3.2描述交变电流的物理量 课件-2023-2024学年高二下学期物理粤教版（2019）选择性必修第二册（37张PPT）

(共37张PPT)
第三章 交变电流
粤教版 选择性必修二
第二节 描述交变电流的物理量
新课导入
大小和方向都随时间做周期性的变化.简称交流。
什么是交变电流（AC）？
我们曾经学过什么运动模型同样具有周期性的吗？
交变电流的大小和方向都随时间发生周期性变化，那么我们如何描述这种电流的变化特征呢？
新课导入
Em
- Em
0
e
t
按正弦（或余弦）规律变化的交流电叫正弦式交流电
交流电频率
单位Hz
线圈转速
瞬时感应电动势表达式:
周期
单位s
BS sin t
Part 01
周期和频率
周期和频率
周期T——交变电流完成一次周期性变化的时间。
(线圈转动一圈)
频率f ——交变电流在1s内完成周期性变化的次数。
（频率是供电质量的重要指标）
T=0.02s
每秒电流方向改变100次
(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
课堂练习
(多选)一单匝矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴线匀速转动时产生正弦式交变电流，其电动势的变化规律如图线a所示，当调整线圈转速后，电动势的变化规律如图线b所示，以下关于这两个正弦式交变电流的说法正确的是（ ）
A．从图线可算出穿过线圈磁通量的最大值
B．线圈先后两次转速之比为2∶3
C．在图线a和b中，t＝0时刻穿过线圈的磁通量均为零
D．图线b电动势的瞬时值表达式为
AD
Part 02
峰值和有效值
一、峰值
交变电流在一个周期内所能达到的最大数值
通常用Em、Im和Um表示峰值。
峰值：
电动势峰值：Em=NBSω
R
E
i
r
欧姆定律也适用于交流电路
一、峰值
交变电流在一个周期内所能达到的最大数值。
峰值：
电容器上的标称电压值（又叫耐压值或击穿电压）是电容器两极间所允许电压的峰值．超过该值就有被击穿的危险。
电容
耐压值（最大值)
峰值
(1)由e＝NBSωsin ωt可知，电动势的峰值Em＝NBSω。
(2)交变电动势的最大值，由线圈匝数N、磁感应强度B、转动角速度ω及线圈面积S决定，与线圈的形状无关，与转轴的位置无关，但转轴必须垂直于磁场，因此如图所示几种情况，若N、B、S、ω相同，则电动势的最大值相同。
(3)电流的峰值可表示为Im＝。
新课导入
电阻的刻度线
直流电流、电压的刻度线
交变电压2.5V的刻度线
为了便于对交流电流进行测量和分析，生产、生活中还采用有效值来描述交变电流
思考与讨论
如图所示电流I 通过一个R=1Ω的电阻。它不是恒定电流。怎样计算通电1 s内电阻R中产生的热量
如果有一大小、方向都不变的恒定电流通过这个电阻R也能在１s内产生同样热量，这个电流是多大？
二、有效值
1.定义：
根据电流的热效应来规定，让交变电流和恒定电流分别通过相同阻值的电阻，如果它们在交变电流的一个周期内产生的热量相等，这一恒定电流的数值就是相应交变电流的有效值。
Q交流电
Q直流电
★注意：定义有效值时要“三同”：
电阻相同，时间相同（一个周期），热量相同。
二、有效值
保险丝的熔断电流是指有效值
无特别说明时提到的交变电流的数值是指有效值
交流用电设备上所标的额定电压和额定电流是指有效值
交流电压表、电流表测量的数值是指有效值
甲、乙图中电炉烧水,设壶材料相同、水质量相等、水的初温相同。若用直流电源、交流电把水烧开均用了10分钟。
电炉烧水
3A
i
t
i
t
交流电的热效果和直流电相同
电流有效值也是 3 A
交变电流有效值与峰值存在怎么样的关系？
二、有效值
2.正弦式交流电的有效值与峰值的关系：
注：上面关系式是针对正弦式交流电的，对其他交流电不适合。
对于其他交变电流，其有效值与峰值间的关系均须根据有效值的定义（电流的热效应）作具体分析。
U =
Um

= 0.707Um
I =
Im

= 0.707Im
E =
Em

= 0.707Em
课堂练习
【例1】求有效电流和有效电压
i/ A
O
1
t/s
2
3
4
~
R=1Ω
解得：
即：
课堂练习
【例2】如图所示交变电流图象为某一正弦式交变电流更换负值后的 i－t 图象，求该交变电流的有效值.
课堂练习
【例3】一交变电流随时间变化的图像如图所示，则此交变电流的有效值为（ ）
B　
二、有效值
3.几种常见交变电流的有效值
电流名称 电流图线 有效值
正弦式交 变电流 I＝
正弦半 波电流 I＝
二、有效值
电流名称 电流图线 有效值
正弦单向 脉动电流 I＝
矩形脉 动电流 I＝ Im
非对称性 交变电流 I＝
3.几种常见交变电流的有效值
三、交变电流“四值”的比较和应用
瞬时值、峰值 、有效值 、平均值
交变电流“四值”：
平均感应电动势
e
O
t
t
S
不易求！
v
O
t
t
平均速度
S
平均感应电流
i
O
t
t
S
不易求！
项目 物理含义 重要关系 适用情况
瞬时值 交变电流某一时刻的值 计算线圈某一时刻的受力（安培力）情况
峰值 最大的瞬时值 确定电容器的耐压值或击穿电压
有效值 跟交变电流的热效应等效的 恒定电流值、电压值 正弦式交变电流 (1)电流热效应相关量(如功、功率、热量)
(2)交流电表（电压表、电流表）的测量值
(3)电气设备铭牌标注额定电压、额定电流
(4)保险丝的熔断电流
平均值 交变电流图象中图线与时间轴所围面积与时间比值 (1)某段时间内产生的平均感应电动势
(2)某段时间内产生感应电流的平均值
(3)某段时间内通过横截面的电荷量
三、交变电流“四值”的比较和应用
1. 在研究某一时刻线圈受到的安培力时，只能用瞬时值。
2. 在研究电容器的耐压值时，只能用峰值。
3. 在研究交变电流做功、电功率及产生的热量时，只能用有效值。
交流电流表、交流电压表显示的也是有效值。
4. 在研究交变电流通过导体横截面的电荷量时，只能用平均值。
交变电流的四值，即瞬时值、峰值、有效值和平均值，在不同的情况下：
三、交变电流“四值”的比较和应用
例1：小型交流发电机中，矩形金属线圈在匀强磁场中匀速运动，产生的感应电动势与时间呈正弦函数关系，如图所示。该阻值为r=4 Ω的线圈与一个R＝6 Ω的电阻构成闭合电路。
（1）交变电流的周期和频率？
（2）交变电流的电动势的最大值和有效值？
（3）感应电动势的瞬时值表达式？
（4）若改变交流电源的频率，保持其峰值不变，其电动势的有效值是否改变？
（5）交流电流表、电压表的示数？
（6）电阻的热功率？
不变
或
课堂练习
例2：如图所示交流发电机的矩形线圈边长ab＝cd＝0.4 m，ad＝bc＝0.2 m，线圈匝数N＝100，电阻r＝1 Ω，线圈在磁感应强度B＝0.2 T的匀强磁场中绕垂直于磁场的轴以ω＝100π rad/s的角速度匀速转动，外接电阻R＝9 Ω，以图示时刻开始计时，则
(1)感应电动势的最大值
(2)由图示位置转过60°时的瞬时感应电动势
(3)由图示位置转过60°的过程中产生的平均感应电动势
(4)由图示位置转过60°的过程中通过电阻R的电荷量
(5)交流电压表的示数
(6)线圈转动一周产生的总热量
Part 03
巩固提升
1．如图甲所示，在匀强磁场中，一矩形金属线框绕与磁感应垂直的转轴匀速转动，产生的交变电动势的图象如图乙所示，则（　　）
A．线框产生的交变电动势有效值为311V
B．线框产生的交变电动势频率为100Hz
C．t=0.005s时，线框的磁通量变化率为零
D．t=0.01s时，线框平面与中性面重合
D
2．某交流发电机中，矩形金属线圈在匀强磁场中匀速转动，产生的感应电动势与时间的关系如图所示．如果此线圈和一个R=100Ω的电阻构成闭合电路，不计电路的其他电阻，下列说法中正确的是（　　）
A．交变电流的周期为0.04s
B．电阻R两端的有效电压是100V
C．交变电流的有效值为1A
D．交变电流的最大值为1A
AD
C
3．如图所示，图线a是线圈在匀强磁场中匀速转动时所产生的交变电动势的图象，当调整线圈转速后，所产生的交变电动势的图象如图线b所示，转动轴垂直于磁场方向。则下列说法中错误的是（　　）
A．在图中t=0时刻穿过线圈的磁通量均为最大
B．线圈先后两次转动的角速度之比为3:2
C．图线b所对应的电动势的有效值为 V
D．图线a所对应的电动势的瞬时值表达式为 （V）
4．先后用不同的交流电源给同一盏灯泡供电。第一次灯泡两端的电压随时间按正弦规律变化如图甲所示；第二次灯泡两端的电压随时间变化规律如图乙所示，不考虑温度对灯泡电阻影响。则以下说法正确的是（　　）
A．第一、第二次，灯泡两端的电压之比为1:2
B．第一、第二次，通过灯泡的电流之比是2:1
C．第一、第二次，灯泡电功率之比是1:2
D．第一、第二次，灯泡在相等时间内产生的热量之比是1:4
C
B
5．如图所示，一矩形线圈的面积为S，匝数为N，电阻为r，处于磁感应强度大小为B的水平匀强磁场中，绕垂直磁场的水平轴OO′以角速度ω匀速运动。线圈通过滑环与定值电阻R及理想电流表组成闭合回路。已知理想电压表的示数为U，从线圈平面与磁感线平行的位置开始计时，则（　　）
A．R两端电压瞬时值的表达式为
B．理想电流表的示数为
C．从 到 的时间内，穿过线圈平面磁通量的变化量为零
D．若ω=100π rad/s，通过R的电流每秒钟方向改变50次
6．如图所示为一电流通过一电子元件后的波形图（曲线部分为正弦交流电的一部分），则下列说法正确的是（　　）
A．这是一种交变电流
B．电流的变化周期为0.015s
C．电流通过100Ω电阻时，电功率为100W
D．电流通过100Ω的电阻时，一个周期内流经电阻的电荷量大于0.015C
BD
7．如图所示，交流发电机的线圈为边长为L的正方形，匝数为N，线圈电阻为r，外电阻为R。线圈在磁感应强度大小为B的匀强磁场中绕垂直于磁场的转轴OO'匀速转动，转速为n。图中电表均为理想交流电表，下列说法正确的是（　　）
A．图示位置穿过线圈的磁通量最大
B．感应电动势的最大值为
C．交流电流表的示数为
D．交流电压表的示数为
BC
8．在匀强磁场中，一矩形金属线框绕与磁感线垂直的转动轴匀速转动，如图甲所示．产生的交变电动势随时间变化的规律如图乙所示．则下列说法正确的是（　　）
A．t＝0.01s时穿过线框的磁通量最小
B．该交变电动势的有效值为
C．该交变电动势的瞬时值表达式为
D．电动势瞬时值为22V时，线圈平面与中性面的夹角为45°
CD