2019版高考物理一轮复习 专题十 交变电流 第1讲 交变电流的产生和描述课件.ppt

专题十交变电流 第1讲 交变电流的产生和描述 考点1 正弦式交变电流的产生和变化规律 1 正弦式交变电流 正弦规律 1 定义 按 变化的交变电流 简称正弦式电流 2 产生 当闭合线圈由中性面位置 图10 1 1中O1O2位置 开始在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴 转动时 线圈中产生的感应电动势随时间而变化的函数是正弦函数 e 其中Em 这就是正弦式交变电流 图10 1 1 匀速 Emsin t NBS 2 对中性面的理解 垂直 最大 0 0 1 中性面是与磁场方向 的平面 是假想的参考面 2 线圈平面位于中性面时 穿过线圈平面的磁通量 而磁通量的变化率为 产生的感应电动势为 3 线圈平面与中性面垂直时 穿过线圈平面的磁通量为 但磁通量的变化率 产生的感应电动势 0 最大 最大 电流方向 两 4 线圈每经过中性面一次 就改变一次 线圈转动一周 两次经过中性面 所以电流的方向改变 次 考点2 描述交变电流的物理量 变化快慢 1 周期和频率 描述交变电流 的物理量 1 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 周期越大 交变电流变化越 在一 个周期内 交变电流的方向变化 次 慢 两 2 频率f 交变电流在1s内完成周期性变化的 单位是赫兹 符号为Hz 频率越大 交变电流变化越 3 周期和频率的关系 f 2 次数 快 4 我国生活用电的电压是 周期是 频率是 每秒钟电流方向变化 次 220V 0 02s 50Hz 100 2 交变电流的瞬时值 峰值 有效值和平均值 时刻 1 瞬时值 交变电流某一 的值 是时间的函数 2 峰值 交变电流的电流或电压所能达到的 3 有效值 让交变电流与恒定电流分别通过 的电阻 如果它们在一个周期产生的 相等 则这个恒定电流I 恒定电压U就是这个交变电流的 4 正弦式交变电流的有效值与峰值之间的关系I U E 最大值 相同 热量 有效值 基础自测 1 2016年北京丰台区高三期末 如图10 1 2所示 矩形线框置于磁场中 该磁场可视为匀强磁场 线框通过导线与电阻构成闭合电路 线框在磁场中绕垂直于磁场方向的转轴逆时针匀 速转动 下列说法正确的是 图10 1 2 A 线框通过图中位置瞬间 线框中的电流方向由A到BB 线框通过图中位置瞬间 穿过线框的磁通量最大C 线框通过图中位置瞬间 通过电阻的电流瞬时值最大D 若使线框转动的角速度增大一倍 那么通过电阻电流的 有效值变为原来的 2 倍 答案 C 2 多选 2016河南十校大联考 小型交流发电机的示意图如图10 1 3甲所示 在匀强磁场中 一矩形金属线圈绕与磁感线垂直的转轴匀速转动 产生的电动势随时间变化的正弦规律图象如图乙所示 发电机线圈内阻为10 外接一个电阻为90 乙 的灯泡 不计电路的其他电阻 则 甲图10 1 3 A 灯泡两端的电压为198VB 每秒内电流方向改变50次 C 灯泡实际消耗的功率为537 8W D 发电机线圈内阻每秒产生的焦耳热为48 4J答案 AD 3 多选 如图10 1 4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象 当调整线圈转速后 所产生正弦式交变电流的图象如图线b所示 以下关于这两个正 弦式交变电流的说法正确的是 图10 1 4A 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的瞬时值表达式为u 10sin5 t V D 交变电流b的最大值为5V答案 BC 4 先后用不同的交流电源给同一盏灯泡供电 第一次灯泡两端的电压随时间按正弦规律变化 如图10 1 5甲所示 第二次灯泡两端的电压变化规律如图乙所示 若甲 乙图中的U0 T 所表示的电压 周期值是相同的 则以下说法正确的是 甲 乙 图10 1 5 A 第一次 灯泡两端的电压有效值是 U02 B 第二次 灯泡两端的电压有效值是 3U02 C 第一 第二次 灯泡的电功率之比是2 9D 第一 第二次 灯泡的电功率之比是1 5答案 D 线圈平面与中性面重合时 S B 最大 热点1 交变电流的产生 描述及图象 热点归纳 1 正弦式交变电流的产生 1 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 t 0 e 0 i 0 电流方向将发生改变 最大 e最 线圈平面与中性面垂直时 S B 0 t 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 交变电动势的最大值Em NBS 与转轴位置无关 与线圈形状无关 2 正弦式交变电流的变化规律 线圈在中性面位置开始计 时 续表 考向1 根据图象判断某两个特殊位置的特点 典题1 多选 2017年湖南长沙雅礼中学高三检测 如图10 1 6甲所示 一个矩形线圈abcd在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动 线圈内磁通量随时间t的变化如图乙所 示 则下列说法正确的是 甲 乙 图10 1 6A t1时刻线圈中的感应电动势最大B t2时刻ab的运动方向与磁场方向垂直C t3时刻线圈平面与中性面重合D t4 t5时刻线圈中感应电流的方向相同 等于零 故感应电动势为零 故A错误 t2时刻磁通量为 等于零 故没有感应电流 故D错误 解析 t1时刻通过线圈的磁通量最大 此时磁通量的变化 率 t 零 线圈与磁场平行 故导线ab的速度方向跟磁感线垂直 故B正确 t3时刻线圈的磁通量最大 故此时线圈与中性面重合 故C正确 由题图可知t5时刻线圈中磁通量最大 此时磁通量 的变化率 t 答案 BC易错提醒 线圈在匀强磁场中转动产生正弦式交变电流 穿过线圈的磁通量为零时 磁通量的变化率最大 感应电动势最大 穿过线圈的磁通量最大时 磁通量的变化率为零 感应电动势为零 考向2 正弦式交变电流的产生及其图象 典题2 有一不动的矩形线圈abcd 处于范围足够大的可转动的匀强磁场中 如图10 1 7所示 该匀强磁场由一对磁极N S产生 磁极以OO 为轴匀速转动 在t 0时刻 磁场的方向与线圈平行 磁极N开始离开纸面向外转动 规定由a b c d a方向的感应电流为正 则如下列各图所示能反 映线圈中感应电流i随时间t变化的图象是 图10 1 7 A B C D 解析 磁极以OO 为轴匀速转动可等效为磁场不动线圈向相反方向转动 在t 0时刻 由右手定则可知 产生的感应电流方向为a b c d a 磁场的方向与线圈平面平行 感应电流最大 故C项正确 答案 C 热点2 非正弦式交变电流有效值的计算 热点归纳 非正弦式交流电有效值的求解交变电流的有效值是根据电流的热效应 电流通过电阻生热 进行定义的 所以进行有效值计算时 要紧扣电流通过电阻生热 或热功率 进行计算 注意 三同 即 相同电阻 相同时间 内产生 相同热量 计算时 相同时间 要取周期的整数倍 一般取一个周期 考向1 矩形波形的交流电 典题3 图10 1 8是一交变电流随时间变化的图象 则 此交流电的有效值是 图10 1 8 C 3 5A D 5A 解析 交流电的有效值是根据其热效应定义的 它是从电流产生焦耳热相等的角度出发 使交流电与恒定电流等效 设交流电的有效值为I 令该交流电通过一阻值为R的纯电阻 在 答案 D 考向2 半波正弦式变变电流 典题4 如图10 1 9所示电路 电阻R1与电阻R2阻值相同 都为R 和R1并联的D为理想二极管 正向电阻可看作零 反向电阻可看成无穷大 在A B间加一正弦式交流电u sin100 t V 则加在R2上的电压的有效值为 图10 1 9 A 10V B 20V C 15V D V 解析 电压值取正值时 即在前半个周期内 二极管电阻为零 R2上的电压等于输入电压值 电压值取负值时 即在后半个周期内 二极管电阻无穷大可看作断路 R2上的电压等于输入电压值的一半 据此可设加在R2的电压的有效值为U 根 U V 故选项D正确 答案 D 迁移拓展 一个 U 形金属线框在匀强磁场中绕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10 1 10甲 乙所示 其中图甲中OO 轴右侧有磁场 图乙中整个空间均有磁场 两磁场磁感应强度相同 则甲 乙两图中交流 电流表的示数之比为 甲 乙 图10 1 10 A 1 B 1 2 C 1 4 D 1 1 答案 A 热点3考向1 交变电流 四值 的比较交变电流瞬时表达式的书写 典题5 交流发电机模型示意图如图10 1 11甲所示 在磁感应强度为B的匀强磁场中 有一矩形线圈abcd可绕线圈平面内垂直于磁感线的轴OO 转动 由线圈引出的导线ae和df分别与两个跟线圈一起绕OO 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R形成闭合电路 图乙是线圈的主视图 导线ab和cd分别用它们的横截面来表示 已知ab长度为l1 bc长度为l2 线圈以恒定角速度 逆时针转动 只考虑单匝线圈 1 线圈平面处于中性面位置时开始计时 试推导t时刻整个线圈中的感应电动势e1的表达式 2 线圈平面处于与中性面成 0角位置时开始计时 如图丙所示 试写出t时刻整个线圈中的感应电动势e2的表达式 甲 丙 乙图10 1 11 解 1 矩形线圈abcd在磁场中转动时 只有ab和cd切割 在t时刻 导线ab cd因切割磁感线而产生的感应电动势 均为E1 Bl1v 由图可知v vsin t 则整个线圈的感应电动势为e1 2E1 Bl1l2 sin t 2 当线圈由图丙位置开始运动时 在t时刻整个线圈的感 应电动势为e2 Bl1l2 sin t 0 方法技巧 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 根据已知图象读出或由公 式Em nBS 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 若线圈从中性面位置开始转动 则i t图象为正弦函数图 象 函数式为i Imsin t 若线圈从垂直中性面位置开始转动 则i t图象为余弦函 数图象 函数式为i Imcos t 考向2 正弦交变电流有效值的计算和应用 典题6 如图10 1 12所示 实验室一台手摇交流发电机的内阻r 1 外接R 9 的电阻 闭合开关S 当发电机转子以某一转速匀速转动时 产生的电动势e sin10 t V 则 A 该交变电流的频率为10Hz B 该电动势的有效值为 V C 外接电阻R所消耗的电功率为10W D 电路中理想交流电流表的示数为1A 图10 1 12 解析 由交流电的表达式可知 10 rad s Em V 得f 2 5Hz E 10V 选项A B错误 I ER r 1A 选 项D正确 PR I2R 9W 选项C错误 答案 D 考向3 平均值和有效值的比较 典题7 多选 如图10 1 13所示 一矩形线圈面积为S 匝数为N 内阻为r 绕其垂直于磁感线的对称轴OO 以角速度 匀速转动 匀强磁场的磁感应强度为B 从图示位置转90 的过程中 下列说法正确的是 图10 1 13 D 从图示位置开始计时 则感应电动势随时间变化的规律为e NBS sin t答案 BC 注意事项 1 明确交变电流的瞬时值 峰值 有效值和平均值的意义 有效值是与交变电流的热效应等效的恒定电流值 一般情况下交流电的电压 电流及电功率指的都是有效值 电容器的击穿电压应大于交流电的峰值 2 计算线圈某时刻的受力情况时应使用电流的瞬时值 计算电功 电功率 电热等与电流的热效应有关的量时应使用有效值 保险丝的熔断电流为有效值 计算通过导线横截面的电荷量时应使用电流在一段时间内的平均值