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2019-2020年高中物理 交變電流的產(chǎn)生及變化規(guī)律表征交變電流的物理量教案 人教版第二冊(cè) 一、教學(xué)目標(biāo)： １．鞏固基礎(chǔ)知識(shí)。 ２．培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問(wèn)題的能力 二、教學(xué)重點(diǎn)：鞏固基礎(chǔ)知識(shí) 三、教學(xué)難點(diǎn)：培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問(wèn)題的能力 四、教法：復(fù)習(xí)提問(wèn)、講練結(jié)合 五、教學(xué)過(guò)程： （一）復(fù)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)： 1．交變電流： 大小和方向都隨時(shí)間作周期性變化的電流叫做交變電流，簡(jiǎn)稱交流。如圖所示（b）、（c）、（e）所示電流都屬于交流，其中按正弦規(guī)律變化的交流叫正弦交流。如圖（b）所示。而（a）、(d)為直流其中（a）為恒定電流。 2．正弦交流的產(chǎn)生及變化規(guī)律。 （1）產(chǎn)生：當(dāng)線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)方向的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈中產(chǎn)生的交流是隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的。即正弦交流。 （2）中性面：勻速旋轉(zhuǎn)的線圈，位于跟磁感線垂直的平面叫做中性面。這一位置穿過(guò)線圈的磁通量最大，但切割邊都未切割磁感線，或者說(shuō)這時(shí)線圈的磁通量變化率為零，線圈中無(wú)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 （3）規(guī)律： ①函數(shù)表達(dá)式：N匝面積為S的線圈以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)，從中性面開(kāi)始計(jì)時(shí)，則e=NBSωsinωt 。用E表示峰值NBSω,則e=Esinωt在純電阻電路中,電流I=sinωt=Isinωt，電壓u=Usinωt 。 ②圖象表示： 3．表征交流的物理量 （1）表征交變電流大小物理量 t(s) e(i,u) 0 Em -Em ①瞬時(shí)值：對(duì)應(yīng)某一時(shí)刻的交流的值 用小寫(xiě)字母表示，e i u ②峰值：即最大的瞬時(shí)值 用大寫(xiě)字母表示，Um?。蒻　　 Em= nBSω Ｉm=Em/ R 注意：線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁感線方向的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的峰值為E=NBSω，即僅由匝數(shù)N，線圈面積S，磁感強(qiáng)度B和角速度ω四個(gè)量決定。與軸的具體位置，線圈的形狀及線圈是否閉合都是無(wú)關(guān)的。 ③有效值： ⅰ、意義：描述交流電做功或熱效應(yīng)的物理量 ⅱ、定義：跟交流熱效應(yīng)相等的恒定電流的值叫做交流的有效值。 ⅲ、正弦交流的有效值與峰值之間的關(guān)系是E= I= U=。 注意：正弦交流的有效值和峰值之間具有E=，U=的關(guān)系，非正弦（或余弦）交流無(wú)此關(guān)系，但可按有效值的定義進(jìn)行推導(dǎo)，如對(duì)于正負(fù)半周最大值相等的方波電流，其熱效應(yīng)和與其最大值相等的恒定電流是相同的，因而其有效值即等于其最大值。即I=Im。 ⅳ、交流用電器的額定電壓和額定電流指的是有效值；交流電流表和交流電壓表的讀數(shù)是有效值。對(duì)于交流電若沒(méi)有特殊說(shuō)明的均指有效值。 ⅴ、在求交流電的功、功率或電熱時(shí)必須用交流電的有效值。 ④、峰值、有效值、平均值在應(yīng)用上的區(qū)別。 峰值是交流變化中的某一瞬時(shí)值，對(duì)純電阻電路來(lái)說(shuō)，沒(méi)有什么應(yīng)用意義。若對(duì)含電容電路，在判斷電容器是否會(huì)被擊穿時(shí)，則需考慮交流的峰值是否超過(guò)電容器的耐壓值。 交流的有效值是按熱效應(yīng)來(lái)定義的，對(duì)于一個(gè)確定的交流來(lái)說(shuō)，其有效值是一定的。而平均值是由公式確定的，其值大小由某段時(shí)間磁通量的變化量來(lái)決定，在不同的時(shí)間段里是不相同的。如對(duì)正弦交流，其正半周或負(fù)半周的平均電動(dòng)勢(shì)大小為，而一周期內(nèi)的平均電動(dòng)勢(shì)卻為零。在計(jì)算交流通過(guò)電阻產(chǎn)生的熱功率時(shí)，只能用有效值，而不能用平均值。在計(jì)算通過(guò)導(dǎo)體的電量時(shí)，只能用平均值，而不能用有效值。 在實(shí)際應(yīng)用中，交流電器銘牌上標(biāo)明的額定電壓或額定電流都是指有效值，交流電流表和交流電壓表指示的電流、電壓也是有效值，解題中，若題示不加特別說(shuō)明，提到的電流、電壓、電動(dòng)勢(shì)時(shí)，都是指有效值。 （2）表征交變電流變化快慢的物理量 ① 周期T：電流完成一次周期性變化所用的時(shí)間。單位：s . ② 頻率f：一秒內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)。單位：ＨZ. ③ 角頻率ω：就是線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。單位：rad/s. ④ 角速度、頻率、周期，的關(guān)系：ω=2f= （二）疑難辨析 交流電的電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值和穿過(guò)線圈面積的磁通量的變化率成正比。當(dāng)線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈磁通量也是按正弦（或余弦）規(guī)律變化的，若從中性面開(kāi)始計(jì)時(shí)，t=0時(shí)，磁通量最大，φ應(yīng)為余弦函數(shù)，此刻變化率為零（切線斜率為零），t=時(shí)，磁通量為零，此刻變化率最大（切線斜率最大），因此從中性面開(kāi)始計(jì)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)表達(dá)式是正弦函數(shù)，如圖（a）（b）所示分別是φ=φcosωt和e=Esinωt。 （三）例題解析 【例1】如圖表示一交流隨時(shí)間變化的圖像，求此交流的有效值。 解析：此題所給交流正負(fù)半周的最大值不相同，許多同學(xué)對(duì)交流電有效值的意義理解不深，只知道機(jī)械地套用正弦交流電的最大值是有效值的倍的關(guān)系，直接得出有效值，而對(duì)此題由于正負(fù)半周最大值不同，就無(wú)從下手。應(yīng)該注意到在一個(gè)周期內(nèi)前半周期和后半周期的有效值是可求的，再根據(jù)有效值的定義，選擇一個(gè)周期的時(shí)間，利用在相同時(shí)間內(nèi)通過(guò)相同的電阻所產(chǎn)生的熱量相同，從焦耳定律求得。 IRT=I1R+ I2R 即I=(+（） 解得 I=A 【例2】如圖所示，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中有一個(gè)“∏”形導(dǎo)線框可繞AB軸轉(zhuǎn)動(dòng)，已知?jiǎng)驈?qiáng)磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度B=T，線框的CD邊長(zhǎng)為20cm、CE、DF長(zhǎng)均為10cm，轉(zhuǎn)速為50r/s，若從圖示位置開(kāi)始計(jì)時(shí)（1）寫(xiě)出線框中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式。（2）若線框電阻r=3,再將AB兩端接“6V，12W”燈泡，小燈泡能否正常發(fā)光？若不能，小燈泡實(shí)際功率多大？ 解析：（1）注意到圖示位置磁感線與線圈平面平行，瞬時(shí)值表達(dá)式應(yīng)為余弦函數(shù)，先出最大值和角頻率。 　　ω=2πn=100π rad/s 　　E=BSω=0.20.1100π=10(V) 所以電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)表達(dá)式應(yīng)為e=10cos100πt(V)。 （2）小燈泡是純電阻電路，其電阻為R=首先求出交流電動(dòng)勢(shì)有效 值E==10（V）此后即可看成恒定電流電路，如圖15-5 所示，顯然由于R=r,=5v，小于額定電壓，不能正常發(fā)光。其實(shí)際功率是p==8.3(w) （四）鞏固練習(xí) 1、某線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)變化規(guī)律為e=εsinωt，保持其它條件不變，使該線圈的轉(zhuǎn)速和匝數(shù)同時(shí)增加一倍，則此時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)表達(dá)式將變?yōu)橄率龅模海? ） A、e=2Esin2ωt B、e=2Esinωt C、e=4Esin2ωt D、e=4Esinωt 2、一長(zhǎng)直導(dǎo)線通以正弦交流，在導(dǎo)線下有一斷開(kāi)的線圈，如圖所示，那么，相對(duì)于b來(lái)說(shuō)，a的電勢(shì)最高時(shí)是在： （ ） A、交流電流方向向右，電流強(qiáng)度最大時(shí)； B、交流電流方向向左，電流強(qiáng)度最大時(shí)； C、交流電流方向向左，電流減少到零時(shí)； D、交流電流方向向右，電流減少到零時(shí)； 3、如圖一矩形線圈繞垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)并位于線圈平面內(nèi)的固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε隨時(shí)間t的變化如圖所示,下面說(shuō)法中正確的是( ) A、t1時(shí)刻通過(guò)線圈的磁通量為零 B、t2時(shí)刻通過(guò)線圈的磁通量的絕對(duì)值最大 C、t3時(shí)刻通過(guò)線圈的磁通量變化率的絕對(duì)值最大 D、每當(dāng)e變換方向時(shí)，通過(guò)線圈的磁通量絕對(duì)值都為最大。 4、如圖，距離足夠大的兩平行金屬板上接正弦交流電壓u，其間有一電子，當(dāng)t=0時(shí)，電子處于靜止?fàn)顟B(tài)，那么，電子的運(yùn)動(dòng)情況應(yīng)是 （ ） A、電子作簡(jiǎn)諧振動(dòng) 　　　　　　B、在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，電子到達(dá)A板 C、當(dāng)t=T/2時(shí)，電子的速度達(dá)到最大值 D、當(dāng)t=T/2時(shí)，電子回到出發(fā)點(diǎn) 5、甲、乙兩線圈繞同一軸線在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生的交流圖象如圖所示，下列說(shuō)法中正確的有（ ） A、兩線圈包圍的面積相同 B、兩線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值相同 C、兩線圈平面不可能同時(shí)和磁感線平行 D、兩線圈包圍的面積之比為2：1 6、正弦交流電壓的峰值為10V，周期為0.2S，將此電壓接在10的電阻上，在0.05s內(nèi)電阻上產(chǎn)生的熱量（ ） A、可能為零　　B、一定為0 .25J　　C、不可能大于0.25J　　D、可能小于是0.25J 7、某交流電壓隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖所示，則此交流電的頻率是_______Hz。若將該電壓加在10uf的電容器上，則電容器的耐壓值不應(yīng)小于_________V；若將該電壓加在一阻值為1K的純電阻用電器上，用電器恰能正常工作，為避免意外事故的發(fā)生，該電路中保險(xiǎn)絲的額定電流不能低于__________A。 8、正弦交流電壓u=50sin314tv加在一氖管的兩端，已知當(dāng)氖管兩端的電壓達(dá)25v時(shí)開(kāi)始發(fā)光，則此氖管在一個(gè)周期內(nèi)發(fā)光的總時(shí)間是___________s。通電10分鐘內(nèi)，氖管發(fā)光的次數(shù)是_____________次。 9、如圖所示，10匝矩形線圈abcd置于B=2T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，并以00′為軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，00′垂直于磁場(chǎng)方向，ad=bc=30cm，ab=cd=20cm。線圈電阻為2，燈A、B電阻均為2，K斷開(kāi)時(shí)，線框轉(zhuǎn)動(dòng)中受到最大磁力矩為M=0.4Nm,試求： （1）線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度？ （2）合上K，欲使A燈亮度不變，線圈的角速度應(yīng)是原來(lái)的幾倍？ 10、一個(gè)電阻為0.63、面積4.010米的矩形線框abcd，一半處于有理想邊界的磁感強(qiáng)度B=1.0T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁力線方向垂直紙面向外，有關(guān)長(zhǎng)度見(jiàn)圖，當(dāng)線框從圖示位置開(kāi)始繞ab軸以每秒5周的轉(zhuǎn)速逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，求（1）每半個(gè)周期內(nèi)的平均電動(dòng)勢(shì)（2）感生電流的最大值（3）在每段發(fā)電時(shí)間內(nèi)的平均電動(dòng)勢(shì)。 【答案及提示】 1. ( C ) 2. ( C ) 3. ( D ) 4.( B 、C ) 5. ( B、C、D ) 6．（ D ） （提示：正弦交流在一小段有限的時(shí)間內(nèi)，有效值不一定是峰的 ） 7. 50 , 200, 0.14　8、 , 610 （提示：利用正弦函數(shù)圖像來(lái)求） 9、w=1.11 弧度/秒 W=W （提示：當(dāng)線圈平面與磁感線平行時(shí)，電流最大，磁力矩也最大M=NBIS ） 10、0.4V , 約2A , 1.2V (提示：當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度從到之間磁通量才有變化，才有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì))