3.2.1交变电流的描述课件—2021-2022学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册（23张PPT）

3.2.1 交变电流的描述
1．矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时，线圈中产生正弦式交变电流。
2．从中性面开始计时，感应电动势瞬时值的表达式为e=NBSωsinωt，感应电动势的最大值为Em=NBSω。
3．中性面的特点：磁通量最大为Φm，但e=0。
上节课我们研究了矩形线圈在匀强磁场中转动，线圈中会产生正弦交流电。
[师问] 如何描述线圈中交变电流的变化规律呢?
1、公式法：从中性面开始计时，
2、图象法： 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，那么我们如何描述这种电流的变化特征呢？

1．交变电流的周期和频率。
交变电流跟别的周期性过程一样，是用周期或频率来表示变化快慢的。
（1）周期：我们把交变电流完成一次周期性变化所需的时间，叫做交变电流的周期。
周期用T表示，单位是s。
（2）频率：交变电流在1s内完成周期性变化的次数，叫做交变电流的频率。
频率用f表示，单位是Hz。
（3）周期和频率的关系是：
一、周期和频率　
汉武帝
[说明]
① 我国工农业生产和日常生活中用的交变电流周期是0.02S，频率是50Hz，电流方向每秒钟改变100次。
② 交变电流的周期和频率跟发电机转子的角速度有关。越大，周期越短、频率越高。
汉武帝
[演示实验]
把小灯泡接在手摇交流发电机模型的输出端。当转子的转速由小增大时，我们看到，小灯泡发光的闪烁频率也由小增大，当转子的转速大到一定程度，由于交变电流的大小和方向变化太快，由于人眼存在视觉暂留的缘故，所以眼睛已不能分辨灯光的闪烁。这就是为什么照明电是交变电流，而电灯亮时看不见一闪一闪的原因。
典例精析
如图所示，矩形线圈abcd，已知ab为L1，ad为L2，在磁感强度为B的匀强磁场中绕OO′轴以角速度ω(从图中位置开始)匀速转动，则线圈中感应电动势的大小为(　　)
A．BL1L2ωsin ωt B．BL1L2cos ωt
C．BL1L2ωsin ωt D．BL1L2ωcos ωt
解析：线圈经过时间t时，转过角度θ，这时ab，cd边切割磁感线产生感应电动势Eab＝BL1vsin θ，Ecd＝BL1vsin θ，bc，ad边不切割磁感线不产生感应电动势，故线圈中的感应电动势为E＝Eab＋Ecd＝2BL1vsin θ＝2BL1·1/2L2ωsin ωt＝BL1L2ωsin ωt.
故选：C。
变式训练
如图所示，一矩形线圈abcd放置在匀强磁场中，并绕过ab、cd中点的轴OO′以角速度ω逆时针匀速转动．若以线圈平面与磁场夹角θ＝0°时(如图)为计时起点，并规定当电流自a流向b时电流方向为正．则下列四幅图中正确的是(　　)
解析：矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动，从线圈平面与磁场方向平行开始计时，产生的感应电流按余弦规律变化，由于t=0时，线圈的转动方向如题图，由右手定则判断可得，此时ad中电流方向为由a到d，线圈中电流方向为a→d→c→b→a，与规定的电流正方向相反，电流为负值．又因为此时产生的感应电动势最大。
故选：D。
① 我国工农业生产和日常生活中用的交变电流周期是0.02s，频率是50Hz，电流方向每秒钟改变100次。
② 交变电流的周期和频率跟发电机转子的角速度有关。越大，周期越短、频率越高。
技法点拨：
（1）交变电流峰值（Im、Em、Um）：指交变电流各个参量一个周期内所能达到的最大值。表示交变电流的强弱或电压的高低。实际中需要考虑。
例如：电容器接在交流电路中，应需要知道交变电压的最大值，电容器的额定电压应高于交变电压的最大值，否则电容器有可能被击穿。
（2）交变电流有效值（I、E、U）：
二、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。
(a)、怎样计算通电1s内电阻R中产生的热量?
解析：图象反映的交变电流可以分为4段。前半个周期中，0---0.2s内，可看成电流大小为1A的恒定电流，0.2s---0.5s内，可看成电流大小为2A的恒定电流.后半个周期的电流与前半个周期方向相反，但产生热量相同。
二、峰值和有效值　
交流电的热量：
（b）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?
恒定电流的热量：
[教师指出]
1） 有效值：（抓三个相同）让交流与恒定电流通过相同的电阻，如果它们在一个周期内内产生的热量相等，把恒定电流的值叫做这个交变电流的有效值。
2） 正弦交流电有效值与最大值之间的关系
[说明]
①交流用电设备上所标的额定电压和额定电流是有效值；交流电压表和交流电流表的示数是有效值；交变电流的数值在无特别说明时都是指有效值。
②交变电流的有效值是根据电流的热效应来规定的。引入有效值的的概念便于把处理恒定电流的一些方法拓展到交流电中。
典例精析
阻值不计的矩形线圈在匀强磁场中，绕垂直于磁感线的轴匀速转动，线圈两端的电压随时间的变化规律如图所示。下列说法中，正确的是(　　)
A．线圈两端电压的平均值为10 V
B．电压表连接在线圈两端时，其示数为20 V
C．在0.01 s时，线圈平面与磁场垂直
D．当接外电路时，线圈内的电流方向1 s内改变50 次
解析:线圈两端电压平均值可看成E－t图线与t轴包围面积与时间的比值，故平均值应大于10 V，A项错误；由E－t图象知，Um＝20 V，故有U有＝10 V＝14 V，即电压表读数为14 V，B项错误；t＝0.01 s时，U＝0，线圈位于中性面位置，故C项正确；由T＝0.02 s，知f＝50 Hz，一个周期内电流方向改变两次，故线圈中电流方向每秒变化100次，D项错误。
故选：C。
变式训练
一个白炽灯泡上标有“220 V　40 W”，那么为了使它正常发光，所使用的正弦交变电压是(　　)
A．电压最大值为220 V，电流最大值约为0.18 A
B．电压最大值为311 V，电流最大值约为0.26 A
C．电压有效值为220 V，电流有效值约为0.26 A
D．电压有效值为311 V，电流有效值约为0.18 A
解析:白炽灯泡上标有“220 V　40 W”，灯泡额定电压为220 V，是指有效值，所以电压有效值为220 V，根据正弦式交流电有效值跟最大值的关系得到电压最大值为Em＝2202 V，电流有效值I＝40220 A＝0.18 A，电流最大值约为0.18 2 A＝0.26 A，故B项正确。
故选：B。
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①交流用电设备上所标的额定电压和额定电流是有效值；交流电压表和交流电流表的示数是有效值；交变电流的数值在无特别说明时都是指有效值。
②交变电流的有效值是根据电流的热效应来规定的。引入有效值的的概念便于把处理恒定电流的一些方法拓展到交流电中。
技法点拨：
周期或频率：表示交变电流变化的快慢。
有效值：表示交变电流的热效应。
正弦交变电流有效值与最大值存在着一定的关系。
再见