高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册第三章 交变电流1 交变电流优秀课后练习题

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1．线圈在匀强磁场中转动时产生交变电流，下列说法正确的是（ ）
A．线圈每转动一周，感应电流的方向就改变一次
B．线圈每转动一周，感应电动势出现一次最大值
C．线圈平面每经过中性面时，穿过线圈的磁通量变化最快
D．线圈平面每经过中性面时，穿过线圈的磁通量达到最大值
【答案】D
【解析】A．线圈每转动一周，感应电流的方向就改变2次，故A错误；
B．线圈每转动一周，感应电动势出现2次最大值，故B错误；
C．线圈平面每经过中性面时，穿过线圈的磁通量变化最慢，故C错误；
D．线圈平面每经过中性面时，穿过线圈的磁通量达到最大值，故D正确。
故选D。
2．一闭合矩形线圈abcd绕垂直于磁感线的固定轴匀速转动，线圈平面位于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，则（ ）
A．、时刻通过线圈的磁通量变化率最大B．、时刻前后线圈中感应电流方向相同
C．、时刻通过线圈的磁通量变化率最小D．、时刻线圈中感应电动势最大
【答案】D
【解析】A．t1、t3时刻通过线圈的磁通量最大，而磁通量的变化率等于零，故A错误；
B．t1、t3时刻通过线圈的磁通量最大，处于中性面，线圈中感应电流方向改变，故B错误；
CD．t2、t4时刻磁通量为零，线圈与磁场平行，磁通量的变化率最大，线圈中感应电动势最大，故C错误，D正确。
故D正确。
3．如图所示，一正方形线圈????在匀强磁场中绕垂直于磁感线的对称轴??′匀速转动，沿??′观察，线圈逆时针转动，已知匀强磁场的磁感应强度为?，线圈匝数为?，边长为?，总电阻为?，转动的角速度为?，则当线圈转至图示位置时（ ）
A．线圈中感应电流方向为?????
B．线圈中感应电流为
C．穿过线圈的磁通量的变化率为0
D．此时线圈中电流正在改变方向
【答案】B
【解析】A．图示时刻，ab速度方向向外，cd速度方向向里，根据右手定则，判断出ab中感应电流方向为b→a，cd中电流方向为d→c，线圈中感应电流的方向为adcba，故A错误；
B．线圈中的感应电动势为
E=nBSω=nBl2ω
线圈中的感应电流
故B正确；
C．图示时刻线圈与磁场平行，感应电动势最大，由法拉第电磁感应定律可知，磁通量的变化率最大，而不是为零，故C错误；
D．图示位置为垂着于中性面位置，由交变电流知识可知，线圈每次经过中性面，电流方向发生改变，故D错误。
故选B。
4．图为交流发电机的模型图，下列说法正确的是（ ）
A．仅对调磁极N和S，发电机将输出直流电
B．仅增加线圈匝数，产生电动势将增大
C．仅提高线圈转速，输出电流频率不变
D．仅采用更粗的导线制作的线圈产生电动势更大
【答案】B
【解析】A．集电环的结构可以实现将交流电转化为直流电，但通过磁极的对调只是实现了电流的方向改变。故A错误；
B．旋转线圈产生电动势峰值为
增加匝数N产生的电动势自然会增大。故B正确；
C．由于
提高线圈的转速产生的交变电流频率增大。故C错误；
D．用更粗的导线制作的线圈能够减小线圈内阻，可以提高输出电压，但不影响电动势。故D错误。
故选B。
5．下面关于交变电流的“四值”说法中正确的是（ ）
A．交变电流的有效值就是交流电在一周期内的平均值
B．交流电表上显示的电流数值是该交变电流的瞬时值
C．交流电器设备上所标的电压和电流值是交变电流的最大值
D．与交变电流有相同的热效应的直流电的数值是交变电流的有效值
【答案】D
【解析】AD．依据交变电流的有效值的定义知，与交变电流有相同的热效应的直流电的数值是交流电的有效值，并且不等于其平均值，故A错误，D正确；
B．用电表测量的电流、电压均为交流电的有效值，故B错误；
C．交流电器设备（电容器除外）上所标的电压和电流值均是交变电流的有效值，故C错误。
故选D。
6．如题图所示为交流发电机示意图，线圈的AB边连在金属滑环K上，CD边连在滑环L上，用导体做的两个电刷E、F分别压在两个滑环上，线圈在转动时可以通过滑环和电刷保持与外电路的连接，下列判断正确的是（ ）
A．当线圈平面转到中性面的瞬间，穿过线圈的磁通量最小
B．当线圈平面转到中性面的瞬间，线圈中的感应电流最大
C．当线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间，穿过线圈的磁通量最小
D．当线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间，线圈中的感应电流最小
【答案】C
【解析】AB．当线圈平面转到中性面的瞬间，穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率最小，则感应电动势为零，线圈中的感应电流为零，选项AB错误；
CD．当线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间，穿过线圈的磁通量为零最小，此时磁通量的变化率最大，即感应电动势最大，线圈中的感应电流最大，选项C正确，D错误。
故选C。
7．光伏发电系统是利用半导体材料的光伏效应将太阳的辐射能转化为电能的一种发电系统。如图所示，某居民的楼顶平台安装了的太阳能电池板，当太阳直射时满载发电功率可达5.0kW，输出电压为380V的直流电。已知太阳直射时地面附近单位时间单位面积内的太阳能为，全年发电总量相当于平均每天满载发电4小时的总量，其中30%的电能供居民自家使用，其余电能并入国家电网。下列说法正确的是（ ）
A．该居民家全年用电总量约为
B．电池板将太阳能转化为电能的效率约为2%
C．太阳能是一种清洁、安全、不可再生的能源
D．太阳能电池板输出的电流可直接并入国家电网
【答案】B
【解析】A．该居民家全年发电总量为
用电总量为
故A错误；
B．太阳能电池板吸收太阳能的功率为
电池板将太阳能转化为电能的效率约为
故B正确；
C．太阳能是一种清洁、安全、可再生的能源，故C错误；
D．太阳能电池板输出的电流为直流，不可直接并入国家电网（交流电网），故D错误。
故选B。
8．交流发电机的矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动，线圈的电阻阻值为，外接电阻的阻值为，图甲中理想交流电压表V的示数为18V。若只在外电路上接上理想变压器，则可以提高电阻的电功率，图乙中理想交流电压表V的示数为10V，则该理想变压器原、副线圈的匝数比为（ ）
A．1：9B．1：3C．3：1D．9：1
【答案】B
【解析】设交流发电机电动势的有效值为，图甲中
图乙中将理想变压器和电阻等效为电路中的一个电阻
则
代入数据解得
选项B正确。
二、多选题
9．在一阻值为R=10Ω的定值电阻中通入如图所示的电流，则（ ）
A．此电流为交流电
B．此电流的周期为2s
C．此电流的有效值为2.5A
D．在0～2s内电阻产生的焦耳热为25J
【答案】AB
【解析】A．根据交流电的定义可知，此电流为交流电，故A正确；
B．由图可知该交流电的周期为2s，故B正确；
C．根据交流电有效值的定义有
代入数据解得此电流的有效值为
故C错误；
D．根据焦耳定律，在0~2s内电阻产生的焦耳热为
故D错误。
故选AB。
10．如图所示，在磁感应强度为B，方向水平向右的匀强磁场中有一矩形线圈，面积为S、匝数为N、内阻为r，绕垂直磁感线的对称轴，（以角速度匀速转动），从图示位置转90°的过程中，下列说法正确的是（ ）
A．通过电阻R的电荷量
B．通过电阻R的电荷
C．从图示位置开始计时，则感应电动势随时间变化的规律为
D．外力做功的平均功率
【答案】BD
【解析】AB．求流过电阻的电量要用平均值
磁通量的变换量为
通过电阻的电量为
联立以上各式得
故A错误，B正确；
C．从图示位置（中性面的垂面）开始计时，则感应电动势随时间变化的规律为
故C错误；
D．产生交流电的电压有效值为
根据功能关系可知，外力做功和整个电路中产生的焦耳热相等，所以有外力做功平均功率与热功率相等，即
故D正确；
故选BD。
11．如图所示，一个小型交流发电机输出端连接在理想变压器的原线圈n1上，原线圈两端连接有理想电压表，副线圈n2连接有可变电阻R和理想电流表A，理想变压器原、副线圈匝数比，已知交流发电机内匀强磁场的磁感应强度，发电机线圈匝数，面积是，内阻不计。发电机转动的角速度是，下列说法正确的是（ ）
A．当线圈转到图示位置时磁通量的变化率为0
B．当线圈从图示位置转过时感应电流是0，电流表示数也是0
C．电压表的示数始终是50V
D．当时，电流表的示数是2A
【答案】CD
【解析】A．图示位置线圈平面与磁场方向平行，此时磁通量的变化率最大，故A错误；
B．线圈从图示位置转过时，线圈平面与磁场方向垂直，此时感应电动势为0，而电流表显示的有效电流，所以不为0，故B错误；
C．发电机产生的最大电动势为
发电机内阻忽略不计，电压表显示的是有效值，示数为
故C正确；
D．由变压器的特点可知
由题，解得
当电阻时，电流表的示数
故D正确。
故选CD。
12．如图所示，左侧一单匝导电圆环半径，导电圆环与一个理想变压器的原线圈相连，导电圆环的电阻不计，圆环中有垂直于圆环平面向里的磁场，磁感应强度B的变化率为，变压器的副线圈两端与一个规格为“，”的小灯泡相连，小灯泡正常发光，则下列说法正确的是（ ）
A．变压器原线圈上电压的最大值为B．副线圈上交变电流的频率为
C．原、副线圈的匝数比为1∶300D．导电圆环中电流的最大值为
【答案】CD
【解析】A．变压器原线圈上电压的最大值为
选项A错误；
B．副线圈上交变电流的频率为
选项B错误；
C．原线圈电压有效值为
原、副线圈的匝数比为
选项C正确；
D．次级电流有效值为
则初级电流有效值
则导电圆环中电流的最大值为
选项D正确。
故选CD。
三、实验题
13．在“探究变压器线圈两端的电压和匝数的关系”实验中，可拆变压器如图1所示。
上表数据表示变压器线圈两端的电压和匝数
（1）为实现探究目的，保持原线圈的输入电压一定，通过改变原、副线圈匝数，测量副线圈上的电压。这个探究过程采用的科学探究方法是________。
A．归纳总结法 B．控制变量法
C．理想实验法 D．等效替代法
（2）用学生电源给原线圈供电，用多用表测量副线圈两端电压，下列操作正确的是________。
A．原线圈接直流电压，电表用直流电压挡
B．原线圈接直流电压，电表用交流电压挡
C．原线圈接交流电压，电表用直流电压挡
D．原线圈接交流电压，电表用交流电压挡
（3）通过实验得到3组实验数据如上表1所示，表中、分别为原、副线圈的匝数，、分别为原、副线圈的电压，通过实验数据分析，你的结论是___________。
【答案】 B D 在误差允许范围内，原副线圈的电压比等于原副线圈的匝数比
【解析】（1）[1]为实现探究目的，保持原线圈输入的电压一定，通过改变原、副线圈匝数，测量副线圈上的电压。这个探究过程采用的科学探究方法是控制变量法。
故选B。
（2）[2]变压器的工作原理是电磁感应，用学生电源给原线圈供电应接交流电压，用多用表测量副线圈两端电压，应是交流电压挡。故选D。
（3）[3]由实验数据可知：第1次有
第2次有
第3次有
由以上计算可知，在误差允许的范围内，变压器原副线圈的电压比等于匝数比，即
14．如图所示，将可拆变压器的横条和一组匝数较少（如左边）的绕组取出，再把连接好灯座的较长导线（约5m）套入铁芯的左边。
（1）将长导线按顺时针方向一匝一匝地绕在左边的铁芯，边绕边观察小灯泡的发光情况；
（2）待小灯泡发出耀眼的强光后，再按逆时针方向一匝一匝地退出铁芯，边退边观察小灯泡的发光情况。观察到的实验现象是：_______。得出的结论是：_______。
【答案】 灯泡先慢慢变亮，后来再慢慢变暗 输入电压和原线圈匝数一定时，副线圈匝数越多，获得电压越高
【解析】[1]依题意，副线圈匝数先增加后减小，根据变压比公式
可知，小灯泡电压先增加后减小，故灯泡先慢慢变亮，后来再慢慢变暗。
[2]得出的结论是输入电压和原线圈匝数一定时，副线圈匝数越多，获得电压越高。
四、解答题
15．图甲所示为小型旋转电枢式交流发电机的原理图，其矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的固定轴按如图所示方向匀速转动，线圈的匝数匝，电阻，线圈的两端经集流环与电阻R连接，阻值，与R并联的交流电压表为理想电表。在时刻，线圈平面与磁场方向平行，穿过每匝线圈的磁通量随时间t按图乙所示正弦规律变化。（取）求：
（1）交流发电机产生的电动势的最大值；
（2）从图示位置转过，通过电阻R的电荷量和电阻R上产生的焦耳热。
【答案】（1）104V；（2）10C，62800J
【解析】（1）由Φ-t图线可知
Φm=2.0Wb
周期为
T=6.28×10-2s
由于
Φm=BS
且
感应电动势最大值为
Em=nBSω=nΦmω=50×2.0×100V=104V
（2）从图示位置转过90°，磁通量变化量为
ΔΦ=BS=Φm=2.0Wb
通过线圈的电荷量
电动势的有效值为
根据焦耳定律可得
16．如图所示，理想变压器的原副线圈匝数分别为n1、n2，在原副线圈的回路中分别接有阻值为R1、R2的电阻，原线圈一侧接在电压为220V的正弦交流电上。
（1）若，求原副线圈两端的电压比；
（2）若，，求原线圈两端的电压；
（3）若，则为多大时，副线圈两端能获得最大电压，最大电压为多少。
【答案】（1）；（2）；（3），
【解析】（1）根据变压器原理
（2）由于
联立
原线圈电路
联立解得
（3）设
则
分析原线圈电路
当
解得
此时，副线圈两端能获得最大电压
17．如图所示，发电站通过升压变压器、输电导线和降压变压器把电能输送到用户，若发电机的输出功率是100kW，输出电压是250V，升压变压器的原、副线圈的匝数比为1:20，（升压变压器和降压变压器都可视为理想变压器），求：
（1）升压变压器的输出电压和输电导线中的电流；
（2）若输电导线中的电功率损失为输入功率的4%，输电导线的总电阻和降压变压器原线圈两端的电压。
【答案】（1），；（2），
【解析】（1）对升压变压器，据公式
因为
可知升压变压器次级电流
（2）导线上损失功率
所以
因为
所以降压变压器原线圈两端的电压
实验次数
1
800
200
10.0
2.47
2
300
100
10.0
3.10
3
120
60
10.0
4.96