人教版高中物理选择性必修第二册 第3章 第2节 交变电流的描述 课件(共40张PPT)

(共40张PPT)
第三章
交变电流
交变电流的描述
第二节
第三章 交变电流
周期和频率
第一部分
如图所示，正弦式交变电流的大小和方向都随时间发生周期性变化，我们用什么量描述其变化的快慢呢？
情境创设
周期和频率
根据上图思考：线圈每转动一周，产生的感应电动势发生怎样的变化？
线圈每转动一周，产生的感应电动势大小和方向发生一个完整周期的变化。
周期和频率
思考与讨论：线圈转动的角速度和产生交变电流的周期和频率有什么关系？请尝试推导。
1.周期： 交变电流完成一次周期性变化所需的时间。通常用 T 表示，单位是秒。
2.频率：交变电流完成周期性变化的次数与所用时间的比值。数值等于交变电流在单位时间内完成周期性变化的次数。频率通常用 f 表示，单位是赫兹。
周期和频率
3.应用：我国工业和家庭电路中的交变电流
周期
频率
角速度
u / V
O
0.01
0.02
t/s
工业
家庭
一个周期内电流方向变2次，家庭用电电流方向1s变化100次
思考：在一个周期内，交变电流的方向变化几次？我国家庭用的交变电流1s内电流方向变化几次？
交变流电的周期和频率
1
(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.1s内电流方向变化10次
C.t＝0.1s时，线圈平面与磁场方向平行
D.1s内线圈转5圈
例1
解析：由题图可知T＝0.2s，故f＝1/T＝1/0.2Hz＝5Hz，即1s内完成5次周期性变化，线圈转5圈，每转1圈电流方向改变2次，则1s内电流方向变化10次，故A错误，B、D正确；在t＝0.1s时e＝0，所以线圈平面与磁场方向垂直，故C错误。故选BD。
交变流电的周期和频率
1
如图所示为某正弦交流电流的图像，求其峰值、周期和角速度，并写出该电流的瞬时值表达式。
例2
0
i/A
t/s
0.01
0.02
20
-20
Im＝20A
电流的瞬时表达式为 i＝20sin100πt (A)
T ＝0.02s
交变流电的周期和频率
1
关于交变电流的周期和频率，下列说法正确的是(　　)
A.正弦式交变电流最大值连续出现两次的时间间隔等于周期
B.1s内交变电流出现最大值的次数等于频率
C.交变电流方向变化的频率为交变电流频率的2倍
D.频率为50Hz的交变电流，其周期等于0.05s
针对练1
解析：根据周期的定义可知A、B错误；交变电流在一个周期内方向改变两次，即方向变化的频率为交变电流频率的2倍，C正确；周期T＝1/f＝1/50s＝0.02s，D错误。故选C。
交变流电的周期和频率
1
如图为教学演示用交流发电机。以不太快的速度摇动发电机，与发电机相连的小灯泡将一闪一闪发光。现将摇动速度加倍，下列分析正确的是(　　)
A.小灯泡闪光周期将加倍，亮度增大
B.小灯泡闪光频率将加倍，亮度增大
C.小灯泡闪光频率将不变，亮度增大
D.小灯泡闪光频率将加倍，亮度不变
针对练2
解析：摇动速度加倍，则转速变大，产生交变电流的频率增加，可知小灯泡闪光频率将加倍；感应电流的大小与发电机的转速有关，转速越大，输出的电流也越大，则灯泡的亮度增大。故选B。
峰值和有效值
第二部分
如图所示，正弦式交变电流的大小和方向都随时间发生周期性变化，我们把电流或电压所能达到的最大值叫峰值。请回顾左图装置产生的正弦式交变电流的峰值表达式？
创设情境
峰值和有效值
1.正弦式交流电的峰值
上图所示电容器上标注的400V电压就是电容器的耐压值，两端加电压的峰值不能超过400V，否则击穿。
Em ＝NωBS
Im ＝ Em /R总
Um ＝ Im /R外
峰值和有效值
思考与讨论：
如图所示的电流通过一个R=1Ω的电阻，它不是恒定电流。
1.怎样计算通电1s内电阻R中产生的热量
2.如果有一个大小、方向都不变的恒定电流通过电阻R，也能在1s内产生同样的热，这个电流是多大
I1=1A,t1=0.2s,I2=2A,t2=0.3s
Q=I12Rt1+I22Rt2=2.8J
Q=I2Rt=2.8J 解得：
拓展：我们可以看到电流 和图示交变电流在1s时间内通过同一电阻产生的热效应
是一样的。电流 定义为图示电流的有效值。
峰值和有效值
（1）定义：根据电流的热效应来规定，让交流与直流分别通过相同的电阻，如果在交流的一个周期内它们产生的热量相等，就把这个直流的数值叫做这个交流的有效值。通常用E、U、I表示。
2.有效值
（2）正弦交流电的有效值和峰值的关系：
说明：上边关系式只适用于正弦式交流电；对非正弦式交变电流有效值只能通过电流的热效
应计算。
峰值和有效值
2.有效值
家用电器的额定电压和额定电流均指有效值
峰值和有效值
2.有效值
交流电流表和交流电压表的读数是有效值
保险丝的熔断电流无特别说明均指有效值
交变电流有效值的计算
2
如图所示是一交变电流的i t图像，求该交变电流的有效值。
例3
思维路径：
找出交流电的周期
先计算0~T/3内产生的热量
再计算T/3~2T/3内产生的热量
电流的热效应
交流电有效值
解：由交变电流有效值定义得
图
交变电流有效值的计算
2
A、B是两个完全相同的电热器，A通以图甲所示的方波交变电流，B通以图乙所示的正弦交变电流。两电热器的电功率之比 PA ∶ PB等于多少？
例4
图甲 图乙
交变电流有效值的计算
2
(2025·河南驻马店高二月考)一电阻接到如图甲所示电源上，在一个周期内产生的热量为Q1；若该电阻接到图乙交流电源上(前1/4周期为正弦曲线)，在一个周期内产生的热量为Q2。则Q1∶Q2等于(　　)
A. 2∶1 B. 5∶2
C. 10∶3 D. 12∶5
针对练3
交变电流“四值”的应用
3
如图所示，匀强磁场的磁感应强度大小B＝0.5 T，边长L＝10 cm的正方形线圈abcd共100匝，线圈电阻r＝1 Ω，线圈绕垂直于磁感线的对称轴OO'匀速转动，角速度ω＝2π rad/s，外电路电阻R＝4 Ω，电压表为理想交流电表，求：(计算结果均保留2位小数)
(1)转动过程中感应电动势的峰值；
(2)由图示位置(线圈平面与磁感线平行)转过60°角时的瞬时感应电动势；
(3)由图示位置转过60°角的过程中产生的平均感应电动势；
(4)交流电压表的示数；
(5)由图示位置转过60°角的过程中通过电阻R的电荷量；
(6)线圈转动一周的过程中电阻R产生的热量。
例5
解析：(1)感应电动势的峰值Em＝NωBS＝100×2π×0.5×0.12 V＝3.14 V
(2)线圈由题图所示位置转过60°角时的瞬时感应电动势e＝Emcos 60°＝3.14×0.5 V＝1.57 V
(3)线圈转动的周期T＝2π/ω＝1s，根据法拉第电磁感应定律得，由题图所示位置转过60°角的过程中产生的平均感应电动势
(4)交流电压表示数为电阻R两端电压的有效值
(5)线圈由题图所示位置转过60°角的过程中通过电阻R的电荷量
(6)线圈转动一周的过程中电阻R产生的热量
交变电流“四值
”的比较
交变电流“四值”的应用
3
(2025·江苏南京高二月考)如图所示，交流发电机的正方形线框共有N＝100匝，总电阻r＝1.0Ω，BC＝AD＝AB＝DC＝0.1m。绕垂直于磁场方向的对称轴OO'以ω＝400rad/s的转速匀速转动，给R＝7.0Ω的电阻供电。线框所在匀强磁场的磁感应强度B＝0.1T，其处于中性面时开始计时，则(　　)
A.电阻R两端的最大电压为40V
B.通过电阻R的电流方向在0～π/200s内改变1次
C.在0～π/200s内外力至少对系统做功πJ
D.在0～π/1200s内通过线框导线横截面的电荷量为1/160C
针对练4
正弦式交变电流的公式和图像
第三部分
如图所示，正弦式交变电流的大小和方向都随时间发生周期性变化，我们可以采用哪些方法形象描述交变电流变化规律？
交变电流的两种描述方法
正弦式交变电流的公式和图像
公式法：
图像法：
任务1.由题图乙可知，t＝0时刻的电动势为0，则图像是从线圈经过中性面位置开始计时的。
任务2.是。
任务3.由题图乙可知，电动势的最大值为Em＝6 V，周期为T＝0.02 s，则有ω＝2πT＝2π0.02 rad/s＝100π rad/s，则电动势表达式为e＝6sin (100πt) V。
正弦式交变电流的公式和图像
探究图像和公式之间的关系：如图甲为一台小型发电机的示意图，单匝线圈绕OO'轴转动，若从某位置开始计时，产生的电动势随时间的变化规律如图乙所示。
任务1.根据图乙判断图像是从线圈经过中性面位置还
是中性面的垂面位置开始计时的？
任务2.灯泡两端电压的u-t图像、灯泡中电流的i-t图像
与e-t图像是同步变化的吗？
任务3.写出小型发电机产生的电动势表达式。
任务1.由题图乙可知，t＝0时刻的电动势为0，则图像是从线圈经过中性面位置开始计时的。
任务2.是。
任务3.由题图乙可知，电动势的最大值为Em＝6 V，周期为T＝0.02 s，则有ω＝2πT＝2π0.02 rad/s＝100π rad/s，则电动势表达式为e＝6sin (100πt) V。
正弦式交变电流的公式和图像
从正弦式交变电流图像中可以得到的信息：
1.交变电流的最大值Im、Em或Um及周期T。
2.根据峰值求出有效值等。
3.因线圈在中性面时感应电动势、感应电流均为零，磁通量最大，所以可确定线圈位于中性面
的时刻及线圈平行于磁感线的时刻。
4.判断线圈中磁通量的变化情况。
正弦式交变电流的公式和图像
4

例6
正弦式交变电流的公式和图像
4
(2025·重庆涪陵区高二期中)如图甲所示，矩形线圈abcd在匀强磁场中匀速转动可以产生交变电流，其电动势e随时间t变化的图像如图乙所示，线圈电阻r＝1Ω，电阻R＝4Ω。则(　　)
A.t＝0.01s时，线圈与中性面垂直
B.1s内，电流的方向改变50次
C.电阻R两端电压为10V
D.电阻R在10s内产生的热量为160J
针对练5
正弦式交变电流的公式和图像
4
(多选)如图所示，边长为L＝0.2m的正方形线圈abcd，匝数为N＝10匝，总电阻为r＝2Ω，外电路的电阻为R＝8Ω，ab的中点和cd的中点的连线OO'恰好位于匀强磁场的边界线上，磁场的磁感应强度B＝2T。若线圈从图示位置开始，以角速度ω＝2rad/s绕OO'轴匀速转动，则以下判断中正确的是
A.闭合电路中感应电动势的瞬时值表达式为e＝1.6sin (2t) V　
B.在t＝π/4 s时刻，穿过线圈的磁通量为零，但磁通量的变化率最大
C.从t＝0时刻到t＝π/4 s时刻，电阻R上产生的热量为3.2π×10－4J
D.从t＝0时刻到t＝π4 s时刻，通过电阻R的电荷量为0.04C
针对练6
电感器和电容器对交变电流的作用
第四部分
电感器和电容器对交变电流的作用
观察思考：当给电路分别接通直流和交流电，看看电感器和电容器对电流是否有影响？有何影响？
电感器和电容器对交变电流的作用
结论：
1.电感器对交变电流的阻碍作用
(1)感抗
①物理意义：表示电感器对交变电流阻碍作用的大小。
②影响感抗大小的因素：线圈的自感系数越大，交流电的频率越高，线圈的感抗越大。
(2)电感器的作用
①通直流、阻交流；②通低频、阻高频。
2.电容器对交变电流的阻碍作用
(1)容抗
①物理意义：表示电容器对交变电流阻碍作用的大小。
②影响容抗大小的因素：电容器的电容越大，交流电的频率越高，容抗越小。
(2)电容器的作用
①通交流、隔直流；②通高频、阻低频。
电感器和电容器对交变电流的作用
5
(多选)如图所示的电路中，a、b、c三灯亮度相同，电源为220 V、50 Hz的交流电源，以下叙述中正确的是(　　)
A.改接220 V、100 Hz的交流电源时，a灯变亮，b灯变暗，c灯亮度不变
B.改接220 V、100 Hz的交流电源时，a灯变暗，b、c灯变亮
C.改接220 V的直流电源时，a灯熄灭，b、c灯亮度不变
D.改接220 V的直流电源时，a灯熄灭，b灯变亮，c灯亮度不变
例7
电感器和电容器对交变电流的作用
5
(2025·福建莆田高二阶段练习)如图所示的交流电路中，如果电源电动势的最大值不变，交变电流的频率减小时，可以观察到三盏电灯亮度的变化情况是(　　)
A.L1、L2、L3亮度都不变
B.L1变暗、L2不变、L3变亮
C.L1变暗、L2变亮、L3亮度不变
D.L1变亮、L2变暗、L3亮度不变
针对练7
课堂回眸