高中物理：交變電流復(fù)習(xí)

1、高中物理：交變電流復(fù)習(xí)考綱要求1、交流發(fā)電機(jī)及其產(chǎn)生正弦式電流的原理,正弦式電流的圖象和三角函數(shù)表達(dá),最大值與有效值,周期與頻率n2、電阻、電感和電容對(duì)交變電流的作用,感抗和容抗I3、變壓器的原理,電壓比和電流比n4、電能的輸送I說明：只要求討論單相理想變壓器知識(shí)網(wǎng)絡(luò)：?jiǎn)卧袎K：根據(jù)考綱的要求,本章內(nèi)容可以分成兩局部,即：交變電流；變壓器、電能的輸送.其中重點(diǎn)是交變電流的規(guī)律和變壓器,交流電路的分析和計(jì)算是復(fù)習(xí)的難點(diǎn).§1交變電流教學(xué)目標(biāo):1 .掌握交流發(fā)電機(jī)及其產(chǎn)生正弦式電流的原理,正弦式電流的圖象和三角函數(shù)表達(dá),2 .理解最大值與有效值,周期與頻率；3 .知道電阻、電感和電容對(duì)交

2、變電流的作用,感抗和容抗教學(xué)重點(diǎn)：交流的根本概念教學(xué)難點(diǎn)：交流電路的分析與計(jì)算教學(xué)方法：講練結(jié)合,計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)教學(xué)過程：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),閉合線圈中就有交流電產(chǎn)生.如下圖.設(shè)矩形線圈abcd以角速度繞oo'軸、從線圈平面跟磁感線垂直的位置開始做逆時(shí)針方向轉(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t角,這時(shí)ab邊的線速度v方向跟磁感線方向夾角等于wt,設(shè)ab邊的長(zhǎng)度為l,bd邊的長(zhǎng)度為1',線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為e2Bl-sint2當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)到跟磁感線平行的位置時(shí)

3、,線圈轉(zhuǎn)過T/4時(shí)間,cot=7t/2,ab邊和cd邊都垂直切割磁感線,sinwt=1,線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大,用Em來表示,Em=BSco.貝Ue=Emsinwt由上式知,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)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：i-Emsint,令RRImEm,那么i=Imsinwt路端電壓U=iR=ImRsincot,令Um=|mR,貝Ju=Umsinte=Emcosti=ImcoswtU=Umcoswt如果線圈從如下圖位置開始轉(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

4、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：中性面在垂直于磁場(chǎng)位置.線圈通過中性面時(shí),穿過線圈的磁通量最大.線圈平面通過中性面時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零.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：在乒I(0,T/4)時(shí)間內(nèi),線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)從0到達(dá)最大值Em.在tQI(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tE(T/2,3T/4)時(shí)間內(nèi),線圈中感應(yīng)電

5、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、路端電壓與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化規(guī)律相同,如下圖.、描述交變電流的物理量1、瞬時(shí)值：它是反映不同時(shí)刻交流電的大小和方向,正弦交流瞬時(shí)值表達(dá)式為：emsint,iImsint.應(yīng)當(dāng)注意必須從中性面開始.生活中用的市電電壓為220V,其最大值為220、MV=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=311sin314V.【例11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,假設(shè)霓虹燈的激發(fā)電壓和熄滅電壓均為U0=60V

6、,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：由正弦交流電白最大值與有效值U的關(guān)系得：Um=120五V設(shè)t=0時(shí)交流電的瞬時(shí)電壓U=0那么交流電的瞬時(shí)表達(dá)式為U=120,2sin100tV如下圖,畫出一個(gè)周期內(nèi)交流電的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=60、5V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1發(fā)光的時(shí)間：t=T-4t1=s75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,3600:t=1501752400s很明顯霓虹燈在工作過程中是忽

7、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)由于短暫的熄滅而有所感覺.2、最大值：也叫峰值,它是瞬時(shí)值的最大者,它反映的是交流電大小的變化范圍,當(dāng)線圈平面跟磁感線平行時(shí),交流電動(dòng)勢(shì)最大,EmNBS轉(zhuǎn)軸垂直于磁感線.電容器接在交流電路中,那么交變電壓的最大值不能超過電容器的耐壓值.【例2】把一電容器C接在220V的交流電路中,為了保證電容不被擊穿,電容器C的耐壓值是多少？解析：不低于200V2V,不少學(xué)生往把電容器與燈泡類比,額定電壓220V的燈泡接在220V的交流電源上正

8、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,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)200J2V,故電容器C的耐壓值應(yīng)不低于2002V.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EN來求,特殊地,當(dāng)線圈從中性面轉(zhuǎn)t過90度的過程中,有E<Em.計(jì)算平均值切忌用算術(shù)平均法即E一2求2解.平均值不等于有效值.600角的過程中,通過線圈某一【例3】如下圖,求線圈由圖示位置轉(zhuǎn)過橫截面的電量.占電壓平均解析：在計(jì)算電量問題中,一定要用電流、值EN而21BSsin60t_3NBS2R4、有

9、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.【例4】如下圖,兩平行導(dǎo)軌與水平面間的傾角為距L=0.3m,長(zhǎng)度足夠長(zhǎng),導(dǎo)軌處于磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1T,方向垂直于導(dǎo)軌平面向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中.導(dǎo)軌兩端各接一個(gè)阻值為Ro=2Q電阻

10、,另一橫跨在導(dǎo)軌間的金屬棒質(zhì)量m=1kg,電阻r=1Q棒與導(dǎo)軌間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)尸0.5,當(dāng)金屬棒以平行于導(dǎo)軌的向上初速度切=10m/s上滑,直至上升到最高點(diǎn)過程中,通過上端電阻電量q=0.1Cg取10m/s2,求上端電阻Ro產(chǎn)生的焦耳熱?解析：設(shè)棒沿斜面能上升的最大距離為s,磁感應(yīng)強(qiáng)度B垂直斜面向上,那么(1)(2)等效電路和導(dǎo)體棒受力分析分別如圖1、2所示.由圖可知,在棒上升過程中,通過棒某一截面的電量應(yīng)為2q.,-2qE由I-=tRoBLs而qtt.s=q(Ror)2mBL設(shè)電路各電阻消耗的總焦耳熱為Q總一2R232Q總=I總(,r)t(210)R0t6I0R0t6Qr0220從金屬棒開始

11、運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)過程,利用能量守恒關(guān)系有1 2Q總+nmgosOs+mgsin0-s=-mv0Qr0=1Q總=5J06此題中,求電阻產(chǎn)生的焦耳熱Q應(yīng)該用電流的有效值計(jì)算,由于I有I無法求,因此只能通過能量關(guān)系求得Q.三、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,低頻,阻高頻.2、容抗表示電容對(duì)交變電流的阻礙作用,高頻,阻低頻.【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),要求只其特點(diǎn)是“通直流,阻交流、其特點(diǎn)是“通交流,隔直流、C2“通“通輸出低頻交流信號(hào).那么Ci、C2中哪

12、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=1/2冗fC可看出：左圖中的Ci必須用電容小些的,才能使高頻交流順利通過,而低頻不易通過,這種電容器叫高頻旁路電容器.右圖中的C2一股用電容大的,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)電路平安工作起著重要作用.某電解電容器上標(biāo)有“25V,450仙F字樣,以下說法中正確的選項(xiàng)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450仙FD.

13、假設(shè)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=20VO而轉(zhuǎn)過300時(shí)刻的瞬時(shí)值為u=Umcos30=17.3VO【例8】通過某電阻的周期性交變電流的圖象如右.求該交流電的有效值I.解：該交流周期為T=0.3s,前t1=0.2s為恒定電流Ii=3A,后t2=0.1s為恒定電流I2=-6A,因此這一個(gè)周期內(nèi)電流做

14、的功可以求出來,根據(jù)有效值的定義,有:I2RT=I12Rt1+I22Rt2帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得：I=3%'2A【例9】交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子有n匝線圈,每匝線圈所圍面積為S,勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為,線圈內(nèi)電阻為r,外電路電阻為Ro當(dāng)線圈由圖中實(shí)線位置勻速轉(zhuǎn)動(dòng)900到達(dá)虛線位置過程中,求：通過R的電荷量q為多少？R上產(chǎn)生電熱Qr為多少?外力做的功W為多少？解：由電流的定義,計(jì)算電荷量應(yīng)該用平均值：即q而I工-nBSq匹S,這里電流和電動(dòng)勢(shì)都必須要用平均'RrtRrtRr'Rr值,不能用有效值、最大值或瞬時(shí)值.求電熱應(yīng)該用有效值,先求總電熱Q,再根據(jù)內(nèi)外電阻之比求R

15、上產(chǎn)生的電熱QrQI2(Rr)tnBS2n2B2S24Rr,n2B2S2R4Rr2A.110VB.156VC.220VD.311V解：從u-t圖象看出,每個(gè)周期的前半周期是正弦圖形,其有效值為220V;后半周期電壓為零.根據(jù)有效值的定義,UTUi2T0,得U=156V,選Bo一R一QrQRr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.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22c2阻,又將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,即放出電熱.因此w=qnBS.一定要學(xué)會(huì)4Rr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P

16、使加在電熱絲上的電壓的波形如右圖所示.此時(shí)接在電熱絲兩端的交流電壓表的讀數(shù)為五、針對(duì)練習(xí)1、矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞著垂直磁感線方向的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)線圈通過中性面時(shí),以下說法中正確的選項(xiàng)是A、穿過線圈的磁通量最大,線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大B、穿過線圈的磁通量等于零,線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大C、穿過線圈的磁通量最大,線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于零D、穿過線圈的磁通量等于零,線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于零2.一矩形線圈繞垂直磁場(chǎng)方向的軸在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng),產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)e=20亞sin20兀tV,由此可以判斷A. t=0時(shí),線圈平面和磁場(chǎng)垂直B. t=0時(shí),線圈的磁通量為零C. t=0.05s時(shí),線圈切割磁感線的有

17、效速度最小D. t=0.05s時(shí),e第一次出現(xiàn)最大值3 .線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻角速轉(zhuǎn)動(dòng),產(chǎn)生的交變電流如下圖,那么A.在A和C時(shí)刻線圈平面和磁場(chǎng)垂直B.在B和時(shí)刻線圈中的磁通量為零C.從A時(shí)刻到B時(shí)刻線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為九radD.假設(shè)從O時(shí)刻到D時(shí)刻經(jīng)歷的時(shí)間為0.02s,那么該交變電流在1.0s的時(shí)間內(nèi)方向會(huì)改變100次4 .一個(gè)矩形線框的面積為S,在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,從線圈平面與磁場(chǎng)垂直的位置開始計(jì)時(shí),轉(zhuǎn)速為n轉(zhuǎn)/秒,那么A.線框交變電動(dòng)勢(shì)的最大值為n：BSB.線框交變電動(dòng)勢(shì)的有效值為2n：BSC.從開始轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過1/4周期,線框中的平均感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為2nBSD.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值為e=2

18、nBSsin2nA5 .關(guān)于交流電的有效值和最大值,以下說法正確的選項(xiàng)是A.任何形式的交變電流的有效值和最大值都有關(guān)系U=Um/渡B.只有正弦式電流才有U=Um/；2的關(guān)系C.照明電壓220V、動(dòng)力電壓380V,指的都是交變電流的有效值D.交流電壓表和電流表測(cè)量的都是交變電流的有效值6.一只三管的起輝電壓為50V,把它接在u=50sin314tV的交變電源上,在一個(gè)交變電壓的周期內(nèi),凝管的發(fā)光時(shí)間為A.0.02sB.0.01sC.0.015sD.0.005s7 .對(duì)于如下圖的電路,以下說法正確的選項(xiàng)是A. a、b端接穩(wěn)恒直流電,燈泡發(fā)亮B. a、b端接交變電流,燈泡發(fā)亮C. a、b端接交變電流

19、,燈泡發(fā)亮,且將電容器電容增大時(shí),燈泡亮度增大D. a、b端接交變電流,燈泡發(fā)亮,且將電容器電容減小時(shí),燈泡亮度增大8 .對(duì)于如下圖的電路,以下說法正確的選項(xiàng)是A,雙刀雙擲開關(guān)S接上部時(shí),燈泡亮度較大9 .雙刀雙擲開關(guān)S接下部時(shí),燈泡亮度較大C.雙刀雙擲開關(guān)S接下部,同時(shí)將電感線圈的L的鐵芯抽出,在抽出的過程中,燈泡亮度變大D,雙刀雙擲開關(guān)S接下部,同時(shí)將電感線圈的L的鐵芯抽出,在抽出的過程中,燈泡亮度變小10 在圖所示的電路中,如果交變電流的頻率增大,1、2和3燈的亮度變化情況是1A. 1、2兩燈均變亮,3燈變暗£IV1088B. 1燈變亮,2、3兩燈均變暗>：？丫C. 1、

20、2燈均變暗,3燈亮度不變D. 1等變暗,2燈變亮,3燈亮度不變10.在電工和電子技術(shù)中使用的扼流圈有兩種：低頻扼流圈和高頻扼流圈.它們的區(qū)別在于A.低頻扼流圈的自感系數(shù)較大B.高頻扼流圈的自感系數(shù)較大C.低頻扼流圈的能有效地阻礙低頻交變電流,但不能阻礙高頻交變電流D.高頻扼流圈的能有效地阻礙高頻交變電流,但不能阻礙低頻交變電流11關(guān)于電容器通過交變電流的理解,正確的選項(xiàng)是A,有自由電荷通過電容器中的電介質(zhì)B.電容不斷的充、放電,與之相連的導(dǎo)線中必須有自由電荷移動(dòng),這樣就形成了電流C.交變電壓相同時(shí),電容越大,電流越大D.交變電壓相同時(shí),頻率越高,電流越大ao12對(duì)于圖所示的電路,以下說法正確的

21、選項(xiàng)是IA. a、b兩端接穩(wěn)包直流,燈泡將不發(fā)光|0B. a、b兩端接交變電流,燈泡將不發(fā)光C. a、b兩端由穩(wěn)恒的直流電壓換成有效值相同的交變電壓,燈泡亮度相同D. a、b兩端由穩(wěn)恒的直流電壓換成有效值相同的交變電壓,燈泡亮度將會(huì)減弱13 .在電子技術(shù)中,從前一級(jí)裝置輸出的既有直流成分(工作電流),又有交流成分(信號(hào)電流).如果我們希望輸送到后一級(jí)裝置的只有直流成分,電容器應(yīng)該和后一級(jí)裝置;如果我們希望輸送到后一級(jí)裝置的只有交流成分,電容器應(yīng)該和后一級(jí)裝置(兩空均填“串聯(lián)或“并聯(lián))014 .將u=110應(yīng)sin1007ttV的交變電壓接到“220V,100W的燈泡兩端,設(shè)燈絲的電阻不隨溫度變化,試求：(1)流過燈泡電流的最大值；(2)燈泡發(fā)揮的實(shí)際功率.15 .一閉合線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻角速轉(zhuǎn)動(dòng),線圈轉(zhuǎn)速為240rad/min,當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)動(dòng)至與磁場(chǎng)平行時(shí),線圈的電動(dòng)勢(shì)為2.0V.設(shè)線圈從垂直磁場(chǎng)瞬時(shí)開始計(jì)時(shí),試求：(1)該線圈電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)表達(dá)式；1(2)電動(dòng)勢(shì)在,s末的瞬時(shí)值.4816 .如下圖,勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度B=0.1T,矩形線圈的匝數(shù)N=