2024届高考物理一轮总复习第十一章交变电流电磁振荡与电磁波传感器第1讲交变电流的产生及描述学案.docx

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1、第1讲交变电流的产生及描述一、交变电流1交变电流大小和方向都随时间做周期性变化的电流。2正弦式交变电流的产生条件和图像(1)产生条件：在匀强磁场中，线圈绕垂直于磁场方向的轴匀速转动。(2)两个特殊位置的特点：线圈平面与中性面重合时，SB，最大，0，e0，i0，电流方向将发生改变。线圈平面与中性面垂直时，SB，0，最大，e最大，i最大，电流方向不改变。(3)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。(4)图像：线圈从中性面位置开始计时，电动势e、电压u和电流i随时间变化的图像分别如图甲、乙、丙所示。二、描述正弦式交变电流的物理量1周

2、期和频率周期(T)交变电流完成一次周期性变化(线圈转一周)所需的时间，单位是秒(s)，公式T频率(f)交变电流在1_s内完成周期性变化的次数，单位是赫兹(Hz)周期和频率的关系T2交变电流的瞬时值、峰值和有效值瞬时值交变电流某一时刻的值，是时间的函数。如eEmsin t峰值交变电流的电流或电压所能达到的最大值有效值让交变电流和恒定电流分别通过相同阻值的电阻，如果它们在交变电流的一个周期内产生的热量相等，就把这一恒定电流的数值叫作这一交流的有效值注意正(余)弦交流电的有效值和峰值的关系：E，U，I。,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。微点判断(1)矩形线圈在

3、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。()(6)分析电容器的耐压值应考虑电压的峰值。()(一) 交变电流的产生和描述(固基点)题点全练通1中性面和峰值面如图所示，一线圈在匀强磁场中匀速转动，经过图示位置时( ) A穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率最大B穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率最小C穿过线圈的磁通

4、量最小，磁通量的变化率最大D穿过线圈的磁通量最小，磁通量的变化率最小解析：选C题图所示位置线圈平面与磁感线平行，处于垂直于中性面的位置，故穿过线圈的磁通量为零(即最小)，而磁通量的变化率最大，故C正确。2交变电流的函数表达式一个矩形线圈在匀强磁场中转动产生的电动势e200sin 100t(V)，下列说法正确的是( )A该交变电流的频率是100 HzB当t0时，线圈平面恰好与中性面垂直C当t s时，e达到峰值D该交变电流的电动势的有效值为200 V解析：选C由交变电流的电动势瞬时值表达式enBSsin t可知，交变电流的频率f50 Hz，A错误。在t0时，电动势瞬时值为0，线圈平面恰好在中性面处

5、，B错误。当t s时，e达到峰值Em200 V，C正确。该交变电流的电动势的有效值E200 V，D错误。3描述交变电流的物理量(多选)如图所示，图线a是线圈在匀强磁场中匀速转动时所产生的正弦交流电的图像，当调整线圈转速后，所产生的正弦交流电的图像如图线b所示。以下关于这两个正弦交流电的说法正确的是( ) A在图中t0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32C交流电a的瞬时值表达式为u10sin(5t)VD交流电b的最大值为 V解析：选BCD在题图中t0时刻，感应电动势为零，穿过线圈的磁通量最大，A错误；图线a的周期为0.4 s，图线b的周期为0.6 s，转速与周期成反比，所以转速

6、之比为32，B正确；交流电的瞬时值表达式为uUmsin t，所以a的瞬时值表达式为u10sinV10sin(5t)V，C正确；由UmNBS，可知角速度变为原来的，则最大值变为原来的，交流电b的最大值为 V，D正确。要点自悟明1正弦式交变电流产生过程中的两个特殊位置图示概念中性面位置与中性面垂直的位置特点BSBSBS，最大0，最小en0，最小ennBS，最大电流为零，方向改变电流最大，方向不变2正弦式交变电流的变化规律(线圈从中性面位置开始计时)项目函数表达式图像磁通量mcos tBScos t电动势eEmsin tnBSsin t电流iImsin tsin t电压uUmsin tsin t注意

7、e、i、u三个量的变化步调总是一致的，且总是与的变化反相。 (二) 有效值的理解与计算(精研点)交变电流有效值的求解三法1公式法：对于正(余)弦式交变电流，利用E、U、I计算有效值。注意上述关系当t T时：tT；tT；tT或tT，而且两端是“0”和峰值的周期波形时才成立。2定义法：对于非正弦式电流，计算有效值时要抓住“三同”，即“相同时间”内“相同电阻”上产生“相同热量”，列式求解时时间一般取一个周期或为周期的整数倍。3能量守恒法：当有电能和其他形式的能转化时，可利用能的转化和能量守恒定律来求有效值。多维训练类型1正弦式交变电流1(2021辽宁高考)如图所示，N匝正方形闭合金属线圈abcd边长

8、为L，线圈处于磁感应强度大小为B的匀强磁场中，绕着与磁场垂直且与线圈共面的轴OO以角速度匀速转动，ab边距轴。线圈中感应电动势的有效值为( )ANBL2 B.NBL2C.NBL2 D.NBL2解析：选B交流电的最大值和两条边到转轴的距离无关，EmNBSNBL2，因此有效值为ENBL2，故B正确。类型2峰值不对称的正弦式波形2电压u随时间t的变化情况如图所示，则电压的有效值为( )A137 V B163 V C174 V D196 V解析：选C由有效值的定义有：T，解得：U174 V。类型3全波直流波形3某线圈中感应电动势随时间变化的规律如图所示，则此感应电动势的有效值为( )A187 V B2

9、20 V C236 V D243 V解析：选B由有效值的定义有：2T，解得：U220 V。类型4半波直流波形4.家用电子调光灯的调光功能是用电子线路将输入的正弦交流电压的波形截去一部分来实现的，截去部分后通过调光灯的电流随时间的变化如图所示，则下列说法正确的是( ) A这也是一种交流电B电流的变化周期是0.01 sC电流的有效值是1 AD电流通过100 的电阻时，1 s内产生的热量为200 J解析：选C交流电的特点是电流方向变化，因而题图中电流不是交流电，A错误；根据图像可得电流的变化周期是0.02 s，B错误；根据有效值的定义得：2RI2RT，代入数据解得： I1 A，电流通过100 的电阻

10、时，1 s内产生热量为100 J，C正确，D错误。类型5周期的波形5如图所示为一个经双可控硅调节后加在电灯上的电压，正弦交流电的每一个二分之一周期中，前面四分之一周期被截去。现在电灯上电压的有效值为( )AUm B. C. D.解析：选D从ut图像上看，每个周期正弦波形的有效值U1，根据有效值的定义：T2，解得：U，D正确。类型6矩形波形6(2022长沙模拟)一交流电压随时间变化的图像如图所示，此交流电压的有效值为( )A50 V B50 V C25 V D75 V解析：选A题图中给出的是一方波交流电，周期T0.3 s，前时间内U1100 V，后时间内U250 V。设该交流电压的有效值为U，根

11、据有效值的定义，有TT，代入已知数据，解得U50 V，A正确。(三) 交变电流“四值”的理解及应用(释疑点)交变电流的“四值”及应用项目物理含义重要关系适用情况瞬时值交变电流某一时刻的值eEmsin t iImsin t计算线圈某一时刻的受力情况峰值交变电流最大的瞬时值EmnBSIm确定用电器的耐压值、电容器的击穿电压有效值跟交变电流的热效应等效的恒定电流值E U I(1)计算与电流热效应相关的量(如功率、热量) (2)交流电表的测量值(3)用电器设备标注的额定电压、额定电流(4)保险丝的熔断电流平均值it图像中图线与时间轴所围面积与时间的比值n计算通过电路某截面的电荷量针对训练1.(2022

12、济南模拟)(多选)如图所示为交流发电机的模型示意图，矩形线框abcd在匀强磁场中绕OO逆时针匀速转动，从图示位置开始转过90的过程中，下列说法正确的是( )A电流方向由c到b，大小逐渐减小B电流方向由b到c，大小逐渐增大C电流的有效值与平均值的比值为D电流的有效值与平均值的比值为解析：选BD根据楞次定律可知，电流方向由b到c，从中性面开始计时，转过90的过程中，电流逐渐增大，A错误，B正确；电流的有效值为I，电流的平均值为，二者之比为，C错误，D正确。2.交流发电机线圈电阻r1 ，用电器电阻R9 ，电压表示数为9 V，如图所示，那么该交流发电机( )A电动势的峰值为10 VB电动势的有效值为9

13、 VC线圈通过中性面时电动势的瞬时值为10 VD线圈自中性面转过90的过程中的平均感应电动势为 V解析：选D用电器电阻R9 ，电压表的示数是交流电的有效值，其示数为9 V，则电路中的电流I1 A，电动势的有效值EI(Rr)10 V，其峰值EmE10 V，故A、B错误；由正弦交流电的产生与变化的规律可知，交流发电机线圈通过中性面时电动势的瞬时值为零，故C错误；线圈自中性面转过90的过程中的平均感应电动势n V，故D正确。3(多选)如图甲所示，标有“220 V40 W”的灯泡和标有“20 F320 V”的电容器并联接到交流电源上，电压表V为交流电压表，交流电源的输出电压随时间的变化规律如图乙所示，

14、闭合开关S。下列判断正确的是( )At时刻，V的示数为零B灯泡恰好正常发光C电容器不可能被击穿D电压表V的示数保持110 V不变解析：选BCV的示数应是电压的有效值220 V，A、D错误；电压的有效值恰好等于灯泡的额定电压，灯泡正常发光，B正确；电压的峰值Um220 V311 V，小于电容器的耐压值，故电容器不可能被击穿，C正确。4(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Um C流过电阻的电荷量

15、qD电阻产生的焦耳热Q解析：选BD根据题图甲可知，金属框转动产生交流电，框内电流方向会发生变化，选项A错误；根据题图乙可知，电动势最大值为Um，选项B正确；根据qtt可知，金属框转动半周，磁通量的改变量为2BL2，通过电阻的电荷量为，转动一周流过电阻的电荷量为q总2，选项C错误；题图乙等价为余弦式交流电，因此根据有效值可知Qt，交流电最大值为BL2Um，联立可知Q，选项D正确。课时跟踪检测1(2021北京等级考)一正弦式交变电流的it图像如图所示。下列说法正确的是( )A在t0.4 s时电流改变方向B该交变电流的周期为0.5 sC该交变电流的表达式为i2cos 5t AD该交变电流的有效值为

16、A解析：选C由题图可知t0.4 s时电流为正方向最大值，电流方向没有发生变化，故A错误；由题图可知，该交变电流的周期为T0.4 s，故B错误；由题图可知，电流的最大值为imax2 A，角速度为5 rad/s，故该交变电流的表达式为iimaxcos t2cos 5t A，故C正确；该交变电流的有效值为i A，故D错误。2如图所示，闭合开关后，R5 的电阻两端的交流电压为u50sin 10t V，电压表和电流表均为理想交流电表，则( )A该交流电周期为0.02 sB电压表的读数为100 VC电流表的读数为10 AD电阻的电功率为1 kW解析：选C该交流电的周期T s0.2 s，选项A错误；电压表的

17、读数为交流电的有效值，即U V50 V，选项B错误；电流表的读数为I A10 A，选项C正确；电阻的电功率为PIU1050 W500 W，选项D错误。3.如图所示，虚线是正弦交流电的图像，实线是另一交流电的图像，它们的周期T和最大值Um相同，则实线所对应的交流电的有效值U满足( )AUBUCUDU解析：选D因虚线是正弦交流电的图像，则该交流电的有效值为U有效值，由题图可知，在任意时刻，实线所代表的交流电的瞬时值都不大于虚线表示的正弦交流电的瞬时值，则实线所代表的交流电的有效值小于虚线表示的正弦交流电的有效值，则U，故D正确。4.(多选)如图所示，磁感应强度大小为B的匀强磁场中，匝数为n、边长为

18、L的正方形线圈绕垂直于磁场的轴OO匀速转动，其角速度为，线圈总电阻为r。下列说法正确的是( )A线圈转动过程中的最大电流为B线圈转动一周产生的热量为C当线圈与中性面的夹角为30时，线圈产生的瞬时电动势为nBL2D线圈从中性面开始，转动60的过程中，通过导线横截面的电荷量为解析：选AB线圈转动过程中的最大电动势为EmnBL2，根据闭合电路的欧姆定律得Im，A正确；电流的有效值为I，线圈转一圈的时间为t，线圈转动一周产生的热量为QI2rt，B正确；当线圈与中性面的夹角为30时，线圈产生的瞬时电动势为enBL2，C错误；线圈从中性面开始，转动60的过程中，线圈磁通量的变化BL2BL2BL2，通过导线

19、横截面的电荷量为qtnnBL2，D错误。5.一台发电机的结构示意图如图所示，N、S是磁铁的两个磁极，M是圆柱形铁芯，铁芯外套有一矩形导线圈，线圈在绕过铁芯M中心的固定转轴匀速转动。磁极与铁芯之间的缝隙中形成方向沿半径的辐向磁场，磁感应强度大小处处相等。若从线圈处于图示位置开始计时，设此时电动势为正值，图中能正确反映线圈中感应电动势e随时间t变化规律的是( )解析：选D由于磁极与铁芯之间的缝隙中形成方向沿半径的辐向磁场，线圈绕过铁芯M中心的固定转轴匀速转动过程中，线圈与转轴平行的两边垂直切割磁感线，产生的电动势大小不变，经过竖直面时，方向改变，D正确。6(多选)如图甲所示的电路中，电阻R1R2R

20、，和R1并联的D是理想二极管(正向电阻可视为零，反向电阻为无穷大)，在A、B之间加一个如图乙所示的交变电压(电压为正值时， UAB0)。由此可知( )A在A、B之间所加的交变电压的周期为2102 sB在A、B之间所加的交变电压的瞬时值表达式为u220sin 50t(V)C加在R1上电压的有效值为55 VD加在R1上电压的有效值为55 V解析：选AC由题图乙可知，交变电压的周期为T2102 s，A正确；交变电压瞬时值的表达式为u220sint(V)220sin 100t(V)，B错误；电压值取正值时，即在前半个周期内，二极管电阻为零，R1被短路，电压值取负值时，即在后半个周期内，二极管电阻无穷大

21、，可看作断路，R1上的电压等于输入电压值的一半，据此可设加在R1的电压有效值为U，根据电流的热效应，在一个周期内满足T，可求出U55 V，C正确，D错误。7.一个匝数为100匝，电阻为0.5 的闭合线圈处于某一磁场中，磁场方向垂直于线圈平面。从某时刻起穿过线圈的磁通量随时间按如图所示规律变化，已知01 s内线圈内的磁通量按正弦规律变化到最大值，210。则线圈中产生的交变电流的有效值为( )A. AB2 A C6 AD5 A解析：选A01 s内线圈内的磁通量按正弦规律变化到最大值，则感应电动势的最大值EmNm，由题图知 rad/s，可得Em V，这段时间内交变电流的有效值I1 A；11.2 s内感应电动势E2n5 V，这段时间内感应电流的有效值为I210 A，由电流有效值的定义有I12Rt1I22Rt2I2R(t1t2)，解得线圈中产生的交变电流的有效值为I A，A正确。