高考物理一轮复习 11.1 交变电流的产生和描述同步课件.ppt

第第1 1讲 交交变电流的流的产生和描述生和描述2021/8/11 星期三1图图1011一、交变电流的产生和变化规律一、交变电流的产生和变化规律1交变电流：交变电流：大小和方向都随时间做大小和方向都随时间做的电的电流如图流如图1011(a)、(b)、(c)、(d)所示都属于交变电所示都属于交变电流其中按流其中按变化的交变电流叫正弦式交变电流，变化的交变电流叫正弦式交变电流，简称正弦式电流，如图简称正弦式电流，如图1011(a)所示所示周期性变化周期性变化正弦规律正弦规律2021/8/11 星期三22中性面中性面(1)定义：与磁场方向定义：与磁场方向的平面的平面(2)特点特点线圈位于中性面时，穿过线圈的磁通量线圈位于中性面时，穿过线圈的磁通量，磁通量，磁通量的变化率为的变化率为，感应电动势为，感应电动势为线圈转动一周，线圈转动一周，经过中性面线圈每经过经过中性面线圈每经过一一次，电流的方向就改变一次次，电流的方向就改变一次垂直垂直最大最大零零零零两次两次中性面中性面2021/8/11 星期三33正弦式电流的产生和变化规律正弦式电流的产生和变化规律(1)产生：当闭合线圈由中性面位置产生：当闭合线圈由中性面位置(图图1012中中O1O2位置位置)开始在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴开始在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴转动时，线转动时，线圈中产生的感应电动势随时间而变化的函数是圈中产生的感应电动势随时间而变化的函数是(2)规律规律电动势电动势(e)：e；电压电压(u)：u；电流电流(i)：i.匀速匀速正弦函数正弦函数EmsintUmsintImsint图图10122021/8/11 星期三4若线圈有若线圈有n匝，线圈的面积为匝，线圈的面积为S，线圈转动的，线圈转动的角速度为角速度为，则，则EmnBS.2021/8/11 星期三5二、描述交变电流的物理量二、描述交变电流的物理量1峰值：峰值：交变电流的最大值交变电流的最大值.某一时刻某一时刻热效应热效应3有效值：有效值：根据电流的根据电流的来规定的让交流和恒定电来规定的让交流和恒定电流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等，而这个恒定电流是产生的热量相等，而这个恒定电流是I、电压是、电压是U，I、U就就叫做这个交流的有效值叫做这个交流的有效值正弦式电流的有效值与峰值之间的关系：正弦式电流的有效值与峰值之间的关系：Um，Im ，Em.2瞬时值：瞬时值：反映反映交变电流的大小和方向交变电流的大小和方向2021/8/11 星期三64周期和频率：周期和频率：描述交变电流变化描述交变电流变化的物理量的物理量(1)周期：交变电流完成周期：交变电流完成变化的时间变化的时间(2)频率：交变电流在频率：交变电流在1s内完成周期性变化的内完成周期性变化的(3)周期和频率的关系：周期和频率的关系：快慢快慢一次周期性一次周期性次数次数2021/8/11 星期三7 只有正弦式电流才有只有正弦式电流才有I 的关系，对于的关系，对于非正弦式电流的有效值要根据有效值的定义求解非正弦式电流的有效值要根据有效值的定义求解2021/8/11 星期三81.正弦式电流的变化规律正弦式电流的变化规律(线圈在中性面位置时开始计时线圈在中性面位置时开始计时)规规律律物理量物理量 函数函数图图象象磁通量磁通量mcostBScost电动势电动势 eEmsintnBSsint2021/8/11 星期三9规规律律物理量物理量 函数函数图图象象电压电压uUmsint sint电电流流iImsint sint2021/8/11 星期三102.对中性面的理解对中性面的理解(1)中性面是与磁场方向垂直的平面，是假想的一个参考面中性面是与磁场方向垂直的平面，是假想的一个参考面(2)线圈平面位于中性面时，穿过线圈平面的磁通量最大，线圈平面位于中性面时，穿过线圈平面的磁通量最大，而而磁通量的变化率为零，产生的感应电动势为零磁通量的变化率为零，产生的感应电动势为零(3)线圈平面与中性面垂直时，穿过线圈平面的磁通量为零，线圈平面与中性面垂直时，穿过线圈平面的磁通量为零，但磁通量的变化率最大，产生的感应电动势最大但磁通量的变化率最大，产生的感应电动势最大(4)线圈每经过中性面一次，电流方向就改变一次，线圈转线圈每经过中性面一次，电流方向就改变一次，线圈转动动一周，两次经过中性面，所以电流的方向改变两次一周，两次经过中性面，所以电流的方向改变两次2021/8/11 星期三113交变电流瞬时值表达式的书写基本思路交变电流瞬时值表达式的书写基本思路(1)确定交变电流的峰值，根据已知图象或由公式确定交变电流的峰值，根据已知图象或由公式EmnBS求求出相应峰值出相应峰值(2)明确线圈的初始位置，找出对应的函数关系式明确线圈的初始位置，找出对应的函数关系式如：如：线圈从中性面开始转动，则线圈从中性面开始转动，则it图象为正弦函数图图象为正弦函数图象，函数式为象，函数式为iImsint.线圈从垂直中性面开始转动，则线圈从垂直中性面开始转动，则it图象为余弦函数图图象为余弦函数图象，函数式为象，函数式为iImcost.2021/8/11 星期三12在交变电流的产生过程中，要特别注意两个特殊位置的不在交变电流的产生过程中，要特别注意两个特殊位置的不同特点：同特点：(1)线圈平面与中性面重合时，线圈平面与中性面重合时，SB，最大，最大，/t0，e0，i0，电流方向将发生改变，电流方向将发生改变(2)线圈平面与中性面垂直时，线圈平面与中性面垂直时，SB，0，/t最大，最大，e最大，最大，i最大，电流方向不改变最大，电流方向不改变2021/8/11 星期三13如图如图1013甲所示，一矩形线圈甲所示，一矩形线圈abcd放置在匀放置在匀强磁场中，并绕过强磁场中，并绕过ab、cd中点的轴中点的轴OO以角速度以角速度逆时针匀逆时针匀速转动若以线圈平面与磁场夹角速转动若以线圈平面与磁场夹角45时时(如图乙如图乙)为计为计时起点，并规定当电流自时起点，并规定当电流自a流向流向b时电流方向为正则如图时电流方向为正则如图1014所示的四幅图中正确的是所示的四幅图中正确的是()图图10132021/8/11 星期三14图图10142021/8/11 星期三15确定感应电流的变化图象，应从三个方面分析：确定感应电流的变化图象，应从三个方面分析：(1)感感应电流的方向，应电流的方向，(2)感应电流的大小，感应电流的大小，(3)感应电流大感应电流大小的变化趋势，从而排除错误选项，确定正确答案小的变化趋势，从而排除错误选项，确定正确答案.2021/8/11 星期三16听课记录听课记录矩形线圈绕垂直于匀强磁场的转轴匀速转动产矩形线圈绕垂直于匀强磁场的转轴匀速转动产生正弦式电流，在开始计时生正弦式电流，在开始计时(t0)时线圈在图乙所示的位置，据右时线圈在图乙所示的位置，据右手定则判断电流方向为负方向，首先排除手定则判断电流方向为负方向，首先排除A、B选项选项若在图甲所示的位置，感应电流为负向的峰值，可见若在图甲所示的位置，感应电流为负向的峰值，可见t0的时的时刻交变电流处于负半周且再经刻交变电流处于负半周且再经到达中性面位置，即到达中性面位置，即0，瞬时值表达式，瞬时值表达式iImsin(t0)，所以，所以0Imsin只有只有D项正确项正确答案答案D2021/8/11 星期三17名师归纳名师归纳(1)本题以矩形线圈在磁场中转动为背本题以矩形线圈在磁场中转动为背景，主要考查学生对交流发电机发电过程的理解和用图象描景，主要考查学生对交流发电机发电过程的理解和用图象描述交变电流的能力，同时考查学生对楞次定律或右手定则和述交变电流的能力，同时考查学生对楞次定律或右手定则和法拉第电磁感应定律的应用法拉第电磁感应定律的应用(2)交变电流的产生过程中，要注意线圈的两个特殊位交变电流的产生过程中，要注意线圈的两个特殊位置：置：.中性面，中性面，垂直中性面的位置垂直中性面的位置2021/8/11 星期三18物理量物理量物理含物理含义义重要关系重要关系适用情况适用情况及及说说明明瞬瞬时值时值交交变电变电流某流某一一时时刻的刻的值值 eEmsinti=Imsint计计算算线线圈圈某某时时刻的刻的受力情况受力情况峰峰值值最大的瞬最大的瞬时时值值EmnBSIm讨论电讨论电容容器的器的击击穿穿电压电压1.交变量电流的瞬时值、峰值、有效值和平均值的比较交变量电流的瞬时值、峰值、有效值和平均值的比较2021/8/11 星期三19物物理理量量物理含物理含义义重要关系重要关系适用情况及适用情况及说说明明有有效效值值跟交跟交变电变电流流的的热热效效应应等等效的恒定效的恒定电电流的流的值值EEm/UUm/IIm/(只适用于正只适用于正弦式弦式电电流流)(1)计计算与算与电电流的流的热热效效应应有有关的量关的量(如如电电功、功、电电功率、功率、电热电热等等)(2)电电气气设备设备“铭铭牌牌”上上所所标标的一般是指有效的一般是指有效值值(3)保保险丝险丝的熔断的熔断电电流流为为效效值值2021/8/11 星期三20物理量物理量 物理含物理含义义重要关系重要关系适用情况及适用情况及说说明明平均平均值值交交变电变电流流图图象中象中图线图线与与时间轴时间轴所所夹夹的面的面积积与与时间时间的比的比值值计计算通算通过电过电路截面的路截面的电电荷量荷量2021/8/11 星期三212对交变电流有效值的理解对交变电流有效值的理解 交变电流的有效值是根据电流的热效应交变电流的有效值是根据电流的热效应(电流通过电阻电流通过电阻生热生热)进行定义的，所以进行有效值计算时，要紧扣电流通过进行定义的，所以进行有效值计算时，要紧扣电流通过电阻生热电阻生热(或热功率或热功率)进行计算进行计算.注意注意“三同三同”：即：即“相同电相同电阻阻”，“相同时间相同时间”内产生内产生“相同热量相同热量”计算时计算时“相同时间相同时间”要取周期的整数倍，一般取一个周期要取周期的整数倍，一般取一个周期注意：注意：在交流电路中，电压表、电流表等电工仪表的示在交流电路中，电压表、电流表等电工仪表的示数均为交变电流的有效值在没有具体说明的情况下，所给数均为交变电流的有效值在没有具体说明的情况下，所给出的交变电流的电压、电流指的是有效值出的交变电流的电压、电流指的是有效值2021/8/11 星期三22(1)由感应电动势的最大值公式由感应电动势的最大值公式EmnBS得，得，Em仅由仅由n、B、S、四个物理量所决定，与轴的具体位置和线圈的形状四个物理量所决定，与轴的具体位置和线圈的形状都无关都无关(2)若图象部分是正弦式电流，其中的若图象部分是正弦式电流，其中的T和和T部分的部分的有效值可直接应用有效值可直接应用的关系的关系2021/8/11 星期三23(15分分)如图如图1015所示，线圈所示，线圈abcd的面积是的面积是0.05m2，共，共100匝，线圈电阻为匝，线圈电阻为1，外接电阻，外接电阻R为为9，匀强，匀强磁场的磁感应强度为磁场的磁感应强度为B，当线圈以，当线圈以300r/min的转速匀速旋转时，求：的转速匀速旋转时，求：图图10152021/8/11 星期三24(1)若从线圈处于中性面开始计时，写出线圈中感应若从线圈处于中性面开始计时，写出线圈中感应电动势的瞬时值表达式；电动势的瞬时值表达式；(2)线圈转过线圈转过s时电动势的瞬时值多大？时电动势的瞬时值多大？(3)电路中，电压表和电流表的示数各是多少？电路中，电压表和电流表的示数各是多少？(4)从中性面开始计时，经从中性面开始计时，经s通过电阻通过电阻R的电荷量的电荷量为多少为多少2021/8/11 星期三25由磁场情况和线圈转动情况可确定瞬时值表达式，电压表和电流表由磁场情况和线圈转动情况可确定瞬时值表达式，电压表和电流表的示数为电路中电压和电流的有效值，而电荷量的计算则需用该时的示数为电路中电压和电流的有效值，而电荷量的计算则需用该时间内的平均值间内的平均值.2021/8/11 星期三26满分指导满分指导(1)eEmsintnBS2fsin(2ft)1000.052sin(2t)50sin(10t)V(3分分)(2)当当ts时时e50sin(10)43.3V(2分分)(3)电动势的有效值为电动势的有效值为35.4V，(2分分)电流表示数电流表示数IA3.54A，(1分分)电压表示数电压表示数UIR3.549V31.86V(1分分)2021/8/11 星期三27(4)s内线圈转过的角度内线圈转过的角度t(1分分)该过程中，该过程中，BSBScos (1分分)由由得得(4分分)2021/8/11 星期三28答案答案(1)e50sin(10t)V(2)43.3V(3)31.86V3.54A(4)2021/8/11 星期三29名师归纳名师归纳(1)中性面是交变电流产生过程中的重要位中性面是交变电流产生过程中的重要位置，从中性面开始计时和从其他位置开始计时计算交变电流置，从中性面开始计时和从其他位置开始计时计算交变电流的表达式不同的表达式不同(2)交流电路中，电流表、电压表测量的都是交流电路中，电流表、电压表测量的都是(3)交流电路中，欧姆定律、焦耳定律同样适用交流电路中，欧姆定律、焦耳定律同样适用交变电流的交变电流的有效值有效值2021/8/11 星期三301、一台小型发电机产生的电动势随时间变化的正弦规律、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图象如图1016甲所示已知发电机线圈内阻为甲所示已知发电机线圈内阻为5.0，现，现外接一只电阻为外接一只电阻为95.0的灯泡，如图乙所示，则的灯泡，如图乙所示，则()图图10162021/8/11 星期三31A电压表电压表V的示数为的示数为220VB电路中的电流方向每秒钟改变电路中的电流方向每秒钟改变50次次C灯泡实际消耗的功率为灯泡实际消耗的功率为484WD发电机线圈内阻每秒钟产生的焦耳热为发电机线圈内阻每秒钟产生的焦耳热为24.2J2021/8/11 星期三32解析：解析：电动势的有效值为电动势的有效值为E220V，所以电流的，所以电流的有效值有效值I2.2A，所以电压表的示数为，所以电压表的示数为UIR2.295.0V209V，选项，选项A错；交变电流的频率为错；交变电流的频率为f50Hz，每个周期内电流方向改变，每个周期内电流方向改变2次，故每秒钟内电流方次，故每秒钟内电流方向改变向改变100次，选项次，选项B错；灯泡实际消耗的功率为错；灯泡实际消耗的功率为P灯灯I2R2.2295.0W459.8W，故选项，故选项C错；发电机线圈内阻每秒钟错；发电机线圈内阻每秒钟产生的焦耳热为产生的焦耳热为QI2rt2.225.01J24.2J，选项，选项D对对答案：答案：D2021/8/11 星期三332一个矩形线圈在匀强磁场中转动产生的电动势一个矩形线圈在匀强磁场中转动产生的电动势e200sin100t(V)，那么，那么()A该交变电流的频率是该交变电流的频率是50HzB当当t0时，线圈平面恰好与中性面垂直时，线圈平面恰好与中性面垂直C当当ts时，时，e有峰值有峰值D该交变电流的电动势的有效值为该交变电流的电动势的有效值为200V2021/8/11 星期三34解析：解析：由交变电流的电动势瞬时值表达式由交变电流的电动势瞬时值表达式enBSsint可知可知，交变电流的频率，交变电流的频率Hz50Hz，A不正确不正确在在t0时，电动势瞬时值为时，电动势瞬时值为0，线圈平面恰好与中性面平行，线圈平面恰好与中性面平行，B不正确当不正确当ts时，时，e有峰值有峰值Em200V，C正确正确该交变电流的电动势的有效值该交变电流的电动势的有效值E200V，D不正确不正确答案：答案：AC2021/8/11 星期三353一只矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，一只矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，穿过线圈的磁通量随时间变化的图象如图穿过线圈的磁通量随时间变化的图象如图1018甲所示，甲所示，则下列说法正确的是则下列说法正确的是()图图10182021/8/11 星期三36At0时刻，线圈平面与中性面垂直时刻，线圈平面与中性面垂直Bt0.01s时刻，时刻，的变化率最大的变化率最大Ct0.02s时刻，交流电动势达到最大时刻，交流电动势达到最大D该线圈产生的交流电动势的图象如图乙所示该线圈产生的交流电动势的图象如图乙所示2021/8/11 星期三37解析：解析：由由t图知，图知，t0时，时，最大，即线圈处于中性面位最大，即线圈处于中性面位置，此时置，此时e0，故，故A、D两项错误；由图知两项错误；由图知T0.04s，在，在t0.01s时，时，0，最大，最大，e最大，则最大，则B项正确；在项正确；在t0.02s时，时，最大，最大，0，e0，则则C项错误项错误答案：答案：B2021/8/11 星期三384处在匀强磁场中的矩形线圈处在匀强磁场中的矩形线圈abcd，以恒定的角速度绕，以恒定的角速度绕ab边边转动，磁场方向平行于纸面并与转动，磁场方向平行于纸面并与ab垂直在垂直在t0时刻，线时刻，线圈平面与纸面重合圈平面与纸面重合(如图如图1019)，线圈的，线圈的cd边离开纸面边离开纸面向外运动若规定由向外运动若规定由abcda方向的感应电流为正，方向的感应电流为正，则能反映线圈中感应电流则能反映线圈中感应电流I随时间随时间t变化的图线是图变化的图线是图10110中的中的()图图10192021/8/11 星期三39图图101102021/8/11 星期三40解析：解析：分析交变电流的图象问题应注意图线上某一时刻对应的分析交变电流的图象问题应注意图线上某一时刻对应的线圈在磁场中的位置，将图线描述的变化过程对应到线圈所处线圈在磁场中的位置，将图线描述的变化过程对应到线圈所处的具体位置是分析的关键，线圈在图示位置时磁通量为零，但的具体位置是分析的关键，线圈在图示位置时磁通量为零，但感应电流为最大值；再由楞次定律可判断线圈在转过感应电流为最大值；再由楞次定律可判断线圈在转过90的过的过程中，感应电流为正，故选项程中，感应电流为正，故选项C正确正确答案：答案：C2021/8/11 星期三415如图如图10111所示，所示，n50匝的矩形线圈匝的矩形线圈abcd，边长，边长ab 20cm，bc25cm，放在磁感应强度，放在磁感应强度B0.4T的匀强磁的匀强磁场中，绕垂直于磁感线且通过线圈的中轴线场中，绕垂直于磁感线且通过线圈的中轴线OO匀速转匀速转动，转动角速度动，转动角速度50rad/s，线圈的总电阻，线圈的总电阻r1，外电，外电路电阻路电阻R9.试求：试求：(1)线圈在图示位置线圈在图示位置(线圈平面与线圈平面与磁感线平行磁感线平行)时感应电动势的大小；时感应电动势的大小；(2)1min时间内电阻时间内电阻R上产生的热量上产生的热量Q.图图101112021/8/11 星期三42解析：解析：(1)线圈在图示位置产生的感应电动势最大，线圈在图示位置产生的感应电动势最大，EmnBSnBabbc，代入数值得代入数值得Em50V.(2)线圈中产生正弦式电流，线圈中产生正弦式电流，I在在1min内内R上产生的电热上产生的电热QI2RtRt6.75103J.答案：答案：(1)50V(2)6.75103J2021/8/11 星期三432021/8/11 星期三44