专题07 交流电的产生与描述-【教育机构专用】2021年春季高二物理辅导讲义

专题7 交流电的产生与描述（学生版） 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2 ①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4 ④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5 b．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