交流電的產(chǎn)生和規(guī)律

1、§1交變電流教學目標：（一）知識與技能1 掌握交流發(fā)電機及其產(chǎn)生正弦式電流地原理，正弦式電流地圖象和三角函數(shù)表達2 理解最大值與有效值，周期與頻率；3. 知道電阻、電感和電容對交變電流地作用，感抗和容抗（二）過程與方法1. 掌握描述物理量地三種基本方法（文字法、公式法、圖象法）2. 培養(yǎng)學生觀察能力，空間想象能力以及將立體圖轉(zhuǎn)化為平面圖形地能力3. 培養(yǎng)學生運用數(shù)學知識解決物理問題地能力（三）情感、態(tài)度與價值觀通過實驗觀察，激發(fā)學習興趣，培養(yǎng)良好地學習習慣，體會運用數(shù)學知識解決物理問題地、交變電流地產(chǎn)生重要性教學重點:交流地基本概念教學難點:交流電路地分析與計算教學方法:講練結(jié)合，計

2、算機輔助教學課時安排:復習課（2課時）教學過程:1. 正弦交流電地產(chǎn)生當閉合矩形線圈在勻強磁場中，繞垂直于磁感線地軸線做勻角速轉(zhuǎn)動時，閉合線圈中就有設(shè)矩形線圈abed以角速度3繞oo'軸、從線圈平面跟磁感線垂直地位置開始做逆時針方向轉(zhuǎn)動.此時,線圈都不切割磁感線，線圈中感應(yīng)電動勢等于零.經(jīng)過時間t線圈轉(zhuǎn)過3t角，這時ab邊地線速度v方向跟磁感線方向夾角等于3t,設(shè)ab邊地長度為l,bd邊地長度為I',一|*線圈中感應(yīng)電動勢為e=2BIsin，t2當線圈平面轉(zhuǎn)到跟磁感線平行地位置時，線圈轉(zhuǎn)過T/4時間，3t=n/2,ab邊和cd邊都垂直由上式知，在勻強磁場中由上式知，在勻強磁場中

3、切割磁感線,sin3t=1,線圈中感應(yīng)電動勢最大，用Em來表示，Em=BS3.貝Ve=EmSin®t,繞垂直于磁感線地軸做勻角速轉(zhuǎn)動地線圈里產(chǎn)生地感應(yīng)電動勢是按正弦規(guī)律變化地.eEE根據(jù)閉合電路歐姆定律：i=e-sin,令I(lǐng)mmRRR則i=Imsin3t路端電壓u=iR=ImRsin3t,令Um=lmR,則u=Umsin31如果線圈從如圖所示位置開始轉(zhuǎn)動，電路中感應(yīng)電動勢、感應(yīng)電流和路端電壓將按余弦規(guī)律變化e=Emcos3ti=lmC0S3tu=UmC0S3t2. 中性面當線圈轉(zhuǎn)動至線圈平面垂直于磁感線位置時，各邊都不切割磁感線，線圈中沒有感應(yīng)電流這個特定位置叫做中性面.應(yīng)注意：中性

4、面在垂直于磁場位置.線圈通過中性面時，穿過線圈地磁通量最大.線圈平面通過中性面時感應(yīng)電動勢為零.線圈平面每轉(zhuǎn)過中性面時，線圈中感應(yīng)電流方向改變一次，轉(zhuǎn)動一周線圈兩次通過中性面，故一周里線圈中電流方向改變兩次.3. 正弦交流電地圖象電路中地感應(yīng)電流、路端電壓與感應(yīng)電動勢地變化規(guī)律相同，如圖所示.、描述交變電流地物理量1、瞬時值：它是反映不同時刻交流電地大小和方向1、瞬時值：它是反映不同時刻交流電地大小和方向,正弦交流瞬時值表達式為:e-；mSint,i=Imsint.應(yīng)當注意必須從中性面開始生活中用地市電電壓為220V,其最大值為220.、2V=311V（有時寫為310V）,頻率為50Hz所以其

5、電壓瞬時值地表達式為u=311sin314tV.【例1】有一正弦交流電源，電壓有效值U=120V瀕率為f=50Hz向一霓虹燈供電若霓虹燈地激發(fā)電壓和熄滅電壓均為U0=60.2V,試估算在一個小時內(nèi)，霓虹燈發(fā)光時間有多長？為什么人眼不能感到這種忽明忽暗地現(xiàn)象？解析：由正弦交流電地最大值與有效值U地關(guān)系得：Um=120、.2V設(shè)t=0時交流電地瞬時電壓U=0則交流電地瞬時表達式為U=1202sin100二tV如圖所示，畫出一個周期內(nèi)交流電地U-t圖象，其中陰影部分對應(yīng)地時間t1表示霓虹燈不能發(fā)光地時間，根據(jù)對稱性，一個周期內(nèi)霓虹燈不能發(fā)光地時間為4垃當U=U0=60-、2V時，由上式得t1=1/6

6、00s,再由對稱性求得一個周期內(nèi)能發(fā)光地時間:t=T-4t1=s75再由比例關(guān)系求得一小時內(nèi)霓虹燈發(fā)光地時間為丄36001:t=2400s17550很明顯霓虹燈在工作過程中是忽明忽暗地，而熄滅地時間只有1/300s（如圖t2時刻到t3時刻）由于人地眼睛具有視覺暫留現(xiàn)象，而這個視覺暫留時間約1/16s為遠大于1/300s,因此經(jīng)過燈光刺激地人眼不會因為短暫地熄滅而有所感覺2、最大值：也叫峰值，它是瞬時值地最大者,它反映地是交流電大小地變化范圍，當線圈平面跟磁感線平行時，交流電動勢最大，Em二NBS，（轉(zhuǎn)軸垂直于磁感線）.電容器接在交流電路中，則交變電壓地最大值不能超過電容器地耐壓值【例2】把一電

7、容器C接在220V地交流電路中，為了保證電容不被擊穿，電容器C地耐壓值是多少？解析：不低于200.2V,不少學生往把電容器與燈泡類比，額定電壓220V地燈泡接在220V地交流電源上正常發(fā)光.從而錯誤地認為電容器地耐壓值也只要不低于220V即可，事實上,電容器接在交流電路中一直不斷地進行充、放電過程電容器兩極間電壓最大可達200：.2V,故電容器C地耐壓值應(yīng)不低于200、2V.3、平均值：它是指交流電圖象中圖線與橫軸所圍成地面積值跟時間地比值其量值可用法拉第電磁感應(yīng)定律E=N一來求,特殊地,當線圈從中性面轉(zhuǎn)過90度地過程中,有AtE=-Em.計算平均值切忌用算術(shù)平均法即E=-Em.計算平均值切忌

8、用算術(shù)平均法即Eq亠E2E-2求解.平均值不等于有效值2【例3】如圖所示,求線圈由圖示位置轉(zhuǎn)過【例3】如圖所示,求線圈由圖示位置轉(zhuǎn)過60°角地過程中,通過線圈某一橫截面地電量解析：在計算電量問題中，一定要用電流、電壓平均值匚二N而蔦-1二BSsin603BS解析：在計算電量問題中，一定要用電流、電壓平均值匚二N而蔦-1二BSsin603BS.'42E3NBS又1,q=1tq-NRR2R4、有效值：交變電流地有效值是根據(jù)電流地熱效應(yīng)規(guī)定地：讓交流和直流通過相同阻值地電阻，如果它們在相同地時間內(nèi)產(chǎn)生地熱量相等，就把這一直流地數(shù)值叫做這一交流地有效值.正弦交流電地有效值跟最大值之間

9、地關(guān)系是:對于非正弦電流地有效值以上關(guān)系不成立，應(yīng)根據(jù)定義來求.通常所說交流電壓、電流是用電壓表、電流表測得地，都是指有效值.用電器上所標電壓、電流值也是指有效值.在計算交流電通過導體產(chǎn)生熱量、熱功以及確定保險絲地熔斷電流時，只能用有效值.【例4】如圖所示，兩平行導軌與水平面間地傾角為二-37,電阻不計，間距L=0.3m,長度足夠長，導軌處于磁感應(yīng)強度B=1T,方向垂直于導軌平面向上地勻強磁場中.導軌兩端各接一個阻值為R0=2Q電阻,另一橫跨在導軌間地金屬棒質(zhì)量m=1kg,電阻r=1Q棒與導軌間地滑動摩擦因數(shù)=0.5,當金屬棒以平行于導軌地向上初速度10m/s上滑,直至上升到最高點過程中，通過

10、上端電阻電量q=0.1C（g取10m/s2）,求上端電阻R0產(chǎn)生地焦耳熱?解析：設(shè)棒沿斜面能上升地最大距離為(1)(2)磁感應(yīng)強度B垂直斜面向上，則等效電路和導體棒受力分析分別如圖（1）、（2）所示由圖可知,在棒上升過程中，通過棒某一截面地電量應(yīng)為2.g由I=也=E得AtR。+2r).：t.：tBLs.：t.滬空BL設(shè)電路各電阻消耗地總焦耳熱為Q總R3I總y"“0）2尹址曲®%12s=mv02從金屬棒開始運動到最高點過程，利用能量守恒關(guān)系有Q總+mgos0s+mgsin01Qr0=6©總=5J此題中，求電阻產(chǎn)生地焦耳熱此題中，求電阻產(chǎn)生地焦耳熱Q應(yīng)該用電流地有效值

11、計算，由于I有=I無法求，因此只能通過能量關(guān)系求得Q.,其特點是“通直流，阻交流”、“通低頻，阻高頻”,其特點是“通交流，隔直流”、“通高頻，阻低頻”三、感抗和容抗（統(tǒng)稱電抗）1、感抗表示電感對交變電流地阻礙作用2、容抗表示電容對交變電流地阻礙作用【例5】左右兩個電路都是從左端輸入信號，從右端輸出信號左圖中輸入地是高頻、低頻混合地交流信號要求只輸出低頻信號；右圖中輸入地是直流和低頻交流地混合信號，要求只輸出低頻交流信號那么C2中哪個該用大電容？哪個該用小電容？解：電容地作用是“通交流，隔直流”、“通高頻，阻低頻”，由其表達式Xc=1/2nfC可看出：左圖中地C1必須用電容小些地，才能使高頻交流

12、順利通過，而低頻不易通過，這種電容器叫高頻旁路電容器右圖中地C2一般用電容大地，使低頻交流電很容易通過，只有直流成分從電阻上通過，這種電容器叫隔直電容器.某電解電容器上標有【例6】電學元件地正確使用，對電路安全工作起著重要作用“25V,450卩F”字樣，下列說法中正確地是A. 此電容器在交流、直流電路25V地電壓時都能正常工作B. 此電容器只有在不超過25V地直流電壓下才能正常工作C. 當工作電壓是直流25V時,電容才是450卩FD. 若此電容器在交流電壓下工作解：電解電容器地極性是固定地E. 若此電容器在交流電壓下工作解：電解電容器地極性是固定地，交流電壓地最大值不能超過25V，因此只能在直

13、流電壓下工作選B四、綜合例析【例7】交流發(fā)電機地轉(zhuǎn)子由【例7】交流發(fā)電機地轉(zhuǎn)子由B/S地位置開始勻速轉(zhuǎn)動，與它并聯(lián)地電壓表地示數(shù)為14.1V，那么當線圈轉(zhuǎn)過30°時交流電壓地瞬時值為V.解：電壓表地示數(shù)為交流電壓有效值，由此可知最大值為Um=.2U=20V.而轉(zhuǎn)過30°時刻地瞬時值為u=UmCOs30°=17.3V.14.1V，那么當線圈轉(zhuǎn)過30°時交流電壓地瞬時值為V.解：電壓表地示數(shù)為交流電壓有效值，由此可知最大值為Um=.2U=20V.而轉(zhuǎn)過30°時刻地瞬時值為u=UmCOs30°=17.3V.【例8】通過某電阻地周期性交變電流

14、地圖象如右.求該交流電地有效值I.解：該交流周期為T=0.3s,前t1=0.2s為恒定電流l1=3A,后t2=0.1s為恒定電流12=-6A,因此這一個周期內(nèi)電流做地功可以求出來，根據(jù)有效值地定義，設(shè)有效值為I,根據(jù)定義有：r/xioJ1sQQQIRT=l1Rt什I2Rt2帶入數(shù)據(jù)計算得：I=3.2A【例9】交流發(fā)電機轉(zhuǎn)子有n匝線圈，每匝線圈所圍面積為S,勻強磁場地磁感應(yīng)強度為B,勻速轉(zhuǎn)動地角速度為3,線圈內(nèi)電阻為r,外電路電阻為R.當線圈由圖中實線位置勻速轉(zhuǎn)動90°到達虛線位置過程中，求：通過R地電荷量q為多少？R上產(chǎn)生電熱Qr為多少？外力做地功W為多少？解：由電流地定義，計算電荷量應(yīng)該用平均值：即q=Tt,而IEnnBS，這里電流和電動勢都必須要用平均值，不R+rt(R+r)t(R+r)R+r能用有效值、最大值或瞬時值求電熱應(yīng)該用有效值，先求總電熱Q,再按照內(nèi)外電阻之比求R上產(chǎn)生地電熱Qr.Q=I2(Rr)t=E2Rr兀(nBS心了兀兀國n2B2S22一2Rr2一4RrQrR：n2B2S2RQ2Rr4Rr這里地電流必須要用有效值，不能用平均值、最大值或瞬時值根據(jù)能量守恒，外力做功地過程