BD交流电动势交流电动势 e10sin 4t(V),交流电的频率,交流电的频率 f 2 4
13、2Hz 2Hz,故故 A 项错误项错误;当当 t0 时时 e0,此时线圈处在中性面上此时线圈处在中性面上,即线圈平面跟磁感线垂直即线圈平面跟磁感线垂直, 故故 B 项正确;当项正确;当 t0.5 s 时,时,e0,故,故 C 错误;交流电的周期错误;交流电的周期 T1 f 0.5 s,故故 D 项正确。项正确。 交变电流有效值的计算交变电流有效值的计算 现在的调光台灯现在的调光台灯、调速电风扇调速电风扇,多是用可控硅电子元件来实现的多是用可控硅电子元件来实现的。图示是图示是 经过一个双向可控硅电子元件调节后加在电灯上的电压经过一个双向可控硅电子元件调节后加在电灯上的电压,请思考:请思考: (1
14、)如图所示的交变电流是正弦式交变电流吗?如图所示的交变电流是正弦式交变电流吗? (2)如何求得该交流电压的有效值?如何求得该交流电压的有效值? 提示:提示:(1)不是正弦式交变电流。不是正弦式交变电流。 (2)根据电流的热效应即可求得有效值。根据电流的热效应即可求得有效值。 1正弦式交变电流:正弦式交变电流:EEm 2, ,UUm 2, ,IIm 2。 。 2对非正弦式交变电流对非正弦式交变电流,必须根据电流的热效应来求解有效值必须根据电流的热效应来求解有效值,且时间一且时间一 般取一个周期般取一个周期。其具体做法是其具体做法是:假设让交变电流通过电阻假设让交变电流通过电阻 R,计算交变电流在
15、一计算交变电流在一 个周期内产生的热量个周期内产生的热量 Q(可分段计算可分段计算), 其中热量其中热量 Q 用相应的物理量的有效值表示用相应的物理量的有效值表示 如如 QI2Rt,QU 2t R ,进而求出相应的有效值进而求出相应的有效值。 。 【例【例 2】通过一阻值通过一阻值 R100 的电阻的交变电流图像如图所示的电阻的交变电流图像如图所示,其周期其周期 为为 1 s。电阻两端电压的有效值为电阻两端电压的有效值为() A12 VB4 10 V C15 VD8 5 V B由题意结合有效值的定义可由题意结合有效值的定义可得得I2RT2 I21R2 5T I22R 1 10T, 将将I10.
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