第十二章 交流電電磁振蕩電磁波

1、第十二章  交流電、電磁振蕩、電磁波  一、主要內(nèi)容本章內(nèi)容包括交流電、正弦交流電的圖象、最大值、有效值、周期與頻率、振蕩電路，電磁振蕩、電磁場(chǎng)，電磁波，電磁波的速度等基本概念，以及交流發(fā)電機(jī)及其產(chǎn)生正弦交流電的原理，變壓器的原理，電能的輸送方法、C電路產(chǎn)生的電磁振蕩的周期和頻率等。二、基本方法本章涉及到的基本方法有利用空間想象的各種方法理解正弦交流電的產(chǎn)生原因和電磁振蕩的物理過(guò)程，運(yùn)用圖象法理解并運(yùn)用它來(lái)解決交流電和電磁振蕩的判斷、計(jì)算問(wèn)題。從能量轉(zhuǎn)化的觀點(diǎn)出發(fā)來(lái)理解交流電的有效值問(wèn)題和電磁振蕩問(wèn)題。三、錯(cuò)解分析在本章知識(shí)應(yīng)用的過(guò)程中，初學(xué)者常犯的錯(cuò)誤主要表現(xiàn)在：不能從能

2、的轉(zhuǎn)化的角度理解有效值，致使出現(xiàn)亂套公式的問(wèn)題；由于初始條件不清，對(duì)電磁振蕩物理過(guò)程判斷失誤；不善于運(yùn)用兩個(gè)圖象對(duì)一個(gè)物理過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。例1  如圖121所示，矩形線圈在外力的作用下，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中以。=200rads的角速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈的面積為100cm2，匝數(shù)n=500匝，負(fù)載電阻R=30，磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度B=0.2T。交流電壓表的示磁力矩的大小?！惧e(cuò)解】錯(cuò)解一：錯(cuò)解二：解得 M=8.66 N·m【錯(cuò)解原因】錯(cuò)解一中用電流的有效值計(jì)算某一瞬間線圈的電磁力矩是錯(cuò)誤的。解法二中沒(méi)有注意到另一個(gè)隱含條件“線圈平面與磁感線垂直時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)”而導(dǎo)致上當(dāng)?！痉治鼋獯鸨绢}有三個(gè)隱含條

3、件：一為“瞬時(shí)”。二為線圈平而與磁感線垂直時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，三為電路是純電阻對(duì)電路。MnBISsint解得：M=SN·m【評(píng)析】審題時(shí)要注意關(guān)鍵詞的物理意義。并且能在頭腦中把文字?jǐn)⑹龅奈镆约熬€圈在此位置的受力情況，力臂情況標(biāo)在圖上。這樣解題，就會(huì)言之有物，言之有據(jù)。例2  圖122中，降壓變壓器的變壓系數(shù)是3，即初級(jí)線圈匝數(shù)與次級(jí)線圈的匝數(shù)之比是3。初級(jí)線圈的輸入電壓是660V，次級(jí)線圈的電阻為0.2，這臺(tái)變壓器供給100盞220V，60W的電燈用電。求：（l）空載時(shí)次級(jí)線圈的端電壓和輸出功率；（2）接通時(shí)次級(jí)線圈的端電壓；（3）每盞燈的實(shí)際功率【錯(cuò)解】（2）接通時(shí)，次級(jí)線圈的端

4、電壓仍為220V?！惧e(cuò)解原因】（1）變壓器空載時(shí)，電路的電流為零，無(wú)能量的轉(zhuǎn)化，不能用P=（2）接通后次級(jí)線圈有電阻要消耗電能，由于次級(jí)線圈內(nèi)部存在電壓降，所以次級(jí)線圈的端電壓不再是220V，而應(yīng)以次級(jí)線圈為研究對(duì)象應(yīng)用閉合電路歐姆定律去求次級(jí)線圈的端電壓。（3）由于次級(jí)線圈的端電壓達(dá)不到燈泡的額定電壓，燈泡的實(shí)際功率要小于每盞燈的額定功率。【分析解答】（1）將變壓器視為理想變壓器。設(shè)空載時(shí)次級(jí)線圈的端電壓為U2。因?yàn)榭蛰d，次級(jí)線圈的負(fù)載電阻R2，次級(jí)線圈中的電流為零I2=0，P=I2U2=0次級(jí)線圈的端電壓U2=I2R外=214.68（V）【評(píng)析】理解能力的高低表現(xiàn)在把握文字的物理意義上。題

5、文中說(shuō)“次級(jí)線圈的電阻為0.2”?？梢?jiàn)文中所述的變壓器有內(nèi)耗，不是理想變壓器。這是課本上沒(méi)有介紹過(guò)的新情況。類(lèi)比直流電路的知識(shí)，可從兩條路去求路端電壓，U=-Ir（電源電動(dòng)勢(shì)減去內(nèi)電壓），或者用部分歐姆定律U=IR。例3  收音機(jī)的變壓器的初級(jí)線圈有1210匝，接在U1=220V的交流電源上，變壓器有兩個(gè)次級(jí)線圈。次級(jí)線圈的匝數(shù)為35匝，次級(jí)線圈的匝數(shù)是1925匝。如果不計(jì)變壓器自身的能量損耗，當(dāng)變壓器工作時(shí)，線圈的電流是0.3A時(shí)，初級(jí)線圈的電流I1=0.114A。求線圈中電流和輸出電壓（電流的計(jì)算結(jié)果保留3位有效數(shù)字）【錯(cuò)解】【錯(cuò)解原因】能量守恒定律，從輸入功率等于輸出功率入手求

6、解?！痉治鼋獯稹浚翰挥?jì)變壓器自身的能量損耗，由能量轉(zhuǎn)化和守恒定律P1P2P3I1U1=I2U2+I3U3【評(píng)析】守恒定律P1=P2，I1U1=I2U2才有這個(gè)形式。不能死記硬背，不顧條件亂套公式。例4  如圖123所示，矩形線圈abcd在磁感強(qiáng)度B=2T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞軸OO，以角速度=10rads勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈共10匝， ab=0. 3m，bc= 0. 6m，負(fù)載電阻R= 45。求（l）電阻R在0.05s內(nèi)所發(fā)出的熱量；（2）0.05s內(nèi)流過(guò)的電量（設(shè)線圈從垂直中性面開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)）【錯(cuò)解】錯(cuò)解一：第一步，求電流的有效值，用有效值來(lái)計(jì)算熱量。電動(dòng)勢(shì)的最大值為m=2nBlv=nBS=10&#

7、215;2×0.3×0.6×10=113.1（V）電流的有效值所以0.05s內(nèi)R上發(fā)出的熱量Q=I2Rt=5.76（J）第二步，根據(jù)有效值求通過(guò)R上的電量，由題意0.05s內(nèi)通過(guò)R的電流方向不變qIt16×0.050.08（C）錯(cuò)解二：第一步求平均電流，用平均電流計(jì)算熱量。第二步，由平均電流求電量【錯(cuò)解原因】交流電的有效值是從電流產(chǎn)生焦耳熱相等的角度出發(fā)，使交流電與恒定電流等效；交流電的平均值是從電流通過(guò)導(dǎo)線橫截面的電量相等的角度出發(fā)，使交流電與恒定電流等效，兩個(gè)概念的出發(fā)點(diǎn)不同?！痉治鼋獯稹侩妱?dòng)勢(shì)的最大值為m= 2nBlv=nBS=10×20.3×0.6×10=1131（V）所以0.05s內(nèi)R上發(fā)出的熱量Q=I2Rt=5.76（J）例5  圖124表示一交流電的電流隨時(shí)間而變化的自煙，此交流電的有效值是：（  ）【錯(cuò)解】平均值，【錯(cuò)解原因】有效值才有這樣的數(shù)量關(guān)系。本題所給的交流電的圖象不是正弦交流電的圖形，故該公式不適用此交流電。第二，交流電的最大值不是兩個(gè)不同峰值的算術(shù)平均值?！痉治鼋獯稹拷涣麟姷挠行е凳歉鶕?jù)其熱效應(yīng)而定義的，它是從電流產(chǎn)生