《（江蘇專版）2020版高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十章 第1節(jié) 交變電流的產(chǎn)生及描述講義（含解析）.doc》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《（江蘇專版）2020版高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十章 第1節(jié) 交變電流的產(chǎn)生及描述講義（含解析）.doc（10頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

交變電流的產(chǎn)生及描述 (1)矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，一定會(huì)產(chǎn)生正弦式交變電流。() (2)線圈在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中穿過線圈的磁通量最大時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢也最大。() (3)矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過中性面時(shí)，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢為零，電流方向發(fā)生改變。(√) (4)交流電氣設(shè)備上所標(biāo)的電壓和電流值是交變電流的有效值。(√) (5)交流電壓表和電流表測量的是交流電的峰值。() (6)交變電流的峰值總是有效值的倍。() 突破點(diǎn)(一)　交變電流的產(chǎn)生和描述 1．正弦式交變電流的產(chǎn)生 (1)線圈繞垂直于磁場方向的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。 (2)兩個(gè)特殊位置的特點(diǎn)： ①線圈平面與中性面重合時(shí)，S⊥B，Φ最大，＝0，e＝0，i＝0，電流方向?qū)l(fā)生改變。 ②線圈平面與中性面垂直時(shí)，S∥B，Φ＝0，最大，e最大，i最大，電流方向不改變。 (3)電流方向的改變：線圈通過中性面時(shí)，電流方向發(fā)生改變，一個(gè)周期內(nèi)線圈兩次通過中性面，因此電流的方向改變兩次。 (4)交變電動(dòng)勢的最大值Em＝nBSω，與轉(zhuǎn)軸位置無關(guān)，與線圈形狀無關(guān)。 2．正弦式交變電流的變化規(guī)律(線圈在中性面位置開始計(jì)時(shí)) 函數(shù)表達(dá)式 圖像 磁通量 Φ＝Φmcos ωt＝BScos ωt 電動(dòng)勢 e＝Emsin ωt＝nBSωsin ωt 電流 i＝Imsin ωt＝sin ωt 電壓 u＝Umsin ωt＝sin ωt [題點(diǎn)全練] 1.[多選](2018海南高考)如圖，在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場中，有一面積為S的矩形單匝閉合導(dǎo)線abcd，ab邊與磁場方向垂直，線框的電阻為R。使線框以恒定角速度ω繞過ad、bc中點(diǎn)的軸旋轉(zhuǎn)。下列說法正確的是(　　) A．線框abcd中感應(yīng)電動(dòng)勢的最大值是BSω B．線框abcd中感應(yīng)電動(dòng)勢的有效值是BSω C．線框平面與磁場方向平行時(shí)，流經(jīng)線框的電流最大 D．線框平面與磁場方向垂直時(shí)，流經(jīng)線框的電流最大 解析：選AC　一個(gè)單匝線圈在勻強(qiáng)磁場中旋轉(zhuǎn)，當(dāng)從中性面開始計(jì)時(shí)，產(chǎn)生的正弦式交變電流電動(dòng)勢的瞬時(shí)值表達(dá)式為：e＝Emsin ωt，感應(yīng)電動(dòng)勢的最大值Em＝BSω，有效值E＝，故A正確，B錯(cuò)誤；當(dāng)θ＝90時(shí)，即線框平面與磁場方向平行時(shí)，電流最大，故C正確，D錯(cuò)誤。 2.[多選]如圖所示，圖線a和圖線b分別表示線圈A和線圈B在同一勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過線圈的磁通量隨時(shí)間的變化規(guī)律。已知線圈A的匝數(shù)與線圈B的匝數(shù)分別為10匝和30匝，以下說法正確的是(　　) A．線圈A與線圈B的轉(zhuǎn)速之比為2∶3 B．線圈A與線圈B產(chǎn)生的最大電動(dòng)勢之比為1∶1 C．線圈A產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢的瞬時(shí)值表達(dá)式為e＝500πcos (5πt)V D．線圈B在t＝0.3 s時(shí)刻的感應(yīng)電流為零 解析：選BC　根據(jù)題給圖像可知，A的周期為0.4 s，B的周期為0.6 s，所以周期之比為2∶3，根據(jù)ω＝得：轉(zhuǎn)速之比為3∶2，故A錯(cuò)誤；根據(jù)Em＝nωΦm可知：＝＝，故B正確；EmA＝1010 V＝500π V，根據(jù)e＝Emcos ωt得：線圈A的感應(yīng)電動(dòng)勢的瞬時(shí)值表達(dá)式為e＝500πcos (5πt)V，故C正確；線圈B在t＝0.3 s時(shí)刻時(shí)，磁通量為零，感應(yīng)電動(dòng)勢最大，所以感應(yīng)電流不為零，故D錯(cuò)誤。 突破點(diǎn)(二)　有效值的理解與計(jì)算 有效值的求解 (1)計(jì)算有效值的根據(jù)是電流的熱效應(yīng)，抓住“三同”：“相同時(shí)間”內(nèi)“相同電阻”上產(chǎn)生“相同熱量”列式求解。 (2)利用公式Q＝I2Rt和Q＝t可分別求得電流有效值和電壓有效值。 [典例]　電阻R1、R2與交流電源按照?qǐng)D甲所示方式連接，R1＝10 Ω，R2＝20 Ω。合上開關(guān)S后，通過電阻R2的正弦式交變電流i隨時(shí)間t變化的情況如圖乙所示。則(　　) A．通過R1的電流有效值是1.2 A B．R1兩端的電壓有效值是6 V C．通過R2的電流有效值是1.2 A D．R2兩端的電壓最大值是6 V [解析]　首先從交流電圖像中找出交變電流的最大值即通過R2的電流最大值為0.6 A，由正弦式交變電流最大值與有效值的關(guān)系Im＝I可知其有效值為0.6 A，由于R1與R2串聯(lián)，所以通過R1的電流有效值也是0.6 A，選項(xiàng) A、C錯(cuò)；R1兩端電壓有效值為U1＝IR1＝6 V，選項(xiàng)B對(duì)；R2兩端電壓最大值為U2m＝ImR2＝0.620 V＝12 V，選項(xiàng)D錯(cuò)。 [答案]　B [多維探究] [變式1]　把圖像下半部分翻到t軸的上面 正弦交流電是由閉合線圈在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的。線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢隨時(shí)間變化的規(guī)律如圖所示，則此感應(yīng)電動(dòng)勢的有效值為________ V。 解析：由有效值的定義式得：2＝T，得：U＝220 V。 答案：220 V [變式2]　僅余周期的波形 家用電子調(diào)光燈的調(diào)光功能是用電子線路將輸入的正弦交流電壓的波形截去一部分來實(shí)現(xiàn)的，由截去部分的多少來調(diào)節(jié)電壓，從而實(shí)現(xiàn)燈光的可調(diào)，比過去用變壓器調(diào)壓方便且體積小。某電子調(diào)光燈經(jīng)調(diào)整后電壓波形如圖所示，求燈泡兩端的電壓的有效值。 解析：從ut圖像看出，每個(gè)周期的前半周期是正弦圖形，其有效值為U1＝；后半周期電壓為零。根據(jù)有效值的定義，T＝＋0，解得U＝。 答案： [變式3]　僅余周期的波形 如圖所示為一個(gè)經(jīng)雙可控硅調(diào)節(jié)后加在電燈上的電壓，正弦交流電的每一個(gè)二分之一周期中，前面四分之一周期被截去，則現(xiàn)在電燈上電壓的有效值為(　　) A．Um　　　　　　　　　 　B. C. D. 解析：選D　從Ut圖像上看，每個(gè)周期正弦波形的有效值U1＝，根據(jù)有效值的定義：T＝2＋0，解得：U＝，D正確。 [變式4]　把正余弦波形變成矩形波形 如圖所示，表示一交流電的電流隨時(shí)間而變化的圖像，此交流電的有效值是(　　) A．5 A B．3.5 A C．3.5 A D．5 A 解析：選D　交流電的有效值是根據(jù)其熱效應(yīng)定義的，它是從電流產(chǎn)生焦耳熱相等的角度出發(fā)，使交流電與恒定電流等效。設(shè)交流電的有效值為I，令該交變電流通過一阻值為R的純電阻，在一個(gè)周期內(nèi)有：I2RT＝I12R＋I(xiàn)22R。所以該交流電的有效值為I＝ ＝5 A。 [變式5]　上下波形的最大值不一致 電壓u隨時(shí)間t的變化情況如圖所示，求電壓的有效值？ 解析：由有效值的定義式得：＋＝T，得：U＝55 V。 答案：55 V [變式6]　在電阻兩端并聯(lián)二極管 如圖所示電路，電阻R1與電阻R2阻值相同，都為R，和R1并聯(lián)的D為理想二極管(正向電阻可看作零，反向電阻可看作無窮大)，在A、B間加一正弦交流電u＝20 sin 100πt V，則加在R2上的電壓有效值為(　　) A．10 V B．20 V C．15 V D．5 V 解析：選D　電壓值取正值時(shí)，即在前半個(gè)周期內(nèi)，二極管電阻為零，R2上的電壓等于輸入電壓值，電壓值取負(fù)值時(shí)，即在后半周期內(nèi)，二極管電阻無窮大可看作斷路，R2上的電壓等于輸入電壓值的一半，據(jù)此可設(shè)加在R2的電壓有效值為U，根據(jù)電流的熱效應(yīng)，在一個(gè)周期內(nèi)滿足T＝＋，可求出U＝5 V。故選項(xiàng)D正確。 [方法規(guī)律]　幾種典型交變電流的有效值 電流名稱 電流圖像 有效值 正弦式交變電流 I＝ 正弦半波電流 I＝ 矩形脈動(dòng)電流 I＝ Im 非對(duì)稱性交變電流 I＝ 突破點(diǎn)(三)　交變電流“四值”的理解和應(yīng)用 對(duì)交變電流“四值”的比較和理解 物理量 表達(dá)式 適用情況及說明 瞬時(shí)值 e＝Emsin ωt u＝Umsin ωt i＝Imsin ωt 計(jì)算線圈某時(shí)刻的受力情況 最大值(峰值) Em＝nBSω Im＝ 討論電容器的擊穿電壓 有效值 對(duì)正(余)弦交流電有：E＝ U＝　I＝ (1)計(jì)算與電流的熱效應(yīng)有關(guān)的量(如電功、電功率、電熱等) (2)電氣設(shè)備“銘牌”上所標(biāo)的一般是有效值 (3)保險(xiǎn)絲的熔斷電流為有效值 (4)電表的讀數(shù)為有效值 平均值 ＝BL ＝n ＝ 計(jì)算通過電路截面的電荷量 [題點(diǎn)全練] 1.[多選]實(shí)驗(yàn)室里的交流發(fā)電機(jī)可簡化為如圖所示的模型，正方形線圈在水平勻強(qiáng)磁場中繞垂直于磁感線的OO′軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。今在發(fā)電機(jī)的輸出端接一個(gè)電阻R和理想電壓表，并讓線圈每秒轉(zhuǎn)25圈，讀出電壓表的示數(shù)為10 V。已知R＝10 Ω，線圈電阻忽略不計(jì)，下列說法正確的是(　　) A．線圈位于圖中位置時(shí)，線圈中的瞬時(shí)電流為零 B．從中性面開始計(jì)時(shí)，線圈中電流瞬時(shí)值表達(dá)式為i＝sin(25πt)A C．電阻R在5 s內(nèi)的平均熱功率等于10 W D．從圖所示位置轉(zhuǎn)過90過程中的平均電動(dòng)勢＝ V 解析：選CD　線圈平面與磁場平行時(shí)，線圈與中性面垂直，感應(yīng)電動(dòng)勢最大，則線圈中的瞬時(shí)電流最大，故A錯(cuò)誤；電壓表的示數(shù)為10 V，故電壓的最大值為10 V，最大電流為：Im＝＝ A＝ A，角速度：ω＝2πn＝2π25 rad/s＝50π rad/s，故從中性面開始計(jì)時(shí)，線圈中感應(yīng)電流瞬時(shí)值表達(dá)式為：i＝Imsin ωt＝sin(50πt)A，故B錯(cuò)誤；電阻R上的熱功率：P＝I2R＝1210 W＝10 W，故C正確；從題圖所示位置轉(zhuǎn)過90過程中的平均電動(dòng)勢＝＝＝＝＝ V，故D正確。 2.(2019鹽城中學(xué)檢測)如圖所示，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向豎直向上，大小為B0＝1 T，電阻為R＝2 Ω、邊長為L＝1 m的正方形線框abcd水平放置，OO′為過ad、bc兩邊中點(diǎn)的直線，線框全部位于磁場中?，F(xiàn)將線框右半部固定不動(dòng)，而將線框左半部以角速度ω繞OO′為軸向上勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖中虛線所示： (1)求線框向上轉(zhuǎn)動(dòng)60的過程中通過導(dǎo)線橫截面的電荷量； (2)若線框左半部分以角速度ω＝10 rad/s繞OO′向上轉(zhuǎn)動(dòng)90，求此過程中線框中產(chǎn)生的焦耳熱； (3)若線框左半部分也固定不動(dòng)，此時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間按B＝1＋4t(T)變化，求磁場對(duì)線框ab邊的作用力F隨時(shí)間變化的關(guān)系式。 解析：(1)線框在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的平均感應(yīng)電動(dòng)勢 ＝＝＝； 在線框中產(chǎn)生的平均感應(yīng)電流＝， 轉(zhuǎn)動(dòng)過程中通過導(dǎo)線某截面的電荷量q＝Δt， 聯(lián)立解得q＝0.125 C。 (2)Em＝＝5 V，在轉(zhuǎn)過90過程中產(chǎn)生的正弦式交流電，電動(dòng)勢有效值E＝ V； 在轉(zhuǎn)過90過程中產(chǎn)生的焦耳熱Q＝t＝＝ J。 (3)若線框固定不動(dòng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間按B＝1＋4t (T)變化， 在線框中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢大小E＝＝L2， 解得E＝4 V， 在線框中產(chǎn)生的感應(yīng)電流I＝＝2 A； 線框ab邊所受安培力的大小為F＝BIL， 解得F＝(8t＋2)N。 答案：(1)0.125 C　(2) J　(3)F＝(8t＋2) N 3.(2019南京、鹽城一模)旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)通過磁極的旋轉(zhuǎn)使不動(dòng)的線圈切割磁感線而產(chǎn)生感應(yīng)電流，其原理示意圖可簡化為：如圖所示，固定不動(dòng)的單匝矩形線圈abcd的電阻為r，外電阻為R，磁場繞轉(zhuǎn)軸OO′勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，角速度為ω。圖中的電壓表為理想電表，示數(shù)為U。求： (1)發(fā)電機(jī)線圈內(nèi)阻消耗的功率； (2)從圖示位置開始計(jì)時(shí)，t＝0時(shí)，通過外電阻 R 的電流及方向； (3)從圖示位置開始計(jì)時(shí)，t＝時(shí)，穿過矩形線圈abcd 的磁通量。 解析：(1)根據(jù)熱功率公式可知，Pr＝2r。 (2)旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)產(chǎn)生正弦式交變電流，根據(jù)正弦式交變電流的最大值與有效值的關(guān)系可知，Umax＝U，所以電流I＝，根據(jù)“楞次定律”可知，電流方向?yàn)樽宰笙蛴摇? (3)從圖示位置開始計(jì)時(shí)經(jīng)過，線圈在中性面位置，所以有Emax＝BSω，磁通量Φ＝BS，由以上各式可解得：Φ＝。 答案：(1)2r　(2)，方向自左向右　(3) 交變電流瞬時(shí)值表達(dá)式的書寫問題 圖甲是交流發(fā)電機(jī)模型示意圖。在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，有一矩形線圈abcd可繞線圈平面內(nèi)垂直于磁感線的軸OO′轉(zhuǎn)動(dòng)，由線圈引出的導(dǎo)線ae和df分別與兩個(gè)跟線圈一起繞OO′轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬圓環(huán)相連接，金屬圓環(huán)又分別與兩個(gè)固定的電刷保持滑動(dòng)接觸，這樣矩形線圈在轉(zhuǎn)動(dòng)中就可以保持和外電路電阻R形成閉合電路。圖乙是線圈的主視圖，導(dǎo)線ab和cd分別用它們的橫截面來表示。已知ab長度為L1，bc長度為L2，線圈以恒定角速度ω逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。(只考慮單匝線圈) (1)線圈平面處于中性面位置時(shí)開始計(jì)時(shí)，試推導(dǎo)t時(shí)刻整個(gè)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢e1的表達(dá)式； (2)線圈平面處于與中性面成φ0夾角位置時(shí)開始計(jì)時(shí)，如圖丙所示，試寫出t時(shí)刻整個(gè)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢e2的表達(dá)式； (3)若線圈電阻為r，求線圈每轉(zhuǎn)動(dòng)一周電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱。(其他電阻均不計(jì)) 解析：(1)矩形線圈abcd在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，只有ab和cd切割磁感線，且轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑為r＝，設(shè)ab和cd的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為v，則v＝ω 在t時(shí)刻，導(dǎo)線ab和cd因切割磁感線而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢均為E1＝BL1v⊥ 由圖可知v⊥＝vsin ωt 則整個(gè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢為 e1＝2E1＝BL1L2ωsin ωt。 (2)當(dāng)線圈由圖丙位置開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，在t時(shí)刻整個(gè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢為e2＝BL1L2ωsin(ωt＋φ0)。 (3)由閉合電路歐姆定律可知I＝ 這里E為線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢的有效值E＝＝ 則線圈轉(zhuǎn)動(dòng)一周在R上產(chǎn)生的焦耳熱為QR＝I2RT 其中T＝ 于是QR＝πRω2。 答案：(1)e1＝BL1L2ωsin ωt (2)e2＝BL1L2ωsin(ωt＋φ0) (3)πRω2 書寫交變電流瞬時(shí)值表達(dá)式的基本思路 (1)確定正弦式交變電流的峰值，根據(jù)已知圖像讀出或由公式Em＝nBSω求出相應(yīng)峰值。 (2)明確線圈的初始位置，找出對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式。 ①若線圈從中性面位置開始轉(zhuǎn)動(dòng)，則it圖像為正弦函數(shù)圖像，函數(shù)式為i＝Imsin ωt。 ②若線圈從垂直中性面位置開始轉(zhuǎn)動(dòng)，則it圖像為余弦函數(shù)圖像，函數(shù)式為i＝Imcos ωt。