物理3-2人教版精编习题含详解答案第五章第一节交变电流资料(共14页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上第五章交变电流第一节交变电流学习目标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、峰值的物理含义一、交变电流和交变电流的产生(阅读教材第31页第1段至第32页第3段)1交变电流(1)交变电流的定义:大小和方向都随时间周期性变化的电流,简称交流(2)直流:方向不随时间变化的电流2交变电流的产生(1)典型模型在匀强磁场中,绕垂直于磁场方向的轴匀速转动的线圈里产生的是交变电流实验装置如图所示(2)中性面:线圈在磁场中转动过程中,线圈平面与磁场垂
2、直时所在的平面拓展延伸(解疑难)1中性面的特点:磁通量最大,磁通量的变化率0,瞬时感应电动势e0,瞬时感应电流i0,电流的方向将发生改变2垂直中性面的垂面特点:磁通量0,磁通量的变化率最大,瞬时感应电动势、瞬时感应电流最大1.(1)只要线圈在磁场中转动,就可以产生交变电流()(2)当线圈中的磁通量最大时,产生的电流也最大()(3)当线圈平面与磁场垂直时,线圈中没有电流()提示:(1)(2)(3)二、交变电流的变化规律(阅读教材第32页第4段至第33页第1段)1正弦式交变电流的定义:按正弦规律变化的交变电流叫做正弦式交变电流,简称正弦式电流2正弦式交变电流的表达式瞬时电动势:eEmsin t,瞬
3、时电压:uUmsin_t,瞬时电流:iImsin_t.式中Em、Um、Im分别表示电动势、电压、电流的峰值拓展延伸(解疑难)1峰值表达式EmNBSNmIm.2从两个特殊位置开始计时瞬时值的表达式从中性面位置开始计时从与中性面垂直的位置开始计时磁通量mcos tBScos tmsin tBSsin t感应电动势eEmsin tNBSsin teEmcos tNBScos t电压uUmsin tsin tuUmcos tcos t电流iImsin tsin tiImcos tcos t2.(1)在匀强磁场中线圈绕垂直磁场的转轴匀速转动的过程中,某些特殊时段,可能感应电动势和磁通量同时变大()(2)
4、表达式为eEmsin t的交变电流为正弦式交变电流,表达式为eEmsin的交变电流也是正弦式交变电流()(3)线圈绕垂直磁场的转轴匀速转动的过程中产生了正弦交变电流,峰值越大,则瞬时值也越大()提示:(1)(2)(3)交变电流的产生过程学生用书P41 本类问题主要从中性面和它的垂直面两个位置的磁通量、磁通量的变化率、感应电动势大小和感应电流的方向等几个方面进行考查(自选例题,启迪思维)1.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
5、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解析线框位于中性面时,线框平面与磁感线垂直,穿过线框的磁通量最大,但此时切割磁感线的两边的速度与磁感线平行,即不切割磁感线,所以感应电动势等于零,也应该知道此时穿过线框的磁通量的变化率等于零,感应电动势或感应电流的方向也就在此时刻变化线框垂直于中性面时,穿过线框的磁通量为零,但切割磁感线的两边都垂直切割,有效切割速度最大,所以感应电动势最大,也可以说此时穿过线框的磁通量的变化率最大故C、D选项正确答案CD2.如图所示,一矩形闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的转轴OO以恒定的角速度转动,从线圈平面与磁场方向平行时开始计
6、时,则在这段时间内()A线圈中的感应电流一直在减小B线圈中的感应电流先增大后减小C穿过线圈的磁通量一直在减小D穿过线圈的磁通量的变化率先减小后增大解析根据,T,由于从线圈平面与磁场方向平行时开始计时,故T时间内线圈中的感应电流先增大后减小,穿过线圈的磁通量先减小后增大,而磁通量的变化率先增大后减小,故B正确答案B3.(2015河南平顶山高二检测)一闭合矩形线圈abcd绕垂直于磁感线的固定轴OO匀速转动,线圈平面位于如图甲所示的匀强磁场中通过线圈的磁通量随时间t的变化规律如图乙所示,下列说法正确的是()At1、t3时刻通过线圈的磁通量变化率最大Bt1、t3时刻线圈中感应电流方向改变Ct2、t4时
7、刻线圈中磁通量最大Dt2、t4时刻线圈中感应电动势最小思路探究(1)线圈转动过程中,哪两个边切割磁感线?(2)图中位置时为多少?转过90时,又为多少?解析从题图乙可以看出,t1、t3时刻通过线圈的磁通量最大,线圈经过中性面位置时线圈中感应电流方向改变,A错误,B正确;t2、t4时刻通过线圈的磁通量为零,线圈处于与中性面垂直的位置,此时感应电动势和感应电流均为最大,故C、D均错误答案B借题发挥当线圈处于中性面位置时,磁通量最大,但磁通量的变化率为零,感应电动势为零;当线圈平面与中性面垂直时,磁通量为零,但磁通量的变化率最大,感应电动势最大交变电流的变化规律学生用书P42 1正弦式交变电流的电动势
8、的最大值EmNBS.Em是正弦交流电中一个关键物理量,电动势的瞬时值、电流的最大值和瞬时值都与Em有关2从中性面开始计时:eEmsin t,iImsin t,Im.(自选例题,启迪思维)1. 有一个正方形线圈的匝数为10匝,边长为20 cm,线圈总电阻为1 ,线圈绕OO轴以10 rad/s的角速度匀速转动,如图所示,匀强磁场的磁感应强度为0.5 T,问:(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思路探究(1)求解电动势峰值公式为EmNBS,电流的最
9、大值Im.(2)从中性面开始计时的电动势表达式为eEmsin t.(3)线圈从中性面开始计时,转过30时的感应电动势的计算有两种方法,一是利用eEmsin t,二是用瞬时切割,第一种方法较简单解析(1)交变电流电动势的峰值为Em2NBLvNBS100.50.2210 V6.28 V电流的峰值为Im6.28 A.(2)从中性面位置开始计时,感应电动势的瞬时值表达式为eEmsin t6.28sin (10t) V.(3)线圈从中性面位置开始转过30时,感应电动势eEmsin 303.14 V.答案(1)6.28 V6.28 A(2)e6.28sin (10t) V(3)3.14 V2.如图所示,匀
10、强磁场B0.1 T,所用矩形线圈的匝数N100,边长ab0.2 m,bc0.5 m,以角速度100 rad/s绕OO轴匀速转动当线圈平面通过中性面时开始计时,试求:(1)线圈中瞬时感应电动势的大小;(2)由t0至t过程中的平均感应电动势值;(3)若从线圈平面平行磁感线时开始计时,求线圈在t时刻的电动势大小思路探究(1)线圈平面通过中性面时开始计时与线圈平面平行磁感线时开始计时有何不同?(2)平均感应电动势用哪个公式求解?解析(1)由题意可知:S0.20.5 m20.1 m2感应电动势的瞬时值eNBSsin t1000.10.1100sin (100t) V,所以e314sin (100t) V
11、.(2)用EN计算t0至t过程中的平均感应电动势EN4NNBS,代入数值得E200 V.(3)由EmNBS可知Em314 V线圈从线圈平面平行磁感线时开始计时,感应电动势的瞬时值表达式为eEmcos t,代入数值得e314cos (100t) V当t时,e314cos V157 V.答案(1)314sin (100t)V(2)200 V(3)157 V3.(2015天津一中高二月考)交流发电机在工作时电动势为eEmsin t,若将发电机的角速度提高一倍,同时将线框所围面积减小一半,其他条件不变,则其电动势变为()AeEmsinBe2EmsinCeEmsin 2t Desin 2t解析交变电流的
12、瞬时值表达式eEmsin t,其中EmNBS,当加倍而S减半时,Em不变,故C正确答案C借题发挥求解交变电流瞬时值时可分三步:(1)确定线圈从哪个位置开始计时,进而确定表达式是正弦还是余弦形式;(2)确定线圈转动的角速度及线圈匝数n、磁感应强度B、线圈面积S等;(3)识记EmnBS,解题中可直接代入,不必推导按表达式eEmsin t或eEmcos t代入Em及的具体数值正弦式交变电流的图象学生用书P43 从图象中可以解读到以下信息来求解问题1交变电流的最大值Im、Em、周期T.2因线圈在中性面时感应电动势、感应电流均为零,磁通量最大,所以可确定线圈位于中性面的时刻3找出线圈平行于磁感线的时刻4
13、判断线圈中磁通量的变化情况5分析判断e、i、u随时间的变化规律(自选例题,启迪思维)1.(2015北师大附中高二检测)一矩形线圈,绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定轴转动线圈中的感应电动势e随时间t的变化如图所示下面说法中正确的是()At1时刻通过线圈的磁通量为零Bt2时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大Ct3时刻通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大D每当e变换方向时,通过线圈的磁通量绝对值都最大思路探究(1)0时刻线圈处于什么位置?(2)e、i方向在哪个位置变化?解析t1、t3时刻感应电动势为零,线圈位于中性面位置,所以穿过线圈的磁通量最大,磁通量的变化率为零,A、C错误;t2时刻感应电动势最
14、大,线圈位于与中性面垂直的位置,穿过线圈的磁通量为零,B错误;由于线圈每经过一次中性面,穿过线圈的磁通量的绝对值最大,e变换方向,故选D.答案D2.一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象如图甲所示,则下列说法中正确的是()At0时刻线圈平面与中性面垂直Bt0.01 s时刻的变化率达到最大Ct0.02 s时刻感应电动势达到最大D该线圈相应的感应电动势图象如题图乙所示解析t0时最大,线圈应在中性面位置,A错误;t0.01 s时,t图象的斜率最大,故最大,B正确;t0.02 s时,最大,故e0,C错误;因t图象为余弦图象,故et图象应为正弦图象,D错误故选
15、B.答案B3.在垂直纸面向里的有界匀强磁场中放置了矩形线圈abcd.线圈cd边沿竖直方向且与磁场的右边界重合线圈平面与磁场方向垂直从t0时刻起,线圈以恒定角速度绕cd边沿如图所示方向转动,规定线圈中电流沿abcda方向为正方向,则从t0到tT时间内,线圈中的电流i随时间t变化关系的图象为()解析在0内,线圈在匀强磁场中匀速转动,故产生正弦式交流电,由楞次定律知,电流方向为负值;在T内,线圈中无感应电流;在T时,ab边垂直切割磁感线,感应电流最大,且电流方向为正值,故只有B项正确答案B借题发挥正弦式交流电图象的分析方法一看:看“轴”、看“线”、看“斜率”、看“点”、看“截距”、看“面积”、看“拐
16、点”,并理解其物理意义一定要把图象与线圈在磁场中的位置对应起来二变:掌握“图与图”、“图与式”和“图与物”之间的变通关系例如可借助磁通量的变化图线与电动势的变化图线是否是互余关系来分析问题三判:在此基础上进行正确的分析和判断思想方法关于线圈转动过程的分析技巧线圈在磁场中转动产生交变电流,实际上就是导体切割磁感线产生动生电动势,其大小用EBLvsin 计算,其方向可用右手定则或楞次定律来判断,关键分析清楚哪部分切割、在哪段时间内切割,过程分析清楚,问题就解决了而线圈在磁场中的情况千变万化,故线圈在磁场中转动过程的分析要注意以下三点:第一,明确线圈的转轴与磁场的位置,这将关系到线圈的磁通量是否发生
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