3.2 交变电流的描述 课件-2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

null 第三章 交变电流 高中物理《课标》要求 第二章 交变电流 高中物理《课标》要求 3.1 通过实验，认识交变电流。能用公式和图像描述正弦交变电流。 3.2 通过实验，探究并了解变压器原、副线圈电压与匝数的关系。知道远距离输电时通常采用高压输电的原因。 3.3 了解发电机和电动机工作过程中的能量转化。认识电磁学在人类生活和社会发展中的作用。 第2节 交变电流的描述 《学习目标》 (1)知道交变电流周期、频率的含义及二者之间的关系；知道峰值和有效值的含义及二者之间的关系。能结合交变电流的公式和图像识别周期(频率)、峰值。会用周期(频率)、峰值等物理量通过函数表达式和图像来描述交变电流。 (2)经历根据电流的热效应推导交变电流有效值的过程，体会“等效”的科学方法。 (3)了解我国家庭电路的频率和电压的有效值。知道家用电器的电压与电流的额定值是有效值。 02 03 01 主题(二) 峰值与瞬时值 主题(一) 周期与频率 目录 CONTENTS 主题(三) 平均值与有效值 04 第2节 交变电流的描述 主题(四) 电感与电容 新课引入：线框转的快慢导致产生的交流电有什么异同？ e O 2 4 6 t/s 8 e O 2 4 6 t/s 8 都是正弦交流电 相同点： 变化的快慢不同 不同点： 怎么样描述这种不同呢？ 第一部分 周期与频率 一、周期与频率 1.周期T: 交变电流一次周期性变化的时间。 2.频率f: 1s内完成周期变化的次数。 单位:S 单位:Hz 3.T、f、n(转速)、ω(角速度)的关系 f=n =2πf=2πn e O 2 4 6 t/s 8 e O 2 4 6 t/s 8 ω 一、周期与频率 1.周期T: 交变电流一次周期性变化的时间。 2.频率f: 1s内完成周期变化的次数。 单位:S 单位:Hz 3.T、f、n(转速)、ω(角速度)的关系 f=n =2πf=2πn ω 我国生产和生活所用交流电： T=0.02s f=50Hz ω=100π rad/s 在1s内电流的方向变化100次 t/s i/A 0 Im -Im 0.02 0.04 第二部分 峰值与瞬时值 二、峰值和瞬时值 1.峰值： 各参量一个周期内所能达到的最大值。 思考：电容器的击穿电压 交流电压的峰值，才能保证电容器的安全？ > t/s i/A 0 Im -Im 0.02 0.04 Em＝NBSω Um ＝ ImR外 Im＝ 二、峰值和瞬时值 1.峰值： 各参量一个周期内所能达到的最大值。 2.瞬时值： e= i= u= Emsinωt Imsinωt Umsinωt t/s i/A 0 Im -Im 0.02 0.04 Em＝NωBS Um ＝ ImR外 思考：若从中性面转了300开始计时,瞬时值的表达式和图象会怎么样呢？ 各参量某时刻的值。 e= Emsin(ωt ) Im/2 e= Emsin(ωt+θ) +300 Im＝ 二、峰值和瞬时值 1.峰值： 各参量一个周期内所能达到的最大值。 2.瞬时值： e= i= u= Emsinωt Imsinωt Umsinωt t/s i/A 0 Im -Im 0.02 0.04 Em＝NωBS Um ＝ ImR外 各参量某时刻的值。 Im/2 e= Emsin(ωt+θ) ②初相位θ: 线圈在每时每刻与中性面的角度 ①相位(ωt+θ): t=0时与中性面的角度 Im＝ 二、峰值和瞬时值 1.峰值： 各参量一个周期内所能达到的最大值。 2.瞬时值： e= i= u= Emsinωt Imsinωt Umsinωt Em＝NωBS Um ＝ ImR外 各参量某时刻的值。 e= Emsin(ωt+θ) ②初相位θ: 线圈在每时每刻与中性面的角度 ①相位(ωt+θ): t=0时与中性面的角度 ③相位差: 两线圈每时每刻相位的差 Im＝ 【典例1】一个n匝、面积为S、电阻为R的线圈放在磁感应强度为B的磁场绕垂直于磁场的轴以ω转动，外电阻不计，从中性面开始计时，求(1)转过900过程中的平均电动势，3600过程中的平均电动势？(2)求3600过程中通过线圈的电量q和热量Q? nBS 2π ω 1 4 = 解:(1) (2) I= 0 q= It =0 Q=I2Rt =0 = 2ωnBS π 典例分析 =0 算热量不能用平均值。 E1＝ E2＝ 【典例2】如图所示通过一个R=1Ω的电阻的电流i随时间变化的曲线。它不是恒定电流。(1)怎样计算通电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1 S内产生同样的热量，这个电流是大？ 典例分析 解:(1) Q交= 2(I12Rt1+I22Rt2) 得：Q交=2.8J (2) Q交= Q直= I2Rt 得：I=1.67A 1.67 把这个值叫交流电的有效值 第三部分 平均值与有效值 如果一个交流电通过一个电阻产生的热量， 三、平均值与有效值 1.平均值： 与一个恒定电流通过这个电阻在一个周期T内产生的热量相同， 那这个恒定电流的值就叫这个交流电的有效值。 2.有效值： R 3.正余弦电有效值 R t/s i/A 0 Im -Im 0.01 0.02 Im/ Q交= Q直= I2RT I= U= E= E＝ t i Im T/2 T 2T 【典例3】如图表示一交流随时间变化的图像，求此交流的有效值。 t i Im T/2 T 2T 正余弦交流电，每四分之一个周期产生的热量相等 典例分析 解：Q交=Q直=I2Rt Q交1+Q交2=I2Rt )2R+ 0= I2RT 得：I= 【典例4】如图表示一交流随时间变化的图像，求此交流的有效值。 t i Im T/3 T 典例分析 解：Q交=Q直=I2Rt Q交1+Q交2=I2Rt )2R+ 0= I2RT 得：I= 【典例5】如图表示一交流的电流随时间变化的图像,求该电流的有效值。 2 1 3 4 5 6 i t 典例分析 解：Q交=Q直=I2Rt Q交1+Q交2=I2Rt )2R+ )2R= I2RT 得：I= 三、平均值与有效值 R 3.正余弦电有效值 R Q交= Q直= I2RT I= U= E= 半波正余弦有效值I= 注意: ①只适用正余弦交流电 , ②用电器的U额，保险丝的熔断电流指有效值 ③交流电流(压)表的读数是有效值 ④计算电功W、电热Q用有效值， 算电量q用平均值 【典例6】（多选） 某交流电压的瞬时值表达式为u=6sin(100t)V，把标有“6V 2W”的小灯泡和击穿电压为6V的电容器分别接在此电源上，则下列说法正确的是（ ） A.小灯泡会被烧坏 B.小灯泡不会被烧坏 C.电容器会被烧坏 D.电容器不会被烧坏 典例分析 BC 思考:下图中小灯泡分别接到两种电路中的亮暗一样吗？ 6v直流电 6v交流电 线圈对直流电相当于一根导线，而对交流电相当于一个“电阻” 这个“电阻”的大小跟哪些因素有关呢？ 跟线圈的自感系数L和电流变化的快慢的频率f有关。 这个“电阻”称为感抗XL 电感 这个“线圈”称为电感 思考:下图中小灯泡分别接到两种电路中的亮暗一样吗？ 6v直流电 6v交流电 直流电路闭合后闪亮一下熄灭 交流电路：由于电容器被反复一直充放电，灯泡一直亮 不同电容器对“通”交流的能力大小与哪些因数有关呢？ 电容 跟电容C和电流的频率f有关。 这个不同通交流能力叫容抗XC 思考:下图中小灯泡分别接到两种电路中的亮暗一样吗？ 思考:下图中小灯泡分别接到两种电路中的亮暗一样吗？ 思考:下图中小灯泡分别接到两种电路中的亮暗一样吗？ 第四部分 电感与电容 四、电感和电容 XL=2πfL 由导线绕成的线圈 电感对交流电阻碍的大小 1.电感: ①特点: 电感器对直流电几乎无影响，对交流电有阻碍。 ②感抗: L S u 单位:欧Ω 通直流，阻交流。 通低频，阻高频。 ③结论: ④实质: 变流电不断变化，产生E自，阻碍磁通量变化. 高频扼流圈 低频扼流圈 结构特点 作用 线圈绕在铁芯上,匝数多，自感系数大、感抗大 线圈绕在铁氧体上,匝数少，自感系数小、感抗小 通直流，阻交流 通直流，通低频，阻高频 四、电感和电容 由导线绕成的线圈 1.电感: ⑤应用: 扼流圈 四、电感和电容 由导线绕成的线圈 1.电感: 2.电容: C S u XC=1/2πfC 电容对交流电阻碍的大小 ①特点: 直流不能通过电容器，交流能“通过”电容器 ②容抗: 单位:欧Ω 通交流，隔直流。 通高频，阻低频。 ③结论: 相互绝缘的两块导体 电容器两极板上积累的电荷对向这个方向定向移动的电荷的反抗作用 ④实质: 【典例7】(多选)如图所示的电路中，A、B、C三灯亮度相同，电源为220 V、50 Hz的交流电源，以下叙述中正确的是(　 　) A.改接220 V、100 Hz的交流电源时， A灯变亮，B灯变暗，C灯不变 B.改接220 V、100 Hz的交流电源时， A灯变暗，B灯变亮，C灯变亮 C.改接220 V的直流电源时，A灯熄灭， B灯变亮，C灯亮度不变 D.改接220 V的直流电源时，A灯熄灭，B灯变亮，C灯变暗 AC 典例分析 四、电感和电容 由导线绕成的线圈 1.电感: 2.电容: 相互绝缘的两块导体 ⑤应用: 输入 负载 电源 (1)隔直电容器： 通交流、隔直流 注意:隔直电容C很大，要串接 若电容C很小 输入 负载 高频交流电低频交流电 (2)高频旁路电容器： 通高频、阻低频 注意： 高频旁路电容C很小，要并联 负载仍有高频 四、电感和电容 由导线绕成的线圈 1.电感: 2.电容: 相互绝缘的两块导体 ⑤应用: (1)隔直电容器： 通交流、隔直流 注意:隔直电容C很大，要串接 (2)高频旁路电容器： 通高频、阻低频 注意： 高频旁路电容C很小，要并联 输入 负载 更好削弱高频 输入 负载 更好削弱低频 电感厌恶频率 电容喜欢频率 四、电感和电容 由导线绕成的线圈 1.电感: 2.电容: 相互绝缘的两块导体 输入 负载 更好削弱高频 输入 负载 更好削弱低频 电感厌恶频率 电容喜欢频率 3.电感和电容的综合应用 ①串接电感并联电容： 滤高频得低频 ②串接电容并接电感： 滤低频得高频 注意： 电感厌恶频率， 电容喜欢频率 【典例8】 (2017·江苏单科，7)(多选)某音响电路的简化电路图如图所示，输入信号既有高频成分，也有低频成分，则( 　　) A.电感L1的作用是通高频 B.电容C2的作用是通高频 C.扬声器甲用于输出高频成分 D.扬声器乙用于输出高频成分 BD 典例分析 七言绝句：音响 串感并容获低频 串容并感得高频 低频高频因此分 高级音响由此来 输入 负载 更好削弱高频 输入 负载 更好削弱低频 《思维导图·电势能和电势》 课堂小结 交变电流的描述 峰值与瞬时值 周期与频率 平均值与有效值 电感与电容 Em＝NBSω t/s e 0 Em -Em 0.02 0.04 e= Emsinωt XL = 2πƒL E=n E= 【练习1】关于交变电流的周期和频率,下列说法正确的 是 (　　) A.正弦式交变电流最大值连续出现两次的时间间隔等于周期 B.1 s内交变电流出现最大值的次数等于频率 C.交变电流方向变化的频率为交变电流频率的2倍 D.频率为50 Hz的交变电流,其周期等于0.05 s C 课堂练习 【练习2】(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,线圈中产生的感应电动势e随时间t变化的情况如图所示。下列说法正确的是 (　　) A.此交变电流的频率为0.2 Hz B.1 s内电流方向变化10次 C.t=0.1 s时,线圈平面与磁场方向平行 D.1 s内线圈转5圈 BD 课堂练习 【练习3】(多选)在同一电热器中分别通入如图所示的甲、乙两种交变电流,则下列说法正确的是 (　　) A.甲的有效值为 B.乙的有效值为 C.该电热器在甲、乙两种电流下对应的电功率之比为1∶8 D.该电热器在甲、乙两种电流下对应的电功率之比为5∶4 课堂练习 BD 【练习4】一交变电流的电压随时间变化的规律如图所示,周期为T,其电压的有效值 (　　) A. V　　　　　　　 B.2 V C. V D.2 V C 课堂练习 【练习5】交流发电机线圈电阻r=1 Ω,用电器电阻 R=9 Ω,电压表示数为9 V,如图所示,那么该交流发电 机 (　　) A.电动势的峰值为10 V B.电动势的有效值为9 V C.交流发电机的线圈通过中性面时,电动势的瞬时值为10 V D.交流发电机的线圈自中性面转过90° 的过程中的平均感应电动势为 V D 课堂练习 【练习6】(多选)某科技小组制作了一个风力发电机模型如图1所示。空气流动带动风叶下方的磁铁旋转,引起线圈中磁通量发生变化,产生交变电流。某稳定风速环境下,电压传感器上得到的发电机电动势e随时间t变化的关系如图2所示,则 (　　) A.该交流电的频率为2.5 Hz B.风力发电机电动势的有效值为6 V C.若仅增大风速,使磁铁转速加倍,则电 动势表达式为e'=24sin 10πt D.将击穿电压为15 V的电容器接到电压 传感器两端,在各种风速环境下电容器均 能安全工作 课堂练习 AC 【练习7】(多选)某交流发电机产 生交变电流的装置如图甲所示,产 生的感应电动势与时间的关系如 图乙所示,下列说法正确的是 ( 　　) A.t=0时,线圈平面处于中性面位置,磁通量变化率最大 B.线圈通过中性面时,穿过线圈的磁通量最大,交变电流改变方向 C.线圈中产生的感应电动势e=100sin 50πt(V) D.如果仅使线圈的转速加倍,则电动势的有效值变为100 V 课堂练习 BCD 【练习8】一正弦式交变电流的i-t图像如图所示。下列说法正确的是 (　　) A.在t=0.4 s时,电流改变方向 B.该交变电流的周期为0.5 s C.该交变电流的表达式为i=2cos 5πt(A) D.该交变电流的有效值为 A C 课堂练习 【练习9】(多选)一正(余)弦交流电的电动势e随时间t变化的规律如图所示,则该交变电流的 ( 　　) A.频率是0.02 Hz B.电动势有效值为5 V C.一个周期内电流方向变化2次 D.电动势瞬时值表达式是e=10cos 100t(V) BC 课堂练习 【练习10】如图表示一交流的电流随时间变化的图像,求该电流的有效值。 课堂练习 【练习11】如图表示一交流随时间变化的图像，求此交流的有效值。 课堂练习 【练习12】如图表示一交流的电流随时间变化的图像,求该电流的有效值。 2 1 3 4 5 6 i t 课堂练习 B 【练习13】如图所示，在甲、乙两图 分别接交流电源，下列关于图中灯泡 亮度变化的说法正确的是（　　） A．在甲图中增大交流电频率，灯泡变亮 B．在甲图的线圈L中插入铁芯，灯泡变亮 C．在乙图中增大交流电频率，灯泡变亮 D．在乙图的电容器中插入电介质，灯泡变暗 课堂练习 【练习14】 (多选)如图所示实验电路中，若直流电压和交变电压的有效值相等，S为双刀双掷开关，下面叙述正确的是( 　　) A.当S掷向a、b时灯较亮， 掷向c、d时灯较暗 B.当S掷向a、b时灯较暗， 掷向c、d时灯较亮 C.S掷向c、d，把电感线圈中的铁芯抽出时灯变亮 D.S掷向c、d，电源电压不变，而使频率减小时，灯变暗 AC 课堂练习 【练习15】(多选)某同学在研究电容器、电感器对恒定电流与交变电流的影响时，采用了如图所示的电路，其中L1、L2是两个完全相同的灯泡。当双刀双掷开关置于3、4时，电路与交流电源接通，稳定后的两个灯泡发光亮度相同。则该同学在如下操作中能观察到的实验现象是(　 　) A.当开关置于1、2时，稳定后L1亮、L2不亮 B.当开关置于3、4时，交变电流频率增加且稳定后， L1变亮、L2变暗 C.当开关从置于1、2的稳定状态下突然断开， L1将会立即熄灭 D.当开关从置于1、2的稳定状态下突然断开， L1不会立即熄灭 AD 课堂练习 【练习16】(多选)在频率为f的交变电流电路中，如图所示，当开关S依次分别接通R、C、L支路，这时通过各支路的电流有效值相等。若将交变电流的频率提高到2f，维持其他条件不变，则下列几种情况可能的是( 　　) A.通过R的电流有效值不变 B.通过C的电流有效值变大 C.通过L的电流有效值减小 D.通过R、C、L的电流有效值都不变 ABC 课堂练习 【练习17】 在收音机线路中，经天线接收下来的电信号既有高频成分又有低频成分，经放大后送给下一级，需要把低频成分和高频成分分开，只让低频成分输入给下一级，我们采用了如图装置电路，其中代号a、b应选择的元件是(　　) A.a是电容较大的电容器，b是低频扼流线圈 B.a是电容较大的电容器，b是高频扼流线圈 C.a是电容较小的电容器，b是高频扼流线圈 D.a是电容较小的电容器，b是低频扼流线圈 C 课堂练习 谢 谢 观 看 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) $$电容器对交变电流的阻碍作用。实验器材。交流电特性电路演示仪，小灯泡。电容器。开关。实验过程。把电容器与小灯泡串联，接入直流电路。打开电源。闭合开关，可以看到小灯泡不发光。用一根绝缘导线把电容器短路，看到小灯泡发光，说明直流电不能通过电容器。换成交流电源。打开电源。闭合开关，小灯泡发光，说明交流电能通过电容器。用绝缘导线把电容器短路，可以观察到小灯泡明显变亮，说明电容器对交流电存在阻碍作用，这种阻碍作用称为容抗。容抗的大小和哪些因素有关呢？保持其他条件都不变，只是改变交流电的频率。我们看到当频率变小时，小灯泡变暗，频率变大时小灯泡变亮，说明容抗的大小和交流电的频率有关。在其他条件不变的前提下，闭合K一开关，电容器的电容增大，看到小灯泡明显变亮，说明电容值变大，抗变变小。实验和理论分析都表明，容抗的大小跟电容和交流电的频率有关，电容器的电容越大，交流的频率越高，电容器的容抗越小。 电感器对交变电流的阻碍作用。交变电流的电流、电压大小和方向随时间做周期性变化。当一个线圈接入交流电时会对交流电起什么作用呢？实验器材。这是一个交流电特性电路演示仪，上面有带铁芯的线圈、小灯泡、直流电压表、交流电压表、开关。我们还需要直流电源、低频信号发生器、导线。实验过程。把带铁芯的线圈与小灯泡串联，接入直流电路。打开电源。闭合开关可以看到小灯泡发光，用一根绝缘导线把线圈两端短路。看到小灯泡亮度几乎没有变化，说明在直流电路中，电感线圈对电流的阻碍作用很小，这是因为线圈的直流电阻很小。换成交流电源。打开电源。闭合开关，使小灯泡发光。也用绝缘导线把线圈两端短路，可以观察到小灯泡亮度明显变亮，说明线圈对交流电存在着阻碍作用，这种阻碍作用称为感抗。感抗的大小与哪些因素有关呢？我们保持其他条件不变，也改变交流电的频率。我们看到当频率变小时小灯泡变亮，频率变大时小灯泡变暗，说明感抗的大小和交流电的频率有关。在其他条件不变的前提下，改变自感系数的大小。看到小灯泡亮暗发生变化，说明感抗在发生变化。实验和理论分析都表明，感抗的大小跟电感自感和交流电的频率有关，线圈的自感越大，交流的频率越高，线圈的感抗就越大。 nullnull