（北京专用）2020版高考物理总复习第十三章第1讲交变电流的产生和描述课件.pptx

第1讲交变电流的产生和描述,一交变电流的产生和图像,二正弦式交流电的描述,三电感和电容对交流电的影响,知识梳理,考点一正弦式交流电的产生,考点二交流电的图像及其应用,考点三交变电流有效值的计算方法,深化拓展,考点四电阻、感抗、容抗的比较,知识梳理,一、交变电流的产生和图像,1.交变电流的定义大小和方向都随时间作周期性变化的电流。(注意:方向随时间作周期性变化是交变电流最重要的特征),2.正弦式交变电流(1)定义:按正弦规律变化的交变电流叫正弦式交变电流,简称正弦交流电。(2)产生:,(3)正弦式交变电流的函数表达式(线圈在中性面位置开始计时)a.电动势e随时间变化的规律:e=Emsint。其中等于线圈转动的角速度,Em=nBS。b.负载两端的电压u随时间变化的规律:u=Umsint。c.电流i随时间变化的规律:i=Imsint。(4)图像:中性面位置开始计时,二、正弦式交流电的描述,1.周期和频率(1)周期(T):交变电流完成一次周期性变化(线圈转一周)所需的时间,单位是秒(s),公式T=。(2)频率(f):交变电流在1s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=。,2.交变电流的瞬时值、峰值、有效值(1)瞬时值:交变电流某一时刻的值。(2)峰值:交变电流(电流、电压或电动势)所能达到的最大的值,也叫最大值。(3)有效值:跟交变电流的热效应等效的恒定电流的值叫做交变电流的有效值。对正弦交流电,其有效值和峰值的关系为:E=,U=,I=。,三、电感和电容对交流电的影响,1.电感对交变电流的阻碍作用的大小用感抗来表示;电容对交变电流的阻碍作用的大小用容抗来表示。,2.线圈的自感系数越大,交变电流的频率越高,感抗越大;电容器的电容越大,交变电流的频率越高,容抗越小。,3.在电路中电感对电路的作用是:通直流、阻交流,通低频、阻高频;电容对电路的作用是:通交流、隔直流,通高频、阻低频。,1.有一个小型发电机,机内的矩形线圈匝数为100匝,电阻为0.5。线圈在匀强磁场中,以恒定的角速度绕垂直于磁场方向的固定轴转动。穿过每匝线圈的磁通量随时间的变化规律如图所示,由此可知发电机电动势的瞬时值表达式为(D),A.e=3.14sintVB.e=3.14costVC.e=314sin100tVD.e=314cos100tV,解析由图知,T=2.010-2s,则f=50Hz,=2f=100rad/s。Em=nBS=nm=1001.010-2100V=314V。又因t=0时,=0,则交流电按余弦规律变化,则电动势瞬时值的表达式为e=Emcost=314cos100tV。,2.两个完全相同的电热器,分别通以图甲、乙所示的峰值相等的矩形交变电流和正弦交变电流,则这两个电热器的电功率之比P甲P乙等于(B)A.1B.21C.41D.11,解析甲为矩形交变电流,它的大小恒为Im,方向做周期性的变化,而电流通过电阻的热功率跟电流的方向无关,所以矩形交变电流通过电阻R的热功率P甲=R;乙为正弦交变电流,计算热功率时要用电流的有效值:I=,所以P乙=I2R=R=R=,故P甲P乙=21,B正确。,3.如图所示,电路中完全相同的三只灯泡L1、L2、L3分别与电阻R、电感L、电容C串联,然后再并联到220V、50Hz的交流电路上,三只灯泡亮度恰好相同。若保持交变电压不变,将交变电流的频率增大到60Hz,则发生的现象是(D),A.三只亮度不变B.三灯均变亮C.L1不变、L2变亮、L3变暗D.L1不变、L2变暗、L3变亮,解析当交变电流的频率变大时,线圈的感抗变大,电容器的容抗变小,因此L3变亮,L2变暗;因为电阻在低频和高频交流电路中对电流的阻碍作用不变,故L1灯亮度不变,所以选项D正确。,深化拓展,考点一正弦式交流电的产生矩形线圈绕垂直于匀强磁场的轴O转动时,线圈的两条边切割磁感线产生感应电动势,如图所示,设线圈的匝数为n,转动角速度为,两对边的长度分别为l1和l2(其中ab边的长度为l1,ad边的长度为l2)。,若从中性面开始计时,经时间t转到如图所示位置。则经t时间线圈转过t角。,ab边产生的电动势e1=nBl1l2sint。cd边产生的电动势e2=nBl1l2sint。据右手定则可知总电动势e=e1+e2=nBl1l2sint=nBSsint。其中nBS,为电动势的最大值。,1-1(2018丰台二模)如图所示,(a)(b)(c)(d)(e)过程是交流发电机发电的示意图,线圈的ab边连在金属滑环K上,cd边连在金属滑环L上,用导体制成的两个电刷分别压在两个滑环上,线圈在转动时可以通过滑环和电刷保持与外电路连接。下列说法正确的是(),A.图(a)中,线圈平面与磁感线垂直,磁通量变化率最大B.从图(b)开始计时,线圈中电流i随时间t变化的关系是i=ImsintC.当线圈转到图(c)位置时,感应电流最小,且感应电流方向改变D.当线圈转到图(d)位置时,感应电动势最小,ab边感应电流方向为ba,答案C当线圈平面与磁感线垂直时,例如线圈处于图(a)、(c)中位置,ab、cd边速度方向与磁感线平行,不切割磁感线,不产生感应电动势,磁通量变化率为0,感应电流为0,此位置为中性面,感应电流方向改变,C项正确,A项错误。图(d)中线圈平面与磁感线平行时,ab、cd边垂直切割磁感线,感应电动势最大,由右手定则可知ab边感应电流方向为ba,D项错误。从图(b)开始计时,线圈产生的感应电动势随时间变化的关系为e=Emcost,又由欧姆定律I=,则线圈中感应电流i随时间t变化的关系为i=Imcost,B项错误。,1-2图1是交流发电机模型示意图。在磁感应强度为B的匀强磁场中,有一矩形线圈abcd可绕线圈平面内垂直于磁感线的轴OO转动,由线圈引出的导线ae和df分别与两个跟线圈一起绕OO转动的金属圆环相连接,金属圆环又分别与两个固定的电刷保持滑动接触,这样矩形线圈在转动中就可以保持和外电路电阻R形成闭合电路。图2是线圈的主视图,导线ab和cd分别用它们的横截面来表示。已知ab长度为L1,bc长度为L2,线圈以恒定角速度逆时针转动。(只考虑单匝线圈)(1)线圈平面处于中性面位置时开始计时,试推导t时刻整个线圈中的感,应电动势e1的表达式;(2)线圈平面处于与中性面成0夹角位置时开始计时,如图3所示,试写出t时刻整个线圈中的感应电动势e2的表达式;(3)若线圈电阻为r,求线圈每转动一周电阻R上产生的焦耳热。(其他电阻均不计),答案(1)e1=BL1L2sint(2)e2=BL1L2sin(t+0)(3)R()2,解析(1)矩形线圈abcd转动过程中,只有ab边和cd边切割磁感线,设ab边和cd边的转动速度为v,则v=在t时刻,导线ab和cd因切割磁感线而产生的感应电动势均为E1=BL1vy由图可知vy=vsint则整个线圈的感应电动势为e1=2E1=BL1L2sint,(2)当线圈由图3位置开始运动时,在t时刻整个线圈的感应电动势为e2=BL1L2sin(t+0)(3)由闭合电路欧姆定律可知I=,E=则线圈转动一周在R上产生的焦耳热为QR=I2RT其中T=于是QR=R()2,考点二交流电的图像及其应用,2-1如图甲所示,在匀强磁场中,一矩形金属线框绕与磁场方向垂直的轴匀速转动产生交流电,电动势e随时间t的变化关系如图乙所示,则(),A.该交流电的频率为100HzB.该交流电电动势的有效值为311VC.t=0.01s时,穿过线框的磁通量为零D.t=0.01s时,穿过线框的磁通量的变化率为零,答案D由题中乙图可知该交流电的周期为0.02s,频率f=50Hz,A错;该交流电电动势的最大值为311V,有效值为V=220V,B错;t=0.01s时,e=N=0,即磁通量的变化率为零,而磁通量最大,线框平面与磁场垂直,D对、C错。,2-2(2018朝阳期末)电阻R1、R2与交流电源按照图1方式连接,R1=10,R2=20。闭合开关S后,通过电阻R2的正弦交变电流i随时间t变化的情况如图2所示。则()图1,图2A.通过R1的电流有效值是1.0AB.通过R2的电流最大值是AC.R1两端的电压有效值是5V,D.R2两端的电压最大值是5V,答案C由图1可知,R1与R2串联接在交流电源两端,故R1与R2中电流相等,通过R1的电流有效值为I=A=0.5A,故A错误;由图2可知,通过R2的电流最大值是Im=0.5A,故B错误;R1两端电压有效值为U=IR1=0.510V=5V,故C正确;R2两端电压的最大值为U2m=ImR2=0.520V=10V,故D错误。,考点三交变电流有效值的计算方法,3-1通过一阻值R=100的电阻的交变电流如图所示,其周期为1s。电阻两端电压的有效值为(B),A.12VB.4VC.15VD.8V,解析由有效值定义可得1s=(0.1A)2R0.4s2+(0.2A)2R0.1s2,其中R=100,可得U=4V,B正确。,3-2一个小型电热器若接在输出电压为10V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。如果电热器电阻不变,则此交流电源输出电压的最大值为(C)A.5VB.5VC.10VD.10V,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。电热器接10V直流电源时,P=;电热器接交流电源时,=,解得U效=5V,故最大值Um=U效=10V,C选项正确。,考点四电阻、感抗、容抗的比较,4-1(2018西城一模)图1和图2是教材中演示电感器对交变电流的阻碍作用的两个电路图。把带铁芯的线圈L与小灯泡串联起来,先把它们接到直流电源上,如图1所示,再把它们接到交流电源上,如图2所示。取直流电源的电压与交流电压的有效值相等,观察比较两种情况下电路稳定时灯泡的亮度。下列叙述正确的是(),A.接交流时灯泡更亮些B.接直流和接交流灯泡一样亮C.线圈对直流和交流的阻碍作用相同D.线圈对交流的阻碍作用更大,答案D电感器通直流阻交流,所以接直流时灯泡更亮。D正确。,4-2为研究电阻、电容和电感对交变电流的影响,李老师设计了一个演示实验,装置如图所示。两个电路接在完全相同的交流电源上。a、b、c、d、e、f为6只完全相同的小灯泡,a、b各串联一个电阻,c、d各串联一个电容器,e、f各串联一个相同铁芯匝数不同的线圈。电阻、电容、线圈匝数的值如图所示。老师进行演示时,接上交流电源,进行正确的操作。下列对实验现象的描述及分析正确的是(),