《交变电流》全章学案doc-教学教育新闻网-wwwj.doc

第一节 交流电的产生和描述【知识预习】1.我们把 的电流，称为交变电流，俗称交流电。2.交流电的产生：将线圈置于 中，并绕垂直于磁感线的轴 ，就会产生正（余）弦交变电流。3.中性面：（1）线圈位于中性面时，穿过线圈的磁通量 ，磁通量的变化率为 ，感应电动势为 。（2）线圈转动一周， 次经过中性面，线圈每经过中性面一次，感应电流的方向改变一次。4.线圈经过 位置时，感应电动势最大，感应电动势的最大值为Em= (设线圈的面积为S、匝数为N、磁感应强度为B、线圈绕轴转动的角速度为)5.交流的有效值：根据电流的 来规定的，即用直流和交流分别给同一个电阻供电，若果在相同的时间内产生的电热相同，我们就把直流叫做交流的有效值。我们平时所说的照明电压220V，动力电压380V指的都是交流的有效值。另外，用电器铭牌上所标示的额定电压、额定电流，交流电压表、电流表所测量的读数都指的是交流的有效值。对于正、余弦交流电，最大值与有效值的关系为：E= ；U= ；I= 。【预习检测】1.我国交流电的周期为50Hz，那么1min内电流的方向改变多少次？2.一正弦交变电流的最大值为5A，它的有效值是多少？3.下列关于中性面位置的说法中，正确的是：A.线圈经过中性面位置时，穿过线圈的磁通量最大，产生的感应电动势最大B.线圈经过中性面位置时，穿过线圈的磁通量为零，产生的感应电动势最大C.线圈经过中性面位置时，穿过线圈的磁通量最大，产生的感应电动势为零D.线圈每经过中性面位置一次，感应电流的方向改变一次。*4.如图所示，一矩形线圈abcd置于磁感应强度为B的匀强磁场中，绕垂直于磁感线的轴O以角速度从位置开始逆时针匀角速转动，经过时间t到达位置，试写出线圈处于位置时的感应电动势的表达式。（ab=l1，cd=l2）5.某正弦交流电的图像如图所示，则由图像可知：A.该交流电的频率为0.02HzB.该交流电的有效值为14.14AC.该交流电的瞬时值表达式为i=20sin(0.02t)D.在t=T/8时刻，该交流的大小与其有效值相等【典例精析】1.交流电的产生【例题1】一矩形线圈，绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面的固定轴转动，线圈中的感应电动势e随时间t变化的规律如图所示，则下列说法中正确的是：A. t1时刻通过线圈的磁通量为零B. t2时刻通过线圈磁通量的绝对值最大C. t3时刻通过线圈磁通量的变化率最大D.每当感应电动势e变换方向时，通过线圈的磁通量的绝对值都是最大的【分析】【跟踪练习1】线圈在匀强磁场中匀速转动，产生的交变电流的图像如图所示，由此可知：A.在A和C时刻线圈处于磁通量变化率最大的位置B.在A和C时刻穿过线圈的磁通量为最大C.在B时刻到D时刻，穿过线圈的磁通量现变大后变小D.若从A时刻到B时刻经过0.01s，则在1s内交变电流的方向改变50次【例题2】如图所示，矩形线圈abcd（已知ab边长为L1，ad边长为L2）在磁感应强度为B的匀强磁场中绕OO 轴以角速度从图示位置开始匀角速转动，则线圈中感应电动势的大小为：A. B. C. D.【分析】【跟踪练习2】如图所示，一正方形线圈abcd在匀强磁场中绕垂直于磁感线的对称轴OO 匀速转动，沿着OO 观察，线圈沿逆时针方向转动。已知匀强磁场的磁感应强度为B，线圈匝数为n，边长为l，电阻为R，转动的角速度为，则当线圈转至图示位置时：A.线圈中感应电流的方向为abcdB.线圈中的感应电流为nBl2/RC.穿过线圈的磁通量为0D.穿过线圈磁通量的变化率为Bl22.交流电的描述【例题3】两只阻值相同的电阻分别通以正弦交流电和方波形交流电，如图所示，若它们的电流最大值相等，则两只电阻产生的热功率之比为：A.1:4 B.1:2 C.1:1 D.2:1【分析】【跟踪练习3】一个电热器接在10V的直流电源上，在ts内产生的焦耳热为Q，今将该电热器接在一正弦交流电源上它在2ts内产生的焦耳热为Q，则这一交流电源的交流电压的最大值和有效值分别是：A.最大值是10V，有效值是VB.最大值是10V，有效值是10VC.最大值是V，有效值是VD.最大值是20V，有效值是V【例题4】一个电阻为r、边长为L的正方形线圈abcd共N匝，线圈在磁感应强度为B的匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴OO 以如图所示的角速度匀速转动，外电阻为R。（1）转动过程中产生的感应电动势的最大值为多大？（2）线圈从图示位置转过60时的感应电动势为多大？（3）线圈转动过程中，图中电压表的示数为多大？（4）从图示位置开始，线圈转过60的过程中通过电阻R的电量和电阻R中产生的热量分别为多大？【分析】【跟踪练习4】如图所示，一台模型发电机的电枢是矩形导线框abcd，ab=cd=0.4m，ad=bc=0.2m，共100匝，它在磁感应强度为B=0.2T的匀强磁场中绕通过线框对称中心线且垂直于磁场方向的轴OO 匀速转动，当开关S断开时，电压表的示数为V，开关S闭合时，外电路中标有“10V 10W”的灯泡恰好正常发光。求导线框转动的角速度。【课时效度检测】1. 单匝矩形线圈边长分别为和，在匀强磁场B中绕对称轴以角速度匀速转动，且对称轴与磁力线垂直。设时线圈平面与磁力线平行，则线圈中产生的感应电动势的瞬时值表达式为A BC D2. 已知交变电流的瞬时值的表达式是i5sin50t (安), 从t0到第一次出现最大值的时间是： A6.25秒B1/200秒C1/150秒D1/100秒3. 一个电热器接在10V直流电源上，消耗的电功率为，把它接在如图所示的方波交流电源上（不计温度变化对电阻的影响），它消耗的电功率为，则此方波的幅值应是：A10V B5V CVDV4. 如图所示，在磁感强度B10T的匀强磁场中有一矩形线圈abcd, 其电阻 R10，初始放置时线圈平面与磁感线平行，已知线圈ab15cm，ad10cm，线圈绕对称轴OO转动，且转速为50转/秒。求：(1) 线圈得到的感应电动势峰值是多大？ (2) 如图规定感应电流方向abcd为正方向，且开始时ab边沿纸面向外的方向旋转，写出感应电流i的表达式。5. 如图，线圈的面积，共100匝。处在的匀强磁场中，以50周/秒的转速匀速转动，已知线圈电阻为1，外接电阻为9，那么：（1）电键K打开时电压表的读数是多少？（2）电键K合上后电压表的读数是多少？（3）电阻R上消耗的功率是多少？（4）以图示位置为计时零点，写出电流的表达式。第二节 交流电路中的电容和电感【知识预习】1.电阻器对直流和交流的影响是 ；电容器不让 通过却能让 通过，但对 有一定的阻碍作用；电感既能让直流通过也能让交流通过，但对 有一定的阻碍作用。2.直流不能通过电容器，是因为电容器两极之间的绝缘介质阻碍了导体中自由电子的的通过。交变电流能够通过电容器，是因为交变电流能使电容器两极间电压的大小和方向做 ，当电压增大时，导体中的电流流向电容器，给电容器 ，在电路中形成 ；当电压减小时，电容器 ，电流流出电容器，在电路中形成 。所以，尽管自由电子不能通过电容器两极间的绝缘物质，但在周期性交变电压作用下，电容器不断充电、放电，电路中就会形成持续的交变电流。 电容器对交流有一定的阻碍作用，这种阻碍作用叫做 。容抗的大小与电容器本身的电容量、交变电流的频率有关：电容量越大、交变电流的频率越高，容抗 ，电容器对交流的阻碍作用 ；反之，电容量越小、交变电流的频率越低，容抗 ，电流对交流的阻碍作用 。电容器在电路中的作用是：“ 、 ”；“ 、 ”。3.线圈中的电流发生变化引起穿过线圈的磁通量变化，从而在线圈中激发出自感电动势，根据楞次定律，自感电动势将阻碍线圈中电流的变化，从而产生对交变电流的阻碍作用。由于直流不发生变化，在线圈中不会产生自感电动势，也就不会产生阻碍作用。所以，电感在电路中具有“ 、 ”的作用。电感对交流的阻碍作用叫做 。感抗的大小与电感本身的自感系数、交变电流的频率有关：自感系数越大、交变电流的频率越高，感抗就 ，电感对交流的阻碍作用就 ；反之，自感系数越小、交变电流的频率越低，感抗就 ，电感对交流的阻碍作用就 。所以电感还具有“ 、 ”4.低频扼流圈的自感系数 ，在电路中起到 的作用。高频扼流圈的自感系数 ，在电路中起到 的作用。【预习检测】1. 如图所示，电路由交变电源供电，如果交变电流的频率增大，则：A.电容器上电荷量最大值增大B.电容器容抗增大C.电路中灯泡的亮度变亮D.电路中灯泡的亮度变暗2.一灯泡和一电感线圈串联，用交流电供电，若提高交流电的频率，则：A.电感线圈的感抗增加 B.电感线圈的感抗减小C.电灯泡变亮 D.电灯泡变暗【典例精析】【例题1】aLC甲乙b“二分频”音箱内有高、低两个扬声器。音箱要将扩音机送来的含有不同频率的混合音频电流按高、低段分离出来，送往相应的扬声器，以便使电流所携带的音频信息按原比例还原成高、低频的机械振动。图为音箱的电路简化图，高低频混合电流由a、b端输入，L是线圈，C是电容器，则：A.L的作用是阻碍低频电流通过甲扬声器 B.C的作用是阻碍低频电流通过乙扬声器C.甲扬声器是高频电流扬声器D.以上说法均不对【分析】【跟踪练习1】如图所示，把电阻R、电感线圈L、电容器C并联接在一交流电源上，三个电流表的示数相同。若保持电源电压的大小不变，而将频率减小，则三个电流表的示数I1、I2、I3的大小关系是：A. I1=I2=I3 B. I1I2I3C. I2I1I3 D. I3I1I2甲乙丙【例题2】如图，三个灯泡是相同的，而且耐压足够高交、直流两电源的内阻可忽略，电动势相等。当s接a时，三个灯亮度相同，那么s接b时：A.三个灯亮度相同B.甲灯最亮，丙灯不亮C.甲灯和乙灯亮度相同，丙灯不亮D.只有丙灯不亮，乙灯最亮【分析】【例题3】如图所示是电视机电源部分的滤波装置，当输入端输入含有直流成分、交流低频成分的电流后，能在输出端得到较稳定的直流电，试分析其工作原理及各电容和电感的作用【分析】【课堂效度检测】1. 有一电阻极小的导线绕制而成线圈，接在交流电上，如果电源电压峰值保持不变，比较下面哪种情况，通过线圈的电流强度最小：A.所加电源频率为50 HzB.所加电源频率为100 HzC.所加电源频率为50 Hz，减少线圈匝数D.在线圈中加入铁芯，所加电源频率为100 Hz2. 有两个电容分别为C1=5F,C2=3F两电容器，分别加在峰值一定的交流电源上，比较下列哪种情况通过电容器的电流强度最大A.在C1上加f=50 Hz的交变电流B.在C2上加f=50 Hz的交变电流C.在C1上加f=60 Hz的交变电流D.在C2上加f=60 Hz的交变电流3.一段长直导线接在交流电源上时电流强度I1，如果把这段长直导线密绕成线圈，现接入原电路，通过线圈的电流强度为I2，则A.I2I1B.I2I1C.I2=I1D.条件不足，无法比较4. 如图所示，线圈的自感系数L和电容器的电容C都很小，此电路的重要作用是：A.阻直流通交流，输出交流B.阻交流通直流，输出直流C.阻低频通高频，输出高频电流D.阻高频通低频，输出低频和直流5.一个灯泡通过一个粗导线的线圈与一交流电源相连接，如图所示一块铁插进线圈之后，该灯将：A.变亮 B.变暗 C.对灯没影响 D.不能确定6.如图所示，接在交流电源上的电灯泡正常发光，以下说法正确的是：A.把电介质插入电容器，灯泡变亮B.增大电容器两极板间的距离，灯泡变亮C.减小电容器两极板间的正对面积，灯泡变暗D.使交变电流频率减小，灯泡变暗7.如图所示为一高通滤波电路，已知电源电压中既含有高频的交流成分，还含有直流成分为了在输出电压中保留高频交流成分，去掉直流成分，试说明电路中电容器的作用第三节 变 压 器【知识预习】1.在交流电的传输过程中，必须有升高或降低电压的设备来满足各种不同的需要，这种设备称为 。2.变压器主要由闭合的 和绕在 上的两个或两个以上的 组成，其中与 相连的线圈叫做原线圈或初级线圈，与 相连的线圈叫做副线圈或次级线圈。3.变压器的工作原理是根据 ，当原线圈两端加上交变电压时，就有交变电流通过线圈，并在铁芯中产生交变的磁场，铁芯中就有变化的磁通量。由于副线圈也绕在铁芯上，这个变化的磁通量同样穿过副线圈，所以在副线圈中能够产生感应电动势，从而副线圈两端有电压输出。4.理想变压器指的是在变压过程中没有能量损失的变压器，其基本特点为：，原副线圈电压比为 ；如果只有一个副线圈，原副线圈电流比为 （设原、副线圈匝数分别为n1、n2）。 4.常见的变压器有 、 、三相变压器等。【预习测试】 1.关于变压器，下列说法中正确的是：A.它可以改变交流电的电压 B.它可以改变交流电的电流C.它可以改变交流电的频率 D.它可以改变输送的电能的大小2.某变压器原、副线圈匝数比为55:9，原线圈所接电源电压按图所示规律变化，副线圈接有负载，下列判断正确的是：A.输出电压的最大值为36VB.原副线圈中电流之比为55:9C.变压器输入、输出功率之比为55:9D.交流电源的有效值为220V，频率为50Hz3.理想变压器原线圈两端电压不变，当副线圈电路中的电阻减小时，下列说法中正确的是：A.输出电流增大，输入电流减小 B.输出电流增大，输入电流也随之增大C.输出电压保持不变 D.输出功率和输入功率都增大4.如图所示，理想变压器原线圈的匝数为1100匝，两副线圈的匝数分别为50匝和100匝，L1是“6V 2W”的小灯泡，L2是“12V 4W”的小灯泡。当n1接上交变电压时，L1、L2都正常发光，则原线圈中的电流多大？【典例精析】1.变压器原理【例题1】下列关于理想变压器的说法中，正确的是：A.理想变压器的输入功率等于输出功率B.输送的电能经变压器先转化为磁场能，再转化为电能C.输送的电能经变压器先转化为电厂能，再转化为电能D.输送的电能经变压器的铁芯直接传输过去【分析】【跟踪练习1】下面是4种亮度可调的台灯的电路示意图，它们所用的白炽灯泡相同，且都是“220V，40W”当灯泡所消耗的功率都调至20瓦时，哪种台灯消耗的功率最小？2.变压器基本规律的应用【例题2】如图，理想变压器原副线圈的匝数比为4:1，原线圈接入一电压为U=U0sint的交流电源，副线圈接一个R=27.5的负载电阻。若V，Hz，则下述结论正确的：A.副线圈中电压表的读数为55VB.副线圈中输出交流电的周期为sC.原线圈中电流表的读书为0.5AD.原线圈中输入功率为W【分析】【跟踪练习2】利用如图所示的电流互感器可以测量被测电路中的电流，若互感器原副线圈的匝数比n1:n2=1:100，交流电流表A的示数是50mA，则：A.被测电路的电流有效值为0.5AB.被测电路的电流平均值为0.5AC.被测电路的电流的最大值为AD.原副线圈中的电流同时达到最大值【跟踪练习3】如图是霓虹灯的供电电路，电路中的变压器可视为理想变压器。已知原副线圈的匝数比为n1:n2=1:20，加在原线圈的电压为u1=311sin100t（V），霓虹灯正常工作的电阻R=440k，I1、I2表示原副线圈中的电流，下列判断正确的是：A.副线圈两端的电压为6220V，副线圈中的电流为14.1mAB.副线圈两端的电压为4400V，副线圈中的电流为10.0mAC. I1I23.原线圈中接有负载的问题及多个副线圈问题【例题3】如图所示，理想变压器的初、次级线圈分别接着定值电阻R1、R2，且R1=R2，初、次级线圈的匝数比为n1:n2=2:1，交流电源电压为U，则：A. R1两端的电压为U/5 B. R1两端的电压为3U/5C. R2两端的电压为2U/5 D. R2两端的电压为U/2【分析】【跟踪练习4】如图所示，一理想变压器原、副线圈匝数比为3:1，副线圈接三个相同的灯泡，均能正常发光，若在原线圈所在的电路上再串联一个相同的灯泡L，则（设电源的有效值不变）：A.灯L与三灯亮度相同 B.灯L比三灯都暗C.灯L将会被烧坏 D.无法判断【例题4】如图所示，理想变压器有三个线圈A、B、C，其中B、C的匝数分别为n2、n3，电压表的示数为U，电流表的示数为I，L1、L2是完全相同的灯泡，根据以上条件可以计算出的物理量是（忽略温度对电阻的影响）：A.线圈A的匝数 B.灯L2两端的电压C.变压器的输入功率 D.通过灯L1的电流强度【分析】【跟踪练习5】如图所示，一台有两个副线圈的变压器，原线圈匝数n1=1100匝，接入电压U1=220V的电路中。（1）有要求在两组副线圈上分别得到电压U2=6V、U3=110V，它们的匝数n2、n3分别是多少？（2）若在两副线圈上分别接上“6V 20W”、“110V 60W”的两个用电器，原线圈的输入电流为多少？3.理想变压器的动态分析问题【例题5】如图，一理想变压器原线圈接入一交流电源，副线圈电路中R1、R2、R3和R4均为固定电阻，开关S是闭合的，V1和V2为理想电压表，读数分别为U1和U2；A1、A2和A3为理想电流表，读数分别为I1、I2和I3，现断开S，U1数值不变，下列判断正确的是：A.U2变小、I3变小 B.U2不变、I3变大C.I1变小、I2变小 D.I1变大、I2变大【分析】【跟踪练习6】如图所示电路中的变压器为理想变压器，S为单刀双掷开关，P是滑动变阻器R的滑动触头，U1为加在原线圈两端的交变电压，I1、I2分别为原线圈和副线圈中的电流。下列说法中正确的是：A.保持P的位置及U1不变，S由b切换到a，则R上消耗的功率减小B.保持P的位置及U1不变，S由a切换到b，则I2减小C.保持P的位置及U1不变，S由b切换到a，则I1增大D.保持U1不变，S接在b端，将P向上滑动，则I1减小【课堂效度检测】abI1kU1PR1.如图所示为一理想变压器，K为单刀双掷开关，P为滑动变阻器的滑动触头，U 1为加在原线圈两端的电压，I1为原线圈中的电流强度，则：A.保持U1及P的位置不变，K由a合到b时，I1将增大B.保持P的位置及U1不变，K由b合到a时，R消耗的功率减小 C.保持U1不变，K合在a处，使P上滑，I1将增大D.保持P的位置不变，K合在a处时，若U1增大，I1将增大2.要增加变压器的输入功率，可采用的措施是A.使原线圈的导线变粗以减小原线圈的电阻；B.减小副线圈所连接的负载的阻值C.增加原线圈的匝数D.增加副线圈的匝数3.一台理想变压器的副线圈上并联有30盏“36V40W”的灯泡，若变压器的原线圈有1100匝，接到220交流电源上，问这变压器应绕多少匝才能保证灯泡正常发光？这时原、副线圈中的电流各多大？第四节 远 距 离 输 电【知识预习】1.电流流过输电导线时，电流的 会引起电功率的损失。损失的电功率P=I2R，即在输电线上因发热而损耗的电功率与电阻成正比，与电流的二次方成正比。所以为减小电能输送中损失的电功率，可以通过减小 或 来实现。2.导线有电阻，输电线上有电压损失，使得用电设备两端的电压比供电电压低，据U=IR可知，减小输电线路上电压损失的主要办法有两种：一是 、二是 ，但是减小输电线路的电阻在实际输电过程中并不实用。3.由P=UI，在保证输送电功率不变的情况下，必须提高输送 ，才能减小 ，从而减小输电线路上的能量损失。即在远距离输电中，必须采用 输电。4.输送一定功率的电能时，输电电压越高，输电线路中电流 ，导线因发热而损耗的电能就 ，输电线路上的电压损失也就 。5.高压直流输电与高压交流输电比较（1）在输送相同电功率的电能时，直流输电所用的线材仅为交流输电的2/3。同时，直流输电杆塔结构也比交流输电简单，占地面积小。（2）稳定的直流输电不存在 和 引起的损耗。（3）用直流输电时，不需考虑电网中的各台交流发电机的同步运行问题。直流输电系统只在输电环节是 ，发电环节和用电环节都是 。换流站内配有整流器和逆流器。【预习检测】1.某发电厂用2.2kV的电压将电能输送到远处的用户，后改用22kV的电压，在既有输电线路上输送同样的电功率，前后两种输电方式消耗在输电线上电功率之比为 。要将2.2kV的电压升高至22kV，若变压器原线圈的匝数为180匝，则副线圈的匝数应该是 匝。2.发电机的端电压为U，经总电阻为R的电线向远方用户输送功率为P的电能，则下列说法中不正确的是：A.输电线上的电流为P/U B.输电线损耗的电功率为P2R/U2C.两根输电线用户一端的电压为（U-PR/U）D.输电线损耗的电功率为U2/R3.某小型水电站输出功率为20kw，输电线总电阻为6.（1）若采用380V输电，求输电线路上损耗的功率。（2）若改用5000V高压输电，用户端利用n1:n2=22:1的变压器降压，求用户得到的电压。【典例精析】【例题1】远距离输送一定功率的交变电流，若输送电压升高为原来的n倍，关于输电线上由电阻造成的电压损失和功率损失的说法中，正确的是：A.输电线上的电功率损失是原来的1/nB.输电线上的电功率损失是原来的1/n2C.输电线上的电压损失是原来的1/nD.输电线上的电压损失是原来的1/n2【分析】【例题2】某发电站的输出功率为104kw，输出电压为4kV，通过理想变压器升压后向80km远处供电。已知输电导线的电阻率为=2.410-8m，导线横截面积为1.510-4m2，输电线路损失的功率为输出功率的4%，求：（1）升压变压器的输出电压（2）输电线路上的电压损失【分析】【例题3】有条河流，流量为Q=2m3s-1，落差h=5m，现利用其发电，若发电机的总功率为50%，输出电压为24