高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册交变电流学案

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册交变电流学案，共20页。学案主要包含了交变电流，交变电流的产生，交变电流的变化规律，交流发电机，正弦式交变电流的产生原理，变压器与分压器的比较等内容，欢迎下载使用。
第3章知识点清单
目录
第3章 交变电流
第1节 交变电流
第2节 交变电流的描述
第3节 变压器
第4节 电能的输送
第3章 交变电流
第1节 交变电流
一、交变电流
1. 交变电流(AC)：在供给工农业生产和日常生活用电的电力系统中，发电机产生的电动势是随时间做周期性变化的，因而，很多用电器中的电流、电压也随时间做周期性变化，这样的电流叫作交变电流，简称交流。
2. 直流(DC)：方向不随时间变化的电流称为直流。
日常生活中使用得更多的是交流，如下图：
二、交变电流的产生
1. 线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀
速转动，线圈中就会产生正弦式交变电流。
2. 过程分析：

3. 中性面：线圈平面与磁场垂直的位置。
线圈转动一周，两次经过中性面，电流方
向改变两次。
三、交变电流的变化规律
1. 正弦式交变电流：按正弦规律变化的交变电流，简称正弦式电流。
2. 正弦式交变电流的瞬时值表达式
四、交流发电机
1. 交流发电机的基本组成为两部分，即产生感应电动势的线圈(通常叫作电枢)和产生磁场的磁体。电枢转动，磁极不动的发电机，叫作旋转电枢式发电机。磁极转动，电枢不动的发电机，叫作旋转磁极式发电机。
2. 发电机和电动机的比较
五、正弦式交变电流的产生原理
1. 产生原理
由法拉第电磁感应定律可知，当穿过闭合回路的磁通量发生变化，闭合回路中就可以产生感应电动势和感应电流。当线圈在磁场中转动时，线圈所在的闭合回路中有感应电流产生，可用如图所示的装置做实验，当线圈
转动时，可以观察到电流表的指针来回摆动，说
明流过电流表的电流大小和方向都在不停地变化。物理量
函数关系
图像
磁通量
Φ=Φm cs ωt=BS cs ωt
电动势
e=Em sin ωt=NBSω sin ωt
电压
u=Um sin ωt=REmR+rsin ωt
电流
i=Im sin ωt=EmR+rsin ωt
发电机
电动机
不同点
原理
电磁感应现象
通电导体在磁场中受力而运动
能量转化
机械能→电能
电能→机械能
相同点
都由线圈、磁体组成
2. 交变电流产生过程中的两个特殊位置
3. 过程分析
如图所示为线圈ABCD在匀强磁场中绕轴OO'转动时的截面图，
AB和CD两个边切割磁感线，产生感应电动势，线圈中就有了
电流(或者说穿过线圈的磁通量发生变化而产生了感应电流)。

具体分析如图所示：当线圈转动到图甲位置时，导体不切割磁感线，线圈中无电流；
当线圈转动到图乙位置时，导体垂直切割磁感线，线圈中有电流，且电流从A端流入；线圈在图丙位置时不切割磁感线，线圈中无电流；线圈在图丁位置时，电流从A端流出，这说明电流方向发生了改变；线圈在图戊位置同在图甲位置。线圈这样转动下去，就在线圈中产生了交变电流。

图示
概念
中性面位置
与中性面垂直的位置
特点
B⊥S
B∥S
Φ=BS，最大
Φ=0，最小
e=nΔΦΔt=0，最小
e=nΔΦΔt=nBSω，最大
感应电流为零，方向改变
感应电流最大，方向不变
六、交变电流的变化规律
1. 导体切割磁感线分析的过程
若线圈平面从中性面开始转动，如图所示(O为AD中点)，则经过时间t：
2. 峰值
(1)由e=NBSω sin ωt知，电动势的峰值Em=NBSω。
(2)电动势的峰值由线圈匝数N、磁感应强度B、转动角速度ω及线圈面积S决定，与线圈的形状无关，与转轴相对线圈的位置无关(但转轴必须垂直于磁场方向)，因此如图所示的几种情况，若N、B、S、ω相同，则电动势的峰值相同。

(3)电流的峰值可表示为Im=NBSωR+r。
3. 正弦式交变电流的瞬时值表达式
(1)从中性面开始计时
①e=NBSω sin ωt=Em sin ωt。
②i=eR+r=EmR+r sin ωt=Im sin ωt。
③u=iR=ImR sin ωt=Um sin ωt。
(2)从垂直于中性面位置(即从线圈平面与磁场方向平行时)开始计时：①e=Em cs ωt；②i=Im cs ωt；③u=Um cs ωt。
4. 求解交变电流电动势瞬时值表达式的基本方法
(1)确定线圈转动从哪个位置开始计时，以确定交变电流是按正弦规律变化还是按余弦规律变化。
(2)确定线圈转动的角速度。
(3)确定感应电动势的峰值Em=NBSω。
(4)写出瞬时值表达式e=Em sin ωt或e=Em cs ωt。
第2节 交变电流的描述
一、周期、频率、角速度和转速
二、峰值和有效值
1. 峰值
(1)定义：交变电流的电压、电流所能达到的最大值。
(2)应用：电容器所能承受的电压要高于交流电压的峰值。
物理量
定义
单位
公式
意义
周期
交变电流完成一次周期性变化所需的时间
秒
T=1f
周期越大，则交变
电流变化越慢
频率
交变电流完成周期性变化的次数与所用时间之比
赫兹(Hz)
f=1T
频率越大，则交变
电流变化越快
角速度
产生交变电流的线圈单位时间转过的弧度
弧度每秒
(rad/s)
ω=2πT=2πf
角速度越大，则交
变电流变化越快
转速
产生交变电流的线圈单位时间转过的圈数
转每秒(r/s)
n=f
转速越大，则交变
电流变化越快
2. 有效值
(1)定义：让交变电流与恒定电流分别通过大小相同的电阻，如果在交变电流的一个周期内它们产生的热量相等，而这个恒定电流的电流与电压分别为I、U，我们就把I、U叫作这一交变电流的有效值。
注意 根据定义求解有效值时要注意“三同”，即电阻相同、时间相同、产生的热量相同。
(2)实际中的有效值
①使用交流的电气设备上所标注的额定电压和额定电流。
②交流电表测量的数值。
③无特别说明时提到的交变电流的数值。
注意 在计算交变电流通过导体产生的热量和电功、电功率以及确定保险丝的熔断电流时，只能用交变电流的有效值。
(3)在正弦式交变电流中：有效值E=Em2，U=Um2，I=Im2。
三、电感器、电容器对交变电流的影响
1. 电感器对交流电的阻碍作用
(1)电感器对交流电有阻碍作用，称为感抗；
(2)线圈的自感系数L越大、交流电的频率f越高，感抗越大；
(3)低频扼流圈：自感系数L大，通直流、阻交流；高频扼流圈：自感系数L小，通直
流、通低频、阻高频。
2. 电容器对交流电的阻碍作用
(1)交变电流能够通过电容器，但电容器对交变电流有阻碍作用，称为容抗；
(2)电容器的电容C越大、交流电的频率f越高，容抗越小；
(3)隔直电容器：电容C大，隔直流、通交流；高频旁路电容器：电容C小，阻低频、通高频。
3. 感抗大小的决定式为XL=2πfL，容抗大小的决定式为XC=12πfC，高中阶段通常只要求会用它们进行定性分析，不要求定量计算。
四、交变电流有效值的理解和计算
1. 计算有效值的两种方法
(1)按正(余)弦规律变化的交变电流，可利用正弦式交变电流的有效值与峰值的关系求解，即E=Em2，U=Um2，I=Im2。
(2)对于非正弦式交变电流，必须根据有效值的定义进行计算。
第一步：计算交变电流在一个周期内产生的热量Q；
第二步：将Q用相应的物理量的有效值表示，Q=I2RT或Q=U2RT；
第三步：代入数值，求解有效值。
2. 几种常见电流有效值的计算
五、交变电流的图像问题
1. 对交变电流图像的认识
正弦式交变电流随时间的变化情况可以用图像表示，图像描述的是交变电流的电动势、电流或电压随时间变化的规律，它们是正弦曲线，如图为i-t图像。
2. 交变电流图像的应用
从图像中可以得到的信息：
(1)交变电流的最大值、线圈转动一圈所用的时间。
(2)线圈位于中性面的时刻。
(3)线圈平行于磁感线的时刻。
(4)线圈中磁通量的变化情况。
(5)i、e随时间的变化规律。
六、交变电流的“四值”
1. 平均值的求法
交变电流的图像中，图线与横轴(t轴)所围的面积跟时间的比值表示交变电流的平均值。在电磁感应现象中，电路中产生的感应电动势的平均值与感应电流的平均值的数学表达式为E=NΔΦΔt，I=ER+r。当需要求某段时间内通过某一横截面的电荷量时，可用q=IΔt，而 是这段时间内电流的平均值，可用I=ER+r求解， E=NΔΦΔt，故q=I·Δt=NΔΦR+r。对于产生正弦式交变电流的电路，求ΔΦ的方法之一是先求Φm，由于Em=NBSω，则Φm=BS=EmNω，然后根据Φ=Φm cs ωt(或Φ=Φm sin ωt)很容易求出线圈转过某一角度时磁通量的变化量。
电流名称
图像
有效值
正弦式交变电流
I=Im2
正弦半波电流
I=Im2
正弦单向脉冲电流
I=Im2
矩形单向脉冲电流
I=t1TIm
非对称性矩形脉冲电流
I=12(I12+I22)
2. 正弦式交变电流四值的对比
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
e=Em sin ωt
i=Im sin ωt
计算线圈某时刻的受力情况
峰值
最大的瞬时值
Em=NBSω
Im=EmR+r
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值
E=Em2
U=Um2
I=Im2
①提到交变电流，在没有特别说明时都是指有效值；
②使用交流的电气设备上标出的额定电压、额定电流都是有效值；
③交流电表显示的示数是有效值；
④计算电功、电热时需用有效值；
⑤保险丝的熔断电流是指有效值
平均值
交变电流图像中图线与时间轴所围的面积与时间的比值
E=NΔΦΔt
I=ER+r
计算通过电路中某一横截面的电荷量
第3节 变压器
一、变压器的原理
1. 构造
变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成的，一个线圈与交流电源连接，叫作原线圈，也叫初级线圈；另一个线圈与负载连接，叫作副线圈，也叫次级线圈。两个线圈都是由绝缘导线绕制而成的，铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。变压器是用来改变交流电压的装置，变压器的构造示意图及电路图中的符号分别如图甲、乙所示。

2. 工作原理
变压器的变压原理是电磁感应。如图所示，当原线圈上加交流电压U1时，原线圈中就有交变电流，它在铁芯中产生交变的磁场，在原、副线圈中都要产生感应电动势。如果副线圈是闭合的，则副线圈中将产生交变的感应电流。原、副线圈间虽然不相连，电能却可以通过磁场从原线圈传递到副线圈。其能量转化方式为：原线圈的电能→磁场能→副线圈的电能。
二、理想变压器
1. 概念：没有能量损耗的变压器叫理想变压器，它也是一种理想化的模型。
2. 基本关系：(只有一个副线圈时)
(1)电压关系：
(2)电流关系： I1I2=n2n1。
(3)功率关系：P1=P2(即U1I1=U2I2)。
三、理想变压器的原理及基本关系
1. 基本关系
(1)电压关系：对于理想变压器，原、副线圈两端的电压满足U1U2=n1n2。对于有多个副线圈的理想变压器，电压与线圈匝数成正比依然成立，即U1n1=U2n2=U3n3=…
当n2>n1时，U2>U1，这种变压器使电压升高，是升压变压器。当n2