2019_2020学年高中物理第二章交变电流第三节表征交变电流的物理量学案粤教版选修3_2.docx

教学资料范本2019_2020学年高中物理第二章交变电流第三节表征交变电流的物理量学案粤教版选修3_2编 辑：_时 间：_第三节表征交变电流的物理量学科素养与目标要求物理观念：1.建立描述交变电流的物理量周期、频率、峰值、有效值、相位的概念.2.熟记正弦式交变电流的有效值和峰值之间的关系科学思维：1.根据电流热效应计算有效值，体会等效思维方法的运用.2.通过特殊形式电流的有效值的计算培养综合分析能力一、周期和频率1周期：交变电流完成一次周期性变化的时间，用T表示2频率：交变电流在1s内完成周期性变化的次数，用f表示，单位是赫兹，符号是Hz.3二者关系：T或f.4物理意义：描述交变电流周期性变化的快慢二、峰值和有效值1峰值(1)定义：交变电流的电流或电压在一个周期内所能达到的最大值(2)应用：电容器所能承受的电压要高于(选填“高于”或“低于”)交流电压的峰值2有效值(1)定义：让交变电流和恒定电流通过阻值大小相同的电阻，如果它们在相同时间内产生的热量相等，这个恒定电流的电流、电压，叫做这个交变电流的有效值(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3两者关系正弦式交变电流的电动势、电流和电压的有效值和峰值间有如下关系：E0.707EmI0.707ImU0.707Um.1判断下列说法的正误(1)对于一个正弦式电流的峰值同周期、频率一样是不变的，但有效值是随时间不断变化的()(2)正弦式电流的正负两部分是对称的，所以有效值为零()(3)正弦式电流的有效值等于峰值的倍非正弦式电流的有效值不一定等于峰值的倍()(4)交流电路中，电压表、电流表的测量值都是有效值()2.图1是一个正弦式交变电流的图象，由图可知，电流的峰值Im_A，有效值I_A，周期T_s，频率f_Hz，初相位_.图1答案140.250一、交变电流的周期和频率如图所示的交变电流完成一次周期性变化需要多长时间？在1s内完成多少次周期性变化？答案完成一次周期性变化需要0.02s；在1s内完成50次周期性变化1周期：交变电流完成一次周期性变化所需的时间在交变电流的图象中，一个完整的正弦波形对应的时间为一个周期T.2频率：1s内完成周期性变化的次数3周期和频率的关系：f，如图2为我国照明电路的et图象，则交变电流的周期T0.02s，频率f50Hz.图24说明：交变电流的周期和频率跟发电机转子的角速度或转速n有关(或n)越大，周期越短，频率越高，其关系为T，2f2n.例1(多选)矩形金属线圈共10匝，绕垂直于磁场方向的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3所示下列说法中正确的是()图3A此交变电流的频率为0.2HzB1s内电流方向变化10次Ct0.1s时，线圈平面与磁场方向平行D1s内线圈转5圈答案BD解析由题图知T0.2s，故fHz5Hz，即1s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t0.1s时，e0，所以线圈平面与磁场方向垂直，故C错误二、交变电流的峰值和有效值1如图是通过一个R1的电阻的电流i随时间t变化的图象(1)试计算1s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1s内产生同样的热量，这个电流是多大？答案(1)QIRt1IRt24210.5J2210.5J10J(2)根据交变电流有效值的定义可得：I2RtQ，解得IA.2某交流电压的瞬时值表达式u6sin (100t) V，把标有“6V2W”的小灯泡接在此电源上会不会被烧坏？把标有6V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u6sin (100t) V中6V是最大值，其有效值为6V，而标有“6V2W”的小灯泡中的6V也是有效值电容器会被击穿1有效值的计算(1)对于正弦式交变电流，可先根据EmnBS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QI2RT或QT，最后代入数据求解有效值2峰值和有效值的应用(1)峰值：电容器所能承受的电压应高于交流电压的峰值，否则电容器可能被击穿(2)有效值电气设备铭牌上标注的额定电压、额定电流交流电压表和交流电流表的数值保险丝的熔断电流例2通过一阻值R100的电阻的交变电流如图4所示，其周期为1s电阻两端电压的有效值为()图4A12VB4VC15VD8V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)2R0.4 s2(0.2 A)2R0.1 s2I2R1 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UIR4 V，故B正确例3(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5A图甲、图乙均表示交变电流B图甲所示电压的瞬时值表达式为u20sin100t (V)C图甲所示电压的有效值为10VD图乙所示电压的有效值为10V答案ABD解析根据交变电流的定义，题图甲、乙均表示交变电流，题图甲所示电压的瞬时值表达式为u20sin100t (V)，选项A、B正确；题图甲所示电压的有效值U甲V10V，选项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10V，选项D正确例4(20xx市第一中学高二第一次段考)如图6甲所示，标有“220V,40W”的灯泡和标有“350V,20F”的电容器并联到交流电源上，为交流电压表，交流电源的输出电压如图乙所示，闭合开关下列判断正确的是()图6At时刻，的示数为零B灯泡不能正常发光C电容器一定被击穿D.的示数保持220V不变答案D解析交流电压表示数为交流电压的有效值，大小为UV220V，数值保持不变，A错误，D正确；交流电源输出电压的有效值为220V，故灯泡能正常发光，B错误；交流电压的最大值约为311V，没有超过电容器的击穿电压，故电容器不会被击穿，C错误学科素养通过以上例题，进一步建立有效值的概念，掌握利用电流的热效应计算有效值的方法，区分峰值、有效值的适用情况，锻炼了学生归纳思维的能力，较好地体现了“物理观念”和“科学思维”的学科素养1(对描述交变电流物理量的理解)如图7所示，实验室一台手摇交流发电机，内阻r1.0，外接R9.0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e10sin10t (V)，则()图7A该交变电流的频率为10HzB该电动势的有效值为10VC电路中理想交流电流表的示数为AD若将“10V100F”的电容器并联在发电机两端，则电容器可能被击穿答案C解析因e10sin10t (V)，故10rad/s，f5Hz，选项A错误；Em10V，故其有效值EV5V，选项B错误；交流电表的示数为有效值，理想交流电流表的示数IA，选项C正确；路端电压的最大值UmImRR9.0V，小于“10V100F”电容器的击穿电压，所以电容器不能被击穿，选项D错误2(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，则此交变电流的有效值为()图8A4AB3AC5AD5A答案C解析设该交变电流的有效值为I，让该交变电流和直流分别通过同一电阻(阻值为R)，在一个周期(T0.2s)内，该交变电流产生的热量：QIRt1IRt2，在一个周期内直流通过该电阻产生的热量QI2RT，由QQ，代入数据，解得I5A，故选C.3(有效值的计算)(20xx市高二下学期期末)如图9所示，甲图为正弦式交变电流，乙图正值部分按正弦规律变化，负值部分电流恒定，丙图为方波式交变电流，三个图中的I0和周期T相同三种交变电流的有效值之比为()图9A.2B2C.2D.2答案A解析题图甲中交变电流的有效值为I1I0；对题图乙：(I0)2RIRIRT，解得I2I0；对题图丙有效值为I3I0；则三种交变电流的有效值之比为I1I2I312，A正确4(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10甲所示已知发电机线圈内阻为5，外接一只电阻为95的灯泡，如图乙所示，则 ()图10A电压表的示数为220VB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484WD发电机线圈内阻每秒钟产生的焦耳热为24.2J答案D解析电压表示数为灯泡两端电压的有效值，由题图甲知电动势的最大值Em220 V，有效值E220 V，灯泡两端电压U209 V，A错误；由题图甲知T0.02 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 W459.8 W，C错误；电流的有效值I2.2 A，发电机线圈内阻每秒钟产生的焦耳热为QrI2rt2.2251 J24.2 J，D正确一、选择题考点一对描述交变电流物理量的理解1下列选项中提到的交变电流，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D220V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.(多选)(20xx大龙潭中学高二下期末)有一交变电流如图1所示，则由此图象可知()图1A它的周期是0.8sB它的峰值是4AC它的有效值是2AD它的频率是0.8Hz答案AB解析由题图可知它的周期是0.8s，则频率fHz1.25Hz，故A正确，D错误；它的峰值是4A，故B正确；它不是正弦式电流，因此峰值与有效值不是倍关系，故C错误3.(多选)(20xx市高二期末)在匀强磁场中，一只矩形金属线框绕与磁感线垂直的转轴匀速转动，产生的交变电动势的图象如图2所示则()图2A交变电动势的频率为100HzB线框转动的角速度为100rad/sCt0.01s时线框平面与中性面重合D线框产生的交变电动势有效值为311V答案BC解析由题图可知该交变电流的周期为0.02s，故频率为fHz50Hz，A错误；角速度rad/s100 rad/s，B正确；t0.01s时电动势为零，即磁通量变化率为零，此时磁通量最大，故线框平面与中性面重合，C正确；线框产生的交变电动势有效值为V220V，D错误4如图3甲所示，在匀强磁场中，一矩形金属线圈两次分别以不同的转速，绕与磁感线垂直的轴匀速转动，产生的交变电动势图象如图乙中曲线a、b所示，则()图3A两次t0时刻线圈平面均与中性面垂直B曲线a、b对应的线圈转速之比为23C曲线a表示的交变电动势频率为25HzD曲线b表示的交变电动势有效值为10V答案C解析线圈位于中性面时，磁通量最大，电动势为零，A错误；转速之比等于周期的反比，故该比值为32，B错误；频率为周期的倒数，a的周期为0.04s，频率为25Hz，C正确；正弦式交变电流的电动势的有效值为E，已知EaV，且ba，故可知EbV5V，D错误考点二非正弦式交变电流有效值的计算5.阻值为R的电阻上通以如图4所示的交变电流，则此电流的有效值为()图4A1AB2AC3AD.A答案D6如图5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的正弦式交变电流上，经过可控硅调节后加在灯管两端的电压如图乙所示(图中曲线为正弦曲线的一部分)，则此时电压表的示数约为()图5A220VB156VC110VD78V答案B解析虽然题图乙所示电流不是正弦式交变电流，根据正弦式交变电流的图象对称性可知，只要有从0开始的T的图线就满足最大值是有效值的倍，根据电流有效值定义有：T.解得U110V156V，故B正确7如图6所示是某种交变电流随时间变化的图线，i0部分的图线是一个正弦曲线的正半周，i0部分的图线是另一个正弦曲线的负半周，则这种交变电流的有效值为()图6AI0B.I0C.I0D.I0答案B解析设这种交变电流的有效值为I，则I2R3T2RT2R2T，解得：II0，故选B.8(20xx市高二下期末)如图7甲、乙、丙所示是三个具有相同I0和周期T的交变电流，分别通过三个相同的电阻，下列说法中正确的是()图7A在相同时间内三个电阻发热量相等B在相同时间内，甲是丙发热量的2倍C在相同时间内，甲是乙发热量的D在相同时间内，乙发热量最大，甲次之，丙的发热量最小答案C解析甲的有效值I，由QI2Rt可知一个周期内的发热量Q1IRT；乙前后半个周期电流大小相等，故其发热量Q2IRT；丙只有半个周期有电流，故其发热量Q3IRTIRT；故可知在相同时间内，甲、丙发热量相等，是乙发热量的，故C正确，A、B、D错误考点三正弦式交变电流有效值的理解和应用9.在图8所示电路中，A是熔断电流为I02A的保险丝，电阻可不计，R是可变电阻，是交流电源交流电源的内电阻不计，其电动势随时间变化的规律是e220sin (314t) V为了不使保险丝熔断，可变电阻的阻值应该大于()图8A110B110C220D220答案B解析电源电动势的有效值U220V，Rmin110，故B项正确10一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()A5VB5VC10VD10V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有效，接10V直流电源时，P；接交流电源时，联立得U有效5V，故输出电压的最大值UmU有效10V，选项C正确11电阻R1、R2与交流电源按照图9甲所示的方式连接，R110，R220.合上开关S后，通过电阻R2的正弦式交变电流i随时间t变化的情况如图乙所示，则()图9A通过R1的电流有效值是1.2ABR1两端的电压有效值是6VC通过R2的电流最大值是ADR2两端的电压最大值是6V答案B解析R1与R2串联，R1与R2中的电流变化情况应相同，电流有效值I1I20.6A，电流最大值I1mI2mA，电压有效值U1I1R16V，U2I2R212V，电压最大值U1mU16V，U2mU212V综上所述，B项正确12(多选)如图10所示，A、B两输电线间的电压是u200sin (100t) V，输电线电阻不计，把电阻R50的纯电阻用电器接在A、B两输电线上，下列说法正确的是()图10A理想电流表示数为4AB理想电压表示数为200VC通过R的电流方向每秒钟改变50次D用电器消耗的电功率为1.6kW答案AB解析由u200sin (100t) V可知，电压最大值Um200V，角速度100rad/s，所以电压的有效值U200V，即电压表的示数为200V；周期T0.02s，频率f50Hz，由欧姆定律得IA4A，A、B正确；一个周期内电流方向改变两次，而f50Hz，则1s内通过R的电流方向改变100次，C错误；用电器消耗的电功率PIU4200W800W，D错误13(多选)如图11甲所示为电热毯电路示意图，交流电压u311sin100t (V)，当开关S接通时，电热丝的电功率为P0；当开关S断开时，加在电热丝上的电压如图乙所示，则()图11A开关接通时，交流电压表的读数为220VB开关接通时，交流电压表的读数为311VC开关断开时，交流电压表的读数为311V，电热丝功率为D开关断开时，交流电压表的读数为156V，电热丝功率为答案AD解析当S接通时，加在电热丝上的瞬时电压u311sin100t (V)，所以电热丝两端的电压的有效值U1V220V，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U20，所以电热丝的功率PP0.设此时交变电压的有效值为U2，由得U2156V，即电压表的读数为156V，故D正确，C错误二、非选择题14(20xx丹徒高级中学高二上学期期中)如图12所示，线圈abcd的面积是0.05 m2，共100匝，线圈电阻为1，外接电阻R9，匀强磁场的磁感应强度BT，当线圈以300r/min的转速绕垂直于磁场方向的轴匀速旋转时问：图12(1)线圈中感应电动势的最大值是多少？(2)若从线圈处于中性面开始计时，写