2019-2020年高中物理 5.2交流電路競(jìng)賽試題.doc

2019-2020年高中物理 5.2交流電路競(jìng)賽試題521、交流電路（1）純電阻電路 圖5-2-1給電阻R加上一正弦交流電，如圖5-2-1所示，其電壓u為電流的瞬時(shí)值I與U、R三者關(guān)系仍遵循歐姆定律。 圖5-2-2電流最大值，它們的有效值同樣也滿足在純電阻電路中，u、i變化步調(diào)是一致的，即它們是同相，圖5-2-2甲表示電流、電壓隨時(shí)間變化的步調(diào)一致特性。圖乙是用旋轉(zhuǎn)矢量法來(lái)表示純電阻電路電流與電壓相位關(guān)系。 （2）純電感電路圖5-2-3純電感電路如圖2-1-3所示，自感線圈中產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)為，電路中電阻R可近似為零，由含源電路歐姆定律有，所以，自感電動(dòng)勢(shì)與外加電壓是反相的。 設(shè)電路中電流，自感電動(dòng)勢(shì)為由于很短，依三角關(guān)系展開上式后，近似處理，則為由得由上面可見(jiàn)：圖5-2-4a.純電感電路中電壓電流關(guān)系: ，其中稱為感抗（）滿足，其中，單位:歐姆。b.純電感電路中，圖5-2-4電壓、電流相位關(guān)系是，電壓超前電流 ，它們的圖像和矢量表示如圖5-2-5的甲、乙圖所示。 圖5-2-6圖5-2-5(3)純電容電路純電容電路如圖5-2-6所示，外加電壓u，電容器反復(fù)進(jìn)行充放電，設(shè)所加交變電壓，與前面推導(dǎo)方式相同， 時(shí)間很短，得到則電路中電流有效值為I 圖5-2-7稱為電容的容抗，單位是歐姆。在純電容電路中電流與電壓的相位關(guān)系是:電流超前電壓，圖5-2-6甲、乙分別反應(yīng)電流、電壓隨時(shí)間的變化圖線和它們的矢量表示圖。522位移電流位移電流不是電荷定向移動(dòng)的電流。它引起的變化電場(chǎng)，極置于一種電流。為了形象地表明我移電流，可以把它看作是由極板上電荷積累過(guò)程即形成的。交流電能通過(guò)電容器，是由于電容器在充、放電的過(guò)程中，電容器極板上的電荷發(fā)生變化，引起電場(chǎng)的變化而形成的。連接電容器的導(dǎo)線中有傳導(dǎo)電流通過(guò)，而在電容器內(nèi)存在位移電流。我移電流在產(chǎn)生磁場(chǎng)效應(yīng)上和傳導(dǎo)電流完全等效，因?yàn)槎叨级紩?huì)在周圍的空間產(chǎn)生磁場(chǎng)。我移電流通過(guò)介質(zhì)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)。523、交流電路中的歐姆定律在交流電路中，電壓、電流的峰值或有效值之間關(guān)系和直流電路中的歐姆定律相似，其等式為或，式中I、U都是交流電的有效值，Z為阻抗，該式就是交流電路中的歐姆定律。圖5-2-8（2）說(shuō)明由于電壓和電流隨元件不同而具有相位差，所以電壓和電流的有效值之間一般不是簡(jiǎn)單數(shù)量的比例關(guān)系。a、在串聯(lián)電路中，如圖圖5-2-8所示，以R、L、C為例，總電壓不等于各段分電壓的和，。因?yàn)殡姼袃啥穗妷合辔怀半娏飨辔浑娙輧傻溲烹妷合辔宦浜箅娏飨辔?。所以R、L、C上的總電壓，決不是各個(gè)元件上的電壓的代數(shù)和而是矢量和。以純電阻而言， 以純電感而言， 以純電容而言，圖5-2-9圖5-2-10 合成的總電壓。則，得。而電壓和電流的相位差（圖5-2-9）。b、在并聯(lián)電路中，如圖5-2-10所示，以R、L、C為例，每個(gè)元件兩端的瞬時(shí)電壓都相等為U。每分路的電流和兩端電壓之間關(guān)系為 ， ， 。不同元件上電流的相位也各有差異。純電感上電流相位落后于純電阻電流相位，純電容上電流相位超前純電阻電流相位。所以分電流的矢量和即總電流 令 得。524、交流電功率在交流電中電流、電壓隊(duì)隨時(shí)間而變，因此電流和電壓的乘積所表示的功率也將隨時(shí)間而變。跟交流電功率有關(guān)的概念有：瞬時(shí)功率、有功功率、視在功率（又叫做總功率）、無(wú)功功率、以及功率因素。a瞬時(shí)功率。由瞬時(shí)電流和電壓的乘積所表示的功率。，它隨時(shí)間而變。在任意電路中，與u之間存在相位差。在純電阻電路中，電流和電壓之間無(wú)相位差，即，瞬時(shí)功率。b有功功率。用電設(shè)備平均每單位時(shí)間內(nèi)所用的能量，或在一個(gè)周期內(nèi)所用能量和時(shí)間的比。在純電阻電路中，純電阻電路中有功功率和直流電路中的功率計(jì)算方法表示完全一致，電壓和電流都用有效值來(lái)計(jì)算。在純電感電路中（電壓超前電流），在純電容電路中（電流超前電壓）， 以上說(shuō)明電感電路或電容電路中能量只能在電路中互換，即電容與電源、電感與電源之間交換能量，對(duì)外無(wú)能量交換，所以它們的有功功率為零。對(duì)于一般電路的平均功率 c視在功率（S）。在交流電路中，電流和電壓有效值的乘積叫做視在功率，即。它可用來(lái)表示用電器（發(fā)電機(jī)或變壓器）本身所容許的最大功率（即容量）。圖5-2-11d無(wú)功功率（Q）。在交流電路中，電流、電壓的有效值與它們的相位差的正弦的乘積叫做無(wú)功功率，即。它和電路中實(shí)際消耗的功率無(wú)關(guān)，而只表示電容元件、電感元件和電源之間的能量交換的規(guī)模。有功功率，無(wú)功功率和視在功率之間的關(guān)系，可用如圖3-1-74所示的所謂功率三角形來(lái)表示。e功率因數(shù)。發(fā)電機(jī)輸送給負(fù)載的有功功率和視在功率的比， 。為了提高電能的可利用程度，必須提高功率因數(shù)，或者說(shuō)減小相位差。525、渦流（1）定義或解釋塊狀金屬放在變化的磁場(chǎng)中，或讓它在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，金屬地內(nèi)有感應(yīng)電場(chǎng)產(chǎn)生，從而形成閉合回路，這時(shí)在金屬內(nèi)所產(chǎn)生的感生電流自成閉合回路，形成旋渦，所以叫做渦電流?！皽u電流”簡(jiǎn)稱渦流，又叫傅科電流。（2）說(shuō)明渦流的大小和磁通量變化率成正比，磁場(chǎng)變化的頻率越高，導(dǎo)體里的渦流也越大。在導(dǎo)體中渦流的大小和電阻有關(guān)，電阻越大渦流越小。為了減小渦流造成的熱損耗，電機(jī)和變壓器的鐵芯常采用多層彼此絕緣的硅鋼片迭加而成（材料采用硅鋼以增加電阻）。渦流也有可利用的一面。高頻感應(yīng)爐就是利用渦流作為自身加熱用，感應(yīng)加熱，溫度控制方便，熱效率高，加熱速度快，在生產(chǎn)生已用作金屬的冶煉。在生活上也已被用來(lái)加熱食品。渦流在儀表上也得到運(yùn)用。如電磁阻尼，在磁電式測(cè)量?jī)x表中，常把使指針偏轉(zhuǎn)的線圈繞在閉合鋁框上，當(dāng)測(cè)量電流流過(guò)線圈時(shí)，鋁框隨線圈指針一起在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)鋁框內(nèi)產(chǎn)生的渦流將受到磁場(chǎng)作用力，抑止指針的擺動(dòng)，使指針較快地穩(wěn)定在指示位置上。526、自感由于導(dǎo)體本身電流發(fā)生變化而產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象員做自感現(xiàn)象。導(dǎo)體回路由于自感現(xiàn)象產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)叫做自感電動(dòng)勢(shì)，自感電動(dòng)勢(shì)的大小和電流的變化率成正比，。這是由于電流變化引起了回來(lái)中磁通量變化的緣故。式中比例常數(shù)L叫做自感系數(shù)。（2）單位在國(guó)際單位制中，自感系數(shù)的單位是亨利。（3）說(shuō)明自感是導(dǎo)體本身阻礙電流變化的一制屬性。對(duì)于一個(gè)線圈來(lái)說(shuō)，自感系數(shù)的大小取決于線圈的匝數(shù)，直徑、長(zhǎng)度以及曲線芯材料等性質(zhì)。在線圈直徑遠(yuǎn)較線圈長(zhǎng)度為小時(shí)，則（是圈線芯材料的導(dǎo)磁率，是線圈長(zhǎng)度，N是線圈匝數(shù)，S是線圈橫截面積）。自感現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是當(dāng)線圈中電流發(fā)生變化時(shí)，該線圈中將引起磁通量變化，從而產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。因此，自感電動(dòng)勢(shì)的方向也可由楞次定律確定。當(dāng)電流減小時(shí)，穿過(guò)線圈的磁通量也將減小，這時(shí)自感電動(dòng)勢(shì)的方向應(yīng)和正在減小的電流方向一致，以障礙原電流的減小。同理，當(dāng)線圈中電流增大時(shí)，則穿過(guò)線圈的磁通量也隨著增大，因而有時(shí)將導(dǎo)體的自感現(xiàn)象與慣性現(xiàn)象作類比，它們都表現(xiàn)為對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的障礙，所以自感現(xiàn)象又叫做電磁慣性現(xiàn)象。自感系數(shù)又叫做電磁慣量。這也可在能量關(guān)系上作一類比，電場(chǎng)能的公式為，那儲(chǔ)藏在磁場(chǎng)里的能量公式為，因而L與C（電容）相當(dāng)，I與U（電壓）相當(dāng)，自感系數(shù)L又可叫做電磁容量。但須注意，在線圈中被自感而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)所障礙的是電流的變化，而不是阻礙電流本身。所以線圈中電流變化率越大則線圈兩端阻礙電流變化的感生電動(dòng)勢(shì)值也越大。與電流的大小無(wú)直接關(guān)系。自感現(xiàn)象也可從能量守恒觀點(diǎn)來(lái)解釋。在自感電路里，接通直流電源，電流逐漸增加，在線圈內(nèi)穿過(guò)的磁通量也逐漸增大，建立起磁場(chǎng)。在電流達(dá)到最大值前電源供給的能量將分成兩部分，一部分消耗在線路的電阻上轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽涣硪徊糠挚朔愿须妱?dòng)勢(shì)做功，轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能。如果線路上熱能損耗很小，可以忽略不計(jì)，那么在電流達(dá)到最大值前，電源供應(yīng)的能量將全部轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能。當(dāng)電流達(dá)到最大值時(shí)，磁場(chǎng)能也達(dá)到最大。當(dāng)電流達(dá)到最大值穩(wěn)定時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)不再存在，電源不再供給電能。自感系數(shù)不僅和線圈的幾何形狀以及密繞程度有關(guān)，而且還和線圈中放置鐵芯或磁芯的性質(zhì)有關(guān)，如果空心線圈的自感系數(shù)為，放置磁芯后，線圈的自感系數(shù)將增大倍，即，式中為磁芯的有效導(dǎo)磁率，它和磁芯材料的的相對(duì)導(dǎo)磁率有內(nèi)在的聯(lián)系。閉合的環(huán)形磁芯和數(shù)值相等。它們還和導(dǎo)體中工作電流的大小有關(guān)。和也有所區(qū)別。至于的大小還與磁芯材料的粗細(xì)、長(zhǎng)短等幾何形狀有關(guān)，例如，對(duì)棒形鐵芯或包含有空氣隙的環(huán)形磁芯來(lái)說(shuō)，。用的錳鋅鐵氧體材料制作的天線磁棒，其常常不到10。527、互感由于電路中電流的變化，而引起鄰近另一電路中產(chǎn)生感電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做互感現(xiàn)象。導(dǎo)體由于互感現(xiàn)象，在次級(jí)線圈中產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。感生電動(dòng)勢(shì)的大小和初級(jí)線圈中電流的變化率成正比，。式中的比例常數(shù)叫做互感系數(shù)。（2）單位在國(guó)際單位制中，互感系數(shù)的單位是亨利。（3）說(shuō)明互感系數(shù)的大小和初、次級(jí)線圈的自感系數(shù)有關(guān)。當(dāng)兩個(gè)自感系數(shù)分別為L(zhǎng)1和L2的線圈有閉合鐵芯相連，而且初、次級(jí)線圈又耦合得十分緊密的情況下，即可看作是一種理想耦合。在理想耦合時(shí)互感系數(shù)。在一般情況下，兩線圈之間不一定有鐵芯相連，它們之間的磁耦合并不很緊密，其中某線圈中電流所激發(fā)的磁通量不全部通過(guò)另一線圈時(shí)，那么，k為耦合系數(shù)，它的物理意義是表示為磁耦緊密程度。K值和兩線圈或回路的相對(duì)位置以及和周圍的介質(zhì)材料有關(guān)。對(duì)于k值的選取，由實(shí)際需要而定。如果要減小互感干擾，則選取較小的耦合系數(shù)；如果要加強(qiáng)互感，則選取較大的耦合系數(shù)。528、三相交流電三相交流電發(fā)電機(jī)原理如圖5-2-1所示，其中AX、BY、CZ三組完全相同的線圈，它們排列在圓周上位置彼此差120。角度，當(dāng)磁鐵以角速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每個(gè)線圈中都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變電動(dòng)勢(shì)，它們位相彼此為，因而有圖5-2-8圖5-2-9（1）星形（Y型）連接的三相交流電源如圖5-2-8所示，三相中每個(gè)線圈的頭A、B、C分別引出三條線，稱為端線（火線），而每相線圈尾X、Y、Z連接在一起，引出一條線，此線稱為中線。因?yàn)榭偣步映鏊母鶎?dǎo)線，所以連接后的電源稱為三相四線制。三相電源中，每相線圈中電流為相電流，端線中的電流為相電流，端線中的電流為線電流，每個(gè)線圈中電壓為相電壓，任意兩條端線的電壓為線電壓。則線電壓與相電壓關(guān)系 所以相對(duì)有效值而言，有同理有：而星形連接后，相電流與線電流大小是一樣的，即：（2）三角形（形）連接的三相電源如圖5-2-9所示，它構(gòu)成三相三線制電路。由圖可知，在此情形下線電壓等于相電壓，但線電流與相電流是不相等的，若連接負(fù)載在對(duì)稱平衡條件下，圖5-2-10所以有：（3）三相交流電負(fù)載的星形和三角形連接如圖