劉保華
(江西上饒中學(xué) 江西上饒 334000)
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物理問題討論
有效值都是最大值除以槡2嗎
——— 關(guān)于正弦式交流“兩值”關(guān)系成立條件的討論
劉保華
(江西上饒中學(xué) 江西上饒 334000)
正余弦式交流電 有效值 推導(dǎo) 追根溯源
【例題】如圖1所示,面積為S的矩形線圈共N匝,線圈總電阻為R,在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,方向垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場中以豎直線OO′為軸,以角速度ω勻速旋轉(zhuǎn),圖示位置C與紙面共面,位置A與位置C成45°角.線圈從位置A轉(zhuǎn)過90°到達(dá)位置B的過程中,下列說法正確的是
圖1
D.在此轉(zhuǎn)動過程中,電流方向會發(fā)生改變
圖2
筆者認(rèn)為此法不對.
為了弄清這個問題,我們有必要推導(dǎo)一下正弦式交流電有效值與最大值的關(guān)系.
正弦式交流電有效值與最大值之間關(guān)系的推導(dǎo)許多版本的教材[1]、期刊[2]都有方法介紹,但這些推導(dǎo)多考慮高中數(shù)學(xué)知識局限,采用初等數(shù)學(xué)或技巧性更強(qiáng)的方法,沒有去追根溯源探究,筆者認(rèn)為不能從本質(zhì)上解決問題.由于新課改后,高中數(shù)學(xué)已經(jīng)引入了初等微積分,為此用積分方法,不失為一種根本解決問題之道.
2.1 有效值的推導(dǎo)
正弦式交流電的瞬時值為
i(t)=Imsinωt
u(t)=Umsinωt
該交流電的瞬時功率也隨時間變化
P(t)=ui=Umsinωt·Imsinωt=
(1)
通常功率在一個比較長的時間內(nèi)才有意義,對一個隨時間變化的函數(shù)來說,它在某段時間里的平均值應(yīng)該等于該函數(shù)對時間積分后,除以時間間隔.因此該交流電一個周期T內(nèi)平均功率
如果讓該交流電通過電阻R,在一個周期T內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱Q可以表示為
(2)
(3)
即
(4)
根據(jù)交流電定義,此時如果讓一直流電通過同一個電阻R,在一個周期T內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱也同為Q,則
(5)
對比式(4)、(5)兩式,可得該交流電的有效值
所以時間段Δt=t2-t1內(nèi),必須
(6)
2.3 問題中C選項(xiàng)的正解
(7)
(8)
對比式(7)、(8),可得這段時間內(nèi)該交變電流的有效值
1 張大同.(創(chuàng)新班和理科班) 物理 高中(下冊).上海:上海教育出版社,2013. 194~195
2 許文.探究正弦交流電有效值與最大值的關(guān)系.物理通報(bào),2011(5):29~30
3 人民教育出版社,課程教材研究所,物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書 物理·選修3-2 教師用書. 北京:人民教育出版社,2011.100~103
劉保華(1980- ),男,中教一級,主要從事高中物理教學(xué)工作.
2015-09-09)