2018-2019版高中物理 第三章 電磁感應(yīng) 第3講 交變電流學(xué)案 新人教版選修1 -1.doc

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第3講　交變電流 [目標(biāo)定位]　1.了解交變電流是怎樣產(chǎn)生的.2.定性了解交變電流的變化規(guī)律及其圖象表示和主要特征物理量.3.知道交變電流能通過電容器的原因，了解交變電流這一特性在電子技術(shù)中的應(yīng)用.4.初步了解發(fā)電機(jī)、交變電流的發(fā)明和利用對促進(jìn)人類社會進(jìn)步的作用，進(jìn)一步體驗(yàn)科學(xué)、技術(shù)與社會生活之間的密切關(guān)系. 一、電流發(fā)電機(jī) 1.發(fā)電機(jī)的原理： 由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動使得穿過線圈的磁通量發(fā)生變化，在線圈中激發(fā)出感應(yīng)電動勢. 2.交變電流：大小、方向隨時(shí)間做周期性變化的電流，簡稱交流.各種電池供給的電流只沿一個(gè)方向流動，叫做直流. 想一想　你是怎樣區(qū)別直流電流和交變電流的？這兩種電流有何根本區(qū)別？ 答案　大小、方向隨時(shí)間做周期性變化的電流叫做交變電流，各種電池供給的只沿一個(gè)方向流動的電流叫做直流.這兩種電流的根本區(qū)別在于交變電流的方向隨時(shí)間做周期性變化，直流電流的方向不隨時(shí)間變化. 二、交流的變化規(guī)律 1.電網(wǎng)中的交變電流，它的電流、電壓隨時(shí)間按正弦函數(shù)的規(guī)律變化，叫做正弦式電流. 2.表達(dá)式：i＝Imsin__ωt u＝Umsin__ωt 式中Im、Um分別是電流、電壓的最大值，叫做交流的峰值. 3.周期和頻率 (1)交流完成一次周期性變化所需的時(shí)間叫做交流的周期，通常用T表示，它的單位是秒.交流在1 s內(nèi)發(fā)生周期性變化的次數(shù)，叫做交流的頻率，通常用f表示，它的單位是赫茲，簡稱赫，符號是Hz. (2)周期和頻率的關(guān)系為T＝或f＝. 想一想　家里電燈用的是交變電流，電流在最大值和零之間不斷變化，但我們?yōu)槭裁纯床坏诫姛舻拈W爍？ 答案　交流電的周期是0.02 s，電流每周期內(nèi)兩次達(dá)最大值，兩次為零，所以電燈兩次最亮的時(shí)間間隔僅0.01 s，比人眼的視覺暫留時(shí)間要小，所以感覺不到電燈的閃爍.另外由于電燈發(fā)光是燈絲高溫?zé)霟岚l(fā)光，燈絲的溫度變化需要有一定的時(shí)間，而電流兩次最大的時(shí)間間隔很短，燈絲的溫度、亮度不會有明顯的變化. 三、交流能夠通過電容器 電容器能夠“隔直流，通交流”，這一點(diǎn)在電子技術(shù)中有重要應(yīng)用. 想一想　交流電是如何“通過”電容器的？ 答案　由于交流電的電壓值不斷隨時(shí)間變化，電容器接到交流電源兩端時(shí)，如果電壓升高，則電容器充電，在電路中形成充電電流.經(jīng)過峰值以后，交流電壓降低，電容器放電，形成放電電流.盡管電荷實(shí)際上并沒有越過兩極板間的介質(zhì)，但從外電路看來，導(dǎo)線中的電荷確實(shí)在流動，所以，電容器的充電和放電表現(xiàn)為交流電通過了電容器. 四、交流的有效值 1.交流的有效值，是根據(jù)電流的熱效應(yīng)來規(guī)定的：把交流和直流通過相同的電阻，如果在相同的時(shí)間里它們產(chǎn)生的熱量相等，我們就把這個(gè)直流的電壓、電流的數(shù)值叫做交流電壓、電流的有效值. 2.正弦式電流的有效值和峰值之間的關(guān)系： Ie＝≈0.707 Im　Ue＝≈0.707 Um 在各種使用交變電流的電器設(shè)備上，所標(biāo)注的額定電壓、額定電流值，都是交流的有效值. 想一想　我們常說“照明電路的電壓是220 V，動力電路的電壓是380 V”指的是交流電壓的什么值？ 答案　有效值 一、交流電及其產(chǎn)生 1.直流電：方向不隨時(shí)間變化的電流，稱為直流電. 交變電流：大小和方向都隨時(shí)間做周期性變化的電流. 2.各種發(fā)電機(jī)都由固定不動的“定子”和連續(xù)轉(zhuǎn)動的“轉(zhuǎn)子”組成.常見發(fā)電機(jī)有兩類： (1)旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)：線圈在磁場中旋轉(zhuǎn).線圈(電樞)是轉(zhuǎn)子，磁體是定子. (2)旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)：磁體轉(zhuǎn)動，是轉(zhuǎn)子；線圈不動，是定子. 無論是線圈轉(zhuǎn)動，還是磁體轉(zhuǎn)動，都是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動使得穿過線圈的磁通量發(fā)生變化，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢. 3.交流發(fā)電機(jī)的原理 當(dāng)閉合線圈在磁場中繞垂直于磁場的軸勻速轉(zhuǎn)動時(shí)，穿過線圈的磁通量發(fā)生變化，因而在線圈中就產(chǎn)生感應(yīng)電流.線圈做周期性的運(yùn)動，在線圈中就產(chǎn)生了大小和方向隨時(shí)間做周期性變化的交變電流. 例1　將線圈置于范圍足夠大、方向豎直向下的勻強(qiáng)磁場B中，各線圈的運(yùn)動方式如下列圖所示，則能夠在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的是(　　) 答案　C 解析　只有C圖穿過線圈的磁通量發(fā)生變化，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢. 針對訓(xùn)練1　下圖中屬于交變電流的是(　　) 答案　BC 解析　根據(jù)交變電流的定義判斷，大小和方向都隨時(shí)間做周期性變化的電流叫做交變電流.符合此定義的是B、C兩圖，A、D兩圖中只是電流的大小做周期性變化，方向未變，不符合定義. 二、交流電的變化規(guī)律及描述 1.正弦式交流電的變化規(guī)律： (1)電流、電壓隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化. (2)圖象為正弦曲線(如圖3－3－1所示)： 圖3－3－1 2.描述交流電的各物理量的關(guān)系 (1)周期(T)與頻率(f) 周期與頻率互為倒數(shù)關(guān)系，即T＝或f＝. (2)峰值與有效值 ①對于正弦式交流電： I＝，U＝，E＝ ②對于一般的交流電要根據(jù)有效值的定義去求. (3)有效值與平均值 ①對于某交流電，它的有效值是恒定的，可以通過峰值求得. ②交流電的平均值＝n，而在不同的時(shí)間Δt內(nèi)是不同的，電流的平均值＝. ③在計(jì)算熱量、電功、電功率時(shí)用有效值；在計(jì)算通過導(dǎo)體的電荷量時(shí)用平均值. 例2　圖3－3－2是一正弦式交變電流的電壓圖象.從圖象可知電壓的最大值和頻率分別為(　　) 圖3－3－2 A.40 V，100 Hz B.20 V，100 Hz C.40 V，50 Hz D.20 V，50 Hz 答案　D 解析　從圖象可知電壓的最大值是20 V，周期是0.02 s，所以頻率f＝＝50 Hz，選項(xiàng)D正確. 針對訓(xùn)練2　在相同時(shí)間內(nèi)，某正弦交流電流通過一阻值為100 Ω的電阻產(chǎn)生的熱量，與一電流為3 A的直流電通過同一阻值的電阻產(chǎn)生的熱量相等，則(　　 ) A.此交變電流的有效值為3 A，最大值為3 A B.此交變電流的有效值為3 A，最大值為6 A C.電阻兩端的交變電壓的有效值為300 V，最大值為600 V D.電阻兩端的交變電壓的有效值為300 V，最大值為600 V 答案　A 解析　根據(jù)交變電流有效值的定義方法，易知交變電流的有效值為3 A；根據(jù)最大值與有效值的倍關(guān)系，易知交變電流的最大值為3 A；根據(jù)歐姆定律U＝IR，則有U有效＝I有效R，Um＝ImR，得電阻兩端的交流電壓的有效值為300 V，最大值為300 V. 對交變電流的理解 1.關(guān)于交變電流的理解，下列說法正確的是(　　) A.大小、方向都隨時(shí)間周期性變化的電流叫交變電流 B.交變電流就是正弦交變電流 C.我們的照明用電是交流電 D.電池也是提供的交變電流 答案　AC 解析　交變電流不一定是正弦交變電流，電池提供直流電. 2.如圖所示圖象中屬于交流電的有(　　) 答案　ABC 解析　D圖表示的電流大小發(fā)生了周期性變化，而方向沒有變化，A、B、C圖中的電流大小、方向發(fā)生了周期性變化，據(jù)交流電的定義知A、B、C正確，D錯(cuò)誤. 交流電的變化規(guī)律及描述 3.下列說法正確的是(　　) A.使用交流電的電器設(shè)備所標(biāo)示的額定電壓、額定電流的數(shù)值均為最大值 B.用交流電流表和電壓表測得的數(shù)值是有效值 C.照明電路電壓為220 V指的是有效值 D.所有交變電流的有效值和最大值之間均存在Ee＝，Ue＝和Ie＝的關(guān)系 答案　BC 解析　各種使用交流電的用電器銘牌上所標(biāo)的數(shù)值均為有效值，故A項(xiàng)錯(cuò)誤；交流電表測量值為有效值，故B項(xiàng)正確；照明電路電壓為220 V是有效值，故C項(xiàng)正確；Ee＝，Ue＝，Ie＝是正(余)弦交變電流有效值和最大值的關(guān)系，故D項(xiàng)錯(cuò)誤.故正確答案為B、C. 4.如圖3－3－3所示，是一個(gè)按正弦規(guī)律變化的交變電流的圖象.根據(jù)圖象可知該交變電流的電流有效值是______A，頻率是______Hz. 圖3－3－3 答案　0.707　5 解析　從圖象可知電流的最大值是1 A，有效值Ie＝≈0.707 A；周期是0.2 s，所以頻率f＝＝5 Hz. (時(shí)間：60分鐘) 題組一、對交變電流的理解 1.關(guān)于交變電流與直流電的說法中，正確的是(　　) A.如果電流大小做周期性變化，則一定是交變電流 B.直流電的大小可以變化，但方向一定不變 C.交變電流一定是按正弦或余弦規(guī)律變化的 D.交變電流的最大特征就是電流的方向發(fā)生周期性變化 答案　BD 2.關(guān)于交流發(fā)電機(jī)，下列說法正確的是(　　 ) A.基本構(gòu)造分定子、轉(zhuǎn)子兩部分 B.必須是線圈轉(zhuǎn)動 C.電流方向變化的原因是由于切割磁感線運(yùn)動的方向變了 D.電流大小變化的原因是因?yàn)榫€圈轉(zhuǎn)的時(shí)快時(shí)慢 答案　AC 3.下列說法中正確的是(　　 ) A.直流電能通過電容器 B.交流電不能通過電容器 C.直流電、交流電都能通過電容器 D.交流電的頻率越低，電流通過電容器的能力也越低 答案　D 題組二、描述交流電的物理量 4.有一臺使用交流電的電冰箱上標(biāo)有額定電壓為“220 V”的字樣，這“220 V”是指(　　 ) A.交流電電壓的瞬時(shí)值 B.交流電電壓的最大值 C.交流電電壓的平均值 D.交流電電壓的有效值 答案　D 5.下列關(guān)于交變電流的幾種說法中，正確的是(　　) A.交流電器設(shè)備上所標(biāo)的電壓、電流值是峰值 B.交流電流表和交流電壓表測得的值是瞬時(shí)值 C.跟交變電流有相同熱效應(yīng)的直流電的值是交變電流的有效值 D.跟直流電有相同熱效應(yīng)的交變電流的值是交變電流的有效值 答案　C 解析　為了表明交變電流通過用電器產(chǎn)生的效果，用電器上所標(biāo)的都是交變電流的有效值，A錯(cuò)誤；因?yàn)榻蛔冸娏饔玫米疃嗟氖怯行е?，所以交變電流表或交變電壓表測的都是有效值，B錯(cuò)誤；根據(jù)有效值的定義可知C正確，D錯(cuò)誤. 6.以下說法正確的是(　　) A.發(fā)電機(jī)、電動機(jī)銘牌上所標(biāo)數(shù)值為有效值 B.電容器的擊穿電壓為所加交變電壓的有效值 C.交流電壓表所測數(shù)值為瞬時(shí)值 D.保險(xiǎn)絲的數(shù)值為最大值 答案　A 題組三、交流電的表達(dá)式和圖象 7.如圖所示，面積均為S的單匝線圈繞其對稱軸或中心軸在勻強(qiáng)磁場B中以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動，能產(chǎn)生正弦交變電動勢e＝BSωsin ωt的圖是(　　) 答案　A 解析　線圈在勻強(qiáng)磁場中繞垂直于磁場方向的軸(軸在線圈所在平面內(nèi))勻速轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生的正弦交變電動勢為e＝BSωsin ωt，由這一原理可判斷，A圖中感應(yīng)電動勢為e＝BSω sin ωt；B圖中的轉(zhuǎn)動軸不在線圈所在平面內(nèi)；C、D圖中轉(zhuǎn)動軸與磁場方向平行，而不是垂直. 8.一只低壓教學(xué)電源輸出的交流電壓的瞬時(shí)值為u＝10sin(314t) V，關(guān)于該電源的規(guī)格和使用，下列說法正確的是(　　) A.這個(gè)電源可以使“10 V，2 W”的燈泡正常發(fā)光 B.此電源的交流電壓的周期是314 s C.此電源在t＝0.01 s時(shí)電壓達(dá)到峰值 D.這個(gè)電源可能把“10 V，2 μF”的電容器擊穿 答案　AD 解析　此電源有效值為10 V，燈泡的額定電壓為10 V，故燈泡能正常發(fā)光，A正確；此交流電周期T＝＝＝ s＝0.02 s，故B錯(cuò)誤；t＝0.01 s＝T，此時(shí)U＝0，故C錯(cuò)誤；因?yàn)殡娫醋畲箅妷篣m＝10 V>10 V(電容器的耐壓值)，所以電容器可能被擊穿，故D正確. 9.如圖3－3－4所示是一正弦交變電流的電流圖象，此正弦交變電流的頻率和電流的有效值分別為(　　) 圖3－3－4 A.50 Hz，10 A B.50 Hz，5 A C.100 Hz，10 A D.100 Hz，5 A 答案　B 解析　由圖象可知此交流電的周期T＝0.02 s，故頻率f＝＝50 Hz；由圖可知此交流電電流的最大值為10 A，故其有效值為 A＝5 A. 10.一個(gè)正弦規(guī)律變化的交變電流的圖象如圖3－3－5所示，根據(jù)圖象計(jì)算： 圖3－3－5 (1)交變電流的頻率. (2)交變電流的有效值. (3)寫出該電流的瞬時(shí)值表達(dá)式. 答案　(1)50 Hz　(2)10 A　(3)i＝20sin(100πt) A 解析　(1)由圖知周期T＝0.02 s， 故f＝＝ Hz＝50 Hz. (2)由圖知峰值Im＝20 A， 故有效值Ie＝＝ A＝10 A. (3)瞬時(shí)值表達(dá)式 i＝Imsin ωt A， ω＝＝100π rad/s， 所以電流瞬時(shí)值表達(dá)式為i＝20sin(100πt) A.