《21 交变电流》精品教学案 教科版选修32.docx

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《21交变电流》精品教学案教科版选修32

学案1　交变电流

[学习目标定位]1.会观察电流（或电压）的波形图，理解交变电流和直流的概念.2.理解交变电流的产生过程，会分析电动势和电流方向的变化规律.3.知道交变电流的变化规律及表示方法，知道交变电流的瞬时值、峰值的物理含义．

1．感应电动势的大小

基本式：

E＝N（法拉第电磁感应定律）

导出式：

E＝（导体切割磁感线时的感应电动势）

2．感应电动势的方向

基本规律：

定律.

导出规律：

定则.

一、交变电流

1．恒定电流：

和都不随时间变化的电流．

2．交变电流：

和随时间作周期性变化的电流．

3．正弦交变电流：

电流随时间按规律变化的交变电流．

二、正弦交变电流的产生和表述

1．产生：

闭合线圈在匀强磁场中绕的轴匀速转动．

2．表述：

（1）电动势瞬时值表达式为e＝.

（2）当正弦交变电流的负载为灯泡等用电器时，负载两端的电压u、流过的电流i也按变化，

即u＝，i＝.

一、交变电流

[问题设计]

1.把图1所示电路接在干电池的两端时，可以观察到什么现象？

图1

2．把图1中电路接在手摇式发电机两端时，又会观察到怎样的现象？

[要点提炼]

1．交变电流：

方向随时间作变化的电流叫交变电流，简称．

2．直流：

不随时间变化的电流叫直流．

对直流电流和交变电流的区分主要是看电流是否变化．

3．图像特点

（1）恒定电流的图像是一条与时间轴．

（2）交变电流的图像有时在时间轴的上方，有时在时间轴的下方，方向随时间作变化．

二、正弦交变电流的产生和表述

[问题设计]

如图2所示是线圈ABCD在磁场中绕轴OO′转动时的截面图．线圈平面从中性面开始转动，角速度为ω.经过时间t，线圈转过的角度是ωt，AB边的线速度v的方向跟磁感线方向间的夹角也等于ωt.设AB边长为L1，BC边长为L2，线圈面积S＝L1L2，磁感应强度为B，线圈转动角速度为ω则：

图2

（1）甲、乙、丙位置AB边产生的感应电动势各为多大？

（2）甲、乙、丙位置整个线圈中的感应电动势各为多大？

（3）若线圈有N匝，则甲、乙、丙中整个线圈的感应电动势各为多大？

[要点提炼]

1．正弦式交变电流的产生：

将闭合线圈置于中，并绕的轴转动．

2．正弦式交变电流瞬时值表达式：

（1）当从中性面开始计时：

e＝.

（2）当从与中性面垂直的位置开始计时：

e＝.

3．正弦式交变电流的峰值表达式：

Em＝

与线圈的形状及转动轴的位置（填“有关”或“无关”）

4．两个特殊位置：

（1）中性面：

线圈平面与磁场.

e为，i为，Φ，为.（填“0”或“最大”）

线圈每次经过中性面时，线圈中感应电流方向都要改变，线圈转动一周，感应电流方向改变次．

（2）垂直中性面：

线圈平面与磁场.

E，I，Φ为，.（填“0”或“最大”）

5．正弦式交变电流的图像及应用：

或

　　　从中性面计时　　　从垂直中性面（B∥S）计时

（1）线圈绕垂直于磁场的轴匀速转动时，开始计时时线圈所处的位置不同，得到的i－t图像也就不同；

（2）分析有关交变电流的图像问题时，要注意从图像中找出两个特殊位置所对应的时刻．

一、交变电流的判断

例1　如下图所示图像中属于交流电的有（　　）

二、正弦式交变电流的产生

例2　矩形线框绕垂直于匀强磁场且在线框平面的轴匀速转动时产生了交变电流，下列说法正确的是（　　）

A．当线框位于中性面时，线框中感应电动势最大

B．当穿过线框的磁通量为零时，线框中的感应电动势也为零

C．每当线框经过中性面时，感应电动势或感应电流方向就改变一次

D．线框经过中性面时，各边切割磁感线的速度为零

三、交变电流的规律

例3　有一个正方形线圈的匝数为10匝，边长为20cm，线圈总电阻为1Ω，线圈绕OO′轴以10πrad/s的角速度匀速转动，如图3所示，匀强磁场的磁感应强度为0.5T，问：

图3

（1）该线圈产生的交变电流电动势的峰值、电流的峰值分别是多少．

（2）若从中性面位置开始计时，写出感应电动势随时间变化的表达式．

（3）线圈从中性面位置开始，转过30°时，感应电动势的瞬时值是多大．

四、交变电流的图像

例4　线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的转轴匀速转动，产生的交变电流的图像如图4所示，由图中信息可以判断（　　）

图4

A．在A和C时刻线圈处于中性面位置

B．在B和D时刻穿过线圈的磁通量为零

C．从A～D线圈转过的角度为2π

D．若从O～D历时0.02s，则在1s内交变电流的方向改变100次

1．（交变电流的产生）下列各图中，线圈中能产生交变电流的有（　　）

2．（交变电流的规律）如图5所示，矩形线圈abcd放在匀强磁场中，ad＝bc＝l1，ab＝cd＝l2.从图示位置起该线圈以角速度ω绕不同转轴匀速转动，则（　　）

图5

A．以OO′为转轴时，感应电动势e＝Bl1l2ωsinωt

B．以O1O1′为转轴时，感应电动势e＝Bl1l2ωsinωt

C．以OO′为转轴时，感应电动势e＝Bl1l2ωcosωt

D．以OO′为转轴跟以ab为转轴一样，感应电动势e＝Bl1l2ωsin（ωt＋）

3．（交变电流的图像）一只矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，穿过线圈的磁通量随时间变化的图像如图6甲所示，则下列说法中正确的是（　　）

图6

A．t＝0时刻，线圈平面与中性面垂直

B．t＝0.01s时刻，Φ的变化率最大

C．t＝0.02s时刻，交变电动势达到最大

D．该线圈产生的相应交变电动势的图像如图乙所示

4．（交变电流的规律）如图7所示，线圈的面积是0.05m2，共100匝，匀强磁场的磁感应强度B＝T，当线圈以300r/min的转速匀速旋转时，求：

图7

（1）若从线圈的中性面开始计时，写出线圈中感应电动势的瞬时值表达式．

（2）从中性面开始计时，线圈转过s时电动势瞬时值多大？

学案7　电能的输送

[学习目标定位]1.理解输电线上电能的损失与哪些因素有关.2.理解减小电能损失的两个途径以及高压输电的原理.3.知道远距离输电的典型电路，并能利用变压器和电路的规律解决实际问题．

1．电阻定律：

在温度不变时，同种材料的导体，其电阻R与它的长度l成，与它的横截面积S成，导体电阻与构成它的材料有关，即R＝ρ.

2．电功率P＝，热功率P＝.

3．理想变压器原、副线圈的三个关系：

P原＝，＝，＝.

一、电能输送中的电压损失和电能损耗

1．如图1所示，U损＝，P损＝.

图1

2．无论是为减小电压损失还是减小能量损耗，都要求使用送电．

二、远距离输电系统

远距离输电的基本原理：

在发电站内用变压器，然后进行远距离输电，在用电区域通过变压器降到所需的电压．

三、直流输电

当交流输电功率很大时，、引起的电压及损失很大，所以现在有些大功率输电线路已经开始采用直流输电．现代的直流输电，只是在这个环节中使用直流．

一、电能输送中的电压损失和电能损耗

[问题设计]

如图2所示，假定输电线路中的电流是I，两条导线的总电阻是r，在图中把导线电阻集中画为r，输送功率为P，发电厂输出的电压为U.那么：

图2

（1）远距离大功率输电面临的困难是什么？

（2）输电线上功率损失的原因是什么？

功率损失的表达式是什么？

降低输电损耗的两个途径是什么？

（3）为什么远距离输电必须用高压呢？

[要点提炼]

输电线上的电压损失和功率损失（设输电线上电阻为R，电流为I）

1．电压损失

输电线始端电压U与输电线末端电压U′的差值．ΔU＝U－U′＝IR.

2．功率损失

（1）远距离输电时，输电线有电阻，电流的热效应引起功率损失，损失的电功率ΔP＝I2R.

（2）若输电线上损失的电压为ΔU，则功率损失还可以表示为ΔP＝，ΔP＝.

3．减小电压、功率损失的方法

（1）减小输电线的电阻

由R＝ρ可知，距离l一定时，使用电阻率小的材料，导体横截面积可减小电阻．

（2）减小输电电流I

由P＝UI可知，当输送功率一定时，升高电压可以减小电流．

二、远距离输电电路中的各种关系

[问题设计]

某发电站向远处送电的示意图如图3所示，其中各部分的物理量已在图上标注，在这个电路中包括三个回路．

图3

（1）结合闭合电路的知识，分别分析三个回路中各物理量之间的关系（发电机内阻、n1、n2、n3、n4线圈的电阻均忽略不计）．

（2）每个变压器中的电流、电压、功率有什么关系？

[要点提炼]

远距离输电问题的分析

1．解决远距离输电问题时，应首先画出输电的电路图，参考图3，并将已知量和待求量写在电路图的相应位置．

2．分析三个回路，在每个回路中，变压器的原线圈是回路的用电器，而相应的副线圈是下一个回路的电源．

3．综合运用下面三方面的知识求解

（1）能量守恒：

P＝U1I1＝U2I2＝P用户＋

ΔP＝IR

P用户＝U3I3＝U4I4.

（2）电路知识：

U2＝＋U3

ΔU＝I2R

（3）变压器知识：

＝＝

＝＝.

其中ΔP＝I2R，ΔU＝I2R往往是解题的切入点．

一、输电线上功率损失的计算

例1　三峡电站某机组输出的电功率为50万千瓦．

（1）若输出的电压为20万伏，则输电线上的电流为多少？

（2）某处与电站间每根输电线的电阻为10欧，则输电线上损失的功率为多少？

它占输出功率的比例是多少？

（3）若将电压升高至50万伏，输电线上的电流为多少？

输电线上损失的功率又为多少？

它占输出功率的比例是多少？

二、远距离输电问题

例2　发电机的输出电压为220V，输出功率为44kW，输电导线的电阻为0.2Ω，如果用原、副线圈匝数之比为1∶10的升压变压器升压，经输电线后，再用原、副线圈匝数比为10∶1的降压变压器降压供给用户，则：

（1）画出全过程的线路示意图；

（2）求用户得到的电压和功率；

（3）若不经过变压而直接将电送到用户，求用户得到的电压和功率．

1．（输电线上功率损失的计算）中国已投产运行的1000kV特高压输电是目前世界上电压最高的输电工程。

假设甲、乙两地原来用500kV的超高压输电，输电线上损耗的电功率为P.在保持输送电功率和输电线电阻都不变的条件下，现改用1000kV特高压输电，若不考虑其他因素的影响，则输电线上损耗的电功率将变为（　　）

A.B.C．2PD．4P

2．（输电线上功率损失的计算）在远距离输电时，输送的电功率为P，输送电压为U，所用导线的电阻率为ρ，横截面积为S，总长度为L，输电线损失的电功率为P′，用户得到的电功率为P用，则P′、P用的关系式正确的是（　　）

A．P′＝B．P′＝

C．P用＝P－D．P用＝P（1－）

3．（远距离输电问题）在如图4所示的远距离输电电路图中，升压变压器和降压变压器均为理想变压器，发电厂的输出电压和输电线的电阻均不变，随着发电厂输出功率的增大，下列说法中正确的有（　　）

图4

A．升压变压器的输出电压增大

B．降压变压器的输出电压增大

C．输电线上损耗的功率增大

D．输电线上损耗的功率占总功率的比例增大

4．（远距离输电问题）某小型水电站发电机输出的电功率为100kW，输出电压为250V，现准备向远处输电．所用输电线的总电阻为8Ω，要求输电时在输电线上损失的电功率不超过输送电功率的5%.用户获得220V电压，求应选用匝数比分别为多大的升压变压器和降压变压器？