2020高考物理第十一章第1讲交变电流的产生和描述教案鲁科版.docx

第1讲 交变电流的产生和描述高考导航考点内容要求高考(全国卷)三年命题情况对照分析201620172018命题分析交变电流、交变电流的图象卷T16：理想变压器(原线圈中串有电阻)卷T19：理想变压器(原线圈中串有灯泡)卷T16：交变电流的有效值1.题型：主要是选择题。2.知识内容：(1)变压器；(2)交变电流的“四值”；(3)交变电流的产生及图象。3.从近几年命题看，高考对本章内容考查命题频率较低，2020年备考应加强本章的复习。正弦交变电流的函数表达式、峰值和有效值理想变压器远距离输电实验十二：传感器的简单使用第1讲交变电流的产生和描述知识排查交变电流、交变电流的图象1.交变电流交流电源提供的电流大小和方向随时间做周期性变化。2.正弦式交变电流的产生和图象(1)产生：在匀强磁场里，线圈绕垂直于磁场方向的轴匀速转动。(如图1所示)图1(2)图象：线圈从中性面位置开始计时，如图2甲、乙、丙所示。图2正弦式交变电流的函数表达式、峰值和有效值1.周期和频率(1)周期(T)：交变电流完成1次周期性变化(线圈转一周)所需要的时间，单位是秒(s)，公式T。(2)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)。(3)周期和频率的关系：T或f。2.交变电流的瞬时值、最大值、有效值和平均值(1)瞬时值：交变电流某一时刻的值，是时间的函数。如eEmsin t。(2)最大值：交变电流或电压所能达到的最大的值。(3)有效值定义：如果让恒定电流和交变电流分别通过阻值相等的电阻，使它们在相同的时间内产生的热量相等，就可以把该恒定电流的数值规定为这个交变电流的有效值。正弦式交变电流的有效值与最大值之间的关系I，U，E。(4)交变电流的平均值n，。小题速练1.思考判断(1)交变电流的主要特征是电流的方向随时间周期性变化。 ()(2)线圈经过中性面位置时产生的感应电动势最大。 ()(3)我国使用的交流电周期是0.02 s，电流方向每秒钟改变100次。()(4)任何交变电流的最大值Im与有效值I之间的关系是ImI。()(5)交流电压表及电流表的读数均为峰值。 ()答案(1)(2)(3)(4)(5)2.(多选)鲁科版选修32P55T1改编如图3所示，闭合的矩形导体线圈abcd在匀强磁场中绕垂直于磁感线的对称轴OO匀速转动，沿着OO方向观察，线圈沿顺时针方向转动。已知匀强磁场的磁感应强度为B，线圈匝数为n，ab边的边长为L1，ad边的边长为L2，线圈电阻为R，转动的角速度为，则当线圈转至图示位置时()图3A.线圈中感应电流的方向为abcdaB.线圈中的感应电动势为2nBL2C.穿过线圈的磁通量随时间的变化率最大D.线圈ad边所受安培力的大小为，方向垂直纸面向里答案AC3.鲁科版选修32P48T6图4是某一交变电流的图象，请根据该图计算出这一交变电流的有效值。图4答案2.55 A正弦交变电流的产生及变化规律1.交流电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，最大感应电流为零，方向改变感应电流最大，方向不变2.正弦式交变电流的变化规律磁通量：mcos t；电动势：eEmsin t；电流：iImsin t。【例1】(2019山东济南模拟)如图5所示，一矩形线圈的面积为S，匝数为N，电阻为r，处于磁感应强度大小为B的水平匀强磁场中，绕垂直磁场的水平轴OO以角速度匀速运动。线圈通过滑环与定值电阻R及理想电流表组成闭合回路。已知理想电压表的示数为U，从线圈平面与磁感线平行的位置开始计时，则 ()图5A.R两端电压瞬时值的表达式为uRUsin tB.理想电流表的示数为C.从到的时间内，穿过线圈平面磁通量的变化量为零D.若100 rad/s，通过R的电流每秒钟方向改变50次解析线圈平面与磁感线平行位置开始计时，URUcos t，故A错误；电源电动势最大值为EmNBS，所以理想电流表的示数为I，故B正确；从到的时间内，穿过线圈平面磁通量的变化量为2BS，故C错误；若100 rad/s，频率为f50 Hz，通过R的电流每秒钟方向改变100次，故D错误。答案B求解正弦式交变电流的三点注意(1)只有当线圈从中性面位置开始计时，电流的瞬时值表达式才是正弦形式。(2)注意峰值公式EmnBS中的S为有效面积。(3)转轴相对线圈的位置改变，或线圈的形状改变时，电动势仍可由EmnBS计算。1.(多选)(2017天津理综)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示6正弦规律变化。设线圈总电阻为 2 ，则()图6A.t0时，线圈平面平行于磁感线B.t1 s时，线圈中的电流改变方向C.t1.5 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82 J解析t0时，磁通量为零，线圈平面平行于磁感线，故选项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，t1 s时，磁通量为零，线圈平面平行于磁感线，故选项B错误；t1.5 s时，磁通量有最大值，但磁通量的变化率为零，根据法拉第电磁感应定律可知线圈中的感应电动势为零，故选项C错误；感应电动势最大值EmnBSnm4 V，有效值E2 V，一个周期内线圈产生的热量QT82 J，故选项D正确。答案AD2.(多选)(2019海南澄迈模拟)如图7所示，图线a是线圈在匀强磁场中匀速转动时所产生正弦交流电的图象，当调整线圈转速后，其在同一磁场中匀速转动过程中所产生正弦交流电的图象如图线b所示。以下关于这两个正弦交流电的说法正确的是()图7A.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的瞬时值为u10sin 5t(V)D.交流电b电压的最大值为 V解析由题图可知，t0时刻线圈均在中性面，穿过线圈的磁通量最大，所以A错误；由图象可知TATB23，故nAnB32，所以B正确；由图象可知，交流电a的最大值为10 V，角速度为 rad/s5 rad/s，所以交流电a的瞬时值为u10sin 5t (V)，所以C正确；交流电最大值UmNBS，故UmaUmb32，故UmbUma V，D正确。答案BCD交变电流有效值的求解方法1.公式法利用E、U、I计算，只适用于正(余)弦式交变电流。2.有效值的定义计算法(非正弦式电流)计算时要抓住“三同”：“相同时间”内“相同电阻”上产生“相同热量”，列式求解，注意时间至少取一个周期或为周期的整数倍。3.能量关系法当有电能和其他形式的能转化时，可利用能的转化和守恒定律来求有效值。【例2】(2018全国卷，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8所示。则Q方Q正等于()图8A.1 B.1 C.12 D.21解析根据焦耳定律知热量与方波中的电流方向的变化无关，故Q方T；而正弦交变电流电压的有效值等于峰值的，故Q正TT，所以，D正确。答案D1.一个匝数为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按图9所示规律变化。则线圈中产生交变电流的有效值为()图9A.5 A B.2 AC.6 A D.5 A解析01 s内线圈中产生的感应电动势E1n1000.01 V1 V，11.2 s内线圈中产生的感应电动势E2n100 V5 V，在一个周期内产生的热量QQ1Q2t1t212 J，根据交变电流有效值的定义QI2Rt12 J得I2 A，故选项B正确，A、C、D错误。答案B2.某研究小组成员设计了一个如图10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，瞬时值的表达式为u20sin 100t(V)，则交流电压表示数为()图10A.10 V B.20 V C.15 V D.14.1 V解析二极管具有单向导电性，使得半个周期内R通路，另半个周期内R断路，在正半周内，交流电的有效值为20 V，故一个周期内的电阻发热为QT，解得U10 V14.1 V，选项D正确。答案D交变电流“四值”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物理量重要关系适用情况及说明瞬时值eEmsin tiImsin t计算线圈某时刻的受力情况峰值EmnBSIm讨论电容器的击穿电压有效值EUI(只适用于正弦式交变电流)(1)计算与电流的热效应有关的量(如电功、电功率、电热等)(2)电气设备“铭牌”上所标的值(3)保险丝的熔断电流(4)交流电表的读数平均值BLn计算通过电路横截面的电荷量【例3】(多选)如图11所示，边长为L的正方形单匝线圈abcd，其电阻为r，外电路的电阻为R，ab的中点和cd的中点的连线OO恰好位于匀强磁场的边界线上，磁场的磁感应强度为B。若线圈从图示位置开始以角速度绕轴OO匀速转动，则以下判断正确的是()图11A.图示位置线圈中的感应电动势最大，为EmBL2B.闭合电路中感应电动势的瞬时值表达式为eBL2sin tC.线圈从图示位置转过180的过程中，流过电阻R的电荷量为qD.线圈转动一周的过程中，电阻R上产生的热量为Q解析题图所示位置，线圈中通过的磁通量最大，但感应电动势为零，选项A错误；线圈所围成的闭合电路中产生的感应电动势最大值为EmBL2，故对应的瞬时值表达式为eBL2sin t，选项B正确；由q可得线圈从图示位置转过180的过程中，流过电阻R的电荷量q，选项C错误；电阻R上产生的热量应利用有效值求解，即转动一周的过程中产生的热量QR，选项D正确。答案BD1.(多选)如图12甲所示，标有“220 V40 W”的灯泡和标有“20 F320 V”的电容器并联到交流电源上，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()图12A.t时刻，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.的示数保持110 V不变解析的示数应是电压的有效值220 V，故选项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，选项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，选项C正确。答案BC2.(多选)(2019湖北黄冈中学模拟)如图13甲所示是一种振动发电装置的示意图，半径r0.1 m、匝数n20的线圈位于辐向分布的磁场中，磁场的磁感线均沿半径方向均匀分布(其右视图如图乙所示)，线圈所在位置的磁感应强度的大小均为B T，线圈电阻为R10.5 ，它的引出线接有R29.5 的小电珠L，外力推动线圈框架的P端，使线圈沿轴线做往复运动，线圈运动速度v随时间t变化的规律如图丙所示(摩擦等损耗不计)，则()图13A.小电珠中电流的峰值为0.16 AB.小电珠中电流的有效值为0.16 AC.电压表的示数约为1.5 VD.t0.01 s时外力的大小为0.128 N解析由题意及法拉第电磁感应定律知道，线圈在磁场中做往复运动，产生的感应电动势的大小符合正弦曲线变化规律，线圈中的感应电动势的峰值为EmnBlvnB2rvm，故小电珠中电流的峰值为Im A0.16 A，选项A正确，B错误；电压表示数为UR21.07 V，选项C错误；当t0.01 s也就是时，外力的大小为FnB2rIm0.128 N，选项D正确。答案AD课时作业(时间：35分钟)基础巩固练1.一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1甲所示，则下列说法中正确的是()图1A.t0时刻，线圈平面与中性面垂直B.t0.01 s时刻，的变化率最大C.t0.02 s时刻，感应电动势达到最大D.该线圈产生的感应电动势的图象如图乙所示答案B2.(2019安徽合肥模拟)已知某交变电流在一个周期内的波形如图2所示，则该电流通过一阻值为10 的电阻时的发热功率是()图2A.16 W B.18 WC.22.5 W D.28 W解析设交变电流的有效值为I，则I2R112R0.422R0.6，解得I22.8 A2，所以该电流通过一阻值为10 的电阻时的发热功率为PI2R28 W，故D正确。答案D3.(2019南京、盐城模拟)一只电阻分别通过四种不同形式的电流，电流随时间变化的情况如下图所示，在相同时间内电阻产生热量最大的是()解析选项A、B中交变电流的有效值都为 A，选项C中恒定电流的大小为1.5 A，选项D中交变电流的有效值为2 A，根据热量的表达式QI2Rt得出选项D正确。答案D4.如图3所示，实验室一台手摇交流发电机内阻r1 ，外接R9 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e10sin(10t) V，则()图3A.该交变电流的频率为10 HzB.该电动势的有效值为10 VC.外接电阻R所消耗的电功率为10 WD.电路中理想交流电流表的示数为1 A答案D5.(多选)一正弦交流电的电压随时间变化的规律如图4所示。由图可知()图4A.该交流电的电压瞬时值的表达式为u100sin(25t) VB.该交流电的频率为25 HzC.该交流电的电压的有效值为100 VD.若将该交流电压加在阻值R100 的电阻两端，则电阻消耗的功率为50 W解析从图象中可得该交流电的周期为T4102s，所以频率为f25 Hz，选项B正确；角速度为2f50，从图象中可知交流电最大值为Um100 V，所以该交流电的电压瞬时值的表达式为u100sin(50t) V，该交流电的有效电压值为U50 V，选项A、C错误；若将该交流电压加在阻值R100 的电阻两端，则电阻消耗的功率为P W50 W，选项D正确。答案BD6.(2019贵州毕节模拟)如图5甲所示是一台交流发电机的构造示意图，线圈转动产生的感应电动势随时间变化的规律如图乙所示；发电机线圈电阻为1 ，外接电阻为4 ，则 ()图5A.线圈转速为50 r/sB.电压表的示数为2.5 VC.负载电阻的电功率为2 WD.线圈转速加倍，电压表读数变为原来的4倍解析由图可知周期T0.04 s，可知线圈转速为n25 r/s，故A错误；由图可知最大值Em5 V，有效值E V，电压表的示数为U2 V，故B错误；负载电阻的电功率为P2 W，故C正确；最大值EmNBSNBS(2n)，电压表的示数为U，所以线圈转速加倍，电压表读数变为原来的2倍，故D错误。答案C7.(多选)(2016全国卷)如图6，M为半圆形导线框，圆心为OM；N是圆心角为直角的扇形导线框，圆心为ON；两导线框在同一竖直面(纸面)内；两圆弧半径相等；过直线OMON的水平面上方有一匀强磁场，磁场方向垂直于纸面。现使线框M、N在t0时从图示位置开始，分别绕垂直于纸面、且过OM和ON的轴，以相同的周期T逆时针匀速转动，则()图6A.两导线框中均会产生正弦交流电B.两导线框中感应电流的周期都等于TC.在t时，两导线框中产生的感应电动势相等D.两导线框的电阻相等时，两导线框中感应电流的有效值也相等解析当线框进入磁场过程中，根据EBR2可得，感应电动势恒定，感应电流恒定，不是正弦式交流电，选项A错误，C正确；当线框进入磁场时，根据楞次定律可得，两线框中的感应电流方向为逆时针，当线框穿出磁场时，根据楞次定律可得，线框中产生的感应电流为顺时针，所以感应电流的周期和线框运动周期相等，选项B正确；线框N在完全进入磁场后有时间内穿过线框的磁通量不变化，没有感应电动势产生，即线框N在0和内有感应电流，其余时间内没有；而线框M在整个过程中都有感应电流，即便两导线框电阻相等，两者的电流有效值不相等，选项D错误。答案BC8.图7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()图7A.图乙所示的电压也是正弦交流电压B.图甲所示电压的瞬时值表达式为u10sin(50t) VC.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图乙所示电压只有一部分按正弦交流电压变化，整个不能称为正弦交流电压，选项A错误；图甲所示电压的瞬时值表达式为u10sin(100t) V，选项B错误；图乙所示电压的周期为图甲所示电压周期的2倍，选项C错误；图甲所示电压的有效值为5 V，对图乙由T，得电压的有效值为U10 V，因此选项D正确。答案D9.如图8所示，一半径为L的导体圆环位于纸面内，O为圆心。环内两个圆心角为90且关于O中心对称的扇形区域内分布有匀强磁场，两磁场的磁感应强度大小均为B、方向相反且均与纸面垂面。导体杆OM可绕O转动，M端通过滑动触点与圆环良好接触，在圆心和圆环间连有电阻R，不计圆环和导体杆的电阻，当杆OM以恒定角速度逆时针转动时，理想电流表A的示数为()图8A. B. C. D.解析OM切割磁感线产生的电动势E，OM切割磁感线时产生的感应电流I，设电流的有效值为I有效，则IRT2I2RT，解得I有效，选项A正确。答案A综合提能练10.(多选)图9甲为小型交流发电机的原理图，其矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的固定轴OO匀速转动，线圈的匝数n100、总电阻r5 ，线圈的两端与阻值为95 的电阻R连接，交流电压表为理想电表。t0时刻，线圈平面与磁场方向平行，穿过每匝线圈的磁通量随时间t按图乙所示正弦规律变化。若交流发电机产生的电动势的最大值为Em，电压表的示数为U，则()图9A.Em200 V，U134 VB.Em134 V，U95 VC.通过电阻R的电流每秒内方向改变约50次D.电阻R实际消耗的功率为190 W解析交流发电机产生的电动势的最大值EmnBS，而mBS，由t图线可知m2.0102 Wb，T2102 s，所以100 rad/s，Em200 V，电动势的有效值E100 V，由闭合电路的欧姆定律，可知电路中电流的有效值I A，电压表的示数为UIR134 V，故选项A正确，B错误；由题图乙可知，周期T2102 s，频率f16，故通过电阻R的电流每秒内方向改变约32次，选项C错误；电阻R消耗的功率为PI2R190 W，故选项D正确。答案AD11.(2019江苏苏北四市模拟)一交流发电机与电阻、电感线圈(电阻不计)、电压表及开关组成如图10甲所示电路，交流发电机的线圈abcd(电阻不能忽略)在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴OO匀速转动。图乙是开关S断开的情况下，电阻R两端的电压u随时间t变化的图象。下列说法正确的是()图10A.t110