☆大庆英杰物理工作室☆2015-2016高二同步辅导资料
第五章 第二节 交变电流的描述
1.理解什么是交变电流的峰值和有效值,知道它们之间的关系。
2.理解交变电流的周期、频率以及它们之间的关系。知道我国生产和生活用电的周期(频率)的大小。
理论知识一 正弦式交变电流的函数表达式、峰值和有效值
1.周期和频率
(1) 周期(T):交变电流完成1次周期性变化(线圈转一周)所需要的时间,单位是秒(s),公式T=。21教育网
(2) 频率(f):交变电流在1 s内完成周期性变化的次数。单位是赫兹(Hz)。
(3) 周期和频率的关系:T=或f=。
2.正弦式交变电流的函数表达式(线圈在中性面位置开始计时)
(1) 电动势e随时间变化的规律:e=Emsinωt。
(2) 负载两端的电压u随时间变化的规律:u=Umsinωt。
(3) 电流i随时间变化的规律:i=Imsinωt。其中ω等于线圈转动的角速度,Em=nBSω。
3.交变电流的瞬时值、峰值、有效值
(1) 瞬时值:交变电流某一时刻的值,是时间的函数。
(2) 峰值:交变电流(电流、电压或电动势)所能达到的最大的值,也叫最大值。
(3) 有效值:跟交变电流的热效应等效的恒定电流的值叫做交变电流的有效值。对正弦交流电,其有效值和峰值的关系为:E=,U=,I=。
理论知识二 正弦交变电流的产生及变化规律
1.正弦式交变电流的变化规律
线圈在中性面位置时开始计时
物理量
函数表达式
图象
磁通量
Φ=Φmcos ωt=BScos ωt
电动势
e=Emsin ωt=nBSωsin ωt
电压
u=Umsin ωt=sin ωt
电流
i=Imsin ωt=sin ωt
2.两个特殊位置的特点
(1) 线圈平面与中性面重合时,S⊥B,Φ最大,=0,e=0,i=0,电流方向将发生改变。
(2) 线圈平面与中性面垂直时,S∥B,Φ=0,最大,e最大,i最大,电流方向不改变。
【例1】(多选)如图甲所示,在匀强磁场中,一矩形金属线圈两次分别以不同的转速,绕与磁感线垂直的轴匀速转动,产生的交变电动势图象如图乙中曲线a、b所示,则( )21世纪教育网版权所有
A.两次t=0时刻线圈平面均与中性面重合
B.曲线a、b对应的线圈转速之比为2∶3
C.曲线a表示的交变电动势频率为25 Hz
D.曲线b表示的交变电动势有效值为10 V
【例2】(多选)如图所示,在匀强磁场中匀速转动的矩形线圈的周期为T,转轴O1O2垂直于磁场方向,线圈电阻为2 Ω。从线圈平面与磁场方向平行时开始计时,线圈转过60°角时的感应电流为1 A。那么( )www-2-1-cnjy-com
A.线圈消耗的电功率为4 W
B.线圈中感应电流的有效值为2 A
C.任意时刻线圈中的感应电动势为e=4cost
D.任意时刻穿过线圈的磁通量为Φ=sint
理论知识三 交变电流“四值”的应用
1.交变电流的瞬时值、峰值、有效值和平均值的比较
物理量
物理含义
重要关系
适用情况及说明
瞬时值
交变电流某一时刻的值
从中性面开始计时
e=Emsin ωt
i=Imsin ωt
计算线圈某时刻的受力情况
峰 值
最大的瞬时值
Em=nBSω
Im=
讨论电容器的击穿电压
有效值
跟交变电流的热效应等效的恒定电流的值
E=
U=
I=
(只适用于正弦式交变电流)
(1)计算与电流的热效应有关的量(如电功、电功率、电热等)
(2)电气设备“铭牌”上所标的一般是指有效值
(3)保险丝的熔断电流为有效值
(4)交流电压表和电流表的读数为有效值
平均值
某段时间内感应电动势或电流的平均值
=BL
=n
=
计算通过电路截面的电荷量
2.交变电流瞬时值表达式的求法
(1) 先求电动势的最大值Em=nBSω;
(2) 求出角速度ω=;
(3) 明确从哪一位置开始计时,从而确定是正弦函数还是余弦函数;
(4) 写出瞬时值的表达式。
【例3】如图所示,矩形线圈abcd与可变电容器C、理想电流表组成闭合电路。线圈在有界匀强磁场中绕垂直于磁场的bc边匀速转动,转动的角速度ω=100π rad/s。线圈的匝数N=100匝,边长ab=0.2 m、ad=0.4 m,电阻不计。磁场只分布在bc边的左侧,磁感应强度大小B=T。电容器放电时间不计。下列说法正确的是( )21·cn·jy·com
A.该线圈产生的交流电动势峰值为50 V
B.该线圈产生的交流电动势有效值为25 V
C.电容器的耐压值至少为50 V
D.电容器的电容C变大时,电流表的示数变小
【例4】(多选)边长为L的正方形线框在匀强磁场B中以角速度ω匀速转动,产生的感应电流的最大值为Im,设灯泡的电阻为R,其他电阻不计。从如图所示位置开始计时,则( )www.21-cn-jy.com
A.电路中电流的最大值Im=
B.电路中电流的瞬时表达式为i=Imsin ωt
C.电流表的读数为
D.灯泡的电功率为R
理论知识四 交变电流有效值的计算
1.正弦式交流电的有效值:I=,U=,E=
2.非正弦式交流电的有效值:根据电流的热效应进行计算。
【例5】(多选)如图所示,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变化规律如图乙所示。若图甲、乙中的U0、T所表示的电压、周期值是相等的,则以下说法正确的是( )2·1·c·n·j·y
A.第一次灯泡两端的电压有效值是U0
B.第二次灯泡两端的电压有效值是U0
C.第一次和第二次灯泡的电功率之比是2∶9
D.第一次和第二次灯泡的电功率之比是1∶5
【例6】(多选)如图所示,甲、乙为两种电压的波形,其中图甲所示的电压按正弦规律变化,图乙所示的电压波形是正弦函数图象的一部分。下列说法正确的是( )【来源:21·世纪·教育·网】
A.图甲、图乙均表示交流电
B.图甲所示电压的瞬时值表达式为u=20sin 100πt(V)
C.图乙所示电压的有效值为20 V
D.图乙所示电压的有效值为10 V
1.小型交流发电机的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是正弦函数。将发电机与一个标有“6 V,6 W”的小灯泡连接形成闭合回路,不计电路的其他电阻。当线圈的转速为n=5 r/s时,小灯泡恰好正常发光,则电路中电流的瞬时表达式为( )2-1-c-n-j-y
A.i=sin 5t(A) B.i=sin 10πt(A)
C.i=1.41sin 5t(A) D.i=1.41sin 10πt(A)
2.在匀强磁场中一矩形金属框绕与磁感线垂直的轴匀速转动,如图甲所示,产生的交变电动势的图象如图乙所示,则( ) 21*cnjy*com
A.t=0.005 s时线框的磁通量变化率为零
B.t=0.01 s时线框平面与中性面重合
C.线框产生的交变电动势有效值为311 V
D.线框产生的交变电动势频率为100 Hz
3.(多选)如图甲是小型交流发电机的示意图,两磁极N、S间的磁场可视为水平方向的匀强磁场,为交流电流表。线圈绕垂直于磁场的水平轴OO′沿逆时针方向匀速转动,从图示位置开始计时,产生的交变电流随时间变化的图象如图乙所示。以下判断正确的是( )21cnjy.com
A.电流表的示数为10 A
B.线圈转动的角速度为50π rad/s
C.0.01 s时线圈平面与磁场方向平行
D.0.02 s时电阻R中电流的方向自右向左
4.(多选)在磁感应强度B=0.1 T的匀强磁场中,一面积S=0.06 m2,电阻值r=0.2 Ω的矩形金属线框绕与磁感线垂直的转轴匀速转动,产生频率为50 Hz的交变电流。t=0时,线圈平面与磁场垂直,如图所示。则 ( )
A.t1=0.005 s时线框的磁通量最大
B.t2=0.055 s时,电流的方向为abcda
C.从t=0至t1=0.005 s内,流经线框截面的电荷量为0.03 C
D.保持交变电流频率不变,增加磁感应强度可增大电动势的最大值
5.一个匝数为100匝,电阻为0.5 Ω的闭合线圈处于某一磁场中,磁场方向垂直于线圈平面,从某时刻起穿过线圈的磁通量按图所示规律变化。则线圈中产生交变电流的有效值为( )【来源:21cnj*y.co*m】
A.5 A B.2 A C.6 A D.5 A
6.(多选)如图所示为交流发电机示意图,线圈的AB边连在金属滑环K上,CD边连在滑环L上,导体做的两个电刷E、F分别压在两个滑环上,线圈在转动时可以通过滑环和电刷保持与外电路的连接。关于其工作原理,下列分析正确的是 ( )【出处:21教育名师】
A.在线圈平面转到中性面的瞬间,穿过线圈的磁通量最大
B.在线圈平面转到中性面的瞬间,线圈中的感应电流最大
C.在线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间,穿过线圈的磁通量最小
D.在线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间,线圈中的感应电流最小
7.(多选)一正弦交流电源的u-t图象如图甲所示,将它接在图乙所示电路的e、f两端,若电阻的阻值为110 Ω,电源的内阻不计,交流电压表是量程为250 V的理想电表,则下列说法中正确的是( )【版权所有:21教育】
A.通过电阻的电流方向1秒钟改变50次
B.交流电压表示数为220 V
C.产生该交流电的线圈在磁场中匀速转动的角速度为100π rad/s
D.在1分钟内电阻R上产生的热量为5.28×104 J
8.如图所示,图线a是线圈在匀强磁场中匀速转动时产生的正弦交流电的图象,当调整线圈转速后,所产生的正弦交流电的图象如图线b所示。以下关于这两个正弦交流电的说法中正确的是( )21·世纪*教育网
A.线圈先后两次转速之比为1∶2
B.交流电a的电动势瞬时值u=10sin 0.4πt(V)
C.交流电b的电动势最大值为 V
D.在图中t=0时刻穿过线圈的磁通量为零
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第五章 第二节 交变电流的描述
1.理解什么是交变电流的峰值和有效值,知道它们之间的关系。
2.理解交变电流的周期、频率以及它们之间的关系。知道我国生产和生活用电的周期(频率)的大小。
理论知识一 正弦式交变电流的函数表达式、峰值和有效值
1.周期和频率
(1) 周期(T):交变电流完成1次周期性变化(线圈转一周)所需要的时间,单位是秒(s),公式T=。【版权所有:21教育】
(2) 频率(f):交变电流在1 s内完成周期性变化的次数。单位是赫兹(Hz)。
(3) 周期和频率的关系:T=或f=。
2.正弦式交变电流的函数表达式(线圈在中性面位置开始计时)
(1) 电动势e随时间变化的规律:e=Emsinωt。
(2) 负载两端的电压u随时间变化的规律:u=Umsinωt。
(3) 电流i随时间变化的规律:i=Imsinωt。其中ω等于线圈转动的角速度,Em=nBSω。
3.交变电流的瞬时值、峰值、有效值
(1) 瞬时值:交变电流某一时刻的值,是时间的函数。
(2) 峰值:交变电流(电流、电压或电动势)所能达到的最大的值,也叫最大值。
(3) 有效值:跟交变电流的热效应等效的恒定电流的值叫做交变电流的有效值。对正弦交流电,其有效值和峰值的关系为:E=,U=,I=。
理论知识二 正弦交变电流的产生及变化规律
1.正弦式交变电流的变化规律
线圈在中性面位置时开始计时
物理量
函数表达式
图象
磁通量
Φ=Φmcos ωt=BScos ωt
电动势
e=Emsin ωt=nBSωsin ωt
电压
u=Umsin ωt=sin ωt
电流
i=Imsin ωt=sin ωt
2.两个特殊位置的特点
(1) 线圈平面与中性面重合时,S⊥B,Φ最大,=0,e=0,i=0,电流方向将发生改变。
(2) 线圈平面与中性面垂直时,S∥B,Φ=0,最大,e最大,i最大,电流方向不改变。
【例1】(多选)如图甲所示,在匀强磁场中,一矩形金属线圈两次分别以不同的转速,绕与磁感线垂直的轴匀速转动,产生的交变电动势图象如图乙中曲线a、b所示,则( )www.21-cn-jy.com
A.两次t=0时刻线圈平面均与中性面重合
B.曲线a、b对应的线圈转速之比为2∶3
C.曲线a表示的交变电动势频率为25 Hz
D.曲线b表示的交变电动势有效值为10 V
【例2】(多选)如图所示,在匀强磁场中匀速转动的矩形线圈的周期为T,转轴O1O2垂直于磁场方向,线圈电阻为2 Ω。从线圈平面与磁场方向平行时开始计时,线圈转过60°角时的感应电流为1 A。那么( )www-2-1-cnjy-com
A.线圈消耗的电功率为4 W
B.线圈中感应电流的有效值为2 A
C.任意时刻线圈中的感应电动势为e=4cost
D.任意时刻穿过线圈的磁通量为Φ=sint
【解析】线圈转动角速度ω=,线圈平面从与磁场方向平行开始计时,当转过60°角时,电流的瞬时值表达式为i=Imcos 60°=1 A得Im=2 A,正弦交变电流有效值I== A,B项错;线圈消耗的功率P=I2R=4 W,A项正确;由欧姆定律可知,感应电动势最大值Em=ImR=4 V,所以瞬时值表达式为e=4 cost,C项正确;通过线圈的磁通量Φ=Φmsin ωt=Φmsint,由感应电动势的最大值Em=BSω=Φm×得Φm=,代入上式得Φ=sint=sint,D项错。
【答案】AC
理论知识三 交变电流“四值”的应用
1.交变电流的瞬时值、峰值、有效值和平均值的比较
物理量
物理含义
重要关系
适用情况及说明
瞬时值
交变电流某一时刻的值
从中性面开始计时
e=Emsin ωt
i=Imsin ωt
计算线圈某时刻的受力情况
峰 值
最大的瞬时值
Em=nBSω
Im=
讨论电容器的击穿电压
有效值
跟交变电流的热效应等效的恒定电流的值
E=
U=
I=
(只适用于正弦式交变电流)
(1)计算与电流的热效应有关的量(如电功、电功率、电热等)
(2)电气设备“铭牌”上所标的一般是指有效值
(3)保险丝的熔断电流为有效值
(4)交流电压表和电流表的读数为有效值
平均值
某段时间内感应电动势或电流的平均值
=BL
=n
=
计算通过电路截面的电荷量
2.交变电流瞬时值表达式的求法
(1) 先求电动势的最大值Em=nBSω;
(2) 求出角速度ω=;
(3) 明确从哪一位置开始计时,从而确定是正弦函数还是余弦函数;
(4) 写出瞬时值的表达式。
【例3】如图所示,矩形线圈abcd与可变电容器C、理想电流表组成闭合电路。线圈在有界匀强磁场中绕垂直于磁场的bc边匀速转动,转动的角速度ω=100π rad/s。线圈的匝数N=100匝,边长ab=0.2 m、ad=0.4 m,电阻不计。磁场只分布在bc边的左侧,磁感应强度大小B=T。电容器放电时间不计。下列说法正确的是( )【来源:21·世纪·教育·网】
A.该线圈产生的交流电动势峰值为50 V
B.该线圈产生的交流电动势有效值为25 V
C.电容器的耐压值至少为50 V
D.电容器的电容C变大时,电流表的示数变小
【例4】(多选)边长为L的正方形线框在匀强磁场B中以角速度ω匀速转动,产生的感应电流的最大值为Im,设灯泡的电阻为R,其他电阻不计。从如图所示位置开始计时,则( )2-1-c-n-j-y
A.电路中电流的最大值Im=
B.电路中电流的瞬时表达式为i=Imsin ωt
C.电流表的读数为
D.灯泡的电功率为R
【解析】感应电动势的最大值Em=BL2ω,则电流的最大值Im==,选项A正确;由线圈电流为最大值时开始计时,故电路中电流的瞬时表达式应为i=Imcos ωt,选项B错误;电流表的读数为有效值,为I=Im,选项C错误;灯泡的电功率P=I2R=IR,选项D正确。21世纪教育网版权所有
【答案】AD
理论知识四 交变电流有效值的计算
1.正弦式交流电的有效值:I=,U=,E=
2.非正弦式交流电的有效值:根据电流的热效应进行计算。
【例5】(多选)如图所示,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变化规律如图乙所示。若图甲、乙中的U0、T所表示的电压、周期值是相等的,则以下说法正确的是( ) 21*cnjy*com
A.第一次灯泡两端的电压有效值是U0
B.第二次灯泡两端的电压有效值是U0
C.第一次和第二次灯泡的电功率之比是2∶9
D.第一次和第二次灯泡的电功率之比是1∶5
【例6】(多选)如图所示,甲、乙为两种电压的波形,其中图甲所示的电压按正弦规律变化,图乙所示的电压波形是正弦函数图象的一部分。下列说法正确的是( )【来源:21cnj*y.co*m】
A.图甲、图乙均表示交流电
B.图甲所示电压的瞬时值表达式为u=20sin 100πt(V)
C.图乙所示电压的有效值为20 V
D.图乙所示电压的有效值为10 V
【解析】根据交流电的定义,图甲、图乙均表示交流电,选项A正确;图甲所示电压最大值为Um=20 V,周期为0.02 s,则电压的瞬时值表达式u=Umsint=20sin 100πt(V),选项B正确;根据有效值的定义有·=T,解得图乙所示电压的有效值为U=10 V,选项C错误,D正确。
【答案】ABD
1.小型交流发电机的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是正弦函数。将发电机与一个标有“6 V,6 W”的小灯泡连接形成闭合回路,不计电路的其他电阻。当线圈的转速为n=5 r/s时,小灯泡恰好正常发光,则电路中电流的瞬时表达式为( )21cnjy.com
A.i=sin 5t(A) B.i=sin 10πt(A)
C.i=1.41sin 5t(A) D.i=1.41sin 10πt(A)
【解析】因为小灯泡正常发光,所以电路中电流的有效值为I==1 A,则电流的最大值为Im= A≈1.41 A。因为转速n=5 r/s,且ω=2nπ,所以ω=10π rad/s,故电路中电流的瞬时值表达式为i=1.41sin 10πt,选项D正确。
【答案】D
2.在匀强磁场中一矩形金属框绕与磁感线垂直的轴匀速转动,如图甲所示,产生的交变电动势的图象如图乙所示,则( )21教育网
A.t=0.005 s时线框的磁通量变化率为零
B.t=0.01 s时线框平面与中性面重合
C.线框产生的交变电动势有效值为311 V
D.线框产生的交变电动势频率为100 Hz
【解析】由图象知,该交变电流电动势峰值为311 V,交变电动势频率为f=50 Hz,C、D错;t=0.005 s时,e=311 V,磁通量变化最快,t=0.01 s时,e=0,磁通量最大,线圈处于中性面位置,A错,B对。21·世纪*教育网
【答案】B
3.(多选)如图甲是小型交流发电机的示意图,两磁极N、S间的磁场可视为水平方向的匀强磁场,为交流电流表。线圈绕垂直于磁场的水平轴OO′沿逆时针方向匀速转动,从图示位置开始计时,产生的交变电流随时间变化的图象如图乙所示。以下判断正确的是( )【出处:21教育名师】
A.电流表的示数为10 A
B.线圈转动的角速度为50π rad/s
C.0.01 s时线圈平面与磁场方向平行
D.0.02 s时电阻R中电流的方向自右向左
【解析】电流表的示数为交变电流的有效值10 A,A项正确;由ω=可得,线圈转动的角速度为ω=100π rad/s,B项错;0.01 s时,电路中电流最大,故该时刻通过线圈的磁通量最小,即该时刻线圈平面与磁场平行,C项正确;根据楞次定律可得,0.02 s时电阻R中电流的方向自左向右,D项错。
【答案】AC
4.(多选)在磁感应强度B=0.1 T的匀强磁场中,一面积S=0.06 m2,电阻值r=0.2 Ω的矩形金属线框绕与磁感线垂直的转轴匀速转动,产生频率为50 Hz的交变电流。t=0时,线圈平面与磁场垂直,如图所示。则 ( )
A.t1=0.005 s时线框的磁通量最大
B.t2=0.055 s时,电流的方向为abcda
C.从t=0至t1=0.005 s内,流经线框截面的电荷量为0.03 C
D.保持交变电流频率不变,增加磁感应强度可增大电动势的最大值
5.一个匝数为100匝,电阻为0.5 Ω的闭合线圈处于某一磁场中,磁场方向垂直于线圈平面,从某时刻起穿过线圈的磁通量按图所示规律变化。则线圈中产生交变电流的有效值为( )2·1·c·n·j·y
A.5 A B.2 A C.6 A D.5 A
【解析】0~1 s内线圈中产生的感应电动势E1=n=100×0.01 V=1 V,1~1.2 s内线圈中产生的感应电动势E2=n=100× V=5 V,对一个定值电阻,在一个周期内产生的热量Q=Q1+Q2=t1+t2=12 J,根据交变电流有效值的定义Q=I2Rt=12 J得I=2 A,故B正确,A、C、D错误。
【答案】B
6.(多选)如图所示为交流发电机示意图,线圈的AB边连在金属滑环K上,CD边连在滑环L上,导体做的两个电刷E、F分别压在两个滑环上,线圈在转动时可以通过滑环和电刷保持与外电路的连接。关于其工作原理,下列分析正确的是 ( )21教育名师原创作品
A.在线圈平面转到中性面的瞬间,穿过线圈的磁通量最大
B.在线圈平面转到中性面的瞬间,线圈中的感应电流最大
C.在线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间,穿过线圈的磁通量最小
D.在线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间,线圈中的感应电流最小
【解析】在线圈平面转到中性面的瞬间,穿过线圈的磁通量最大,磁通量变化率为零,感应电动势为零,线圈中的感应电流为零,选项A正确,B错误;在线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间,穿过线圈的磁通量最小,磁通量变化率最大,感应电动势最大,感应电流最大,选项C正确,D错误。21*cnjy*com
【答案】AC
7.(多选)一正弦交流电源的u-t图象如图甲所示,将它接在图乙所示电路的e、f两端,若电阻的阻值为110 Ω,电源的内阻不计,交流电压表是量程为250 V的理想电表,则下列说法中正确的是( )21·cn·jy·com
A.通过电阻的电流方向1秒钟改变50次
B.交流电压表示数为220 V
C.产生该交流电的线圈在磁场中匀速转动的角速度为100π rad/s
D.在1分钟内电阻R上产生的热量为5.28×104 J
【解析】由图甲知交流电的周期为T=0.02 s,频率f==50 Hz,而一周内电流方向改变两次,即通过电阻的电流方向1秒钟改变100次,A错;交流电压的峰值为220 V,有效值为220 V,B对;由ω==100π rad/s可知,C对;由Q=t得在1分钟内电阻R上产生的热量为2.64×104 J,D错。
【答案】BC
8.如图所示,图线a是线圈在匀强磁场中匀速转动时产生的正弦交流电的图象,当调整线圈转速后,所产生的正弦交流电的图象如图线b所示。以下关于这两个正弦交流电的说法中正确的是( )
A.线圈先后两次转速之比为1∶2
B.交流电a的电动势瞬时值u=10sin 0.4πt(V)
C.交流电b的电动势最大值为 V
D.在图中t=0时刻穿过线圈的磁通量为零
【解析】线圈先后两次产生的正弦交流电的周期之比为2∶3,转速之比为3∶2,选项A错误;交流电a的周期为0.4 s,交流电a的电动势瞬时值u=10sin 5πt(V),选项B错误;由电动势最大值Em=nBSω可知,二者最大值之比为3∶2,交流电b的电动势最大值为 V,选项C正确;在图中t=0时刻感应电动势为零,穿过线圈的磁通量最大,选项D错误。
【答案】C