高中物理高考復習題教案交變電流

高中物理高考復習題教案交變電流高中物理高考復習題教案交變電流教學目標：教學目標：1掌握交流發(fā)電機及其產(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，2理解最大值與有效值，周期與頻率；3知道電阻、電感和電容對交變電流的作用，感抗和容抗教學重點：教學重點：交流的基本概念教學難點：教學難點：交流電路的分析與計算教學方法：教學方法：講練結(jié)合，計算機輔助教學教學過程：教學過程：一、交變電流的產(chǎn)生一、交變電流的產(chǎn)生1.正弦交流電的產(chǎn)生當閉合矩形線圈在勻強磁場中，繞垂直于磁感線的軸線做勻角速轉(zhuǎn)動時，閉合線圈中就有交流電產(chǎn)生如圖所示設(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針方向轉(zhuǎn)動此時，線圈都不切割磁感線，線圈中感應(yīng)電動勢等于零經(jīng)過時間 t 線圈轉(zhuǎn)過t 角，這時 ab 邊的線速度 v 方向跟磁感線方向夾角等于t，設(shè) ab 邊的長度為 l，bd 邊的長度為 l，線圈中感應(yīng)電動勢為tlBlesin22當線圈平面轉(zhuǎn)到跟磁感線平行的位置時，線圈轉(zhuǎn)過 T/4 時間，t=/2，ab邊和 cd 邊都垂直切割磁感線，sint=1，線圈中感應(yīng)電動勢最大，用 Em來表示，Em=BS則 e=Emsint由上式知，在勻強磁場中，繞垂直于磁感線的軸做勻角速轉(zhuǎn)動的線圈里產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢是按正弦規(guī)律變化的根據(jù)閉合電路歐姆定律：tREReimsin，令REImm，則i=Imsint路端電壓 u=iR=ImRsint，令 Um=ImR，則u=Umsint 如果線圈從如圖所示位置開始轉(zhuǎn)動，電路中感應(yīng)電動勢、感應(yīng)電流和路端電壓將按余弦規(guī)律變化e=Emcost i=Imcost u=Umcost 2中性面當線圈轉(zhuǎn)動至線圈平面垂直于磁感線位置時，各邊都不切割磁感線，線圈中沒有感應(yīng)電流，這個特定位置叫做中性面應(yīng)注意：中性面在垂直于磁場位置線圈通過中性面時，穿過線圈的磁通量最大線圈平面通過中性面時感應(yīng)電動勢為零線圈平面每轉(zhuǎn)過中性面時，線圈中感應(yīng)電流方向改變一次，轉(zhuǎn)動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 矩形線圈在勻強磁場中，繞垂直于磁感線的軸做勻角速轉(zhuǎn)動，線圈里產(chǎn)生正弦交流電當線圈從中性面開始轉(zhuǎn)動，在一個周期中：在 t（0，T/4）時間內(nèi)，線圈中感應(yīng)電動勢從 0 達到最大值 Em在 t（T/4，T/2）時間內(nèi)，線圈中感應(yīng)電動勢從最大值 Em減小到 0在 t（T/2，3T/4）時間內(nèi)，線圈中感應(yīng)電動勢從 0 增加到負的最大值-Em在 t（3T/4，T）時間內(nèi)，線圈中感應(yīng)電動勢的值從負的最大值-Em減小到 0電路中的感應(yīng)電流、路端電壓與感應(yīng)電動勢的變化規(guī)律相同，如圖所示二、描述交變電流的物理量二、描述交變電流的物理量1、瞬時值、瞬時值：它是反映不同時刻交流電的大小和方向，正弦交流瞬時值表達式為：temsin，tIimsin.應(yīng)當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 2202V=311V（有時寫為310V），頻率為 50HZ，所以其電壓瞬時值的表達式為 u=311sin314tV?！纠?1】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，若霓虹燈的激發(fā)電壓和熄滅電壓均為 U0=602V，試估算在一個小時內(nèi)，霓虹燈發(fā)光時間有多長？為什么人眼不能感到這種忽明忽暗的現(xiàn)象？解析：由正弦交流電的最大值與有效值 U 的關(guān)系得：Um=1202V設(shè) t=0 時交流電的瞬時電壓 U=0 則交流電的瞬時表達式為U=1202sin100t V如圖所示，畫出一個周期內(nèi)交流電的 U-t 圖象，其中陰影部分對應(yīng)的時間 t1表示霓虹燈不能發(fā)光的時間，根據(jù)對稱性，一個周期內(nèi)霓虹燈不能發(fā)光的時間為 4t1，當 U=U0=602V 時，由上式得 t1=1/600s，再由對稱性求得一個周期內(nèi)能發(fā)光的時間：t=T-4t1=s751再由比例關(guān)系求得一小時內(nèi)霓虹燈發(fā)光的時間為：t=s24007515013600很明顯霓虹燈在工作過程中是忽明忽暗的，而熄滅的時間只有 1/300s（如圖t2時刻到 t3時刻）由于人的眼睛具有視覺暫留現(xiàn)象，而這個視覺暫留時間約 1/16s為遠大于 1/300s，因此經(jīng)過燈光刺激的人眼不會因為短暫的熄滅而有所感覺。2、最大值、最大值：也叫峰值，它是瞬時值的最大者，它反映的是交流電大小的變化范圍，當線圈平面跟磁感線平行時，交流電動勢最大，NBSEm（轉(zhuǎn)軸垂直于磁感線）。電容器接在交流電路中，則交變電壓的最大值不能超過電容器的耐壓值?！纠?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 2002V，不少學生往把電容器與燈泡類比，額定電壓 220 V的燈泡接在 220 V 的交流電源上正常發(fā)光.從而錯誤的認為電容器的耐壓值也只要不低于 220V 即可，事實上，電容器接在交流電路中一直不斷地進行充、放電過程.電容器兩極間電壓最大可達 2002V，故電容器 C 的耐壓值應(yīng)不低于 2002V.3、平均值、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間的比值.其量值可用法拉第電磁感應(yīng)定律NE t來求，特殊地，當線圈從中性面轉(zhuǎn)過 90 度的過程中，有mEE2.計算平均值切忌用算術(shù)平均法即221EEE求解。平均值不等于有效值。【例 3】如圖所示，求線圈由圖示位置轉(zhuǎn)過 60角的過程中，通過線圈某一橫截面的電量.解析：在計算電量問題中，一定要用電流、電壓平均值NE t而BSBS2360sin12又REI，tIqNq RRNBS234、有效值、有效值：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，如果它們在相同的時間內(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：mEU21，mII21對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、電流表測得的，都是指有效值.用電器上所標電壓、電流值也是指有效值.在計算交流電通過導體產(chǎn)生熱量、熱功以及確定保險絲的熔斷電流時，只能用有效值。【例 4】如圖所示，兩平行導軌與水平面間的傾角為 37，電阻不計，間距 L0.3m，長度足夠長，導軌處于磁感應(yīng)強度 B1T，方向垂直于導軌平面向上的勻強磁場中.導軌兩端各接一個阻值為 R02電阻，另一橫跨在導軌間的金屬棒質(zhì)量 m1kg，電阻 r1棒與導軌間的滑動摩擦因數(shù) 0.5，當金屬棒以平行于導軌的向上初速度 010m/s 上滑，直至上升到最高點過程中，通過上端電阻電量q0.1C（g 取 10m/s2），求上端電阻 R0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)強度 B 垂直斜面向上，則等效電路和導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.由tqI2rRE20得（1）（2）)2(20rRtqE而tBLstq s=2)(0BLrRqm設(shè)電路各電阻消耗的總焦耳熱為總Q總Q QtRItRItrRI6623)2()2(02002002總R0從金屬棒開始運動到最高點過程，利用能量守恒關(guān)系有總Q mgcossmgsins2021mvQR061總Q 5J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算，由于II有無法求，因此只能通過能量關(guān)系求得Q.三、感抗和容抗三、感抗和容抗（統(tǒng)稱電抗）1、感抗表示電感對交變電流的阻礙作用，其特點是“通直流，阻交流”、“通低頻，阻高頻”。2、容抗表示電容對交變電流的阻礙作用，其特點是“通交流，隔直流”、“通高頻，阻低頻”?！纠?5】左右兩個電路都是從左端輸入信號，從右端輸出信號。左圖中輸入的是高頻、低頻混合的交流信號，要求只輸出低頻信號；右圖中輸入的是直流和低頻交流的混合信號，要求只輸出低頻交流信號。那么 C1、C1C2C2中哪個該用大電容？哪個該用小電容？解：電容的作用是“通交流，隔直流”、“通高頻，阻低頻”，由其表達式 XC=1/2fC 可看出：左圖中的 C1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 C2一般用電容大的，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?！纠?6】電學元件的正確使用，對電路安全工作起著重要作用。某電解電容 器 上 標 有“25V，450 F”字 樣，下 列 說 法 中 正 確 的 是 A.此電容器在交流、直流電路 25V 的電壓時都能正常工作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.當工作電壓是直流 25V 時，電容才是 450FD.若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、綜合例析四、綜合例析【例 7】交流發(fā)電機的轉(zhuǎn)子由 BS 的位置開始勻速轉(zhuǎn)動，與它并聯(lián)的電壓表的示數(shù)為 14.1V，那么當線圈轉(zhuǎn)過 30時交流電壓的瞬時值為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=2U=20V。而轉(zhuǎn)過 30時刻的瞬時值為 u=Umcos30=17.3V。【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 I1=3A，后 t2=0.1s 為恒定電流 I2=-6A，因此這一個周期內(nèi)電流做的功可以求出來，根據(jù)有效值的定義，設(shè)有效值為 I，根據(jù)定義有：I 2RT=I12Rt1+I22Rt2 帶入數(shù)據(jù)計算得：I=32A【例 9】交流發(fā)電機轉(zhuǎn)子有 n 匝線圈，每匝線圈所圍面積為S，勻強磁場的磁感應(yīng)強度為 B，勻速轉(zhuǎn)動的角速度為，線圈內(nèi)電阻為 r，外電路電阻為 R。當線圈由圖中實線位置勻速轉(zhuǎn)動 90到達虛線位置過程中，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，計算電荷量應(yīng)該用平均值：即rRnBSqrRtnBSrRtnrREIt Iq,而，這里電流和電動勢都必須要用平均值，不能用有效值、最大值或瞬時值。求電熱應(yīng)該用有效值，先求總電熱 Q，再按照內(nèi)外電阻之比求 R 上產(chǎn)生的電熱 QR。rRSBnrRnBSrREtrRIQ4222)(222222，22224rRRSBnQrRRQR這里的電流必須要用有效值，不能用平均值、最大值或瞬時值。根據(jù)能量守恒，外力做功的過程是機械能向電能轉(zhuǎn)化的過程，電流通過電阻，又將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，即放出電熱。因此 W=Q rRSBn4222。一定要學會用能量轉(zhuǎn)化和守恒定律來分析功和能?！纠?10】左圖所示是某種型號的電熱毯的電路圖，電熱毯接在交變電源上，通過裝置 P 使加在電熱絲上的電壓的波形如右圖所示。此時接在電熱絲兩端的交流電壓表的讀數(shù)為 A.110V B.156VC.220V D.311V解：從 u-t 圖象看出，每個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，02212TRUTRU，得 U=156V，選 B。五、針對訓練五、針對訓練、矩形線圈在勻強磁場中繞著垂直磁感線方向的軸勻速轉(zhuǎn)動，當線圈通過中性面時，下列說法中正確的是（）A、穿過線圈的磁通量最大，線圈中的感應(yīng)電動勢最大B、穿過線圈的磁通量等于零，線圈中的感應(yīng)電動勢最大C、穿過線圈的磁通量最大，線圈中的感應(yīng)電動勢等于零D、穿過線圈的磁通量等于零，線圈中的感應(yīng)電動勢等于零2.一矩形線圈繞垂直磁場方向的軸在勻強磁場中轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生的交變電動勢 e Pu V1 2 3 4 5Ot/10-2su/V311=202sin20t V，由此可以判斷（）At=0 時，線圈平面和磁場垂直Bt=0 時，線圈的磁通量為零Ct=0.05s 時，線圈切割磁感線的有效速度最小Dt=0.05s 時，e 第一次出現(xiàn)最大值3.線圈在勻強磁場中勻角速轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生的交變電流如圖所示，則（）A在 A 和 C 時刻線圈平面和磁場垂直B在 B 和時刻線圈中的磁通量為零C從 A 時刻到 B 時刻線圈轉(zhuǎn)動的角度為rad D若從 O 時刻到 D 時刻經(jīng)歷的時間為 0.02s，則該交變電流在 1.0s 的時間內(nèi)方向會改變 100 次4.一個矩形線框的面積為 S，在磁感應(yīng)強度為 B 的勻強磁場中，從線圈平面與磁場垂直的位置開始計時，轉(zhuǎn)速為 n 轉(zhuǎn)/秒，則（）A線框交變電動勢的最大值為 nBSB線框交變電動勢的有效值為2nBSC從開始轉(zhuǎn)動經(jīng)過 1/4 周期，線框中的平均感應(yīng)電動勢為 2nBSD感應(yīng)電動勢瞬時值為 e=2nBSsin2nt5.關(guān)于交流電的有效值和最大值，下列說法正確的是（）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/2B只有正弦式電流才有 U=Um/2的關(guān)系C照明電壓 220V、動力電壓 380V，指的都是交變電流的有效值D交流電壓表和電流表測量的都是交變電流的有效值6.一只氖管的起輝電壓為 50V，把它接在 u=50sin314tV 的交變電源上，在一個交變電壓的周期內(nèi)，氖管的發(fā)光時間為（）A 0.02s B 0.01s C 0.015s D0.005s7.對于如圖所示的電路，下列說法正確的是（）Aa、b 端接穩(wěn)恒直流電，燈泡發(fā)亮Ba、b 端接交變電流，燈泡發(fā)亮Ca、b 端接交變電流，燈泡發(fā)亮，且將電容器電容增大時，燈泡亮度增大Da、b 端接交變電流，燈泡發(fā)亮，且將電容器電容減小時，燈泡亮度增大8.對于如圖所示的電路，下列說法正確的是（）A雙刀雙擲開關(guān) S 接上部時，燈泡亮度較大B雙刀雙擲開關(guān) S 接下部時，燈泡亮度較大C雙刀雙擲開關(guān) S 接下部，同時將電感線圈的 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9.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（）A1、2 兩燈均變亮，3 燈變暗B1 燈變亮，2、3 兩燈均變暗C1、2 燈均變暗，3 燈亮度不變D1 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，與之相連的導線中必須有自由電荷移動，這樣就形成了電流C交變電壓相同時，電容越大，電流越大D交變電壓相同時，頻率越高，電流越大12.對于圖所示的電路，下列說法正確的是（）Aa、b 兩端接穩(wěn)恒直流，燈泡將不發(fā)光Ba、b 兩端接交變電流，燈泡將不發(fā)光Ca、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Da、b 兩端由穩(wěn)恒的直流電壓換成有效值相同的交變電壓，燈泡亮度將會減弱13.在電子技術(shù)中，從前一級裝置輸出的既有直流成分（工作電流），又有交流成分（信號電流）。如果我們希望輸送到后一級裝置的只有直流成分，電容器應(yīng)該和后一級裝置 ；如果我們希望輸送到后一級裝置的只有交流成分，電容器應(yīng)該和后一級裝置 （兩空均填“串聯(lián)”或“并聯(lián)”）。14.將 u=1102sin100tV 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)揮的實際功率。15.一閉合線圈在勻強磁場中做勻角速轉(zhuǎn)動，線圈轉(zhuǎn)速為 240rad/min，當線圈平面轉(zhuǎn)動至與磁場平行時，線圈的電動勢為 2.0V。設(shè)線圈從垂直磁場瞬時開始計時，試求：（1）該線圈電動勢的瞬時表達式；（2）電動勢在481s 末的瞬時值。16.如圖所示，勻強磁場的磁感強度 B=0.1T，矩形線圈的匝數(shù) N=100 匝，邊長ab=0.2m，bc=0.5m，轉(zhuǎn)動角速度=100rad/s，轉(zhuǎn)軸在正中間。試求：（1）從圖示位置開始計時，該線圈電動勢的瞬時表達式；（2）當轉(zhuǎn)軸移動至 ab 邊（其它條件不變），再求電動勢的瞬時表達式；（3）當線圈作成半徑為 r=/1.0的圓形，再求電動勢的瞬時表達式。參考答案參考答案1.C 2.AC；3.D；4.BD；5.BCD；6.B；7.BC；8.AC；9.D；10.AD；11.ACD12.C 13.并聯(lián)、串聯(lián)14.（1）0.32A、（2）25W；15.（1）2sin8tV、（2）1.0V16.（1）314cos100tV、（2）不變、（3）不變。附：課前預習提綱附：課前預習提綱1、交變電流：和都隨時間做的交流電叫做交變電流電壓和電流隨時間按變化的交流電叫正弦交流電2、交流電的產(chǎn)生：矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的中心軸勻速旋轉(zhuǎn)時，線圈中就會產(chǎn)生3、當線圈平面垂直于磁感線時，線圈各邊都磁感線，線圈中沒有感應(yīng)電流，這樣的位置叫做線圈平面每經(jīng)過一次，感應(yīng)電流方向就改變一次，因此線圈轉(zhuǎn)動一周，感應(yīng)電流方向改變4、線圈從中性面開始轉(zhuǎn)動，角速度是，線圈中的感應(yīng)電動勢的峰值是m，那么在任一時刻 t 感應(yīng)電動勢的瞬時值 e 為若線圈電阻為，則感應(yīng)電流的瞬時值為5、交流發(fā)電機有兩種，即和其中轉(zhuǎn)動的部 分 叫 ，不 動 的 部 分 叫 發(fā) 電 機 轉(zhuǎn) 子 是 由、或其它動力機帶動6、交流電的有效值是根據(jù)電流的效應(yīng)來規(guī)定的正弦交流電的有效值與峰值間的關(guān)系是、U、I通常所說的交流電的數(shù)值，如果沒有特別說明，一般都是指交流電的值7、我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用的交流電頻率是Hz，周期是s，電流方向每分鐘改變次教學后記教學后記交變電流內(nèi)容比較簡單，主要要掌握幾種電流值，電壓值的計算，學生掌握比較好。