交变电流的产生和变化规律

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1、交变电流的产生和变化规律目标认知必 学习目标1.了解交变电流，理解正弦交流电的概念。2.理解正弦交流电的产生过程及产生条件，能够利用电磁感应定律推导计算正弦交流电的瞬时值表达式二艮如口卜。qin碗,二飞泗家3 .从正弦交流电产生过程、变化图象及解析式afg诳三个方面的结合上去理解 它的变化规律。4. 理解描述交流电的物理量：最大值、有效值、周期、频率等的意义及相应计算，尤其是有效值的意义和相关计算。5. 能够熟练地写出正弦交流电的瞬时值表达式以及从它的变化图象上读出有用信息。6. 了解电感电容对交流电的影响以及交流电、直流电作用于电感电路的不同之处；了解电感和电容在交流电路中的应用。7. 能将

2、电磁感应的相关知识迁移到本部分内容中解决问题；能理解物理学等效思想的意义。学习重点必1.对正弦交流电的产生过程和变化规律的理解。2.理解描写交流电的物理量，能熟练地写出正弦交流电的瞬时值表达式，熟练地进行最大值与有效值的计算。学习难点皿1. 正弦交流电产生过程以及对中性面特点的理解。2. 有效值的意义以及应用有效值的概念进行能的转化和守恒的有关计算。3 .电感和电容对交流电影响。知识要点梳理基知识点一：直流电和交流电宓要点诠释：1. 直流电必电流的方向不随时间变化的电流或电压叫做直流电。直流电可以分为：脉动直流电和恒定电流两种形式。脉动直流电：电流或电压的大小随时间发生变化，但方向不发生变化，

3、如图甲、乙所示。恒定电流（或恒定电压）：电流或电压的大小和方向都不随时间发生变化，如图丙、丁。2. 交流电必电路中的电流大小和方向都随时间做周期性的变化，这样的电流叫交变电流，简称交流(AC)。实际应用中，交变电流有不同的变化规律，常见的有以下几种，如图所示。蒙庭胞5S中的示波器申的零电子计算机中激光通样中 正弦空斐电流肉波扫描电掠W建影厩神的笑豚卸早匕询T知识点二：正弦交流电的产生和变化规律攵:要点诠释：1. 实验装如图所示，一个线圈在匀强磁场中绕着垂直于磁场的轴匀速转动时，就会在线圈中产生 正弦交流电。注意如下几点： 线圈所在空间的磁场是匀强磁场； 线圈匀速转动； 线圈的两个端分别固定在完

4、整的滑环L、K上，碳刷F和E各自与L、K始终相接， 也就是说，每个碳刷始终和线圈的同一个端相接对外供电。（这是与直流发电机所不同的地 方）。2 .正弦交流电方向变化的位置一中性面必(1)中性面线圈平面与磁感线垂直的位置，如上图中甲、丙线圈所在平面即为线圈中性面。(2 )中性面的特点 线圈的各边都不切割磁感线，线圈中无感应电动势和感应电流产生。 线圈每经过一次中性面，电流的方向就改变一次，线圈每转一周电流方向改变2次。土 13 在中性面处线圈包围的磁通量最大，但其变化率Ar。3 .正弦交流电电动势最大的位置一与中性面垂直的位置必如上图乙、丁线圈所在位置。(1 )与中性面垂直的位置的特点由于磁场与

5、线圈平面平行，所以磁通量为零，但是磁通量的变化率却最大，因此感应电 动势最大，感应电流最大。(2 )此位置线圈的AB边和CD边的速度方向与磁盛线垂直线圈远离此位置时，感应电动势变小。4.正弦交流电：电动势、电流、电压随时间的变化规律必(1) 正弦交变电流的瞬时表达式(从中性面开始计时)? = sinsin OHj = 7 sinMMM其中u、e分别表示电流、电压、电动势的瞬时值，Im、Um、Em分别表示电流、电压、电动势的最大值。(2)正弦交变电流的图象如图：(3 )对正弦交变电流的图象的理解正弦交变电流随时间变化情况可以从图象上表示出来图象描述的是交变电流随时间变化的规律，它是一条正弦曲线，

6、如图所示:从图象中可以解读到以下信息：交变电流的最大值Im、Em、周期T。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。 找出线圈平行磁感线的时刻。 判断线圈中磁通量的变化情况。 分析判断i、e随时间的变化规律。知识点三：正弦交流电瞬时值表达式的推导过程及求解步骤炽:要点诠释：1交变电流的瞬时值表达式的推导点设线圈从中性面起经时间t转过角度日，则目=3t ,此时两边ab、cd速度方向与磁感线方向的夹角分别为伽和(180-3t),如图所示:它们产生的感应电动势同向相加，整个线圈中的感应电动势为：昌=sin + BZvsm(180-=23国 vsin 凶

7、 J|v= oj 因为，代入上式中得：昌=二耳 sino对纯电阻电路，设闭合电路总电阻为R，由欧姆定律得闭合回路的电流瞬时值I =旦 sm = I* sin 砒R、Ro此时加在电路的某一段电阻R 上的电压瞬时值：沈n艮二孔爪侦11 m=。萨in血 o2. 求解交变电动势瞬时值的步骤必 确定线圈转动是从哪个位置开始计时。 确定表达式是正弦还是余弦。 确定转动的角速度3及N、B、S等。 求出峰值Em,写出表达式，代入角度求瞬时值。知识点四：描述交流电的物理量虹:要点诠释：1. 描述交变电流大小的物理量保；(1)峰值交变电流在一个周期内所能达到的最大值)1!峰值可以用来表示交变电流的强弱或电压的 高

8、低，但不适于用来表示交流电产生的热量或转化为多少其它形式的能。峰值在实际中有一定的指导意义，所有使用交变电流的用电器，其最大耐压值应大于其 使用的交变电压的峰值，电容器上的标称电压值是电容器两极间所允许施加电压的最大值。(2) 有效值使交变电流和直流电通过相同阻值的电阻，如果它们在相等时间内产生的热量相等，就 把这一直流电的数值叫做这一交变电流的有效值。 在没有特别说明时，通常所说的交变电流、电压、电动势都是指有效值，交流电流表 测量的值也是有效值，交流用电设备铭牌标出的电压、电流值也是指有效值。z = u=uK 正弦交变电流的有效值与最大值之间的关系：血，血， E*。(3) 1瞬时值交流电的

9、瞬时值反映的是不同时刻交变电流的大小和方向，瞬时值是时间的函数，不同 时刻瞬时值不同。(4) 平均值- A中E二靠其数值可以用&计算。注意某段时间内的交流电的平均值不等于这段时间始末时刻瞬时值的算术平均值。对有效值的说明： 有效值是根据直流电和交流电的热效应等效定义的，旨在描写一个变化的交流电能量 转化情况。z = u = -=uK牛髦 也， 欢 ，仅适用于正弦交流电，对其它变化形式的交 也 豪等关系适用于正弦交流电长时间作用的效果，即口胃，若tT时，只有TT L 1在 2 ,t=T或者从i=0到i=Im的4、4的时间内成立。2. 描写交流电变化快慢的物理，必周期交变电流完成一次周期性变化所需

10、的时间，用T表示，单位是秒(s)。(2) 频率1 s内交变电流完成周期性变化的次数，用f表示，单位是赫兹(Hz)。(3) 周期T、频率f、线圈的转速及3的关系7 = 1 T = / , 做，佥=2矽=2rn 3的单位取r / s )知识点五：电感、电容对交变电流的影响伫:要点诠释：1.电感对交变电流的阻碍作用必对比法实验探究如图，把线圈L与白炽灯串联起来，先把它们接到直流电源上，再把它们接到交流电源 上。取直流电源的电压与交流电压的有效值相等。观察两种情况下灯泡的亮度。(2) 实验现象接通直流电源时，灯泡亮度大；接通交流电源时，灯泡亮度小。(3) 实验结论电感线圈对交变电流有阻碍作用。电感对交

11、变电流的阻碍作用的大小用感抗表示，线圈 的自感系数越大，交变电流的频率越高，阻碍作用就越大，感抗也就越大。(4) 电感线圈的特性及应用特性：通直流阻交流。应用： 低频扼流圈：通直流阻交流，线圈的自感系数很大。 高频扼流圈：通低频阻高频，线圈的自感系数较小。 日光灯镇流器：日光灯正常工作时，起降压限流作用。2 .电容器对交流电的阻碍作用，必(1)对比实验探究如图所示，把白炽灯和电容器串联起来，先把它们接到直流电源上，再把它们接到交流 电源上，观察灯泡的发光情况。把电容器从电路中取下来，使灯泡直接与交流电源相连，再 观察灯泡的发光情况。(2) 实验现象电路中串有电容器时，接通直流电源，灯泡不亮；接

12、通交流电源，灯泡亮；把电容器从 电路中取下来，使灯泡直接与交流电源相连，灯泡要比接有电容器时更亮。(3) 实验结论电容对交流电有阻碍作用，这个阻碍作用用容抗表示。关于容抗： 表示电容对交变电流阻碍作用的大小。 大小由电容器的电容和交变电流的频率决定。电容越大，交变电流的频率越高，容抗X广i就越小。若用XC表示容抗，。表示电容器的电容表示交变电流的频率则有2矽。(说明：对于容抗的公式，只要求作定性的解释，不要求作定量的计算) 容抗的单位是欧姆，在交变电路中类似于一个电阻。(4 )电容的特性和应用特性：通交流，隔直流；通高频，阻低频。应用： 放大器的级间耦合，称为耦合电容，用来传递经过放大了的交流

13、信号。 过滤脉动直流电的高频成份，称为滤波电容。规律方法指导必1.正弦交流电的三要素如（1）最大值：乳二2必加二湖湿二咽佥，其中v表示线圈切割磁感线的线速度， 乳表示线圈转动过程的最大磁通量。12汗x -二2矽（2）角速度：了（3）初相位：计时起点t=0时刻线圈平面与中性面所夹的角席。（表示线圈的初位置）说明：三要素明确之后，正弦交流电的瞬时值表达式便可以顺利地写出，即号二乳血（农+麻）2将正弦交流电产生过程中线圈的位置、表示变化规律的图象上的点、解析式的三者对应起来形成对正弦交流电的状态和变化规律的准确、完整的认识。3. 理解中性面的特殊意义必& e=0，i=0，但山最大。_=0 研一岛政A

14、f 。 是交流电方向变化的位置。（对于日常使用的正弦交流电f=50 Hz，方向每秒钟改变100次）4 .对交变电流的有效值的理解必（1）交变电流的有效值是根据电流的热效应（电流通过电阻生热）进行定义的，所以 进行有效值计算时，要紧扣电流通过电阻生热（或热功率）进行计算。计算时相同时间一般要取一个周期的时间。半周期对称的可取半周期。（2）常见的几种交流电的有效值交变电流名称交变电流图样有效值；K r .正弦式交变电流m穴T正弦半波交变电流u=(z：Tf2 T f2正弦单向脉动电流心一772 T rIL矩形脉动电流i 1 u*Or! Ti非对称性交变电流w半1rri t - i1 iV 2在高中阶段能计算有效值的非正弦交流问题主要有以下两类：（1）各段时间内电流的大小有各自不变的值，且有周期性。（2）某段时间电流按正弦规律变化，且这段时间内电流完成整数个由零到最大值的变化，且这种变化情况有周期性。建议同学们对上述交流电，根据有效值的定义，分别计算它们的有效值，并与表中数值对照！5交变电流的有效值和平均值