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高中物理第五章交变电流2描述交变电流的物理量学案新人教版选修

2 描述交变电流的物理量[目标定位] 1.掌握交变电流的周期、频率、线圈转动角速度三者间的关系.2.理解交变电流有效值的含义,会进行有效值的相关计算.3.知道正弦式交变电流有效值与峰值的关系及在生活中的应用.4.了解相位及相位差的概念.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,用T 表示,单位是秒.2.频率(f ):交变电流在1 s 内完成周期性变化的次数,用f 表示,单位是赫兹,符号是Hz.3.T 、f 、ω三者之间的关系:T =1f ,f =1T ,ω=2πT=2πf . 4.(1)我国工农业生产和生活所用的交变电流,周期是0.02 s ,频率是50 Hz ,电流方向每秒改变100次.(2)打点计时器接交变电流,f =50 Hz ,T =0.02 s ,所以每隔0.02 s 打一次点.例1 如图1所示,图线a 是线圈在匀强磁场中匀速转动时所产生的正弦式交变电流的图象,当调整线圈转速后,所产生的正弦式交变电流的图象如图线b 所示,以下关于这两个正弦式交变电流的说法正确的是( )图1A.线圈先后两次周期之比为2∶3B.线圈先后两次转速之比为2∶3C.交变电流a 的瞬时值为u =10sin (5πt )VD.交变电流b 的最大值为203V解析 由u -t 图象知:T a ∶T b =2∶3,故两次转速之比为3∶2,选项A 正确,B 错误;对交变电流a :U m =10 V ,T a =0.4 s ,则ωa =5π rad/s,故u =U m sin(ωa t )V =10sin(5πt )V ,选项C 正确;由E m =nBSω,且ωa ∶ωb =T b ∶T a =3∶2知,E m b =23E m a =203 V ,选项D 正确.答案 ACD(1)由图象可直接获得的信息有:①该交变电流的最大值、周期;②任意时刻交变电流的数值.(2)掌握角速度ω、周期T 、转速n 的关系.ω=2πT ;ω=2πn ;n =1T.二、峰值和有效值1.峰值:交变电流的电压、电流所能达到的最大数值. (1)表达式:E m =nBSω.(2)应用:电容器所能承受的电压应高于(选填“高于”或“低于”)交流电压的峰值,否则电容器就可能被击穿.2.有效值:让交流和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,它们产生的热量相等,而这个恒定电流是I 、电压是U ,我们就把I 、U 叫做这个交流的有效值. (1)正弦式交变电流有效值和最大值的关系:E =E m2;U =U m 2;I =I m2. (2)应用: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)计算:①对于正弦式交变电流,可先根据E m =nBSω求出最大值,然后根据E =E m2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Q =I 2RT 或Q =U 2RT ,最后代入数据求解有效值.深度思考(1)交变电流的有效值是根据什么定义的?定义中包含三个“相同”具体指的是什么? (2)交变电流的有效值是否等于其在一段时间内的平均值?答案 (1)交变电流的有效值是根据电流的热效应来定义的;定义中应特别注意三个“相同”,即相同电阻、相同时间、相同热量.(2)不是,有效值是根据电流的热效应定义的,不同于平均值.例如,线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴转动一周时,其平均值为零,但有效值不为零.例2 通过一阻值R =100 Ω的电阻的交变电流如图2所示,其周期为1 s.电阻两端电压的有效值为( )图2A.12 VB.410 VC.15 VD.8 5 V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=I 2R ×1 s,可得流过电阻的电流的有效值I =1025A ,再由电阻两端电压的有效值为U =IR =410 V ,可得B 正确.答案 B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周期.针对训练 如图3所示的交变电流由正弦式交变电流的一半和反向脉冲电流组合而成,则这种交变电流的有效值为( )图3A.12I 0B.22I 0C.32I 0 D.I 0 答案 C解析由i-t图象知交变电流的周期T=2 s.一个周期内:前半个周期电流的有效值:I1=I02,后半个周期电流的有效值:I2=I0.设交变电流的有效值为I ,据交变电流有效值的定义有I2RT=I21RT2+I22RT2=⎝⎛⎭⎪⎫I022R·T2+I20RT2,解得I=32I0.故选项C正确.(1)若一个交变电流存在几种形式,可在一个周期内分段求出产生的热量,求其和.(2)若图象是正弦(或余弦)式交变电流,其中的14和12周期部分可直接应用正弦式交变电流有效值与最大值间的关系I=I m2,U=U m2求解.三、交变电流的“四值”物理含义重要关系适用情况瞬时值交变电流某一时刻的值e=E m sin ωti=I m sin ωt计算线圈某一时刻的受力情况最大值最大的瞬时值E m=nBSωI m=E mR+r确定用电器的耐压值有效值跟交变电流的热效应等效的恒定电流值E=E m2U=U m2I=I m2(正弦式交变电流)(1)计算与电流热效应相关的量(如功率、热量)(2)交流电表的测量值(3)电气设备标注的额定电压、额定电流(4)保险丝的熔断电流平均值E=nΔΦΔtI=ER+r计算通过电路横截面的电荷量例3如图4所示是某种正弦式交流电压的波形图,由图可确定该电压的( )图4A.周期是0.01 sB.最大值是311 VC.有效值约是220 VD.瞬时值表达式为u =220sin (100πt )V解析 由交流电压的图象知,周期是0.02 s ,A 项错;最大值是311 V ,B 项正确;有效值约是220 V ,C 项正确;瞬时值表达式为u =311sin(100πt )V ,D 项错误. 答案 BC例4 如图5所示,矩形线圈abcd 在磁感应强度B =2 T 的匀强磁场中绕轴OO ′以角速度ω=10π rad/s 匀速转动,线圈共10匝,电阻r =5 Ω,ab =0.3 m ,bc =0.6 m ,负载电阻R =45 Ω.图5(1)写出从图示位置开始计时的线圈中感应电动势的瞬时值表达式. (2)求电阻R 在0.05 s 内产生的热量.(保留两位有效数字)(3)求0.05 s 内流过电阻R 上的电荷量(设线圈从垂直中性面开始转动). 解析 (1)电动势的最大值为E max =nBSω=10×2×0.3×0.6×10π V=113.04 V由于从线圈平面经过与磁感线平行的位置开始计时,交变电流为最大值,故瞬时值表达式e =E max ·cos ωt =113.04cos(10πt )V(2)电流的有效值I =I max2=E max2(R +r )≈1.6 A所以0.05 s 内R 上产生的热量Q =I 2Rt =5.76 J (3)平均感应电动势为E =nΔΦΔt=72 V平均感应电流为I =ER +r=1.44 A所以通过电阻R 的电荷量为q =I ·t =0.072 C.答案 (1)e =113.04cos(10πt )V (2)5.76 J (3)0.072 C求解热量与电荷量的思路: (1)求解热量用有效值,按以下思路.电动势最大值→电流最大值→电流有效值→焦耳定律 (2)求解电荷量用平均值,按以下思路.平均电动势→平均电流→根据q =I Δt 求电量→得出q =n ΔΦR +r四、相位和相位差1.定义:正弦式交变电流u =U m sin(ωt +φ),其中“ωt +φ”叫作交变电流的相位.两支交流的相位之差叫作它们的相位差.2.正弦式交流电u 1=U m sin(ωt +φ1)和u 2=U m sin(ωt +φ2)的相位差是φ1-φ2. 深度思考两个交变电流的相位不同,反映了什么问题?答案 两个交变电流的相位不同,反映了两个交变电流变化的步调不同.例5 有两支交变电流的表达式分别是:u 1=1102sin ⎝ ⎛⎭⎪⎫100πt +π3 V ,u 2=2202sin ⎝ ⎛⎭⎪⎫100πt +π4 V.下列说法正确的是( )A.它们的峰值相同B.它们的周期相同C.它们的相位差恒定D.它们的变化步调一致解析 u 1代表的交流电的电压峰值为110 2 V ,角速度为ω=2πf =100π,则频率f =50 Hz ;初相位为π3.u 2代表的交流电的电压峰值为220 2 V ,角速度为ω=2πf =100π,则频率f =50 Hz ;初相位为π4.由于它们的频率相同,所以它们的周期相同且相位差恒为π3-π4=π12. 答案 BC1.(描述交变电流的物理量)小型交流发电机中,矩形金属线圈在匀强磁场中匀速转动,产生的感应电动势与时间成正弦函数关系,如图6所示,此线圈与一个R =10 Ω的电阻构成闭合电路,不计电路的其他电阻.下列说法正确的是( )图6A.交变电流的频率为8 HzB.交变电流的有效值为 2 AC.交变电流的最大值为4 AD.电流的瞬时值表达式为i =2sin(4πt )A 答案 B解析 由e -t 图象可知,交变电流的周期为0.25 s ,故频率为4 Hz ,选项A 错误;根据欧姆定律可知交变电流的最大值为2 A ,故有效值为 2 A ,选项B 正确,C 错误.因ω=2πf =8π,故电流的瞬时值表达式为i =2sin(8πt )A ,故选项D 错误.2.(交变电流有效值的计算)如图7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.图7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 ′=I 21Rt 1+I 22Rt 2 在一个周期内直流电通过该电阻产生的热量Q =I 2RT由Q =Q ′,代入数据,解得I =5 A.3.(交变电流有效值的应用)一个小型电热器若接在输出电压为10 V 的直流电源上,消耗电功率为P ;若把它接在某个正弦交流电源上,其消耗的电功率为P2.如果电热器电阻不变,则此交流电源输出电压的最大值为( ) A.5 V B.5 2 V C.10 V D.10 2 V 答案 C解析 设电热器电阻为R ,正弦交流电源的电压有效值为U 效,接10 V 直流电源时,P =U 2R=102R ;接交流电源时P 2=U2有效R ,联立得U 有效=5 2 V ,故电压最大值U m =2U 有效=10 V ,选项C 正确.4.(最大值、有效值和平均值的区别及应用)如图8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 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π2的过程中,通过导线横截面的电荷量q = .图8答案2BSω2R BSR解析 感应电动势最大值E m =BSω,感应电动势的有效值E =E m2,感应电流的有效值I =ER =2BSω2R ,q =I Δt =E R Δt =ΔΦR Δt Δt =ΔΦR =BSR.题组一 对描述交变电流物理量的认识 1.下列提到的交流电,不是指有效值的是( ) A.交流电压表的读数 B.保险丝熔断电流 C.电容器击穿电压 D.220 V 交流电压答案 C解析 电容器击穿电压指电容器两端允许加的电压的最大值. 2.下列关于交变电流的说法正确的是( ) A.若交变电流的峰值为5 A ,则它的最小值为-5 A B.用交流电流表测交变电流时,指针来回摆动C.我国工农业生产和生活用的交变电流频率为50 Hz ,故电流方向每秒改变100次D.正弦交变电流i =20sin (10πt ) A 的峰值为20 A ,频率为100 Hz 答案 C解析 电流的负值表示电流方向与原来方向相反,不表示大小,A 项错误;交流电流表测交变电流时,指针不会来回摆动,B 项错误;我国工农业生产和生活用的交变电流的周期为0.02 s ,交流电方向一个周期改变两次,所以每秒改变100次,C 项正确;由ω=2πf 得正弦交变电流i =20sin (10πt ) A 的频率为5 Hz ,D 项错误.3.(多选)某小型发电机产生的感应电动势为e =50sin (100πt )V.对此电动势,下列表述正确的有( ) A.最大值是50 2 V B.频率是100 Hz C.有效值是25 2 V D.周期是0.02 s答案 CD解析 从中性面开始计时,感应电动势的表达式为e =E m sin(ωt )V ,因e =50sin (100πt )V ,所以最大值E m =50 V ,A 错误;由ω=2πf =100π rad/s 得f =50 Hz ,B 错误;有效值E =E m2=25 2 V ,C 正确;T =1f =0.02 s ,D 正确.4.(多选)图1甲、乙分别表示两种电压的波形,其中图甲所示电压按正弦规律变化,下列说法正确的是( )图1A.图甲表示交流电,图乙表示直流电B.两种电压的有效值相等C.图甲所示电压的瞬时值表达式为u =311sin (100πt ) VD.两种电压的周期相同 答案 CD解析 图甲、乙都表示交流电,图甲中有效值U =3112V≈220 V,而图乙中的有效值不存在这一关系,所以它们的有效值不相同.由图甲看出T =2×10-2s ,ω=2πT=100π rad/s,所以u =311sin (100πt ) V.由图象可知两种电压的周期都是2×10-2s. 题组二 非正弦式交流电有效值的计算5.阻值为1 Ω的电阻上通以交变电流,其it 关系如图2所示,则在0~1 s 内电阻上产生的热量为( )图2A.1 JB.1.5 JC.2 JD.2.8 J 答案 D解析 因为所加的电流为交变电流,大小在变化,所以只能分时间段来求热量.在0~1 s 内有效电流为1 A 和2 A 的时间段分别为t 1=0.4 s ,t 2=0.6 s ,所以Q =I 21Rt 1+I 22Rt 2=2.8 J.6.(多选)如图3甲所示为电热毯电路示意图,交流电压u =311sin 100πt (V),当开关S 接通时,电热丝的电功率为P 0;当开关S 断开时,加在电热丝上的电压如图乙所示,则( )图3A.开关接通时,交流电压表的读数为220 VB.开关接通时,交流电压表的读数为311 VC.开关断开时,交流电压表的读数为311 V ,电热丝功率为P 02D.开关断开时,交流电压表的读数为156 V ,电热丝功率为P 02答案 AD解析 当S 接通时,加在电热丝上的瞬时电压u =311sin 100πt (V).所以电热丝两端的有效电压U 1=U m2=3112V≈220 V,故A 正确,B 错误. 当S 断开时,前半个周期内所加电压不变,但后半个周期内U 2=0,所以电热丝的功率P =12P 0.设此时交变电压的有效值为U 2′,由U 2′2R =12·U 21R 得U 2=U 12≈156 V,即电压表的读数为156 V ,故D 正确,C 错误.7.如图4甲所示,调光台灯是通过双向可控硅电子器件来实现无级调节灯的亮度的.现将某无级调光台灯接在220 V 的正弦交变电流上,经过可控硅调节后加在灯管两端的电压如图乙所示,则此时电压表的示数是( )图4A.220 VB.156 VC.110 VD.78 V 答案 B解析 虽然图示电流不是正弦交变电流,根据正弦式交变电流的图象对称性可知,只要有14T的图线就满足最大值是有效值的 2 倍,根据电流有效值定义有:U 2R T =⎝ ⎛⎭⎪⎫U m 2R2·T2. 解得U =110 2 V≈156 V,故B 对. 题组三 正弦式交流电有效值的理解和应用8.一个照明电灯,其两端允许加的最大电压为311 V.当它接入220 V 的照明电路时,这盏灯( ) A.将不亮 B.灯丝将烧断 C.只能暗淡发光 D.能正常发光答案 D解析 220 V 的照明电路其有效值为220 V ,最大值为311 V ,正好适合.9.把一只电热器接在100 V 的直流电源上,在t 时间内产生的热量为Q ,若将它分别接到U 1=100sin(ωt )V 和U 2=50sin(2ωt )V 的交流电源上,仍要产生Q 的热量,则所需时间分别是( )A.t ,2tB.2t ,8tC.2t ,2tD.t ,4t 答案 B解析 计算电热器在t 时间内产生的热量时应该用电压的有效值,对U 1=100sin(ωt )V ,电压的有效值为1002 V ,故(100)2R t =(1002)21Rt ′,所以t ′=2t ;对U 2=50sin(2ωt )V ,电压的有效值为502 V ,故(100)2R t =(502)21Rt ″,所以t ″=8t .10.电阻R 1、R 2与交流电源按照图5甲所示的方式连接,R 1=10 Ω,R 2=20 Ω.合上开关S 后,通过电阻R 2的正弦交变电流i 随时间t 变化的情况如图乙所示,则( )图5A.通过R 1的电流有效值是1.2 AB.R 1两端的电压有效值是6 VC.通过R 2的电流最大值是625 AD.R 2两端的电压最大值是6 2 V 答案 B解析 R 1与R 2串联,R 1与R 2中的电流变化情况应相同,电流有效值I 1=I 2=0.6 A ,电流最大值I 1m =I 2m =325 A ,电压有效值U 1=I 1R 1=6 V ,U 2=I 2R 2=12 V ,电压最大值U 1m =2U 1=6 2 V ,U 2m =2U 2=12 2 V.综上所述,B 项正确. 题组四 瞬时值、峰值、有效值、平均值的区别及应用11.(多选)如图6所示,有一矩形线圈,面积为S ,匝数为n ,整个线圈的电阻为r ,在磁感应强度为B 的磁场中,线圈绕OO ′轴以角速度ω匀速转动,外电阻为R ,当线圈由图示位置转过90°的过程中,下列说法中正确的是( )图6A.磁通量的变化量为ΔΦ=nBSB.平均感应电动势为E =2nBSωπC.电阻R 所产生的焦耳热为Q =(nBSω)22RD.通过电阻R 的电荷量为q =nBSR +r答案 BD解析 逐项分析如下: 选项 诊断结论 A线圈在图示位置时磁通量Φ=0,转过90°后磁通量Φ′=BS ,该过程中磁通量的变化量为ΔΦ=Φ′-Φ=BS ,与线圈匝数无关 ×B该过程中所用时间Δt =θω=π2ω,所以平均感应电动势E =n ΔΦΔt=2nBSωπ√C电路中的感应电流有效值I =ER +r=nBSω2(R +r ),所以电阻R 所产生的焦耳热Q =I 2R Δt =πRωn 2B 2S 24(R +r )2 ×D电路中的感应电流的平均值I =ER +r =2nBSωπ(R +r ),所以通过电阻R 的电荷量q =I ·Δt =nBSR +r√电流的瞬时值表达式.图7答案 2 A 0.02 s 100π rad/s i =2sin (100πt ) A解析 由题图可知,交变电流的周期为T =0.02 s ,角速度为ω=2πT=100π rad/s故其瞬时值表达式为i =I m sin (100πt ) A 当t =0.002 5 s 时,i = 2 A所以I m sin (100π×0.002 5) A= 2 A ,解得I m =2 A 所以i =2sin (100πt ) A13.如图8所示,边长为l 的正方形线圈abcd 的匝数为n ,线圈电阻为r ,外电路的电阻为R ,ab 的中点和cd 的中点的连线OO ′恰好位于匀强磁场的边界上,磁感应强度为B ,现在线圈以OO ′为轴,以角速度ω匀速转动,求:图8(1)闭合电路中电流瞬时值的表达式.(2)线圈从图示位置转过90°的过程中电阻R 上产生的热量. (3)线圈从图示位置转过90°的过程中电阻R 上通过的电荷量. (4)电阻R 上的最大电压.答案 (1)nBl 2ω2(R +r )sin(ωt ) A (2)n 2πB 2l 4ωR16(R +r )2(3)nBl 22(R +r ) (4)nBl 2ωR2(R +r )解析 (1)线圈转动时,总有一条边切割磁感线,且ad 边和bc 边转动的线速度大小相等,当线圈平行于磁场时,产生的感应电动势最大,为E m =nBlv =nBl ·ω·12l =12nBl 2ω.由闭合电路欧姆定律可知I m =nBl 2ω2(R +r ),当以图示位置为计时起点时,流过R 的电流表达式为i =I m sin(ωt ) A =nBl 2ω2(R +r )sin(ωt )A.(2)在线圈由图示位置匀速转过90°的过程中,用有效值来计算电阻R 上产生的热量Q =I 2R ·T 4,其中I =I m2=nBl 2ω22(R +r ),T =2πω,即Q =I 2R ·T 4=n 2πB 2l 4ωR16(R +r )2.(3)在转过90°的过程中感应电动势的平均值为 E =n ΔΦΔt =12nBl2π2ω=nBl 2ωπ,流过R 的平均电流I =ER +r =nBl 2ωπ(R +r ),所以流过R 的电荷量q =I ·T4=nBl 2ωπ(R +r )·π2ω=nBl 22(R +r ).(4)由部分电路欧姆定律可知电阻R 上的最大电压为U m =I m R =nBl 2ωR2(R +r ).。

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