高考物理一轮精细复习 （必备基础点拨+高考考点集结+考点专训）交变电流的产生及描述课件

交变电流的产生及变化规律交变电流的产生及变化规律想一想想一想 线圈在匀强磁场中转动产生交变电流，线圈平面每转线圈在匀强磁场中转动产生交变电流，线圈平面每转动一周，感应电流的方向改变几次？线圈在什么位置，电流方动一周，感应电流的方向改变几次？线圈在什么位置，电流方向会发生改变？向会发生改变？ 提示提示线圈每经过中性面一次，感应电流的方向就改变线圈每经过中性面一次，感应电流的方向就改变一次，线圈平面每转动一周，经过两次中性面，故感应电流的一次，线圈平面每转动一周，经过两次中性面，故感应电流的方向改变两次。方向改变两次。记一记记一记 1交变电流交变电流 (1)定义：定义： 和和 都随时间做周期性变化的都随时间做周期性变化的电流。电流。 (2)图象：如图图象：如图1011(a)、(b)、(c)、(d)所示都属所示都属于交变电流。其中按正弦规律变化的交变电流叫正弦于交变电流。其中按正弦规律变化的交变电流叫正弦式交变电流，如图式交变电流，如图1011(a)所示。所示。大小大小方向方向图图1011 2正弦式电流的产生和图象正弦式电流的产生和图象 (1)产生：在匀强磁场里，线圈绕产生：在匀强磁场里，线圈绕 方向方向的轴匀速转动。的轴匀速转动。 (2)图象：用以描述交流电随时间变化的规律，如图象：用以描述交流电随时间变化的规律，如果线圈从中性面位置时开始计时，其图象为正弦曲线。果线圈从中性面位置时开始计时，其图象为正弦曲线。如图如图1011(a)所示。所示。垂直于磁场垂直于磁场nBSsin tnBS3正弦式电流的函数表达式正弦式电流的函数表达式试一试试一试1一只矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀一只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速转动，穿过线圈的磁通量随时间变化的图象如图1012甲所示，则下列说法正确的是甲所示，则下列说法正确的是 ()图图1012At0时刻，线圈平面与中性面垂直时刻，线圈平面与中性面垂直Bt0.01 s时刻，时刻，的变化率最大的变化率最大Ct0.02 s时刻，交流电动势达到最大时刻，交流电动势达到最大D该线圈产生的交流电动势的图象如图乙所示该线圈产生的交流电动势的图象如图乙所示答案：答案：B描述正弦式电流的物理量描述正弦式电流的物理量想一想想一想 有一个有一个10匝的正方形线框，边长为匝的正方形线框，边长为20 cm，线框总电阻为，线框总电阻为1 ，线框绕，线框绕OO轴轴以以10 rad/s的角速度匀速转动，如图的角速度匀速转动，如图1013所示，垂直于线框平面向里的匀所示，垂直于线框平面向里的匀强磁场的磁感应强度为强磁场的磁感应强度为0.5 T。则正弦式电流电动势和。则正弦式电流电动势和电流的峰值和有效值分别为多少？电流的峰值和有效值分别为多少？图图1013记一记记一记一次周期性一次周期性次数次数热效应热效应热量热量有效值有效值试一试试一试2.小型交流发电机中，矩形金属线圈小型交流发电机中，矩形金属线圈在匀强磁场中匀速转动，产生的在匀强磁场中匀速转动，产生的感应电动势与时间呈正弦函数关感应电动势与时间呈正弦函数关系，如图系，如图1014所示。此线圈所示。此线圈与一个与一个R10 的电阻构成闭合电路，不计电路的其的电阻构成闭合电路，不计电路的其他电阻，下列说法正确的是他电阻，下列说法正确的是 ()图图1014A交变电流的周期为交变电流的周期为0.125 sB交变电流的频率为交变电流的频率为8 Hz答案：答案：C正弦式交变电流的变化规律正弦式交变电流的变化规律1.正弦式电流的变化规律正弦式电流的变化规律(线圈在中性面位置开始计时线圈在中性面位置开始计时)eEmsin nBSsin t t电动势电动势mcos tBScos t磁通量磁通量图象图象函数函数规律规律物理量物理量图象图象函数函数规律规律物理量物理量电压电压电流电流2两个特殊位置的特点两个特殊位置的特点 3书写交变电流瞬时值表达式的基本思路书写交变电流瞬时值表达式的基本思路 (1)确定正弦式交变电流的峰值，根据已知图象读出确定正弦式交变电流的峰值，根据已知图象读出或由公式或由公式EmnBS求出相应峰值。求出相应峰值。 (2)明确线圈的初始位置，找出对应的函数关系式。明确线圈的初始位置，找出对应的函数关系式。 若线圈从中性面位置开始转动，则若线圈从中性面位置开始转动，则it图象为正弦图象为正弦函数图象，函数式为函数图象，函数式为iImsin t。 若线圈从垂直中性面位置开始转动，则若线圈从垂直中性面位置开始转动，则it图象为图象为余弦函数图象，函数式为余弦函数图象，函数式为iImcos t。 例例1(2012安徽高考安徽高考)图图1015甲是交流发电机模甲是交流发电机模型示意图。在磁感应强度为型示意图。在磁感应强度为B的匀强磁场中，有一矩形线的匀强磁场中，有一矩形线圈圈abcd可绕线圈平面内垂直于磁感线的轴可绕线圈平面内垂直于磁感线的轴OO转动，由线转动，由线圈引出的导线圈引出的导线ae和和df分别与两个跟线圈一起绕分别与两个跟线圈一起绕OO转动的转动的金属圆环相连接，金属圆环又分别与两个固定的电刷保持金属圆环相连接，金属圆环又分别与两个固定的电刷保持滑动接触，这样矩形线圈在转动中就可以保持和外电路电滑动接触，这样矩形线圈在转动中就可以保持和外电路电阻阻R形成闭合电路。图乙是线圈的主视图，导线形成闭合电路。图乙是线圈的主视图，导线ab和和cd分分别用它们的横截面来表示。已知别用它们的横截面来表示。已知ab长度为长度为L1，bc长度为长度为L2，线圈以恒定角速度线圈以恒定角速度逆时针转动。逆时针转动。(只考虑单匝线圈只考虑单匝线圈)图图1015 (1)线圈平面处于中性面位置时开始计时，试推导线圈平面处于中性面位置时开始计时，试推导t时刻整时刻整个线圈中的感应电动势个线圈中的感应电动势e1的表达式；的表达式； (2)线圈平面处于与中性面成线圈平面处于与中性面成0夹角位置时开始计时，如图夹角位置时开始计时，如图丙所示，试写出丙所示，试写出t时刻整个线圈中的感应电动势时刻整个线圈中的感应电动势e2的表达式；的表达式； (3)若线圈电阻为若线圈电阻为r，求线圈每转动一周电阻，求线圈每转动一周电阻R上产生的焦耳上产生的焦耳热。热。(其他电阻均不计其他电阻均不计)交变电流瞬时值表达式求法：交变电流瞬时值表达式求法：(1)先求电动势的最大值先求电动势的最大值EmnBS； (3)明确从哪一位置开始计时，从而确定是正弦函数明确从哪一位置开始计时，从而确定是正弦函数还是余弦函数；还是余弦函数； (4)写出瞬时值的表达式。写出瞬时值的表达式。交流电交流电“四值四值”的理解与应用的理解与应用交变电流的瞬时值、峰值、有效值和平均值的比较交变电流的瞬时值、峰值、有效值和平均值的比较讨论电容器的讨论电容器的击穿电压击穿电压最大的瞬时值最大的瞬时值峰值峰值计算线圈某时计算线圈某时刻的受力情况刻的受力情况 eEmsin t iImsin t交变电流某一交变电流某一时刻的值时刻的值瞬时值瞬时值适用情况及说明适用情况及说明重要关系重要关系物理含义物理含义物理量物理量(1)计算与电流的热效应有计算与电流的热效应有关的量关的量(如电功、电功率、如电功、电功率、电热等电热等) (2)电气设备电气设备“铭牌铭牌”上所上所标的一般是指有效值标的一般是指有效值(3)保险丝的熔断电流为有保险丝的熔断电流为有效值效值跟交变电跟交变电流的热效流的热效应等效的应等效的恒定电流恒定电流的值的值有效有效值值适用情况及说明适用情况及说明重要关系重要关系物理含义物理含义物理物理量量计算通过计算通过电路截面电路截面的电荷量的电荷量交变电流图象交变电流图象中图线与时间中图线与时间轴所夹的面积轴所夹的面积与时间的比值与时间的比值平均值平均值适用情况适用情况及说明及说明重要关系重要关系物理含义物理含义物理量物理量 例例2(2012河北衡水调研河北衡水调研)如图如图1016所示，在磁感应强度为所示，在磁感应强度为B的匀强磁场中，的匀强磁场中，有一矩形线圈，面积为有一矩形线圈，面积为S，匝数为，匝数为N，内阻，内阻为为r，绕垂直磁感线的对称轴，绕垂直磁感线的对称轴OO以角速度以角速度匀速转动，从匀速转动，从图示位置转图示位置转90的过程中，下列说法正确的是的过程中，下列说法正确的是()图图1016 审题指导审题指导 第一步：抓关键点第一步：抓关键点产生余弦式交流电产生余弦式交流电从图示位置开始计时从图示位置开始计时线圈中产生交流电线圈中产生交流电匀强磁场、转轴垂直于磁场、匀速匀强磁场、转轴垂直于磁场、匀速转动转动获取信息获取信息关键点关键点 第二步：找突破口第二步：找突破口 (1)要求产生电量要求产生电量应利用电流的平均值。应利用电流的平均值。 (2)要求平均功率要求平均功率应利用电流的有效值。应利用电流的有效值。 (3)要求瞬时值表达式要求瞬时值表达式eEmcos t。答案答案BC 模型概述模型概述 “电动机电动机”模型和模型和“发电机发电机”模型是高考题中时常出现的模型是高考题中时常出现的两种物理模型，凡在安培力作用下在磁场中运动的通电导体均两种物理模型，凡在安培力作用下在磁场中运动的通电导体均可看做电动机模型，在外力作用下在磁场中做切割磁感线运动可看做电动机模型，在外力作用下在磁场中做切割磁感线运动的导体均可看做发电机模型，此模型综合考查了磁场力的作用、的导体均可看做发电机模型，此模型综合考查了磁场力的作用、电磁感应、恒定电流、交流电、能量转化与守恒等知识。电磁感应、恒定电流、交流电、能量转化与守恒等知识。右手抓着发电机右手抓着发电机左手抓着电动机左手抓着电动机形象比形象比喻喻(1)产生的感应电动势方向产生的感应电动势方向由右手定则判定由右手定则判定(2)感应电动势大小由法拉感应电动势大小由法拉第电磁感应定律计算第电磁感应定律计算(3)注意感应电流的最大值、注意感应电流的最大值、瞬时值、有效值和平均值的瞬时值、有效值和平均值的计算计算(4)能量转化中满足守恒能量转化中满足守恒(1)受力由左手定则来判断受力由左手定则来判断(2)能量关系：能量关系：P总总P输出输出P热热(3)实际功率：实际功率：P实际实际P额定额定(4)电压、电流关系：电压、电流关系：UIR解题要解题要点点机械能转化为电能机械能转化为电能电能转化为机械能电能转化为机械能能量转化能量转化闭合线圈在磁场中受外力转闭合线圈在磁场中受外力转动，产生感应电动势动，产生感应电动势通电线圈在磁场中受到安培通电线圈在磁场中受到安培力而转动力而转动工作原工作原理理发电机发电机电动机电动机 典例典例如图如图1017甲所示是某同学设计的一种甲所示是某同学设计的一种振动发电装置的示意图，一个半径振动发电装置的示意图，一个半径r0.10 m、匝数、匝数n20的线圈套在永久磁铁槽中，磁场的磁感线均沿半径方的线圈套在永久磁铁槽中，磁场的磁感线均沿半径方向均匀分布向均匀分布(其右视图如图乙所示其右视图如图乙所示)。在线圈所在位置磁。在线圈所在位置磁感应强度感应强度B的大小均为的大小均为B0.20 T，线圈的电阻为，线圈的电阻为R10.50 ，它的引出线接有，它的引出线接有R29.5 的小电珠的小电珠L。外力推。外力推动线圈框架的动线圈框架的P端，使线圈沿轴线做往复运动，便有电流端，使线圈沿轴线做往复运动，便有电流通过电珠。当线圈向右的位移通过电珠。当线圈向右的位移x随时间随时间t变化的规律如图变化的规律如图丙所示时丙所示时(x取向右为正取向右为正)。求：。求：(1)线圈运动时产生的感应电动势线圈运动时产生的感应电动势E的大小；的大小；(2)线圈运动时产生的感应电流线圈运动时产生的感应电流I的大小；的大小；(3)每一次推动线圈运动过程中作用力每一次推动线圈运动过程中作用力F的大小；的大小；(4)该发电机的输出功率该发电机的输出功率P。图图1017 (3)由于线圈每次运动都是匀速直线运动，由平衡由于线圈每次运动都是匀速直线运动，由平衡条件条件F推推F安安，即，即F推推nBI2r200.20.223.140.1 N0.5 N。 (4)发电机的输出功率即小电珠的电功率发电机的输出功率即小电珠的电功率PI2R20.229.5 W0.38 W。 答案答案(1)2 V(2)0.2 A(3)0.5 N(4)0.38 W 题后悟道题后悟道 (1)线圈在辐射形磁场中切割磁感线产生的电动势等线圈在辐射形磁场中切割磁感线产生的电动势等于每匝线圈产生电动势的和。于每匝线圈产生电动势的和。 (2)线圈所受的安培力等于各匝线圈所受安培力的和。线圈所受的安培力等于各匝线圈所受安培力的和。 (3)线圈是电源，灯泡是负载，其能量来源是推力做线圈是电源，灯泡是负载，其能量来源是推力做的功。的功。 如图如图1018所示为电动机的简化模型，线圈所示为电动机的简化模型，线圈abcd可绕轴可绕轴O1O2自由转动。当线圈中通入如图所示的电流时，自由转动。当线圈中通入如图所示的电流时，顺着顺着O1O2的方向看去，线圈将的方向看去，线圈将 () 图图1018A顺时针转动顺时针转动B逆时针转动逆时针转动C仍然保持静止仍然保持静止D既可能顺时针转动，也可能逆时针转动既可能顺时针转动，也可能逆时针转动解析：在题中图示位置，由左手定则可以判断，解析：在题中图示位置，由左手定则可以判断，ab边边受到的安培力向上，受到的安培力向上，cd边受到的安培力向下，则线圈边受到的安培力向下，则线圈顺时针转动，故顺时针转动，故A项正确。项正确。答案：答案：A随堂巩固落实随堂巩固落实1(2013唐山模拟唐山模拟)一矩形线圈绕垂直于一矩形线圈绕垂直于匀强磁场方向、并位于线圈平面内的匀强磁场方向、并位于线圈平面内的固定轴转动，线圈中的感应电动势固定轴转动，线圈中的感应电动势e随时间随时间t的变化情况如图的变化情况如图1019所示，则所示，则()At1时刻穿过线圈的磁通量为零时刻穿过线圈的磁通量为零Bt2时刻穿过线圈的磁通量为零时刻穿过线圈的磁通量为零图图1019Ct3时刻穿过线圈的磁通量变化率为零时刻穿过线圈的磁通量变化率为零Dt4时刻穿过线圈的磁通量变化率为零时刻穿过线圈的磁通量变化率为零解析：解析：t1时刻穿过线圈的磁通量为零，感应电动势最大；时刻穿过线圈的磁通量为零，感应电动势最大；t2时刻穿过线圈的磁通量最大，感应电动势为零；时刻穿过线圈的磁通量最大，感应电动势为零；t3时刻时刻穿过线圈的磁通量变化率最大，感应电动势最大；穿过线圈的磁通量变化率最大，感应电动势最大；t4时刻时刻穿过线圈的磁通量变化率为零，感应电动势为零，选项穿过线圈的磁通量变化率为零，感应电动势为零，选项A、D正确。正确。答案：答案：AD2.通过某电流表的电流按如图通过某电流表的电流按如图10110所示的规律变化，则该电流表的所示的规律变化，则该电流表的读数为读数为 ()图图10110答案：答案：C3在匀强磁场中，一矩形金属线框绕与磁感线垂直的在匀强磁场中，一矩形金属线框绕与磁感线垂直的转轴匀速转动，如图转轴匀速转动，如图10111甲所示，产生的交甲所示，产生的交变电动势的图象如图乙所示，则变电动势的图象如图乙所示，则 ()图图10111At 0.005 s 时线框的磁通量变化率为零时线框的磁通量变化率为零Bt 0.01 s 时线框平面与中性面重合时线框平面与中性面重合C线框产生的交变电动势有效值为线框产生的交变电动势有效值为 311 VD线框产生的交变电动势频率为线框产生的交变电动势频率为 100 Hz答案：答案：BA周期是周期是0.01 sB最大值是最大值是311 VC有效值是有效值是220 VD表达式为表达式为u220sin 100t(V)解析：由交变电流的图象知，周期是解析：由交变电流的图象知，周期是0.02 s，A项错；最项错；最大值是大值是311 V，B项正确；有效值是项正确；有效值是220 V，C项正确；项正确；瞬时值表达式为瞬时值表达式为u311 sin (100t) V，D项错误。项错误。 4如图如图10112是某种正弦式交变是某种正弦式交变电压的波形图，由图可确定该电电压的波形图，由图可确定该电压的压的 ()图图10112答案：答案：BC5. 如图如图10113所示，矩形线圈所示，矩形线圈abcd在磁感在磁感应强度应强度B2 T的匀强磁场中绕轴的匀强磁场中绕轴OO以角以角速度速度10 rad/s匀速转动，线圈共匀速转动，线圈共10匝，匝，电阻电阻r5 ，ab0.3 m，bc0.6 m，负，负载电阻载电阻R45 。求：。求：(1)写出从图示位置开始计时线圈中感应电动势的瞬时写出从图示位置开始计时线圈中感应电动势的瞬时值表达式；值表达式；(2)电阻电阻R在在0.05 s内产生的热量；内产生的热量；(3)0.05 s内流过电阻内流过电阻R上的电荷量上的电荷量(设线圈从垂直中性设线圈从垂直中性面开始转动面开始转动)。图图10113解析：解析：(1)电动势的最大值为电动势的最大值为EmnBS10 2 0.3 0.6 10 V113.04 V故瞬时值表达式故瞬时值表达式eEmcos t113.04cos (10t) V答案：答案：(1)e113.04cos 10t V(2)5.76 J(3)0.072 C（给有能力的学生加餐）（给有能力的学生加餐）A0.2 sB0.02 sC0.01 s D0.005 s答案：答案：C2在如图在如图1甲所示的电路中，电阻甲所示的电路中，电阻R的阻值为的阻值为50 ，在，在ab间加上图乙所示的正弦交流电，则下面说法中正间加上图乙所示的正弦交流电，则下面说法中正确的是确的是 ()图图1A交流电压的有效值为交流电压的有效值为100 VB电流表示数为电流表示数为2 AC产生该交流电的线圈在磁场中转动的角速度为产生该交流电的线圈在磁场中转动的角速度为3.14 rad/sD在在1分钟内电阻分钟内电阻R上产生的热量为上产生的热量为1.2104 J答案：答案：ABD3.实验室里的交流发电机可简化为如图实验室里的交流发电机可简化为如图2所所示的模型，正方形线圈在水平匀强磁场示的模型，正方形线圈在水平匀强磁场中，绕垂直于磁感线的中，绕垂直于磁感线的OO轴匀速转动。轴匀速转动。今在发电机的输出端接一个电阻今在发电机的输出端接一个电阻R和理和理想电压表，并让线圈每秒转想电压表，并让线圈每秒转25圈，读出圈，读出电压表的示数为电压表的示数为10 V。已知。已知R10 ，线圈电阻忽略，线圈电阻忽略不计，下列说法正确的是不计，下列说法正确的是 ()图图2C流过电阻流过电阻R的电流每秒钟方向改变的电流每秒钟方向改变50次次D电阻电阻R上的热功率等于上的热功率等于20 W答案：答案：BC4(2012西安五校联考西安五校联考)如图如图3所示，所示，N匝矩形匝矩形导线框以角速度导线框以角速度在磁感应强度为在磁感应强度为B的匀强的匀强磁场中绕轴磁场中绕轴OO匀速转动，线框面积为匀速转动，线框面积为S，线框的电阻、电感均不计，外电路接有电线框的电阻、电感均不计，外电路接有电阻阻R、理想电流表、理想电流表 和二极管和二极管D。二极管。二极管D具有单向导具有单向导电性，即正向电阻为零，反向电阻无穷大。下列说法电性，即正向电阻为零，反向电阻无穷大。下列说法正确的是正确的是 ()图图3答案：答案：D5.如图如图4所示，矩形线圈所示，矩形线圈abcd在匀强磁场中在匀强磁场中可以分别绕垂直于磁场方向的轴可以分别绕垂直于磁场方向的轴P1和和P2以相同的角速度匀速转动，当线圈平面以相同的角速度匀速转动，当线圈平面转到与磁场方向平行时转到与磁场方向平行时 ()A线圈绕线圈绕P1转动时的电流等于绕转动时的电流等于绕P2转动时的电流转动时的电流B线圈绕线圈绕P1转动时的电动势小于绕转动时的电动势小于绕P2转动时的电动转动时的电动势势图图4C线圈绕线圈绕P1和和P2转动时电流的方向相同，都是转动时电流的方向相同，都是a b c dD线圈绕线圈绕P1转动时转动时dc边受到的安培力大于绕边受到的安培力大于绕P2转动时转动时dc边受到的安培力边受到的安培力解析：只要线圈绕垂直于磁感线的轴转动，在其他量相解析：只要线圈绕垂直于磁感线的轴转动，在其他量相同时，产生的电动势与转轴的位置无关，故同时，产生的电动势与转轴的位置无关，故A对，对，B错；错；根据楞次定律，线圈绕根据楞次定律，线圈绕P1和和P2转动时电流的方向相同，转动时电流的方向相同，都是都是adcb，C错；绕两轴转动时，在同一位置的错；绕两轴转动时，在同一位置的瞬时电流相同，同一边受到的安培力也相同，瞬时电流相同，同一边受到的安培力也相同，D错。错。答案：答案：A