专题07 交流电的产生与描述——教师版-教案课件-高中物理选择性必修第二册.docx

专题7 交流电的产生与描述（教师版）一、目标要求目标要求重、难点交流电的产生重点交流电的描述重点、难点电阻、电感、电容对交流电的阻碍二、知识点解析1．直流电和交流电的区别(1)定义：方向不随时间变化的电流称为直流电，如图1(a)；大小和方向都不随时间变化的电流称为恒定电流，如图1(b)：图1大小和方向随时间发生周期性变化的电流称为交变电流，简称交流电，如图1(c)和图1(d)，其中电流随时间按正弦函数规律变化的交变电流称为正弦交变电流，简称正弦交流电，如图1(d)． 2．正弦交流电的产生原理产生机理如图2所示，线圈abcd置于匀强磁场中，绕中轴匀速转动，ab边和cd边切割磁感线产生感应电流，并通过电刷将电流输出至外电路．图2①产生机理：图3若线圈abcd在磁感应强度为B的匀强磁场中以角速度ω绕中轴做匀速圆周运动，如图3(a)所示，其中ab = L1，bc = L2，经过时间t后线圈转过的角度为θ = ωt．以ab为研究对象，转至图3(b)位置时速度为v，则ab产生的感应电动势为：eab = BL1v⊥ = BL1vsin θ．ab线速度v与线圈角速度关系为：．除ab边外，cd边同时以大小相等方向相反的速度也切割磁感线，线圈abcd的总感应电动势为：e = 2eab．由上可得：．设矩形线圈面积为S，则S = L1L2，考虑到线圈实际匝数为N，则：e = NBSωsin ωt．其中Em = NBSω为线圈产生感应电动势的最大值．②表达式：e = Emsin ωt若将线圈两端与外电路相接，组成闭合回路，电路中将产生按正弦函数规律变化的交变电流，其电流大小i随时间t变化的关系为：i = Imsin ωt；外电路的电压u随时间t变化的关系为：u = Umsin ωt．③图象：正弦交流电电流随时间变化的图象如图4所示．图4④中性面：a．定义：当线圈与磁场垂直时，穿过线圈的磁通量最大，则将线圈所处的平面称为中性面，如图5．图5b．特点：线圈处于中性面位置时，穿过磁通量最大，但磁通量的变化率最小，，回路中的感应电动势e = 0，感应电流i = 0，回路中电流在此时变换方向；当线圈处于与中性面垂直的位置时，穿过的磁通量为0，但磁通量变化率最大，回路中感应电动势最大，感应电流最大．3．描述交流电的物理量(1)周期和频率：①定义：交变电流作一次周期性变化所需的时间称为周期，用符号T表示，单位是秒(s)；在1 s时间内完成周期性变化的次数称为频率，用符号f表示，单位是赫兹(Hz)．两者的大小关系为： 或．②理解：线圈在磁场中匀速转动产生正弦交流电，转动一周所花的时间正好为一个周期，若线圈转动的角速度为ω，则有，则在正弦交流电中，电动势、电流和电压的表达式还可以写成：，，(2)瞬时值：电动势e = Emsin ωt、电流i = Imsin ωt和外电路的电压u = Umsin ωt中，e、i和u分别称为感应电动势、感应电流和外电路电压的瞬时值，不同时刻下，e、i和u也不相同．(3)峰值：Em、Im和Um分别称为电动势、电流和电压的峰值，表示在一个周期内电动势、电流和电压能达到的最大值；电容器和发光二极管在接入交流电路中时，不能让峰值超过其击穿电压．图6(4)有效值：①定义：如果交流电与某一直流电通过同一电阻，在相同时间内(一般为交流电周期整数倍)产生的热量相等，则这个直流电的电流和电压就分别称为相应交流电的电流和电压的有效值．②正弦交流电的有效值：大量实验和理论基础表明，正弦交流电电流和电压的有效值与峰值存在以下关系：；．③意义：a．交流电的有效值是通过电流的热效应给出，体现能量守恒思想．b．平时所描述的交流电的电压和电流指的是其有效值，如我国家庭电路电压220V，工农业生产所使用的动力电路电压380V指的都是有效值，对应的峰值分别是311V和538V；使用交流电压表和交流电流表测出的数据也是正弦交流电的有效值．(5)平均值：①定义：指某段时间内平均感应电动势和平均电流的大小，在交变电流的图象中，平均值即图线与横轴所围面积与时间的比值．②计算式：，正弦式交流电的平均值．③注意：平均值与有效值物理意义不同，因此平均值不等于有效值．4．电感、电容对交流电的作用(1)电感对交流电的作用：①探究：图7中两灯泡规格相同，图7(b)中交流电电压的有效值与图7(a)的直流电电压相同．图7闭合开关后，图7(a)中的灯泡要比图7(b)中的灯泡更亮，说明线圈对交流电有阻碍作用．线圈对交流电的阻碍作用可以总结为：通直流，阻交流；通低频，阻高频．(2)电容对交流电的作用：①探究Ⅰ：图8中两灯泡规格相同，图8(b)中交流电电压的有效值与图8(a)的直流电电压相同．图8闭合开关后，图8(a)中灯泡不亮而图8(b)中灯泡亮，说明电容器可以导通交流电而不能导通直流电．电容对交流电的阻碍作用可以总结为：隔直流，通交流；阻低频，通高频．三、考查方向题型1：交流电的产生典例一：（2020•房山区二模）如图所示，（a）（b）（c）（d）过程是交流发电机发电的示意图，下列说法正确的是　　A．当线圈转到图（a）位置时，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，线圈中电流随时间变化的关系是 C．当线圈转到图（c）位置时，感应电流最小，且感应电流方向将要改变 D．当线圈转到图（d）位置时，感应电动势最小，边感应电流方向为题型2：交流电的描述典例二：（2014•天津•多选）如图1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2中曲线，所示，则　　A．两次时刻线圈平面均与中性面重合 B．曲线、对应的线圈转速之比为 C．曲线表示的交变电动势频率为 D．曲线表示的交变电动势有效值为题型3：有效值的计算典例三：（2016•朝阳区二模）、是两个完全相同的电热器，通以图甲所示的交变电流，通以图乙所示的交变电流，则两电热器的电功率之比等于　　A． B． C． D．题型4：电感、电容对交流电的作用典例四：（2017海南物理·多选）如图，电阻R、电容C和电感L并联后，接入输出电压有效值、频率可调的交流电源。

当电路中交流电的频率为f时，通过R、C和L的电流有效值恰好相等若将频率降低为，分别用I1、I2和I3表示此时通过R、C和L的电流有效值，则（ ）A．I1>I3 B．I1>I2 C．I3>I2 D．I2=I3四、模拟训练一、基础练习1.如图1是交流发电机的模型，示意图可以简化为图2，线圈在磁场中转动过程又可以简化为图3．关于交流电的产生过程，下列说法中正确的是( )A．当线圈转到图2所示位置时，穿过线圈的磁通量为零，产生的电动势为零 B．当线圈转到中性面时磁通量的变化率最大 C．当线圈从中性面转到图3所示位置时，穿过线圈的磁通量减小，产生的电动势变小 D．线圈从中性面开始转到图3所示位置时，产生的电动势变大 2.如图所示，处在匀强磁场中的矩形线圈abcd，以恒定的角速度绕中心对称轴转动，在t=0时刻，线圈平面与磁场重合，ab边垂直纸面向里，cd边垂直纸面向外运动．若规定a→b→c→d→a为正方向，则线圈中感应电流i随时间t变化的图线是( )A． B． C． D．3.小型手摇发电机线圈abcd在匀强磁场中绕OO′轴匀速转动，如图所示．则( )A．如图所示位置穿过线圈的磁通量最大B．如图所示位置线圈中产生的感应电动势最大C．线圈每转动一周，电流方向改变一次D．线圈转动过程中一定会产生感应电流4.如图(甲)所示，单匝矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的中心轴OO′匀速转动，产生的感应电动势e随时间t的变化曲线如图(乙)所示．若外接电阻的阻值R=9 Ω，线圈的电阻r=1 Ω，则下列说法正确的是( )A．线圈转动频率为50 HZ B．0.01 s末穿过线圈的磁通量最大 C．通过线圈的电流最大值为10 A D．R消耗的热功率为900 W 5.在匀强磁场中，一矩形金属线框绕与磁感线垂直的转轴匀速转动，如图甲所示，产生的交变电动势的图象如图乙所示，则( )A．t=0.005 s时线框的磁通量变化率为零 B．t=0.01 s时线框平面与中性面重合C．线框产生的交变电动势有效值为311 V D．线框产生的交变电动势频率为100 Hz6.（多选）如图所示表示交变电流产生的过程，在磁感应强度为的匀强磁场中一个匝数为面积为线电阻为的矩形线圈，绕轴以角速度匀速转动，外电路电阻为．圈由图示位置转过的过程中，下列说法正确的是　　A．磁通量的变化量△ B．平均感应电动势 C．电阻产生的焦耳热 D．电阻产生的焦耳热7.A、B是两个完全相同的电热器，A通以图甲的方波交变电流，B通以图乙所示的正弦交变电流，则两电热器的电功率之比PA：PB等于( )A．5 : 4 B．3 : 2 C． D．2 : 18.如图所示，是一交流电随时间而变化的图象，其中电流的正值为正弦曲线的正半周，其最大值为；电流的负值的大小也为．则该交变电流的有效值为　　A． B． C． D．9.如图所示是一交变电流的图象，则该交变电流的有效值为　　A． B． C． D．10.在如图所示电路中，电阻R、电感线圈L、电容器C并连接在某一交流电源上，三个相同的交流电流表的示数相同．若保持电源的电压不变，而将其频率增大，则三个电流表的示数I1、I2、I3的大小关系是( )A．I1=I2=I3 B．I1>I2>I3 C．I2>I1>I3 D．I3>I1>I211.如图所示，把电感线圈L、电容器C、电阻R分别与灯泡L1、L2、L3串联后接在交流电源两极间，三盏灯亮度相同．若保持交流电源两极间的电压不变，仅使交流电的频率增大，则以下判断正确的是( )A．与线圈L连接的灯泡L1将变亮 B．与电容器C连接的灯泡L2将变亮C．与电阻R连接的灯泡L3将变暗 D．三盏灯的亮度都不会改变12.有n=10匝的矩形线圈，每匝都是长50 cm，宽20 cm，线圈总电阻10 Ω，在B=2 T的匀强磁场中以角速度ω=50 rad/s旋转．线圈与R=10 Ω的外电阻连接，图中的电流表、电压表的接入不影响原电路．求：(1)写出电动势的瞬时表达式(从中性面开始计时)；(2)电流表、电压表的读数；(3)1 min内产生的热量．13.（2020春•海淀区校级期末）如图所示，位于竖直平面内的矩形金属线圈，匝数匝，总电阻，线圈的两个末端分别与两个彼此绝缘的铜环（集流环）焊接在一起，并通过电刷和的定值电阻相连接，线圈所在空间存在水平向右的匀强磁场。

在外力驱动下线圈绕竖直固定中心轴匀速转动从某位置开始，线圈中的磁通量随时间的变化如图所示不计一切摩擦，求：（1）电源电动势瞬时值的表达式；（2）理想交流电压表的示数；（3）从计时开始，经过周期通过电阻的电荷量；（4）圈转动一周的过程中，外力做的总功二、提升练习1.（2019高考理综天津卷·多选）单匝闭合矩形线框电阻为，在匀强磁场中绕与磁感线垂直的轴匀速转动，穿过线框的磁通量与时间的关系图像如图所示下列说法正确的是（ ）A.时刻线框平面与中。