高中物理高考 2022年高考物理一轮复习（新高考版1(津鲁琼辽鄂)适用） 第12章 第1讲 交变电流的产生和描述课件PPT

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1.理解交变电流的产生过程，能正确书写交变电流的函数表达式.2.理解并掌握交变电流图像的意义.3.理解描述交变电流的几个物理量，会计算交变电流的有效值.4.知道交流电四值在具体情况下的应用.
NEIRONGSUOYIN
考点一　正弦式交变电流的产生及变化规律
考点二　交变电流的有效值求解
考点三　交变电流“四值”的理解和计算
正弦式交变电流1.产生线圈绕 磁场方向的轴匀速转动.2.两个特殊位置的特点(1)线圈平面与中性面重合时，S⊥B，Φ ， ＝0，e＝0，i＝0，电流方向将 .(2)线圈平面与中性面垂直时，S∥B，Φ＝0， ，e最大，i最大，电流方向 .
3.一个周期内线圈中电流的方向改变 次.4.描述交变电流的物理量(1)最大值Em＝ ，与转轴位置 ，与线圈形状 (填“有关”或“无关”).(2)周期和频率①周期(T)：交变电流完成 变化所需的时间.单位是秒(s)，公式T＝ .②频率(f)：交变电流在单位时间内完成周期性变化的 .单位是赫兹(Hz).③周期和频率的关系：T＝ 或f＝ .
5.交变电流的变化规律(线圈从中性面开始计时)
书写交变电流瞬时值表达式的技巧(1)确定正弦交变电流的峰值：根据已知图像读出或由公式Em＝NBSω求出相应峰值.(2)明确线圈的初始位置：①线圈在中性面位置开始计时，则i－t图像为正弦函数图像，函数表达式为i＝Imsin ωt.②线圈在垂直于中性面的位置开始计时，则i－t图像为余弦函数图像，函数表达式为i＝Imcs ωt.
例1　(多选)(2021·广东惠州市模拟)如图1所示，图线a是线圈在匀强磁场中匀速转动时所产生正弦式交变电流的图像，当调整线圈转速后，其在同一磁场中匀速转动过程所产生正弦式交变电流的图像如图线b所示.下列关于这两个正弦式交变电流的说法中正确的是A.在图中t＝0时刻穿过线圈的磁通量均为零B.线圈先后两次转速之比为3∶2C.交变电流a的电动势瞬时值表达式为e＝10sin (5πt) VD.交变电流b的电动势最大值为 V
解析　由题图可知t＝0时刻线圈均在中性面，穿过线圈的磁通量最大，A错误；由图像可知Ta∶Tb＝2∶3，故na∶nb＝3∶2，B正确；
1.(交变电流的产生)(多选)如图2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，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.关于其工作原理，下列分析正确的是A.当线圈平面转到中性面的瞬间，穿过线圈的 磁通量最大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
解析　当线圈平面转到中性面的瞬间，穿过线圈的磁通量最大，磁通量变化率为零，感应电动势为零，线圈中的感应电流为零，选项A正确，B错误；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，磁通量变化率最大，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.
t＝0时刻，e＝0，线圈平面位于中性面，B错误；
3.(交变电流的图像)在匀强磁场中，一矩形金属线框绕与磁感线垂直的转轴匀速转动，如图3甲所示，产生的交变电动势的图像如图乙所示，则A.t＝0.005 s时线框的磁通量变化率为零B.t＝0.01 s时线框平面与中性面重合C.线框产生的交变电动势的有效值为311 VD.线框产生的交变电动势的频率为100 Hz
1.定义让交变电流与恒定电流分别通过大小相同的电阻，如果在交变电流的一个周期内它们 相等，则这个恒定电流的电流I与电压U就是这个交变电流的有效值.2.正弦式交变电流的有效值与峰值之间的关系
I＝ ，U＝ ，E＝ .
有效值的计算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.(1)分段计算电热求和得出一个周期内产生的总热量.
例2　(2019·湖北武汉市二月调研)如图4(a)所示，阻值为R＝20 Ω的定值电阻接在如图(b)所示的交流电上，交流电的前半个周期为正弦交流电，后半个周期为恒定电流.理想交流电压表的示数为
例3　某研究小组成员设计了一个如图5所示的电路，已知纯电阻R的阻值不随温度变化.与R并联的是一个理想的交流电压表，D是理想二极管(它的导电特点是正向电阻为零，反向电阻为无穷大).在A、B间加一交流电压，其瞬时值的表达式为u＝20 sin 100πt(V)，则交流电压表示数为A.10 V B.20 VC.15 V D.10 V
4.(有效值的计算)(2020·河北五个一名校联盟第一次诊断)如图6所示为一交流电电流随时间变化的图像，此交流电电流的有效值为
解得I＝5 A，故选B.
5.(有效值的计算)一个U形金属线框在两匀强磁场中绕OO′轴以相同的角速度匀速转动，通过导线给同一电阻R供电，如图7甲、乙所示.甲图中OO′轴右侧有磁场，乙图中整个空间均有磁场，两图中磁场的磁感应强度相同.则甲、乙两图中交流电流表的示数之比为
解析　题图甲中OO′轴的右侧有磁场，所以线框只在半个周期内有感应电流产生，感应电流随时间变化的图像如图(a)，交流电流表测的是有效值，
题图乙中整个空间均有磁场，线框中产生的感应电流随时间变化的图像如图(b)，
例4　(多选)如图8所示，边长为L的正方形单匝线圈abcd，电阻为r，外电路的电阻为R，ab的中点和cd的中点的连线恰好位于匀强磁场的边界线OO′上，磁场的磁感应强度为B，若线圈从图示位置开始以角速度ω绕OO′轴匀速转动，则以下判断正确的是A.图示位置线圈中的感应电动势最大，为Em＝BL2ωB.从图示位置开始计时，闭合电路中感应电动势的 瞬时值表达式为e＝ BL2ωsin ωtC.线圈从图示位置转过180°的过程中，流过电阻R的电荷量为 q＝D.线圈转动一周的过程中，电阻R上产生的热量为Q＝
解析　题图位置线圈中的感应电动势最小，为零，A错误；若线圈从题图位置开始转动，闭合电路中感应电动势的瞬时值表达式为e＝ BL2ωsin ωt，B正确；
6.(含电容的交变电路的分析)(多选)如图9甲所示，标有“220 V　40 W”的灯泡和标有“20 μF　320 V”的电容器并联接到交流电源上， 为交流电压表，交流电源的输出电压如图乙所示，闭合开关.下列判断正确的是
解析　 的示数应是交流电压的有效值220 V，故选项A、D错误；交流电压的有效值恰好等于灯泡的额定电压，灯泡正常发光，选项B正确；交流电压的峰值Um＝220 V≈311 V，小于电容器的耐压值，故电容器不可能被击穿，选项C正确.
7.(交变电流的产生及变化规律)(多选)(2019·河南平顶山市一模)如图10所示，边长为L的正三角形金属线框处于匀强磁场中，开始时线框平面与磁场垂直，磁场的磁感应强度为B，让线框以AB边为轴以角速度ω在磁场中匀速转过180°的过程中，则A.穿过线框导线截面的电荷量为0B.线框中的感应电流方向先沿ACBA后沿ABCA
解析　根据楞次定律可知，线框中的电流一直沿ACBA，穿过线框导线截面的电荷量不为零，故A、B项错误；
1.(多选)关于中性面，下列说法正确的是A.线圈在转动中经中性面位置时，穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变 化率为零B.线圈在转动中经中性面位置时，穿过线圈的磁通量为零，磁通量的变 化率最大C.线圈每经过一次中性面，感应电流的方向就改变一次D.线圈每转动一周即经过中性面一次，所以线圈每转动一周，感应电流 的方向就改变一次
2.(多选)将电阻R、理想电压表V、开关S和交流电源按照图1甲所示的方式连接起来，其中R＝30 Ω，合上开关S后，交流电源输出的正弦式交流电压u随时间t变化的关系图像如图乙所示，则A.电压表V的示数为36 VB.R消耗的电功率为21.6 WC.通过R的电流瞬时值表达式为 i＝1.2sin (100πt) AD.通过R的电流最大值为1.2 A
3.(2018·全国卷Ⅲ·16)一电阻接到方波交流电源上，在一个周期内产生的热量为Q方；若该电阻接到正弦交流电源上，在一个周期内产生的热量为Q正.该电阻上电压的峰值均为u0，周期均为T，如图2所示.则Q方∶Q正等于
4.(多选)(2017·天津卷·6)在匀强磁场中，一个100匝的闭合矩形金属线圈，绕与磁感线垂直的固定轴匀速转动，穿过该线圈的磁通量随时间按图3所示正弦规律变化.设线圈总电阻为2 Ω，则A.t＝0时，线圈平面平行于磁感线B.t＝1 s时，线圈中的电流改变方向C.t＝1.5 s时，线圈中的感应电动势最大D.一个周期内，线圈产生的热量为8π2 J
解析　t＝0时，穿过线圈的磁通量为零，线圈平面平行于磁感线，故A正确；
每经过一次中性面(线圈平面垂直于磁感线，磁通量有最大值)电流的方向改变一次，t＝1 s时，磁通量为零，线圈平面平行于磁感线，线圈中的电流方向不变，故B错误；
5.(2020·四川成都市模拟)如图4所示，单匝矩形线圈ab边长为20 cm，bc边长为10 cm，绕垂直于磁场方向的轴OO′匀速转动，转速为50 r/s.若磁感应强度为0.1 T，线圈电阻为1 Ω.从中性面处开始计时，则A.转动过程中，线圈中磁通量的变化率恒定B.1 s内线圈中电流方向改变100次
解析　线圈从中性面开始匀速转动产生正弦交流电，感应电动势即磁通量的变化率按正弦规律变化，A项错误；线圈的转速n＝50 r/s，即每秒50个周期，每个周期电流方向改变2次，故1 s内线圈中电流方向改变100次，B项正确；
6.图5甲所示电压按正弦规律变化，图乙所示电压是正弦交流电的一部分，则下列说法正确的是A.图乙所示的电压也是正弦式交流电压B.图甲所示电压的瞬时值表达式为u＝ 10sin 50πt (V)C.图乙所示电压的周期与图甲所示电压 周期相同D.图甲所示电压的有效值比图乙所示 电压的有效值小
解析　题图乙所示电压只有一部分按正弦规律变化，不能称为正弦式交流电压，故A错误；题图甲所示电压的瞬时值表达式为u＝10sin 100πt(V)，故B错误；图乙所示电压的周期为图甲所示电压周期的2倍，故C错误；
7.(多选)有一种自行车，它有能向自行车车头灯泡供电的小型发电机，其原理示意图如图6甲所示，图中N、S是一对固定的磁极，磁极间有一固定在绝缘转轴上的矩形线圈，转轴的一端有一个与自行车后轮边缘接触的摩擦轮.如图乙所示，当车轮转动时，因摩擦而带动摩擦轮转动，从而使线圈在磁场中转动而产生电流给车头灯泡供电.关于此装置，下列说法正确的是A.自行车匀速行驶时线圈中产生的是交流电B.小灯泡亮度与自行车的行驶速度无关C.知道摩擦轮和后轮的半径，就可以知道后 轮转一周的时间里摩擦轮转动的圈数D.线圈匝数越多，穿过线圈的磁通量的变化率越大
解析　自行车匀速行驶时，摩擦轮带动线圈在磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，产生交流电，故A正确；
自行车的行驶速度会影响感应电动势的大小，进而影响小灯泡的亮度，故B错误；摩擦轮和后轮属于摩擦传动，具有大小相等的线速度，如果知道了半径关系，就能知道角速度关系，也就能知道转速关系，故C正确；线圈匝数不影响穿过线圈的磁通量的变化率的大小，故D错误.
8.(多选)如图7所示的正方形线框abcd边长为L，每边电阻均为r，在垂直于纸面向里、磁感应强度为B的匀强磁场中绕cd轴以角速度ω匀速转动，c、d两点与一阻值为r的电阻相连，各表均可视为理想电表，导线电阻不计，则下列说法中正确的是A.线框abcd产生的电流为交变电流B.当S断开时，电压表的示数为零
解析　线框abcd绕着垂直于磁场的转轴匀速转动，故产生的电流为交变电流，故A项正确；
9.(多选)(2019·天津卷·8)如图8甲所示，单匝闭合矩形线框电阻为R，在匀强磁场中绕与磁感线垂直的轴匀速转动，穿过线框的磁通量Ф与时间t的关系图象如图10乙所示.下列说法正确的是
解析　由Ф－t图象可知， 时刻穿过线框的磁通量最大，则线框位于中性面，A错误；
10.如图9所示，正方形线圈abcd的边长L＝0.3 m，线圈电阻为R＝1 Ω.直线OO′与ad边相距 L，过OO′且垂直纸面的竖直平面右侧有磁感应强度B＝1 T的范围足够大的匀强磁场，方向垂直纸面向里.线圈以OO′为轴匀速转动，角速度ω＝20 rad/s，以图示位置为计时起点.则
解析　当bc边在磁场中时，线圈中产生的交流电最大值为Em1＝BωS1＝1×20×0.3×0.1 V＝0.6 V，则瞬时值表达式为u＝0.6sin 20t(V)；当ad边在磁场中时，线圈中产生的交流电最大值为Em2＝BωS2＝1×20×0.3×0.2 V＝1.2 V，选项A错误；每个周期电流方向改变两次，故B错误；
11.(2020·广东惠州一中月考)如图10所示，两根间距为20 cm的无限长光滑金属导轨，电阻不计，其左端连接一阻值为10 Ω的定值电阻，两导轨之间存在着磁感应强度为1 T的匀强磁场，磁场边界虚线均为正弦曲线的一部分，一根接入电路中的电阻为10 Ω的光滑导体棒，在外力作用下以10 m/s的速度匀速向右运动(接触电阻不计)，交流电压表和交流电流表均为理想电表，则A.回路中产生的是正弦式交变电流B.电压表的示数是2 VC.导体棒运动到图示虚线位置时，电流表示数为零D.导体棒上消耗的热功率为0.2 W
解析　磁场边界虚线为正弦曲线的一部分，可知回路中产生的是正弦式交变电流，故A正确；
导体棒上消耗的热功率P＝I2r＝0.1 W，故D错误.
12.如图11所示，间距为L的光滑平行金属导轨，水平地放置在竖直方向的磁感应强度为B的匀强磁场中，一端接阻值为R的电阻.一有效电阻为r、质量为m的导体棒放置在导轨上，在外力F作用下从t＝0时刻开始运动，其速度随时间的变化规律v＝vmsin ωt，不计导轨电阻.求：
解析　由导体棒切割磁感线产生的感应电动势E＝BLv得e＝BLvmsin ωt
13.如图12所示电路，电阻R1与电阻R2串联接在交变电源上，且R1＝R2＝10 Ω，正弦交流电的表达式为u＝20 sin 100πt(V)，R1和理想二极管D(正向电阻为零，反向电阻为无穷大)并联，则R2上的电功率为A.10 W B.15 WC.25 W D.30 W