新教材2021-2022学年高中物理鲁科版选择性必修第二册课件 第3章 交变电流与远距离输电(付)

2021
第3章
第1节 交变电流的特点
内
容
索
引
01
课前篇 自主预习
02
课堂篇 探究学习
学习目标
1.知道什么是交变电流。(物理观念)
2.通过实验探究恒定电流与交变电流的区别。(科学探究)
3.知道交变电流的周期和频率、最大值和有效值。(物理观念)
4.了解最大值和有效值不同的实际应用意义。(科学思维)
思维导图
答案 BD
问题三
交变电流的最大值和有效值
【情境探究】
如图所示为一交变电流的图像。
(1)此交变电流的周期为多大?
(2)此交变电流的最大值为多少?
(3)此交变电流的有效值为
2
A吗?为什么?
2
要点提示 (1)此交变电流的周期为 2×10-2 s;(2)此交变电流的最大值为 1 A;(3)
2
此交变电流的有效值不是 2
向垂直于线圈平面,从某时刻起穿过线圈的磁通量按如图所示规律变化,则
线圈中产生交变电流的有效值为(
A.5 2 A
B.2 5 A
C.6 A
D.5 A
)
解析 0~1 s 内线圈中产生的感应电动势
Δ
E1=n Δ =100×0.01
Δ'
0.01
线圈中产生的感应电动势 E2=n =100×
Δ'
0.2
圈,在一个周期内产生的热量
课前篇 自主预习
一、直流电流与交变电流
1.恒定电流
正常工作的干电池提供的电压不变,因而在电路中形成的电流大小和方向
都不随时间变化,是恒定电流(如图甲)。
2.直流电流
方向不随时间变化的电流为直流电流。
3.交变电流
在电路中形成的电流大小和方向随时间做周期性变化的电流是交变电流
(如图乙)。
想一想如图甲、乙所示的电流为交变电流的是哪个图?
流,以及用电器的额定电压、额定电流,还有保险丝的熔断电流,都是指其
有效值。
2.交变电流有效值的计算
(1)若是正弦式交变电流,可利用交变电流的有效值与峰值间的关系求解,
即
m
m
U= 2 ,I= 2。
(2)若不是正弦式交变电流,则必须根据电流的热效应来求解其有效值,且
时间取一个周期。
(3)求解思路:假设让交变电流通过相同电阻R,计
)
A.它的周期是0.4 s
B.它的峰值是4 A
C.它的有效值是2 2 A
D.它的频率是0.8 Hz
解析 由此图像可知它的周期是0.8 s,故A错误;它的峰值是4 A,故B正确;它
不是正弦式交变电流,因此有效值不等于最大值除以 2 ,即它的有效值不
是2 2 A,故C错误;它的周期是0.8
答案 B
1
s,频率f=
的数值是有效值;交变电流的数值在无特别说明时都指有效值。
想一想家用电是正弦式交变电流,电流的大小和方向在不断变化,我们常说
家用电电压为220 V,频率为50 Hz,这里的220 V和50 Hz的物理意义是什么?
如果电路中含有电容器,对电路的电压有什么要求?
提示 家用电压为220 V,指的是交变电流电压的有效值,频率为50 Hz,指交
)
A.该电压是直流电压
B.该电压是交流电压
C.该电压的周期是0.2 s
10
D.该电压的频率是 3
Hz
解析 从图像可以看出每经过0.3 s开始重复上一个过程,所以0.3 s是一个周
期,频率是
10
3
Hz,在一个周期内,前0.1 s电压为正值,后0.2 s电压为负值,表示
前后电流方向相反,所以是交变电流,B、D对,A、C错。
想一想打点计时器总是每0.02 s打一次点,交变电流的频率为多少?
提示 每0.02 s打一次点,打点计时器接的交变电流的频率f=50 Hz。
三、交变电流的最大值和有效值
1.最大值
我们用Um、Im分别表示交变电压和电流能达到的最大值,又称峰值。
2.有效值
让恒定电流和交变电流分别通过阻值相等的电阻,如果它们在相同的
A.正弦式交变电流出现两次最大值的时间间隔等于周期的一半
B.正弦式交变电流1 s内出现最大值的次数等于频率
C.正弦式交变电流方向变化的频率为交变电流频率的2倍
D.50 Hz的交变电流,其周期等于0.05 s
)
解析 根据周期的定义知选项A正确。根据频率的定义可知选项B错误。因
为在一个周期的时间内,正弦式交变电流会出现正向和负向最大值各一次,
【情境探究】
两种电流的图像:恒定电流(如图甲所示),交变电流(如图乙所示)。
下面电流的波形图是表示交变电流的吗?
要点提示 图中电流均为正值,说明电流的方向不随时间变化,则此电流不
是交变电流。
【知识点拨】
1.交变电流的方向随时间变化,而直流电流的方向不随时间变化。另外,交
变电流的大小可以不变,如矩形脉冲,而直流电流的大小可以变化。
化。
【知识点拨】
1.线圈转动一周,交变电流恰好完成一次周期性变化。
2.从线圈转动的角度来说,周期就是线圈在磁场中转动一周所用的时间;频
率就是线圈在磁场中一秒钟内转动的圈数。
画龙点睛 我国日常生活中所用的市电的周期为0.02 s,频率为50 Hz,电流
方向在1 s内改变100次。
【典例剖析】
例2(多选)关于交变电流的周期和频率,下列说法中正确的是(
正弦式交变电流在一个周期内方向改变两次,即正弦式交变电流方向变化
的频率为交变电流频率的2倍,所以选项C正确。由
项D错误。故正确答案为A、C。
答案 AC
1
T=

=
1
s
=0.02
50
s,知选
规律方法 民用交变电流的周期和频率
(1)我国电网中交变电流的周期是0.02 s,频率是50 Hz。但并不是所有国家
)
A.周期是0.2 s,电流的峰值是10 A
B.周期是0.15 s,电流的峰值是10 A
C.频率是5 Hz,电流的有效值是10 A
D.频率是0.2 Hz,电流的有效值是7.07 A
解析 由图像可知T=0.2 s,Im=10 A,故频率
项A正确,B、C、D错误。
答案 A
1
f= =5

m
Hz,I= =5
提示 乙所示的电流为交变电流。
二、交变电流的周期和频率
1.周期:交变电流完成一次周期性变化所需要的时间。用T表示,单位是
秒(s)。
2.频率:交变电流在一段时间内完成周期性变化的次数与这段时间之比称
为交变电流的频率,用f表示,单位是赫兹(Hz)。
1
3.周期(T)和频率(f)之间的关系: T=
。
4.正弦式交变电流:电流的大小和方向随时间按正弦规律变化的电流。
2
2 A=7.07 A,选
3.(多)下列说法正确的是(
)
A.使用交变电流的用电器铭牌上所标示的额定电压、额定电流的数值均
为最大值
B.用交流电流表和电压表测得的数值是有效值
C.照明电路电压220 V指的是有效值
m
D.所有交变电流的有效值和最大值之间均存在 U= 2 和
m
I= 的关系
2
解析 各种使用交流电的用电器铭牌上所标示的额定电压、额定电流均为
答案 ×
(2)i-t波形图是正弦曲线的一定是交变电流。(
)
解析 只有电流的方向发生变化,才有可能是交变电流,若方向不变,尽管大
小随时间做周期性变化亦为直流电。
答案 ×
(3)我国交变电流周期为0.02 s,频率为50 Hz。(
)
答案
(4)只要是交变电流,其最大值就是有效值的 2 倍。(
解析 正弦式交变电流,其最大值是有效值的 2倍。
时间内产生的热量相等,就把该恒定电流的数值规定为这个交变电流的有
效值。交变电流的电流、电压的有效值分别用I、U表示。
3.正弦式交变电流的有效值和最大值的关系
m
m
U= 2 =0.707Um,I= 2=0.707Im。
4.应用
(1)电气元件或设备上所标的耐压值指该设备所能承受的交变电流的
最大值。
(2)交流用电设备上所标的额定电压和额定电流是有效值;交流电压表测量
流电压、电流每秒钟周期性变化50次。把交变电流接到电容器两端时,交
流电压的峰值应小于电容器所能承受的最大电压(又叫电容器的耐压值、
击穿电压),否则电容器就有被击穿的危险。
【自我检测】
1.正误判断(判定结果为错误的小题请写出原因)
(1)方向不变的电流就是恒定电流。(
)
解析 大小和方向都不随时间变化的电流是恒定电流。
有效值,故A项错误;交流电表测量值为有效值,故B项正确;照明电路电压
220
m
m
V指的是有效值,故C项正确; U= 2 、I= 2
最大值的关系,故D项错误。
答案 BC
是正弦式交变电流有效值和
4.(多选)对于如图所示的电流i随时间t做周期性变化的图像,下列说法中正
)
解析 方向随时间做周期性变化是交变电流最重要的特征。A、B、D三项
所示的电流大小随时间做周期性变化,但其方向不变,不是交变电流,它们
所表示的是直流电。C选项中电流的方向随时间做周期性变化,故选C。
答案 C
问题二
交变电流的周期和频率
【情境探究】
特斯拉,他既是发明家,也是物理学家、机械工程师、电气工程师,24岁发明交流
例1(2020安徽宣城郎溪中学月考)关于交变电流和直流电流的说法,正确的
是(
)
A.如果电流大小做周期性变化,则一定是交变电流
B.直流电的大小可以变化,但方向不一定变化
C.交变电流一定是按正弦或余弦规律变化的
D.交变电流的最大特征就是电流的方向发生周期性的变化
解析 直流电的特征是电流方向不变,交变电流的特征是电流方向改变,另
2.判断是不是交变电流,至少需在一个周期内
看方向是否变化
观察。如矩形波,该电流在正半周期或负半周期,电流的大小和方向都没有
发生变化,但在一个周期或更长的时间内,电流的方向随时间发生周期性变
化,所以是交变电流。
画龙点睛 交变电流的波形不一定是曲线,不能认为凡是波形是曲线的,就
一定是交变电流。
【典例剖析】
电,一生拥有1 000多项专利发明,获得11次诺贝尔物理学奖提名,我们都很熟悉的
雷达、收音机、传真机、霓虹灯、飞弹导航等全是出自他手,特斯拉堪称天才。
如图所示是一个正弦式交变电流的图像。
(1)该交变电流完成一次周期性变化需要多长时间?
(2)在1 s内完成多少次周期性变化?
要点提示 (1)完成一次周期性变化需要0.02 s;(2)在1 s内完成50次周期性变
答案 ×
)
2.在阻值为70 Ω的电阻中通以正弦交变电流,测得在10 min内放出的热量
为2.1×104 J,则此交变电流的最大值为(
A.0.24 A
B.0.5 A
C.0.707 A
D.1 A
解析 根据 Q=I Rt 得
2
所以 Im= 2I=1 A。
答案 D
2
I=
2
A,
)
课堂篇 探究学习
问题一
直流电流与交变电流
抓住“三同”
算交变电流在一个周期内产生相同的热量Q(可分段计算),其中热量Q用相
应的物理量I或U来表示如Q=I2Rt或Q=
值。
2

,则I或U为交变电流的相应有效
画龙点睛 在定义有效值时应注意三同:①相同电阻;②相同时间;③产生相
同热量。
【典例剖析】
例3一个匝数为100匝,电阻为R=0.5 Ω的闭合线圈处于某一磁场中,磁场方
外交变电流不一定都是正弦交变电流或余弦交变电流,D项正确。
答案 D
规律方法 直流电流与交变电流的区别
(1)区分直流电流和交变电流的最根本的一点就是看方向是否变化。
(2)明确交变电流的性质,知道交变电流的重要特征是电流方向的变化;明
确只要方向不变即为直流电流。
变式训练1如图所示,属于交变电流的是(
V=1 V,1~1.2 s 内
V=5 V,对电阻为 R=0.5 Ω 的线
1 2
2 2
Q=Q1+Q2= t1+ t2=12
J,根据交变电流有效
值的定义得 Q=I2R(t1+t2),得 I=2 5 A,故选项 B 正确,选项 A、C、D 错误。
答案 B
变式训练3有一交变电流如图所示,则由此图像可知(
交变电流频率都是50 Hz,有少数国家交变电流频率是60 Hz。
(2)我国民用交变电流的周期和频率:①周期T=0.02 s。②频率f=50 Hz。
ω=100π rad/s,电流方向每秒钟改变100次。③线圈在匀强磁场中转动一周,
电动势、电流都按正(余)弦规律变化一次。
变式训练2(多选)如图所示,下列对图像的描述正确的是(

=1.25 Hz,故D错误。
随堂检测
1.下列各选项的图像中表示交变电流的是(
)
解析 在B、C两图像中,虽然电流大小随时间做周期性变化,但方向不变,故
不是交变电流。A图像中电流的方向没有发生变化,不是交变电流。D图
像中,电流的大小、方向均随时间做周期性变化,是交变电流,故选D。
答案 D
2.如图所示是一个正弦式交变电流的图像,下列说法正确的是(
用
A,因此该交变电流不是正弦式交变电流,不可
m
I= 2求交变电流的有效值。
【知识点拨】
1.交变电流有效值的定义
(1)交变电流的有效值是根据电流的热效应定义的。
(2)等效是指恒定电流和交变电流,在相同的时间内,在相同的电阻上产生
的热量相同。
(3)通常所说的交变电流的电压、电流,用电表测量的交变电流的电压、电