【物理】2018届人教版第9章第4节　交变电流教案 35页

第4节　交变电流 考点一| 交变电流的产生与描述 ‎1．产生 如图941所示，将闭合线圈置于匀强磁场中，并绕垂直于磁感线方向的轴做匀速转动．‎ 图941‎ ‎2．周期和频率 ‎(1)周期T：交变电流完成一次周期性变化(线圈转动一周)所需的时间，单位是秒(s)．公式表达式为T＝.‎ ‎(2)频率f：交变电流在1 s内完成周期性变化的次数，单位是赫兹(Hz)．‎ ‎(3)周期和频率的关系：T＝或f＝.‎ ‎3．交变电流的“四值”‎ ‎(1)瞬时值：交变电流某一时刻的值，是时间的函数．‎ ‎(2)峰值：交变电流的电流或电压所能达到的最大值．‎ ‎(3)有效值：让交变电流与恒定电流分别通过相同的电阻，如果它们在交变电流的一个周期内产生的热量相等，则这个恒定电流的电流I、电压U就是这个交变电流的有效值．‎ ‎(4)正弦式交变电流的有效值与峰值之间的关系：‎ I＝，U＝，E＝.‎ ‎(5)平均值：交变电流图象中波形与横轴所围面积跟时间的比值，其数值可以用＝n计算．‎ ‎1．正弦式交变电流的变化规律(线圈在中性面位置开始计时)‎ 物理量 函数表达式 图象 磁通量 Φ＝Φmcos ωt ‎＝BScos ωt 电动势 e＝Emsin ωt ‎＝nBSωsin ωt 电压 u＝Umsin ωt ‎＝sin ωt 电流 i＝Imsin ω t＝sin ωt ‎2．有效值的计算 ‎(1)公式法 利用E＝、U＝、I＝计算，只适用于正(余)弦式交变电流．‎ ‎(2)利用有效值的定义计算(非正弦式电流)‎ 交变电流的有效值是根据电流的热效应(电流通过电阻生热)进行定义的，所以进行有效值计算时，要紧扣电流通过电阻生热(或热功率)．注意“三同”：即“相同电阻”，“相同时间”内产生“相同热量”．计算时“相同时间”要取周期的整数倍，一般取一个周期．‎ ‎(3)利用能量关系 当有电能和其他形式的能转化时，‎ 可利用能的转化和守恒定律来求有效值．‎ ‎1．(多选)当交流发电机的线圈转到线圈平面与中性面重合时，下列说法中正确的是(　　)‎ A．电流将改变方向 B．磁场方向和线圈平面平行 C．线圈的磁通量最大 D．线圈产生的感应电动势最大 AC　[当线圈平面与中性面重合时，磁通量最大，磁通量的变化率为零，感应电动势为零，电流将改变方向．故选A、C.]‎ ‎2．(多选)矩形线框在匀强磁场内匀速转动的过程中，线框输出的交变电压随时间变化的图象如图942所示，下列说法中正确的是(　　)‎ 图942‎ A．交变电压的有效值为36 V B．交变电压的最大值为36 V，频率为0.25 Hz C．2 s末线框平面垂直于磁场，通过线框的磁通量最大 D．1 s末线框平面垂直于磁场，通过线框的磁通量变化最快 ‎【答案】　BC ‎3．有一不动的矩形线圈abcd，处于范围足够大的可转动的匀强磁场中，如图943所示．该匀强磁场是由一对磁极N、S产生，磁极以OO′为轴匀速转动．在t＝0时刻，磁场的方向与线圈平行，磁极N开始离开纸面向外转动，规定由abcda方向的感应电流为正，则能反映线圈中感应电流I随时间t变化的图线是(　　)‎ 图943‎ C　[磁极以OO′为轴匀速转动可等效为磁场不动线圈向相反方向转动，在t＝0时刻，由右手定则可知，产生的感应电流方向为abcda，因磁场的方向与线圈平行，感应电流最大，故C项正确．]‎ ‎4．如图944所示，N＝50 匝的矩形线圈abcd，ab边长l1＝20 cm，ad边长l2＝25 cm，放在磁感应强度B＝0.4 T的匀强磁场中，外力使线圈绕垂直于磁感线且通过线圈中线 的OO′轴以n＝3 000 r/min的转速匀速转动，线圈电阻r＝1 Ω，外电路电阻R＝9 Ω，t＝0 时线圈平面与磁感线平行，ab边正转出纸外、cd边转入纸里．求：‎ 图944‎ ‎(1)t＝0时感应电流的方向；‎ ‎(2)感应电动势的瞬时值表达式；‎ ‎(3)线圈转一圈外力做的功. ‎ ‎【导学号：81370341】‎ ‎【解析】　(1)根据右手定则，线圈感应电流方向为adcba.‎ ‎(2)线圈的角速度ω＝2πn＝100π rad/s 图示位置的感应电动势最大，其大小为 Em＝NBl1l2ω 代入数据得Em＝314 V 感应电动势的瞬时值表达式 e＝Emcos ωt＝314cos(100πt)V.‎ ‎(3)电动势的有效值 E＝ 线圈匀速转动的周期 T＝＝0.02 s 线圈匀速转动一圈，外力做功大小等于电功的大小，即W＝I2(R＋r)T＝·T 代入数据得W≈98.6 J.‎ ‎【答案】　(1)感应电流方向沿adcba　(2)e＝314cos(100πt)V　(3)98.6 J 考点二| 电感和电容对交变电流的影响 ‎1．影响电感对交变电流的阻碍作用的因素 电感器的自感系数、交变电流的 频率．‎ ‎(1)电感器的自感系数越大，对交变电流的阻碍作用越大．‎ ‎(2)交变电流的频率越高，电感器对交变电流的阻碍作用越大．‎ ‎2．影响电容器对交变电流阻碍作用的因素 电容器的电容、交变电流的频率．‎ ‎(1)电容器的电容越大，对交变电流的阻碍作用越小．‎ ‎(2)交变电流的频率越高，电容器对交变电流的阻碍作用越小．‎ ‎1．电感器的应用——扼流圈 类型 低频扼流圈 高频扼流圈 构造 匝数多，有铁芯(由铜线绕制)‎ 匝数少，无铁芯(由铜线绕制)‎ 自感系数L 较大 较小 感抗XL大小 较大 较小 作用 通直流，阻交流 通直流、通低频，阻高频 ‎(1)“通直流，阻交流”这是对两种不同类型的电流而言的，因为直流电流的方向不变化，不能引起自感现象，交变电流的电流方向时刻改变，必有自感电动势产生来阻碍电流的变化．‎ ‎(2)“通低频，阻高频”这是对不同频率的交变电流而言的，因为交变电流的频率越高，电流的变化越快，线圈的自感作用越强，感抗也就越大．‎ ‎2．电容器在电路中的应用 ‎(1)隔直电容器：通交流，阻直流．‎ 如图945所示，输入信号既有交流成分又有直流成分，在下一级电路的输入端前串联一个电容器(电容较大)，就可以阻挡直流成分，只让交流成分通过．‎ 图945‎ ‎(2)高频旁路电容器：通高频，阻低频．‎ 如图946所示，输入信号中既有高频成分又有低频成分，在下一级电路的输入端并联一个电容器(电容较小)，‎ 就可只把低频成分的交流信号输送到下一级装置．‎ 图946‎ ‎1．(多选)如图947所示的实验电路中，若交流电压的有效值与直流电压相等，S为双刀双掷开关，下列叙述中正确的是(　　)‎ 图947‎ A．当S掷向a、b时灯较亮，掷向c、d时灯较暗 B．当S掷向a、b时灯较暗，掷向c、d时灯较亮 C．S掷向c、d，把电感线圈中的铁芯抽出来时灯变亮 D．S掷向c、d，电源电压不变，而使频率减小时灯变暗 AC　[线圈对恒定电流(直流)几乎无阻碍作用，对交变电流线圈自感系数越大，阻碍作用越大．]‎ ‎2．如图948所示，电路由交流电源供电，最大电压保持不变，如果交变电流的频率升高，‎ 则下列说法中正确的是(　　)‎ 图948‎ A．电容器上的电荷量最大值增大 B．电容器的阻碍作用增大 C．电路中灯泡的亮度变亮 D．电路中灯泡的亮度变暗 C　[当交变电流的频率升高时，电容器的阻碍作用减小，灯泡的亮度变亮，灯泡两端的电压变大，故选项C正确，选项B、D错误；由Q＝CU 可知，选项A错误．]‎ ‎3．(多选)(2017·湖州选考模拟)如图949所示，当交流电源的电压(有效值)U＝220 V，频率f＝50 Hz时，三只灯泡L1、L2、L3的亮度相同(L无直流电阻)，若将交流电源的频率变为f＝100 Hz，则(　　) ‎ ‎【导学号：81370342】‎ 图949‎ A．L1灯比原来亮 B．L2灯比原来亮 C．L3灯和原来一样亮 D．L3灯比原来亮 AC　[电容器对交流电的阻碍作用与交变电流的频率有关，频率越高阻碍作用越小，所以选项A正确；电感器对交变电流的阻碍作用随频率的升高而增大，所以选项B错误；电阻R对交变电流的阻碍作用与电源的频率无关，所以选项C正确，选项D错误．]‎ 考点三| 变压器　电能的输送 ‎1．理想变压器 ‎(1)构造和原理(如图9410所示)‎ 图9410‎ ‎①主要构造由原线圈、副线圈和闭合铁芯组成．‎ ‎②工作原理：电磁感应的互感现象．‎ ‎(2)基本关系 ‎①电压关系：＝.‎ ‎②功率关系：P入＝P出．‎ ‎③电流关系：a.只有一个副线圈时：＝.‎ b．有多个副线圈时，U1I1＝U2I2＋U3I3＋…＋UnIn.‎ ‎2．远距离输电 ‎(1)输电过程(如图9411所示)‎ 图9411‎ ‎(2)电压损失 ‎①ΔU＝U－U′.②ΔU＝IR.‎ ‎(3)功率损失 ‎①ΔP＝P－P′.②ΔP＝I2R＝2R.‎ ‎(4)减少输电线上电能损失的方法 ‎①减小输电线的电阻R线．由R线＝ρ知，可采用加大导线的横截面积、采用电阻率小的材料做导线．‎ ‎②减小输电导线中的电流．在输电功率一定的情况下，根据P＝UI，要减小电流，必须提高输电电压．‎ ‎1．理想变压器的动态分析 ‎(1)匝数比不变的情况(如图9412所示)‎ 图9412‎ ‎①U1不变，根据＝，输入电压U1决定输出电压U2，可以得出不论负载电阻R如何变化，U2不变．‎ ‎②当负载电阻发生变化时，I2变化，根据输出电流I2决定输入电流I1，可以判断I1的变化．‎ ‎③I2变化引起P2变化，根据P1＝P2，可以判断P1的变化．‎ ‎(2)负载电阻不变的情况(如图9413所示)‎ 图9413‎ ‎①U1不变，发生变化，U2变化．‎ ‎②R不变，U2变化，I2发生变化．‎ ‎③根据P2＝和P1＝P2，可以判断P2变化时，P1发生变化，U1不变时，I1发生变化．‎ ‎2．远距离输电 ‎(1)理清三个回路 图9414‎ 远距离输电电网间的基本结构，如图9414所示．输电过程的电路被划分为三个独立的回路，即电源回路、输送回路和用户回路．在每个回路中，变压器的原线圈是回路的用电器，‎ 而相应的副线圈是下一个回路的电源，每个回路均可应用闭合电路欧姆定律、串并联电路的规律，而变压器的电压、电流、功率关系则是联系不同回路的桥梁．‎ ‎(2)抓住两个联系 ‎①理想的升压变压器联系了电源回路和输送回路，由理想变压器原理可得：线圈1(匝数为n1)和线圈2(匝数为n2)中各个量间的关系是：＝，I1n1＝I2n2，P1＝P2.‎ ‎②理想的降压变压器联系了输送回路和用户回路，由理想变压器原理可得：线圈3(匝数为n3)和线圈4(匝数为n4)中各个量间的关系是：＝，I3n3＝I4n4，P3‎ ‎＝P4.‎ ‎(3)掌握一个能量守恒定律 发电机把机械能转化为电能，并通过导线将能量输送给线圈1，线圈1上的能量就是远程输电的总能量，在输送过程中，先被输送回路上的导线电阻损耗一小部分，剩余的绝大部分通过降压变压器和用户回路被用户使用消耗，所以其能量关系为P1＝P线损＋P用户．‎ ‎1．(2017·衢州选考模拟)如图9415，理想变压器原、副线圈匝数比n1∶n2＝2∶1，○V和Ⓐ均为理想电表，灯泡电阻RL＝6 Ω，AB端电压u1＝12sin ‎ 100πt(V)．下列说法正确的是(　　)‎ 图9415‎ A．电流频率为100 Hz B．○V的读数为24 V C．Ⓐ的读数为0.5 A D．变压器输入功率为6 W D　[由ω＝2πf＝100π rad/s得：f＝50 Hz，A错．有效值U1＝12 V，又：＝ 得：U2＝6 V，I2＝＝1‎ ‎ A，选项B、C错．由能量守恒得P1＝P2＝U2I2＝6 W，D选项对．]‎ ‎2．(多选)理想变压器原线圈与正弦交变电源连接，输入电压u随时间t变化的规律如图9416所示，原、副线圈匝数比＝，副线圈只接入一个R＝10 Ω的电阻，则(　　) ‎ ‎【导学号：81370343】‎ 图9416‎ A．与电阻R 并联的电压表示数为3.11 V B．流过电阻R的电流最大值为0.311 A C．变压器的输入功率为0.484 W D．一个周期内，电阻R上产生的热量为9.68×10－3 J BCD　[原线圈两端电压有效值是220 V，则根据＝可得副线圈两端电压有效值U2＝2.2 V，电压表测得的是有效值，A错；流过副线圈的电流有效值I2＝0.22 A，流过副线圈的电流最大值为0.311 A，B对；变压器输入功率等于输出功率，输出功率P2＝U2I2＝0.484 W，C对；根据Q＝IRt并代入数据可得Q ‎＝9.68×10－3 J，D对．]‎ ‎3．(多选)如图9417所示，理想变压器的原线圈连接一只理想交流电流表，副线圈匝数可以通过滑动触头Q来调节，在副线圈两端连接了定值电阻R0和滑动变阻器R，P为滑动变阻器的滑动触头．在原线圈上加一电压为U的正弦交流电，则(　　)‎ 图9417‎ A．保持Q的位置不动，将P向上滑动时，电流表读数变大 B．保持Q的位置不动，将P 向上滑动时，电流表读数变小 C．保持P的位置不动，将Q向上滑动时，电流表读数变大 D．保持P的位置不动，将Q向上滑动时，电流表读数变小 BC　[Q位置不动，副线圈电压U2不变，当P上滑时，R增大，由P＝可知总功率减小，原线圈电压U1不变，由P＝U1I1可知原线圈电流I1减小，故A错误，B正确；当P位置不动，Q上滑时，由＝知U2增大，同理分析原线圈电流I1增大，故C正确，D错误．]‎ ‎4. (多选)如图9418所示的电路中，理想变压器的输入电压u不变，R1‎ 为定值电阻，若要使电压表示数增大，可采用的办法是(　　) ‎ 图9418‎ ‎【导学号：81370344】‎ A．保持其他不变，将滑动接头p向上移 B．保持其他不变，将滑动接头p向下移 C．保持其他不变，增大R2‎ D．保持其他不变，减小R2‎ AC　[‎ 根据串反并同，要使电压表的示数增大，可以使与电压表并联的滑动变阻器的阻值增大，C正确、D错误；将滑动接头p向上移，n1减小，变压器的输入电压不变，输出电压增大，副线圈回路的电流增大，滑动变阻器分压增大，电压表示数增大，A正确、B错误．]‎