新教材物理一轮总复习-第十三章交变电流电磁振荡与电磁波传感器第1讲交变电流的产生和描述学案.docx

第1讲交变电流的产生和描述课 程 标 准通过实验，认识交变电流能用公式和图像描述正弦交变电流，并能测算交变电流的峰值和有效值素 养 目 标物理观念：知道交变电流的产生过程，能正确书写交变电流的函数表达式，理解掌握交变电流图像的意义科学思维：掌握交变电流有效值的计算方法，会区别交变电流的“四值”，明确其在具体情况中的应用技巧必备知识·自主落实一、交变电流、交变电流的图像1交变电流：电流、电压的_和_都随时间做周期性变化的电流最常见的交变电流是正弦式交变电流按正弦规律变化2正弦式交变电流的产生及图像(1)产生转轴可在任意位置产生：在匀强磁场里，线圈绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时，可产生正弦式交变电流两个特殊位置中性面与磁场方向_的平面中性面的垂面与磁场方向_的平面(2)图像用以描述交变电流随时间变化的规律，如果线圈从中性面位置开始计时，则其图像为_曲线，如图所示(3)变化规律(线圈在中性面位置开始计时)电动势e随时间变化的规律：e_路端电压u随时间变化的规律：uUmsin t_电流i随时间变化的规律：iImsin t_，其中EmnBSEm仅由n、B、S、四个量决定，与轴的具体位置和线圈的形状都无关二、描述交变电流的物理量1周期和频率(1)周期T：交变电流完成一次周期性变化(线圈转动一周)所需要的时间，国际单位是秒(s)公式：T.(2)频率f：_的次数，单位是赫兹(Hz)(3)周期和频率的关系：T_或f_2正弦式交变电流的四值(1)瞬时值：交变电流某一_的值，是时间的函数(2)峰值：交变电流的电流或电压所能达到的_.(3)有效值：定义：让交流电和直流电通过相同阻值的电阻，如果它们在相同的时间内产生的_相等，就把这一直流电的数值叫作这一交流电的_.有效值和峰值的关系：E，U，I .不同时间内的平均值一般不同(4)平均值：交变电流图像中波形与横轴_跟时间的比值走进生活如图甲所示是交流发电机的示意图，其产生的正弦式交变电流的图像如图乙所示(1)矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时一定会产生正弦式交变电流()(2)线圈在磁场中转动的过程中穿过线圈的磁通量最大时，产生的感应电动势也最大()(3)矩形线圈在匀强磁场中匀速转动经过中性面时，线圈中的感应电动势为零，电流方向发生改变()(4)交流电器设备上所标的电压和电流值是指有效值()(5)交流电压表和电流表测量的是交流电的峰值()关键能力·精准突破考点一交变电流的产生及规律1电流方向的改变：线圈通过中性面时，电流方向发生改变，一个周期内线圈两次通过中性面，因此电流的方向改变两次2交变电动势的最大值EmnBS，与转轴位置无关，与线圈形状无关3需要抓住的要点：交变电流的产生要抓住“一模型”：线圈(可以是矩形、圆形、不规则形状)以线圈平面上的两点所在直线为轴绕垂直于匀强磁场的轴做圆周运动. “两平面”：一是中性面(BS)，二是与中性面垂直的位置平面，确定线圈经过两平面时的各物理量例12023·北京海淀区模拟图甲是小型交流发电机的示意图，两磁极N、S间的磁场可视为水平方向的匀强磁场，为交流电流表，电阻R大小为5 .线圈绕垂直于磁场的水平轴OO沿逆时针方向匀速转动，从图甲所示位置开始计时，产生的交变电流随时间变化的图像如图乙所示下列说法正确的是()A电阻R的热功率为1 000 WB1 s内电流方向改变50次Ct0.01 s时，线圈平面与磁场方向平行Dt0.005 s时，穿过线圈的磁通量变化最快教你解决问题读图解题心得针 对 训 练1.2022·浙江1月如图所示，甲图是一种手摇发电机及用细短铁丝显示的磁场分布情况，摇动手柄可使对称固定在转轴上的矩形线圈转动；乙图是另一种手摇发电机及磁场分布情况，皮带轮带动固定在转轴两侧的两个线圈转动下列说法正确的是()A甲图中线圈转动区域磁场可视为匀强磁场B乙图中线圈转动区域磁场可视为匀强磁场C甲图中线圈转动时产生的电流是正弦交流电D乙图中线圈匀速转动时产生的电流是正弦交流电2.如图，匀强磁场的磁感应强度为0.2 T，矩形线圈abcd的长和宽分别为0.2 m和0.1 m，线圈匝数为100，总电阻为2 .现让线圈绕垂直于磁场的轴OO(OOad)以100 r/s的转速匀速转动，已知t0时刻，磁场方向垂直于线圈平面，则()At0时刻穿过线圈的磁通量为0.4 WbB1 s内线圈中电流的方向变化100次C线圈消耗的电功率为1 6002 WD线圈中感应电流的瞬时值表达式为i80sin (200t) A3.2022·广东卷如图是简化的某种旋转磁极式发电机原理图定子是仅匝数n不同的两线圈，n1>n2，二者轴线在同一平面内且相互垂直，两线圈到其轴线交点O的距离相等，且均连接阻值为R的电阻，转子是中心在O点的条形磁铁，绕O点在该平面内匀速转动时，两线圈输出正弦式交变电流不计线圈电阻、自感及两线圈间的相互影响，下列说法正确的是()A两线圈产生的电动势的有效值相等B两线圈产生的交变电流频率相等C两线圈产生的电动势同时达到最大值D两电阻消耗的电功率相等考点二交变电流“四值”的理解与应用考向1交变电流有效值的求解(1)计算有效值时要根据电流的热效应，抓住“三同”：“相同时间”内“相同电阻”上产生“相同热量”列式求解(2)分段计算电热求和得出一个周期内产生的总热量(3)利用两个公式QI2Rt和Qt可分别求得电流有效值和电压有效值(4)若图像部分是正弦(或余弦)式交变电流，其中的周期(必须是从零至最大值或从最大值至零)和周期部分可直接应用正弦式交变电流有效值与最大值间的关系I、U求解例22023·广东省模拟如图甲、乙分别是两种交流电的i2 t、i t关系图像，则两种交流电的有效值之比为()A1BCD解题心得考向2交变电流的“四值”问题例32021·浙江1月(多选)发电机的示意图如图甲所示，边长为L的正方形金属框，在磁感应强度为B的匀强磁场中以恒定角速度绕OO轴转动，阻值为R的电阻两端的电压如图乙所示其他电阻不计，图乙中的Um为已知量则金属框转动一周 ()A框内电流方向不变B电动势的最大值为UmC流过电阻的电荷量qD电阻产生的焦耳热Q解题心得针 对 训 练4.2023·山东泰安5月模拟如图所示，电阻为r的金属直角线框abcd放置在磁感应强度为B的匀强磁场中，a、d两点连线与磁场垂直，ab、cd长均为l，bc长为2l，定值电阻阻值为R.线框绕ad连线以角速度匀速转动，从图示位置开始计时，则()A线框每转1圈，回路电流方向改变1次Ba、d两点间的电压为Bl2C电流瞬时值的表达式为iD半个周期内通过R的电荷量为52023·河南洛阳二模图甲为风力发电的简易模型在风力作用下，风叶带动与杆固连的永磁体转动，磁铁下方的线圈与电压传感器相连在某一风速时，传感器显示如图乙所示，则()A磁铁的转速为5 r/sB线圈两端电压的有效值为12 VC交变电流的电压表达式为u12sin 5t(V)D该交变电流可以直接加在击穿电压为6 V的电容器上第十三章交变电流电磁振荡与电磁波传感器第1讲交变电流的产生和描述必备知识·自主落实一、1大小方向2(1)垂直平行(2)正弦式(3)Em·sin t二、1(2)交变电流在1 s内完成周期性变化(3)2(1)时刻(2)最大值(3)热量有效值(4)所围面积走进生活答案：(1)×(2)×(3)(4)(5)×关键能力·精准突破例1解析：由题图可知，交变电流的电流有效值I10 A，电阻R的热功率为PI2R500 W，A错误；由题图可知，交变电流的周期为0.02 s，频率为50 Hz，在每个周期内电流方向改变2次，则1 s内电流方向改变100次，B错误；t0.01 s时，线圈中的电流最大，此时线圈平面与磁场方向平行，C正确；t0.005 s时，感应电流为零，感应电动势为零，此时穿过线圈的磁通量变化率为零，变化最慢，D错误答案：C1解析：图中细短铁丝被磁化之后，其作用相当于小磁针，根据其分布特点可判断出甲图中线圈转动区域磁场可视为匀强磁场，故选项A正确；而乙图中，磁针分布的方向并不相同，则线圈转动区域磁场不能看成匀强磁场，故选项B错误；根据发电机原理可知，甲图中线圈在匀强磁场中绕垂直磁场的转轴匀速转动时才能产生正弦交流电，故选项C错误；乙图中线圈匀速转动时，由于线圈切割磁感线的速度方向始终与磁场垂直且所在位置的磁感应强度大小不变，所以匀速转动时产生的是大小恒定的电流，故选项D错误答案：A2解析：t0时刻穿过线圈的磁通量为BS0.2×0.1×0.2 Wb4×103 Wb，选项A错误；依题意，可得线圈转动的周期为T s0.01 s，一个周期内，电流方向改变两次，所以1 s内线圈中电流的方向变化200次，选项B错误；线圈从图示位置开始转动，产生正弦交流电，电动势的最大值为EmnBS2BSf2×100×0.2×0.1×0.2×100 V80 V，则线圈中感应电流的瞬时值表达式为isin tsin 2×100t(A)40sin 200t(A)，线圈消耗的电功率为P W1 6002 W，选项C正确，D错误答案：C3解析：由于两定子线圈匝数不同，根据法拉第电磁感应定律可知，在两线圈中产生的电动势最大值不相等，有效值不相等，A项错误；由于转子匀速转动的周期等于两定子产生交流电的周期，所以两线圈产生的交变电流频率相等，B项正确；由于两线圈轴线在同一平面内且相互垂直，所以两线圈产生的感应电动势一个在最大值时，另一个为零，C项错误；由于在两线圈中产生的电动势的有效值不相等，根据P可知，两电阻消耗的电功率不相等，D项错误答案：B例2解析：设甲、乙两图的交变电流有效值分别为I甲、I乙，在甲图中，根据电流的热效应得RTI2R×I2R×，解得I甲I，在乙图中，根据电流的热效应得RTI2R×()2R×，解得I乙I，则有1，A正确答案：A例3解析：由于滑环的作用，通过R的电流方向不变，但是框内的电流方向是变化的，A错误；由题图可知，由于线框没有电阻，所以电动势等于电阻两端的电压，B正确；因为流过R的电流方向不变，金属框转动半周，流过R的电荷量qtt，所以金属框转动一周流过R的电荷量q2q，C错误；由UmBL2，解得，金属框转动一周，电阻产生的焦耳热QT·，D正确答案：BD4解析：线框产生的是正弦式交变电流，正弦式交变电流在一个周期内方向改变2次，故A错误；回路中产生的感应电动势有效值为EBl2，a、d两点间的电压为路端电压UR，B错误；从中性面开始转动，交变电流的瞬时值按正弦规律变化，电流瞬时值表达式isin tsin t，C错误；半个周期通过R的电荷量qtt，D正确答案：D5解析：电流的周期为T0.4 s，故磁铁的转速为n2.5 r/s，A错误；通过乙图可知电压的最大值为12 V，故有效值U6 V，B错误；周期T0.4 s，故5 rad/s，故电压的表达式为u12sin 5t(V)，C正确；交流电压的最大值大于电容器的击穿电压，故不能直接加在击穿电压为6 V的电容器上，D错误答案：C