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2019-2020年高中物理 交變電流的產生及變化規(guī)律表征交變電流的物理量教案 人教版第二冊 一、教學目標： １．鞏固基礎知識。 ２．培養(yǎng)學生分析、解決問題的能力 二、教學重點：鞏固基礎知識 三、教學難點：培養(yǎng)學生分析、解決問題的能力 四、教法：復習提問、講練結合 五、教學過程： （一）復習基礎知識： 1．交變電流： 大小和方向都隨時間作周期性變化的電流叫做交變電流，簡稱交流。如圖所示（b）、（c）、（e）所示電流都屬于交流，其中按正弦規(guī)律變化的交流叫正弦交流。如圖（b）所示。而（a）、(d)為直流其中（a）為恒定電流。 2．正弦交流的產生及變化規(guī)律。 （1）產生：當線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的軸勻速轉動時，線圈中產生的交流是隨時間按正弦規(guī)律變化的。即正弦交流。 （2）中性面：勻速旋轉的線圈，位于跟磁感線垂直的平面叫做中性面。這一位置穿過線圈的磁通量最大，但切割邊都未切割磁感線，或者說這時線圈的磁通量變化率為零，線圈中無感應電動勢。 （3）規(guī)律： ①函數表達式：N匝面積為S的線圈以角速度ω轉動，從中性面開始計時，則e=NBSωsinωt 。用E表示峰值NBSω,則e=Esinωt在純電阻電路中,電流I=sinωt=Isinωt，電壓u=Usinωt 。 ②圖象表示： 3．表征交流的物理量 （1）表征交變電流大小物理量 t(s) e(i,u) 0 Em -Em ①瞬時值：對應某一時刻的交流的值 用小寫字母表示，e i u ②峰值：即最大的瞬時值 用大寫字母表示，Um?。蒻　　 Em= nBSω Ｉm=Em/ R 注意：線圈在勻強磁場中繞垂直于磁感線方向的軸勻速轉動時，所產生感應電動勢的峰值為E=NBSω，即僅由匝數N，線圈面積S，磁感強度B和角速度ω四個量決定。與軸的具體位置，線圈的形狀及線圈是否閉合都是無關的。 ③有效值： ⅰ、意義：描述交流電做功或熱效應的物理量 ⅱ、定義：跟交流熱效應相等的恒定電流的值叫做交流的有效值。 ⅲ、正弦交流的有效值與峰值之間的關系是E= I= U=。 注意：正弦交流的有效值和峰值之間具有E=，U=的關系，非正弦（或余弦）交流無此關系，但可按有效值的定義進行推導，如對于正負半周最大值相等的方波電流，其熱效應和與其最大值相等的恒定電流是相同的，因而其有效值即等于其最大值。即I=Im。 ⅳ、交流用電器的額定電壓和額定電流指的是有效值；交流電流表和交流電壓表的讀數是有效值。對于交流電若沒有特殊說明的均指有效值。 ⅴ、在求交流電的功、功率或電熱時必須用交流電的有效值。 ④、峰值、有效值、平均值在應用上的區(qū)別。 峰值是交流變化中的某一瞬時值，對純電阻電路來說，沒有什么應用意義。若對含電容電路，在判斷電容器是否會被擊穿時，則需考慮交流的峰值是否超過電容器的耐壓值。 交流的有效值是按熱效應來定義的，對于一個確定的交流來說，其有效值是一定的。而平均值是由公式確定的，其值大小由某段時間磁通量的變化量來決定，在不同的時間段里是不相同的。如對正弦交流，其正半周或負半周的平均電動勢大小為，而一周期內的平均電動勢卻為零。在計算交流通過電阻產生的熱功率時，只能用有效值，而不能用平均值。在計算通過導體的電量時，只能用平均值，而不能用有效值。 在實際應用中，交流電器銘牌上標明的額定電壓或額定電流都是指有效值，交流電流表和交流電壓表指示的電流、電壓也是有效值，解題中，若題示不加特別說明，提到的電流、電壓、電動勢時，都是指有效值。 （2）表征交變電流變化快慢的物理量 ① 周期T：電流完成一次周期性變化所用的時間。單位：s . ② 頻率f：一秒內完成周期性變化的次數。單位：ＨZ. ③ 角頻率ω：就是線圈在勻強磁場中轉動的角速度。單位：rad/s. ④ 角速度、頻率、周期，的關系：ω=2f= （二）疑難辨析 交流電的電動勢瞬時值和穿過線圈面積的磁通量的變化率成正比。當線圈在勻強磁場中勻速轉動時，線圈磁通量也是按正弦（或余弦）規(guī)律變化的，若從中性面開始計時，t=0時，磁通量最大，φ應為余弦函數，此刻變化率為零（切線斜率為零），t=時，磁通量為零，此刻變化率最大（切線斜率最大），因此從中性面開始計時，感應電動勢的瞬時表達式是正弦函數，如圖（a）（b）所示分別是φ=φcosωt和e=Esinωt。 （三）例題解析 【例1】如圖表示一交流隨時間變化的圖像，求此交流的有效值。 解析：此題所給交流正負半周的最大值不相同，許多同學對交流電有效值的意義理解不深，只知道機械地套用正弦交流電的最大值是有效值的倍的關系，直接得出有效值，而對此題由于正負半周最大值不同，就無從下手。應該注意到在一個周期內前半周期和后半周期的有效值是可求的，再根據有效值的定義，選擇一個周期的時間，利用在相同時間內通過相同的電阻所產生的熱量相同，從焦耳定律求得。 IRT=I1R+ I2R 即I=(+（） 解得 I=A 【例2】如圖所示，在勻強磁場中有一個“∏”形導線框可繞AB軸轉動，已知勻強磁場的磁感強度B=T，線框的CD邊長為20cm、CE、DF長均為10cm，轉速為50r/s，若從圖示位置開始計時（1）寫出線框中感應電動勢的瞬時值表達式。（2）若線框電阻r=3,再將AB兩端接“6V，12W”燈泡，小燈泡能否正常發(fā)光？若不能，小燈泡實際功率多大？ 解析：（1）注意到圖示位置磁感線與線圈平面平行，瞬時值表達式應為余弦函數，先出最大值和角頻率。 　　ω=2πn=100π rad/s 　　E=BSω=0.20.1100π=10(V) 所以電動勢瞬時表達式應為e=10cos100πt(V)。 （2）小燈泡是純電阻電路，其電阻為R=首先求出交流電動勢有效 值E==10（V）此后即可看成恒定電流電路，如圖15-5 所示，顯然由于R=r,=5v，小于額定電壓，不能正常發(fā)光。其實際功率是p==8.3(w) （四）鞏固練習 1、某線圈在勻強磁場中轉動所產生的電動勢變化規(guī)律為e=εsinωt，保持其它條件不變，使該線圈的轉速和匝數同時增加一倍，則此時所產生的電動勢的瞬時表達式將變?yōu)橄率龅模海? ） A、e=2Esin2ωt B、e=2Esinωt C、e=4Esin2ωt D、e=4Esinωt 2、一長直導線通以正弦交流，在導線下有一斷開的線圈，如圖所示，那么，相對于b來說，a的電勢最高時是在： （ ） A、交流電流方向向右，電流強度最大時； B、交流電流方向向左，電流強度最大時； C、交流電流方向向左，電流減少到零時； D、交流電流方向向右，電流減少到零時； 3、如圖一矩形線圈繞垂直于勻強磁場并位于線圈平面內的固定軸轉動，線圈中的感應電動勢ε隨時間t的變化如圖所示,下面說法中正確的是( ) A、t1時刻通過線圈的磁通量為零 B、t2時刻通過線圈的磁通量的絕對值最大 C、t3時刻通過線圈的磁通量變化率的絕對值最大 D、每當e變換方向時，通過線圈的磁通量絕對值都為最大。 4、如圖，距離足夠大的兩平行金屬板上接正弦交流電壓u，其間有一電子，當t=0時，電子處于靜止狀態(tài)，那么，電子的運動情況應是 （ ） A、電子作簡諧振動 　　　　　　B、在足夠長的時間內，電子到達A板 C、當t=T/2時，電子的速度達到最大值 D、當t=T/2時，電子回到出發(fā)點 5、甲、乙兩線圈繞同一軸線在勻強磁場中轉動，產生的交流圖象如圖所示，下列說法中正確的有（ ） A、兩線圈包圍的面積相同 B、兩線圈中感應電動勢的有效值相同 C、兩線圈平面不可能同時和磁感線平行 D、兩線圈包圍的面積之比為2：1 6、正弦交流電壓的峰值為10V，周期為0.2S，將此電壓接在10的電阻上，在0.05s內電阻上產生的熱量（ ） A、可能為零　　B、一定為0 .25J　　C、不可能大于0.25J　　D、可能小于是0.25J 7、某交流電壓隨時間的變化規(guī)律如圖所示，則此交流電的頻率是_______Hz。若將該電壓加在10uf的電容器上，則電容器的耐壓值不應小于_________V；若將該電壓加在一阻值為1K的純電阻用電器上，用電器恰能正常工作，為避免意外事故的發(fā)生，該電路中保險絲的額定電流不能低于__________A。 8、正弦交流電壓u=50sin314tv加在一氖管的兩端，已知當氖管兩端的電壓達25v時開始發(fā)光，則此氖管在一個周期內發(fā)光的總時間是___________s。通電10分鐘內，氖管發(fā)光的次數是_____________次。 9、如圖所示，10匝矩形線圈abcd置于B=2T的勻強磁場中，并以00′為軸勻速轉動，00′垂直于磁場方向，ad=bc=30cm，ab=cd=20cm。線圈電阻為2，燈A、B電阻均為2，K斷開時，線框轉動中受到最大磁力矩為M=0.4Nm,試求： （1）線圈轉動的角速度？ （2）合上K，欲使A燈亮度不變，線圈的角速度應是原來的幾倍？ 10、一個電阻為0.63、面積4.010米的矩形線框abcd，一半處于有理想邊界的磁感強度B=1.0T的勻強磁場中，磁力線方向垂直紙面向外，有關長度見圖，當線框從圖示位置開始繞ab軸以每秒5周的轉速逆時針轉動時，求（1）每半個周期內的平均電動勢（2）感生電流的最大值（3）在每段發(fā)電時間內的平均電動勢。 【答案及提示】 1. ( C ) 2. ( C ) 3. ( D ) 4.( B 、C ) 5. ( B、C、D ) 6．（ D ） （提示：正弦交流在一小段有限的時間內，有效值不一定是峰的 ） 7. 50 , 200, 0.14　8、 , 610 （提示：利用正弦函數圖像來求） 9、w=1.11 弧度/秒 W=W （提示：當線圈平面與磁感線平行時，電流最大，磁力矩也最大M=NBIS ） 10、0.4V , 約2A , 1.2V (提示：當轉動角度從到之間磁通量才有變化，才有感應電動勢)