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- 2021-06-01 发布
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2 描述交变电流的物理量
[学习目标] 1.掌握交变电流的周期、频率、线圈转动角速度三者之间的关系.2.能理解电流的有效值,知道有效值是与热效应有关的量.3.掌握交变电流有效值与峰值的关系,会进行有效值的计算.
一、周期和频率
1.周期(T)
交变电流完成一次周期性变化所需的时间.
2.频率(f)
交变电流在1 s内完成周期性变化的次数.
3.T=或f=.
二、峰值和有效值
1.峰值:交变电流的电压、电流能达到的最大值叫峰值.
2.有效值:让交流与恒定电流分别通过大小相同的电阻,如果在交流的一个周期内它们产生的热量相同,则此恒定电流的数值叫做交流电的有效值.
3.在正弦式交变电流中,最大值与有效值之间的关系
E==0.707Em U==0.707Um I==0.707Im
三、相位和相位差
1.定义:正弦式交变电流u=Umsin (ωt+φ),其中“ωt+φ
9
”叫做交变电流的相位.两支交流的相位之差叫做它们的相位差.
2.正弦式交流电u1=Umsin (ωt+φ1)和u2=Umsin (ωt+φ2)的相位差是φ1-φ2.
[即学即用]
1.判断下列说法的正误.
(1)正弦式交变电流的正负两部分是对称的,所以有效值为零.( × )
(2)交变电流的有效值就是一个周期内的平均值.( × )
(3)一个正弦式交变电流的峰值同周期、频率一样是不变的,但有效值是随时间不断变化的.( × )
(4)交流电路中,电压表、电流表的测量值都是有效值.( √ )
2.我国电网中交流电的频率为50 Hz,则我国提供市电的发电机转子的转速为________r/min.
答案 3 000
一、周期和频率
[导学探究] 如图1所示,交变电流完成一次周期性变化需要多长时间?在1 s内完成多少次周期性变化?
图1
答案 完成一次周期性变化需要0.02 s;在1 s内完成50次周期性变化.
[知识深化]
交变电流的周期和频率跟发电机转子的角速度ω或转速n有关.ω(n)越大,周期越短,频率越高,其关系为T=,ω=2πf=2πn.
例1 (多选)矩形金属线圈共10匝,绕垂直于磁场方向的转动轴在匀强磁场中匀速转动,线圈中产生的交流电动势e随时间t变化的情况如图2所示.下列说法中正确的是( )
图2
9
A.此交变电流的频率为0.2 Hz
B.1 s内电流方向变化10次
C.t=0.1 s时,线圈平面与磁场方向平行
D.1 s内线圈转5圈
答案 BD
解析 由题图知T=0.2 s,故f== Hz=5 Hz,即1 s内完成5个周期,线圈转5圈,每转1圈电流方向改变2次,故A错误,B、D正确;在t=0.1 s时,e=0,所以线圈平面与磁场方向垂直,故C错误.
9
二、峰值和有效值
[导学探究]
1.图3是通过一个R=1 Ω的电阻的电流i随时间t变化的图象.
图3
(1)试计算1 s内电阻R中产生的热量.
(2)如果有一个大小、方向都不变的恒定电流通过这个电阻R,也能在1 s内产生同样的热量,这个电流是多大?
答案 (1)Q=I12Rt1+I22Rt2=42×1×0.5 J+22×1×0.5 J=10 J.(2)根据交变电流有效值的定义可得:I2Rt=Q,解得I= A.
2.某交流电压的瞬时值表达式u=6sin (100πt) V,把标有“6 V 2 W”的小灯泡接在此电源上会不会被烧坏?把标有6 V的电容器接在此电源上会不会被击穿?
答案 小灯泡不会被烧坏,交流电压的瞬时值表达式u=6sin (100πt) V中6 V是最大值,其有效值为6 V,而标有“6 V 2 W”的小灯泡中的6 V是有效值.电容器会被击穿.
[知识深化]
1.峰值和有效值的应用
(1)电容器所能承受的电压应高于交流电的峰值,否则电容器可能被击穿.
(2)电气设备铭牌上标注的额定电压、额定电流都是有效值.交流电压表和交流电流表测量的也是有效值.
(3)保险丝的熔断电流为有效值.
2.有效值的计算
(1)对于正弦式交变电流,可先根据Em=nBSω求出最大值,然后根据E=求出其有效值.
(2)当电流是非正弦式交变电流时,必须根据有效值的定义求解.先计算交变电流在一个周期内产生的热量Q,再将热量Q用相应的物理量的有效值表示,即Q=I2RT或Q=T,最后代入数据求解有效值.
例2 (多选)下列关于交流电的说法中正确的是( )
A.交流电气设备上所标的电压值和电流值是交流电的峰值
B.用交流电流表和电压表测定的读数值是交流电的瞬时值
C.给定的交流数值,在没有特别说明的情况下是指有效值
9
D.跟交变电流有相同的热效应的直流电的数值是交流电的有效值
答案 CD
解析 对于交变电流,在没有特别说明的情况下指有效值,交流电流表和电压表的读数值是交流电的有效值,交流电气设备的铭牌上所标的电压值和电流值也是有效值,A、B错误,C正确;根据有效值定义可知,D正确.
例3 通过一阻值R=100 Ω的电阻的交变电流如图4所示,其周期为1 s.电阻两端电压的有效值为( )
图4
A.12 V B.4 V C.15 V D.8 V
答案 B
解析 根据电流的热效应先计算电流的有效值.由(0.1 A)2R×0.4 s×2+(0.2 A)2R×0.1 s×2=I2R×1 s,可得流过电阻的电流的有效值I= A,电阻两端电压的有效值为U=IR= 4 V,故B正确.
对于非正弦式交变电流的有效值,应按有效值的定义计算,计算时要紧扣电流通过电阻产生的热量进行计算,计算时间一般取一个周期,半周期对称的可取半个周期.
例4 (多选)图5甲、乙分别为两种电压的波形,其中图甲所示的电压按正弦规律变化,图乙所示的电压的波形是正弦函数的一部分.下列说法正确的是( )
图5
A.图甲、图乙均表示交流电
B.图甲所示电压的瞬时值表达式为u=20sin 100πt(V)
C.图甲所示电压的有效值为10 V
D.图乙所示电压的有效值为10 V
9
答案 ABD
解析 根据交变电流的定义,题图甲、乙均表示交流电,题图甲所示电压的瞬时值表达式为u=20sin 100πt(V),选项A、B正确;题图甲所示电压的有效值U甲== V=10 V,C错误;根据有效值的定义得:·=T,解得题图乙所示电压的有效值U乙=10 V,选项D正确.
三、正弦式交流电有效值、最大值、平均值的对比
1.有效值
(1)只有正(或余)弦式交流电的有效值根据E=计算.
(2)计算与电流热效应有关的量(如电功、电功率、热量)要用有效值.
(3)交流电表的测量值,电气设备标注的额定电压、额定电流,通常提到的交流电的数值都是指有效值.
2.最大值
写正弦式交流电瞬时值表达式e=Emsin ωt时要用到最大值.最大值Em=nBSω.
3.平均值
(1)求某一过程中的电动势是平均值,=n.
(2)计算通过线圈横截面的电荷量时用电动势的平均值,即q=·Δt=Δt=n.
例5 如图6所示,矩形线圈面积为S,匝数为n,线圈电阻为r,在磁感应强度为B的匀强磁场中绕垂直磁场方向的OO′轴以角速度ω匀速转动,外电路电阻为R.当线圈由图示位置转过90°的过程中,求:
图6
(1)通过电阻R的电荷量q;
(2)电阻R上所产生的热量Q.
答案 (1) (2)
解析 (1)依题意磁通量的变化量ΔΦ=BS,线圈转过90°的时间为Δt===
9
,平均感应电动势为=n=,平均感应电流为==,通过电阻R的电荷量为q=·Δt=.
(2)线圈中感应电动势的有效值E和最大值Em的关系是E==,电路中电流的有效值为I==.
电阻R上产生的焦耳热为Q=I2R·Δt=.
1.(对描述交变电流物理量的理解)如图7,实验室一台手摇交流发电机,内阻r=1.0 Ω,外接R=9.0 Ω的电阻.闭合开关S,当发电机转子以某一转速匀速转动时,产生的电动势e=10sin 10πt (V),则( )
图7
A.该交变电流的频率为10 Hz
B.该电动势的有效值为10 V
C.外接电阻R所消耗的电功率为10 W
D.电路中理想交流电流表A的示数为1.0 A
答案 D
解析 因e=10sin 10πt (V),故ω=10π rad/s,f==5 Hz,选项A错误;
Em=10 V,故其有效值E==10 V,选项B错误;
交流电表的示数及功率的计算均要用有效值,因此电路中理想电流表A的示数I==1.0 A,选项D正确;
外接电阻R所消耗的电功率为P=I2R=1.02×9 W=9 W,选项C错误.
2.(交变电流有效值的计算)如图8所示是一交变电流随时间变化的图象,求此交变电流的有效值.
9
图8
答案 5 A
解析 设该交变电流的有效值为I,让该交变电流和直流电分别通过同一电阻(阻值为R),在一个周期(T=0.2 s)内,该交变电流产生的热量:Q′=I12Rt1+I22Rt2
在一个周期内直流电通过该电阻产生的热量
Q=I2RT
由Q=Q′,代入数据,解得I=5 A.
3.(有效值的应用)一台小型发电机产生的电动势随时间变化的正弦规律图象如图9甲所示.已知发电机线圈内阻为5.0 Ω,外接一只电阻为95.0 Ω的灯泡,如图乙所示,则 ( )
图9
A.电压表的示数为220 V
B.电路中的电流方向每秒钟改变50次
C.灯泡实际消耗的功率为484 W
D.发电机线圈内阻每秒钟产生的焦耳热为24.2 J
答案 D
解析 电压表示数为灯泡两端电压的有效值,由题图知电动势的最大值Em=220 V,有效值E=220 V,灯泡两端电压U==209 V,A错误;
由题图甲知T=0.02 s,一个周期内电流方向变化两次,可知1 s内电流方向变化100次,B错误;
灯泡的实际功率P== W=459.8 W,C错误;
电流的有效值I==2.2 A,发电机线圈内阻每秒钟产生的焦耳热为Qr=I2rt=2.22×5×1 J=24.2 J,D正确.
4.(正弦式交流电有效值、最大值、平均值的对比)如图10所示,单匝矩形闭合导线框abcd全部处于磁感应强度为B的水平匀强磁场中,线框面积为S,电阻为R.线框绕与cd
9
边重合的竖直固定转轴以角速度ω匀速转动,线框中感应电流的有效值I=________.线框从中性面开始转过的过程中,通过导线横截面的电荷量q=________.
图10
答案
解析 感应电动势的最大值Em=BSω,有效值E=,感应电流的有效值I==,电荷量q=·Δt=·Δt=·Δt==.
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