學(xué)案交變電流的特點(diǎn)

11/11交變電流的特點(diǎn)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1．[物理觀念]知道什么是直流電、交變電流并能夠區(qū)分。2．[物理觀念]知道交變電流的周期、頻率以及它們之間的關(guān)系。3．[科學(xué)思維]理解交變電流的最大值和有效值，能利用有效值的定義計(jì)算常見交變電流的有效值?！緦W(xué)習(xí)重難點(diǎn)】能利用有效值的定義計(jì)算常見交變電流的有效值?！緦W(xué)習(xí)過程】自主預(yù)習(xí)探新知知識梳理閱讀本節(jié)教材，回答第52頁“問題”并梳理必要知識點(diǎn)。教材P52問題提示：交變電流是方向隨時(shí)間做周期性變化的電流，直流電是方向不隨時(shí)間變化的電流。描述交變電流的物理量有周期、頻率、最大值和有效值等。一、直流電流和交變電流1．直流電流：方向不隨時(shí)間變化的電流。2．恒定電流：大小和方向都不隨時(shí)間變化的電流。3．交變電流：大小和方向都隨時(shí)間做周期性變化的電流，俗稱交流。4．圖像特點(diǎn)（1）恒定電流的圖像是一條與時(shí)間軸平行的直線，如圖甲所示。（2）交變電流的圖像有時(shí)會在時(shí)間軸的上方，有時(shí)會在時(shí)間軸的下方，即隨時(shí)間做周期性變化，如圖乙所示。甲乙二、交變電流的周期和頻率1．交變電流的周期和頻率的比較周期（T）頻率（f）定義交變電流完成1次周期性變化所需的時(shí)間交變電流在一段時(shí)間內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)與這段時(shí)間之比單位s（秒）Hz（赫茲）作用表示交變電流變化的快慢我國交變電流0.02s50Hz聯(lián)系T＝eq\f(1,f)或f＝eq\f(1,T)2．正弦式交變電流大小和方向隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的電流。三、交變電流的最大值和有效值1．最大值交變電流在一個(gè)周期內(nèi)所能達(dá)到的最大值叫作交變電流的最大值，又稱峰值，交變電流的電流、電壓的峰值分別用Im和Um表示。2．有效值讓交變電流和恒定電流分別通過相同阻值的電阻，如果它們在相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量相等，則該恒定電流的數(shù)值就叫作交變電流的有效值。交變電流的電流、電壓的有效值分別用I、U表示。3．正弦式交變電流的有效值和最大值的關(guān)系U＝eq\f(Um,\r(2))≈0.707Um，I＝eq\f(Im,\r(2))≈0.707Im。基礎(chǔ)自測1．思考判斷（正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”）（1）只要是交變電流，其峰值就是有效值的eq\r(2)倍。 （×）（2）家用電器銘牌上標(biāo)稱的電流、電壓都是指有效值。 （√）（3）電容器的耐壓值指的是交變電流的最大值。 （√）（4）我國生活用電的頻率是50Hz，這種交變電流的方向在1s內(nèi)改變100次。 （√）（5）生活用電的電壓220V指有效值，動力用電的電壓380V指峰值。（×）（6）交變電流的有效值是從電流的熱效應(yīng)角度規(guī)定的。 （√）2．關(guān)于交變電流和直流電流的說法中正確的是（）A．如果電流大小隨時(shí)間做周期性變化，則一定是交變電流B．直流電流的大小和方向一定不變C．交變電流一定是按正弦規(guī)律變化的D．交變電流的最大特征就是電流的方向隨時(shí)間做周期性的變化D[直流電流的特征是電流的方向不變，電流的大小可以改變。交變電流的特征是電流的方向隨時(shí)間改變。交變電流有多種形式，正弦式交流電只是交變電流中最基本、最簡單的一種，故選項(xiàng)D正確。]3．（多選）有一交變電流如圖所示，由此圖像可知（）A．它的周期是0.8s B．它的最大值是4AC．它的有效值是2A D．它的頻率是0.8HzAB[由圖像可知周期為0.8s，頻率為1.25Hz，最大值為4A，有效值不等于平均值，也不是eq\f(Im,\r(2))，無法根據(jù)圖像計(jì)算，故C、D錯(cuò)，A、B對。]合作探究攻重難考點(diǎn)1交變電流與直流電（教師用書獨(dú)具）教材P53“迷你實(shí)驗(yàn)室”答案提示：燈絲在磁場中抖動是因?yàn)榻蛔冸娏鞯姆较蛑芷谛宰兓?，燈絲的受力方向周期性變化。情境引入助學(xué)助教探究交變電流的特點(diǎn)如圖所示，把電流表接入到模型發(fā)電機(jī)的輸出端，搖動發(fā)電機(jī)的手柄，觀察電流表的指針擺動情況是怎樣的？電流表指針的擺動情況說明什么問題？提示：隨著線圈的轉(zhuǎn)動，電流表的指針不停地在“0”刻度線兩側(cè)左右擺動，說明手搖發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流大小、方向都處于變化中。1．直流、交流、恒定電流的特點(diǎn)（1）電流分類：按電流的方向是否變化分直流和交流兩種，方向不變的電流稱為直流，方向變化的電流稱為交流。（2）直流分類：分為恒定電流和脈動直流，其中大小、方向都不隨時(shí)間改變的電流叫恒定電流，方向不隨時(shí)間改變而大小隨時(shí)間改變的電流叫脈動直流。（3）交流分類：按交流電圖像特點(diǎn)分正弦（或余弦）式交變電流、矩形波交變電流、鋸形波交變電流等。2．交變電流與直流電的本質(zhì)區(qū)別（1）交變電流的大小不一定變化，如方形波交變電流，其大小可以是不變的；直流電的大小不一定不變。（2）交變電流與直流電的最大區(qū)別在于交變電流的方向發(fā)生周期性變化，而直流電的方向不變?！纠?】對于如圖所示的電流i隨時(shí)間t做周期性變化的圖像，下列描述哪些是正確的（）A．電流的大小變化，方向也變化，是交流電B．電流的大小變化，方向不變，不是交流電C．電流的大小不變，方向不變，是直流電D．以上說法都不正確B[由i-t圖像可知，電流的大小變化，但電流方向一直為正，故電流方向不變，根據(jù)交變電流、直流電的定義可知，是直流電，B正確。]規(guī)律方法識別交變電流的兩點(diǎn)技巧（1）只要電流的方向發(fā)生周期性變化即為交變電流。（2）在i-t或u-t圖中，正負(fù)表示方向，在讀圖時(shí)不僅要注意圖像中的坐標(biāo)原點(diǎn)是否為0，還要觀察i（u）的值有無正負(fù)變化。eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])1．下列四個(gè)圖像中不屬于交流電的是（）D[A、B、C中i的方向均做周期性變化，故它們屬于交流電，D中i的大小變化而方向不變，屬直流電。]考點(diǎn)2交變電流的周期和頻率情境引入助學(xué)助教打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到干電池上怎樣調(diào)整也不打點(diǎn)，而接到學(xué)生電源的低壓交流擋上就順利打點(diǎn)，每隔0.02s打一個(gè)點(diǎn)。打點(diǎn)計(jì)時(shí)器為什么打點(diǎn)時(shí)間間隔為0.02s？其時(shí)間間隔由什么決定？提示：電磁式打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)頻率與工作電流頻率相同，我國生產(chǎn)、生活用電的頻率為50Hz，所以打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)時(shí)間間隔T＝eq\f(1,f)＝0.02s；時(shí)間間隔由電源的頻率決定。1．對交變電流的周期和頻率的理解周期和頻率是描述交變電流的物理量，跟任何周期性過程一樣，交流電也要用周期或頻率來表示變化的快慢。在實(shí)驗(yàn)中，線圈勻速轉(zhuǎn)動一周，電動勢、電流都按正弦規(guī)律變化一次。（1）線圈轉(zhuǎn)動一周，交流電恰好完成一次周期性變化。（2）從線圈轉(zhuǎn)動來說，周期就是線圈在磁場中轉(zhuǎn)動一周所用的時(shí)間；頻率就是1s內(nèi)線圈在磁場中轉(zhuǎn)動的圈數(shù)。2．周期、頻率、角速度、轉(zhuǎn)速間的關(guān)系（1）角速度ω與T、f的關(guān)系：ω＝eq\f(2π,T)＝2πf。（2）我國使用的交變電流：T＝0.02s，f＝eq\f(1,T)＝50Hz，ω＝100πrad/s，電流方向每秒改變100次。（3）角速度ω（單位rad/s）、轉(zhuǎn)速n（單位r/s）都是描述交變電流變化快慢的物理量。n越大，角速度越大，交變電流變化越快，T、f、ω、n之間的關(guān)系是：T＝eq\f(2π,ω)，ω＝2πf＝2πn?！纠?】關(guān)于交變電流的周期和頻率，下列說法中正確的是（）A．正弦式交變電流最大值連續(xù)出現(xiàn)兩次的時(shí)間間隔等于周期B．1s內(nèi)交變電流出現(xiàn)最大值的次數(shù)等于頻率C．交變電流方向變化的頻率為交變電流頻率的2倍D．50Hz的交變電流，其周期等于0.05sC[根據(jù)周期的定義知選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤；因?yàn)樵谝粋€(gè)周期的時(shí)間內(nèi)，交變電流會出現(xiàn)正向和負(fù)向最大值各一次，但相鄰兩個(gè)峰值的時(shí)間間隔為半個(gè)周期；交變電流在一個(gè)周期內(nèi)方向改變兩次，即方向變化的頻率為交變電流頻率的2倍，故選項(xiàng)C正確；由T＝eq\f(1,f)＝eq\f(1,50)s＝0.02s，知選項(xiàng)D錯(cuò)誤。]eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])2．（多選）如圖所示，下列對圖像的描述正確的是（）A．該電壓是直流電壓B．該電壓是交流電壓C．該電壓的周期是0.2sD．該電壓的頻率是eq\f(10,3)HzBD[從圖像可以看出每經(jīng)過0.3s開始重復(fù)上一個(gè)過程，所以0.3s是一個(gè)周期，頻率是eq\f(10,3)Hz，在一個(gè)周期內(nèi)，前0.1s電壓為正值，后0.2s電壓為負(fù)值，表示前后電流方向相反，所以是交變電流，B、D對，A、C錯(cuò)。]考點(diǎn)3交流電有效值與最大值的理解與計(jì)算情境引入助學(xué)助教如圖甲、圖乙中電爐燒水，設(shè)其他條件都相同，水的質(zhì)量相等，水的初溫相同。若恒定電流用10分鐘把水燒開，而交變電流也用10分鐘把水燒開。兩種情況的通電時(shí)間、電阻熱量相同嗎？交流電電流的有效值是多少？甲乙提示：熱量相同。有效值是3A．1．計(jì)算有效值的兩種方法：（1）若按正（余）弦規(guī)律變化的交變電流，可利用交變電流的有效值與峰值的關(guān)系求解，即E＝eq\f(Em,\r(2))，U＝eq\f(Um,\r(2))，I＝eq\f(Im,\r(2))。（2）對于非正弦式交變電流，必須根據(jù)有效值的定義進(jìn)行計(jì)算。第一步：計(jì)算交變電流在一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生的熱量Q；第二步：將熱量Q用相應(yīng)的物理量的有效值表示Q＝I2RT或Q＝eq\f(U2,R)T；第三步：代入數(shù)值，求解有效值。2．幾種常見電流有效值的計(jì)算電流名稱電流圖線有效值正弦式交變電流I＝eq\f(Im,\r(2))正弦半波電流I＝eq\f(Im,2)正弦單向脈動電流I＝eq\f(Im,\r(2))矩形脈動電流I＝eq\f(Im,\r(2))非對稱性交變電流I＝eq\r(\f(1,2)I\o\al(2,1)＋I(xiàn)\o\al(2,2))【例3】如圖所示為一交變電流的圖像，則該交變電流的有效值為（）A．eq\f(\r(2),2)I0B．eq\f(\r(3),2)I0C．eq\f(1,2)I0D．I0＋eq\f(\r(2),2)I0思路點(diǎn)撥：B[令該交變電流通過一電阻R，它在前半周期eq\f(T,2)內(nèi)通過該電阻產(chǎn)生的熱量Q1＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(I0,\r(2))))2R·eq\f(T,2)＝eq\f(I\o\al(2,0)RT,4)，它在后半周期eq\f(T,2)內(nèi)產(chǎn)生的熱量Q2＝Ieq\o\al(2,0)R·eq\f(T,2)＝eq\f(I\o\al(2,0)RT,2)，故在一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生的熱量Q交＝Q1＋Q2＝eq\f(3,4)Ieq\o\al(2,0)RT，設(shè)某一恒定電流I在相同的時(shí)間T內(nèi)通過該電阻產(chǎn)生的熱量為I2RT，由有效值的定義知：eq\f(3,4)Ieq\o\al(2,0)RT＝I2RT，得I＝eq\f(\r(3),2)I0，故B正確。]規(guī)律方法求解有效值的一般方法與技巧（1）首先要分析交變電流的變化規(guī)律，正弦式交變電流的最大值和有效值的關(guān)系是I＝eq\f(Im,\r(2))，U＝eq\f(Um,\r(2))，非正弦式交變電流一般不符合此關(guān)系。（2）對于非正弦式交變電流，可在一個(gè)周期內(nèi)分段求出產(chǎn)生的熱量，再求熱量的總和Q。將總熱量Q用相應(yīng)的物理量I或U來表示eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(如Q＝I2Rt或Q＝\f(U2,R)t))，則I或U為該交變電流相應(yīng)的有效值。（3）方波式交變電流的正、負(fù)半周期最大值不相等時(shí)，要分段計(jì)算電熱，一般取一個(gè)周期或周期的整數(shù)倍的時(shí)間計(jì)算電熱。eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])3．如圖表示一交變電流隨時(shí)間變化的圖像，則此交變電流的有效值是多少？[解析]交變電流的周期T＝0.02s，在前半周期，電流為I1＝4eq\r(2)A；后半周期電流I2＝3eq\r(2)A．根據(jù)焦耳定律，在一個(gè)周期內(nèi)交變電流通過電阻R產(chǎn)生的熱量Q＝Ieq\o\al(2,1)Req\f(T,2)＋I(xiàn)eq\o\al(2,2)Req\f(T,2)＝I2RT，所以交變電流的有效值I＝eq\r(\f(I\o\al(2,1)＋I(xiàn)\o\al(2,2),2))＝5A．[答案]5A課堂小結(jié)我的收獲1．物理觀念：直流電流、交變電流、周期、頻率、最大值、有效值的概念。2．科學(xué)思維：最大值及有效值的計(jì)算。當(dāng)堂達(dá)標(biāo)固雙基1．（多選）下列說法正確的是（）A．使用交流電的用電器銘牌上所標(biāo)示的額定電壓、額定電流的數(shù)值均為最大值B．用交流電流表和電壓表測得的數(shù)值是有效值C．照明電路電壓220V指的是有效值D．所有交變電流的有效值和最大值之間均存在E＝eq\f(Em,\r(2))、U＝eq\f(Um,\r(2))和I＝eq\f(Im,\r(2))的關(guān)系BC[各種使用交流電的用電器銘牌上所標(biāo)示的數(shù)值均為有效值，故A項(xiàng)錯(cuò)誤；交流電表測得的數(shù)值為有效值，故B項(xiàng)正確；照明電路電壓220V指的是有效值，故C項(xiàng)正確；E＝eq\f(Em,\r(2))、U＝eq\f(Um,\r(2))、I＝eq\f(Im,\r(2))是正弦式交變電流有效值和最大值的關(guān)系，故D項(xiàng)錯(cuò)誤。故正確答案為BC．]2．對交變電流的下列說法正確的是（）A．正（余）弦交變電流在一個(gè)周期內(nèi)電流的方向改變兩次B．交變電流的最大值總是有效值的eq\r(2)倍C．若正弦交變電流的最大值為10A，則它的最小值為－10AD．演示交變電流隨時(shí)間的變化規(guī)律時(shí)，應(yīng)選用交流電流表A[一個(gè)周期內(nèi)正弦交變電流方向改變兩次，A正確；只有正弦交變電流，才有Im＝eq\r(2)I關(guān)系，B錯(cuò)誤；交變電流的正負(fù)表示方向，最小值為零，C錯(cuò)誤；交流電流表的指針不隨交變電流的周期變化而變化，D錯(cuò)誤。]3．如圖所示，圖甲、乙分別表示兩種電壓的波形，下列說法正確的是（）甲乙A．圖甲表示交流電，圖乙表示直流電B．兩種電壓最大值都是311VC．兩種電壓的有效值相同D．兩種電壓都是交