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高中物理选修3-2期末复习:交变电流重难突破

2019-07-09 高中物理


第一节 交流电的产生和变化规律


一、交变电流:


大小和方向都随时间作周期性变化的电流叫做交变电流,简称交流。如图15-1所示(b)、(c)、(e)所示电流都属于交流,其中按正弦规律变化的交流叫正弦交流。如图(b)所示。而(a)、(d)为直流其中(a)为恒定电流。



高中物理选修3-2期末复习:交变电流重难突破  第1张


二、正弦交流的产生及变化规律


1、产生:当线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时,线圈中产生的交流是随时间按正弦规律变化的。即正弦交流。


2、中性面:匀速旋转的线圈,位于跟磁感线垂直的平面叫做中性面。这一位置穿过线圈的磁通量最大,但切割边都未切割磁感线,或者说这时线圈的磁通量变化率为零,线圈中无感应电动势。


3、规律:    


(1)函数表达式:从中性面开始计时,则e=NBSωsinωt εM表示峰值εM=NBSω,则e=εMsinωt在纯电阻电路中,电流I=sinωt=Isinωt,电压u=Usinωt 


4、交流发电机


(1)发电机的基本组成:


①用来产生感应电动势的线圈(叫电枢)


②用来产生磁场的磁极


(2)发电机的基本种类


①旋转电枢式发电机(电枢动磁极不动)


②旋转磁极式发电机(磁极动电枢不动)


无论哪种发电机,转动的部分叫转子,不动的部分叫定子


高中物理选修3-2期末复习:交变电流重难突破  第2张


第二节 表征交变电流的物理量


1、表征交变电流大小物理量


(1)瞬时值:对应某一时刻的交流的值,用小写字母表示,e  i  u


(2)峰值:即最大的瞬时值用大写字母表示,Um  εm            

εm= nsBω   

m=εm/ R


注意:线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线方向的轴匀速转动时,所产生感应电动势的峰值为ε=NBSω,即仅由匝数N,线圈面积S,磁感强度B和角速度ω四个量决定。与轴的具体位置,线圈的形状及线圈是否闭合都是无关的。


(3)有效值:


①意义:描述交流电做功或热效应的物理量


②定义:跟交流热效应相等的恒定电流的值叫做交流的有效值。


③正弦交流的有效值与峰值之间的关系是

高中物理选修3-2期末复习:交变电流重难突破  第3张


注意:正弦交流的有效值和峰值之间具有高中物理选修3-2期末复习:交变电流重难突破  第4张的关系,非正弦(或余弦)交流无此关系,但可按有效值的定义进行推导,如对于正负半周最大值相等的方波电流,其热效应和与其最大值相等的恒定电流是相同的,因而其有效值即等于其最大值。即I=I。


④交流用电器的额定电压和额定电流指的是有效值;交流电流表和交流电压表的读数是有效值。对于交流电若没有特殊说明的均指有效值。


⑤在求交流电的功、功率或电热时必须用交流电的有效值。


(4)峰值、有效值、平均值在应用上的区别


峰值是交流变化中的某一瞬时值,对纯电阻电路来说,没有什么应用意义。若对含电容电路,在判断电容器是否会被击穿时,则需考虑交流的峰值是否超过电容器的耐压值。

     

交流的有效值是按热效应来定义的,对于一个确定的交流来说,其有效值是一定的。而平均值是由公式高中物理选修3-2期末复习:交变电流重难突破  第5张确定的,其值大小由某段时间磁通量的变化量来决定,在不同的时间段里是不相同的。如对正弦交流,其正半周或负半周的平均电动势大小为高中物理选修3-2期末复习:交变电流重难突破  第6张,而一周期内的平均电动势却为零。在计算交流通过电阻产生的热功率时,只能用有效值,而不能用平均值。在计算通过导体的电量时,只能用平均值,而不能用有效值。


在实际应用中,交流电器铭牌上标明的额定电压或额定电流都是指有效值,交流电流表和交流电压表指示的电流、电压也是有效值,解题中,若题示不加特别说明,提到的电流、电压、电动势时,都是指有效值。


2、表征交变电流变化快慢的物理量


(1)周期T:电流完成一次周期性变化所用的时间。单位:s


(2)频率f:一秒内完成周期性变化的次数。单位:Hz


(3)角频率ω:就是线圈在匀强磁场中转动的角速度。单位:rad/s


(4)角速度、频率、周期的关系:高中物理选修3-2期末复习:交变电流重难突破  第7张


3、疑难辨析


交流电的电动势瞬时值和穿过线圈面积的磁通量的变化率成正比。当线圈在匀强磁场中匀速转动时,线圈磁通量也是按正弦(或余弦)规律变化的,若从中性面开始计时,t=0时,磁通量最大,φ应为余弦函数,此刻变化率为零(切线斜率为零),高中物理选修3-2期末复习:交变电流重难突破  第8张时,磁通量为零,此刻变化率最大(切线斜率最大),因此从中性面开始计时,感应电动势的瞬时表达式是正弦函数,如图所示分别是

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高中物理选修3-2期末复习:交变电流重难突破  第10张

   

第三节 电感和电容对交对电流的作用


1、电感对交流有阻碍作用。电感对电流阻碍作用的大小用感抗来表示。感抗的大小与线圈的自感系数和交变电流的频率有关,线圈的感系数越大,电流的频率越大。电感对交变电流的阻碍作用就越大,感抗也就越大。


低频扼流圈和高频扼流圈:



低频扼流圈

高频扼流圈

构造                

线圈绕在铁心上,匝数多,电阻小   

线圈绕在铁氧体上,匝数少

作用                                

通直流、阻交流

通过低频,阻高频


2、电容器能通交流


电容器有“通交流,隔直流”的作用。电容器对交流有阻碍作用。电容器对交流阻碍作用的大小用容抗来表示。影响容抗大小的因素:C和f


电容器的电容越大,电流频率越大,容抗越小。


第四节 变压器


1、变压器的构造


原线圈、副线圈、铁心


2、变压器的工作原理


在原、副线圈上由于有交变电流而发生的互相感应现象,叫做互感现象,互感现象是变压器工作的基础。


3、理想变压器


磁通量全部集中在铁心内,变压器没有能量损失,输入功率等于输出功率。


4、理想变压器电压跟匝数的关系:U1/U2= n1/n2


说明:对理想变压器各线圈上电压与匝数成正比的关系,不仅适用于原、副圈只有一个的情况,而且适用于多个副线圈的情况。即有高中物理选修3-2期末复习:交变电流重难突破  第11张。这是因为理想变压器的磁通量全部集中在铁心内。因此穿过每匝线圈的磁通量的变化率是相同的,每匝线圈产生相同的电动势,因此每组线圈的电动势与匝数成正比。在线圈内阻不计的情况下,每组线圈两端的电压即等于电动势,故每组电压都与匝数成正比。


5、理想变压器电流跟匝数的关系 I1/I2= n2/n1(适用于只有一个副线圈的变压器)


说明:原副线圈电流和匝数成反比的关系只适用于原副线圈各有一个的情况,一旦有多个副线圈时,反比关系即不适用了,可根据输入功率与输出功率相等的关系推导出:U1I1= U2I2+ U3I3+U4I4+……再根据高中物理选修3-2期末复习:交变电流重难突破  第12张……可得出:n1I1=n2I2+ n3I3+ n4I4+……


6、注意事项


高中物理选修3-2期末复习:交变电流重难突破  第13张

    

第五 电能的输送


1、输电线上损失的电功率P=I2R=(P输入2/U输入2)R


2、远距离输电示意图


高中物理选修3-2期末复习:交变电流重难突破  第14张


I2I线I3

U2U线+U3

P2P线+P3


输电电压提高到原来的n倍输电线上损失的电功率降为原来的1/n2

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