高二物理交流电的产生及表征交流电的物理量鲁教知识精讲doc

1、高二物理交流电的产生及表征交流电的物理量鲁教版【本讲教育信息】一. 教学内容：交流电的产生及表征交流电的物理量【基础知识】一. 交变电流大小和方向都随时间作周期性变化的电流叫做交变电流，简称交流电。如图所示（b）、（c）、（e）所示电流都属于交流，其中按正弦规律变化的交流叫正弦交流。如图（b）所示。而（a）、（d）为直流，其中（a）为恒定电流。二. 交流发电机（1）发电机的基本组成：用来产生感应电动势的线圈（叫电枢）用来产生磁场的磁极（2）发电机的基本种类：旋转电枢式发电机（电枢动磁极不动）旋转磁极式发电机（磁极动电枢不动）无论哪种发电机，转动的部分叫转子，不动的部分叫定子。三. 正弦式交流电

2、的产生在场强为B的匀强磁场中，矩形线圈边长为L，逆时针绕中轴匀速转动，角速度为，从线圈平面与磁场垂直的位置开始计时，经过时间t，转过的角度为=t，而线圈转动的线速度大小始终为v=L/2， 此时ab边线速度v与磁感线的夹角也等于t，设这时ab边中的感应电动势为eab，cd边切割磁感线产生的感应电动势为ecd，则有就整个线圈来看，因ab、cd边产生的感应电势方向相同，是串联，所以当线圈平面跟磁感线平行时，即t=/2，这时感应电动势最大值m=BS感应电动势的瞬时表达式为e= msint可见在匀强磁场中，匀速转动的线圈中产生的感应电动势是按正弦规律变化的。即感应电动势的大小和方向是以一定的时间间隔做周

3、期性变化。当线圈跟外电路组成闭合回路时，设整个回路的电阻为R，则电路的感应电流的瞬时值表达式为感应电流瞬时值表达式 i=Imsint这种按正弦规律变化的交变电流叫正弦式电流。四. 正弦式交流电的图像1. 正弦式交流电的变化规律还可以用图像来表示，在直角坐标系中，横轴表示线圈平面跟初始位置的夹角（或者表示线圈转动经过的时间t），纵坐标表示感应电动势e（感应电流i）。交流电的电动势瞬时值和穿过线圈面积的磁通量的变化率成正比。当线圈在匀强磁场中匀速转动时，线圈磁通量也是按正弦（或余弦）规律变化的，若从线圈平面与磁场垂直的位置开始计时，t=0时，磁通量最大，应为余弦函数，此刻变化率为零（切线斜率为零）

4、，t=时，磁通量为零，此刻变化率最大（切线斜率最大），因此从线圈平面与磁场垂直的位置开始计时，感应电动势的瞬时表达式是正弦函数。2. 中性面：匀速旋转的线圈，位于跟磁感线垂直的平面叫做中性面。这一位置穿过线圈的磁通量最大，但切割边都未切割磁感线，或者说这时线圈的磁通量变化率为零，线圈中无感应电动势。五. 表征交变电流的物理量1. 表征交变电流及电压的大小的物理量瞬时值：对应某一时刻的交流的值 用小写字母表示，e i ue=NBSsint e=sinti=sint=Isintu=Usint峰值：即最大的瞬时值 用大写字母表示，Ummmm= nsB m=m/ R注意：线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线

5、方向的轴匀速转动时，所产生感应电动势的峰值为=nBS，即仅由匝数N，线圈面积S，磁感强度B和角速度四个量决定。与轴的具体位置，线圈的形状及线圈是否闭合都是无关的。有效值：、意义：描述交流电做功或热效应的物理量、定义： 交变电流的有效值是根据电流的热效应规定的：让交流电和恒定电流通过相同阻值的电阻，如果它们在相同的时间内产生的热量相等，就把这一直流电的电压和电流的数值叫做这一交流电电压和电流的有效值。、正弦交流的有效值与峰值之间的关系是= I= U=。注意：正弦交流的有效值和峰值之间具有=，U=的关系，非正弦（或余弦）交流一般无此关系。、交流用电器的额定电压和额定电流指的是有效值；交流电流表和交

6、流电压表的读数是有效值。对于交流电若没有特殊说明的均指有效值。、在求交流电的功、功率或电热时必须用交流电的有效值。生活中用的市电电压为220V，其最大值为220V=311V（有时写为310V），频率为50Hz，所以其电压即时值的表达式为u=311sin314tV。峰值、有效值、平均值在应用上的区别。 峰值是交流变化中的某一瞬时值，对纯电阻电路来说，没有什么应用意义。若对含电容电路，在判断电容器是否会被击穿时，则需考虑交流的峰值是否超过电容器的耐压值。 交流的有效值是按热效应来定义的，对于一个确定的交流来说，其有效值是一定的。而平均值是由公式确定的，其值大小由某段时间磁通量的变化量来决定，在不同

7、的时间段里是不相同的。如对正弦交流，其正半周或负半周的平均电动势大小为，而一周期内的平均电动势却为零。在计算交流通过电阻产生的热功率时，只能用有效值，而不能用平均值。在计算通过导体的电量时，只能用平均值，而不能用有效值。在实际应用中，交流电器铭牌上标明的额定电压或额定电流都是指有效值，交流电流表和交流电压表指示的电流、电压也是有效值，解题中，若题目中不加特别说明，提到的电流、电压、电动势，都是指有效值。2. 表征交变电流变化快慢的物理量周期T：电流完成一次周期性变化所用的时间。单位：s .频率f：一秒内完成周期性变化的次数。单位：Hz.角频率：就是线圈在匀强磁场中转动的角速度。单位：rad/s

8、.角速度、频率、周期的关系=2f=【典型例题】例1. 一矩形线圈，面积为s，匝数为N，在场强为B的匀强磁场中绕着中轴oo做匀速转动，角速度为，磁场方向与转轴垂直，当线圈转到中性面时开始计时，求：（1）线圈中感应电动势的最大值？（2）线圈中感应电动势随时间变化的表达式？（3）若线圈中的电阻为R，则线圈中的电流的最大值为多少？（4）线圈中的电流瞬时表达式？ 解：例2. 通过某电阻的周期性交变电流的图象如图。求该交流电的有效值I。解：该交流周期为T=0.3s，前t1=0.2s为恒定电流I1=3A，后t2=0.1s为恒定电流I2= -6A，因此这一个周期内电流做的功可以求出来，根据有效值的定义，设有效

9、值为I，根据定义有：I 2RT=I12Rt1+ I22Rt2 带入数据计算得：I=3A 例3. 交流发电机转子有n匝线圈，每匝线圈所围面积为S，匀强磁场的磁感应强度为B，匀速转动的角速度为，线圈内电阻为r，外电路电阻为R。当线圈由图中实线位置匀速转动90°到达虚线位置过程中，求：通过R的电荷量q为多少？R上产生电热QR为多少？外力做的功W为多少？解：按照电流的定义I=q/t，计算电荷量q应该用电流的平均值：即，这里电流和电动势都必须要用平均值，不能用有效值、最大值或瞬时值。求电热应该用有效值，先求总电热Q，再按照内外电阻之比求R上产生的电热QR。这里的电流必须要用有效值，不能用平均值

10、、最大值或瞬时值。根据能量守恒，外力做功的过程是机械能向电能转化的过程，电流通过电阻，又将电能转化为内能，即放出电热。因此W=Q 。一定要学会用能量转化和守恒定律来分析功和能。例4. 如图所示是某种型号的电热毯的电路图，电热毯接在交变电源上，通过装置P使加在电热丝上的电压的波形如图所示。此时接在电热丝两端的交流电压表的读数为 A.110V B.156V C.220V D.311V解：从u-t图象看出，每个周期的前半周期是正弦图形，其有效值为220V；后半周期电压为零。根据有效值的定义， ，得U=156V，选B。【模拟试题】1. 下面哪些因素影响交流发电机产生的电动势的最大值 （ ）A. 磁感强

11、度B. 线圈匝数C. 线圈面积D. 线圈转速E. 线圈初始位置2. 甲、乙两电路中电流与时间关系如图1，属于交变电流的是 （ ）A. 甲乙都是B. 甲是乙不是C. 乙是甲不是D. 甲乙都不是3. 矩形线圈在匀强磁场中匀速转动产生的电动势e-t图像如图2，则（ ）A. t1，t3线圈通过中性面B. t2，t4线圈中磁通量最大C. t1，t3线圈中磁通量变化率最大D. t2，t4线圈平面与中性面垂直4. 如图3，矩形线圈在匀强磁场中绕OO轴匀速转动，当转到图示位置时，线圈的 （ ）A. 磁通量变化率为零B. 感应电流为零C. 磁力矩为零D. 感应电流最大5. 关于线圈在匀强磁场中转动产生的交变电流

12、，以下说法中正确的是 （ ）A. 线圈平面每经过中性面一次，感应电流方向就改变一次，感应电动势方向不变B. 线圈每转动一周，感应电流方向就改变一次C. 线圈平面每经过中性面一次，感应电动势和感应电流的方向都要改变一次D. 线圈转动一周，感应电动势和感应电流方向都要改变一次6. 下列说法正确的是 （ ）A. 使用交流的设备所标的电压和电流都是最大值B. 交流电流表和电压表测量的是有效值C. 在相同时间内通过同一电阻，跟直流电有相同热效应的交变电流值是交流的有效值D. 给定的交变电流值在没有特别说明的情况下都是指有效值7. 四个接220V交流的用电器，通电时间相同，则消耗电能最多的是 （ ）A.

13、正常发光的额定功率为100W的灯泡B. 电流最大值为0.6A的电熨斗C. 每秒发热40cal的电热器D. 额定电流I=0.5A的电烙铁8. 如图4所示的交流为u=311sin（314t+/6）V，接在阻值220的电阻两端，则 （ ）A. 电压表的读数为311VB. 电流表读数为1.41AC. 电流表读数是1AD. 2s内电阻的电热是440J 9. 一正弦式电流，其有效值为_，频率为_，接上R=10电阻后，一周期内产生的热量为_，在图5中作出电流与时间的关系图i-t。10. 正弦交变电流图象如图6所示，其感应电动势的最大值为_ V，周期为_s。当线圈转速变为原来的倍时，所产生交变电动势的有效值为_V，周期为_。11. 如图6所示，在第一个周期时间内，线圈转到中性面的时刻为_末，此时穿过线圈的磁通量_（填最大，最小或零。下同），流过线圈的电流为_，在0.02s末时刻，线圈在磁场中的位置是_。12. 边长为a的正方形线圈在磁感强度为B的匀强磁场中，以一条边为轴匀速转动，角速度为，转动轴与磁场方向垂直，若线圈电阻为R，则从如图7所示线圈平面在与磁场方向平行的位置转过90°角的过程中，在线圈中产生的热量是多少？13