2019年高中物理第3章第2节交变电流是怎样产生的讲义（含解析）鲁科版.docx

交变电流是怎样产生的1交流发电机(1)原理：闭合导体与磁极之间做相对运动。穿过闭合导体的磁通量发生变化。(2)构造：线圈(电枢)和磁极两部分。(3)分类两种类型转子定子特点旋转电枢式电枢磁极电压低，功率小旋转磁极式磁极电枢电压高，功率大旋转电枢式发电机和旋转磁极式发电机有什么区别？解析：旋转电枢式发电机的转子是线圈，而旋转磁极式发电机的转子是磁极，且后者能产生高电压，更能满足人们的生产、生活需要。2交变电流的产生原理和变化规律(1)产生原理条件：在匀强磁场中，矩形线圈绕垂直于磁场方向的轴匀速转动；特殊位置特点a中性面：线圈平面与磁感线垂直，线圈经过中性面时，感应电动势、感应电流为零，磁通量最大；b与中性面垂直时：线圈的感应电动势、感应电流最大，磁通量为零；电流方向变化：线圈每经过中性面一次，感应电流的方向就改变一次；线圈每转动一周，经过中性面2次，感应电流的方向改变2次。(2)变化规律函数表示：eEmsin_t(条件：从中性面开始计时，其中Em2nBlvnBS)iImsin_tuUmsin_t(其中UmImR)e、i、u随t变化图象如图所示。当线圈在磁场中转速加倍时，产生的交流电的峰值、有效值、周期如何变化？解析：当转速加倍时，角速度加倍，则峰值加倍，有效值加倍，周期减半。 1推导正弦式交变电流瞬时值的表达式设单匝线圈从中性面起经时间t转过角度，则t。此时两边ab、cd速度方向与磁感线方向的夹角分别为t和180t，如图所示，它们产生的感应电动势同向相加，整个线圈中的感应电动势eBLabvsin tBLcdvsin(180t)2BLabvsin t又v，代入上式得eBSsin tEmsin t对纯电阻电路，设闭合电路总电阻为R，由欧姆定律得闭合回路的电流瞬时值isin tImsin t此时加在电路上的路端电压的瞬时值uiRImRsin tUmsin t2n匝线圈感应电动势的瞬时表达式为enBSsin t典例1如图所示，正方形线圈abcd的边长是0.5 m，共300匝，匀强磁场的磁感应强度为B T，当线圈以150 r/min的转速匀速旋转时，求：(1)若从线圈处于中性面开始计时，写出线圈中感应电动势的瞬时值表达式；(2)线圈转过 s时电动势的瞬时值多大？思路探究解析分别把Em、的数值推出，代入一般式eEmsin t就得出了瞬时值表达式。求瞬时值时，只需把t的时刻代入表达式就可以了。(1)eEmsin tNBS2nsin 2nt375sin 5t V(2)当t s时，电动势的瞬时值e375sinV375 V答案(1)e375sin 5t V(2)375 V总结提能交变电流瞬时表达式问题的破解程序(1)观察线圈的转动轴是否与磁感线垂直。(2)从中性面开始计时，电动势按正弦规律变化；从线圈转到与磁感线平行时开始计时，电动势按余弦规律变化。(3)计算电动势最大值和角速度，写出电动势的瞬时表达式。1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，如图甲所示，产生的交变电动势的图象如图乙所示，则()At0.005 s时线框的磁通量变化率为零Bt0.01 s时线框平面与中性面重合C线框产生的交变电动势的有效值为311 VD线框产生的交变电动势的频率为100 Hz解析：选B该交变电动势瞬时值的表达式为e311sin 100t V。t0.005 s时感应电动势最大，线框的磁通量变化率最大，A错误；t0.01 s时感应电动势为零，穿过线框的磁通量最大，线框平面与中性面重合，B正确；感应电动势的最大值为311 V，则有效值为 V，C错误；由题图知该交变电动势的周期为0.02 s，由频率与周期的关系可知，频率为50 Hz，D错误。1图象意义反映了交变电流的电流(电压)随时间变化的规律，如图所示。2通过图象可了解到的信息最大值、周期、频率。3特殊位置(时刻)物理量的特点 两个位置比较内容中性面中性面的垂直面图示时刻kT/2(k0,1,2，)kT/4(k1,3,5，)位置线圈平面与磁场垂直线圈平面与磁场平行磁通量最大零磁通量变化率零最大感应电动势零最大电流方向改变不变典例2一矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时，产生的交变电动势的图象如图所示，则()A交流电的频率是4 HzB当t0时，线圈平面与磁感线垂直，磁通量最大C当t s时，e有最大值Dt s时，e10 V最小，磁通量变化率最小思路探究(1)根据图象分析周期T，各时刻的电动势e随时间的变化规律。(2)当线圈在中性面时最大0e0。解析从图象可知交流电的周期为2 s，频率为 Hz，t s时， e0最小，A、C错误；t0时，e最小，最大，B正确；t s时，e10 V，e最大，最大，“”号表示方向，D错误。答案B2多选如图甲所示，一矩形闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的转轴OO以恒定的角速度转动。若从线圈平面与磁场方向平行时开始计时，线圈中产生的交变电流按照图乙所示的余弦规律变化，则在t时刻()A线圈中的电流最大B穿过线圈的磁通量为零C线圈所受的安培力为零D线圈中的电流为零解析：选CD当t时，线圈位于中性面位置，所以穿过线圈的磁通量最大，B错误；由于此时感应电动势为零，所以线圈中电流为零，线圈所受的安培力为零，A错误，C、D正确。物理量物理含义重要关系适用情况及说明瞬时值交变电流某一时刻的值eEmsin t iImsin t计算线圈某时刻的受力情况最大值最大的瞬时值EmnBSEmnmIm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的值对正(余)弦交流电EmE UmU ImI(1)计算与电流的热效应有关的量(如功、功率、热量)等。(2)电气设备“铭牌”上所标值。(3)保险丝的熔断电流。(4)交流电流表、电压表的示数平均值交变电流图象中图线与时间轴所夹的面积与时间的比值Bln Qn计算通过电路截面的电荷量典例3如图所示，线圈abcd的面积是0.05 m2，共100匝，线圈电阻为1 ，外接电阻R9 ，匀强磁场的磁感应强度为B T，当线圈以300 r/min的转速匀速转动时，求：(1)电路中感应电动势的最大值和有效值；(2)电路中交流电压表和电流表的示数；(3)线圈从图示位置转过90的过程中通过电阻R的电荷量。思路探究(1)根据公式EmnBS求感应电动势的最大值。(2)交流电压表和电流表的示数是有效值。(3)通过电阻R的电荷与平均值有关。解析(1)EmnBS50 VE25 V35.4 V(2)电流表示数I2.5 A3.54 A电压表示数UIR22.5 V31.8 V(3)从图示位置转过90的过程中，n又，qt，BS所以q0.16 C答案(1)50 V35.4 V(或25 V)(2)31.8 V(或22.5 V)3.54 A(或2.5 A)(3)0.16 C3如图所示，矩形线圈面积为S，匝数为N，线圈电阻为r，在磁感应强度为B的匀强磁场中绕OO轴以角速度匀速转动，外电路电阻为R，当线圈由图示位置转过90的过程中，求：(1)通过电阻R的电荷量q；(2)电阻R上所产生的热量Q。解析：(1)依题意磁通量的变化量BS线圈转过90的时间t平均感应电动势N平均感应电流通过电阻R的电荷量qt(2)线圈中感应电动势的有效值E和最大值Em的关系为E电路中电流的有效值I电阻R上产生的热量QI2Rt答案：(1)(2)物理模型发电机模型1模型概述发电机模型是高考题中经常出现的题型，在外力作用下于磁场中做切割磁感线运动的导体均可看做发电机模型。2模型特点发电机工作原理闭合线圈在磁场中受外力转动，产生感应电动势能量转化机械能转化为电能解题要点(1)产生的感应电动势方向由右手定则判定。(2)感应电动势大小由法拉第电磁感应定律计算。(3)注意感应电流的最大值、瞬时值、有效值和平均值的计算。(4)能量转化中满足能量守恒定律典例(江苏高考)某兴趣小组设计了一种发电装置，如图所示。在磁极和圆柱状铁芯之间形成的两磁场区域的圆心角均为，磁场均沿半径方向。匝数为N的矩形线圈abcd的边长abcdl、bcad2l。线圈以角速度绕中心轴匀速转动，bc和ad边同时进入磁场。在磁场中，两条边所经过处的磁感应强度大小均为B、方向始终与两边的运动方向垂直。线圈的总电阻为r，外接电阻为R。求：(1)线圈切割磁感线时，感应电动势的大小Em；(2)线圈切割磁感线时，bc边所受安培力的大小F；(3)外接电阻上电流的有效值I。解析(1)bc、ad边的运动速度v感应电动势Em4NBlv解得Em2NBl2(2)电流Im安培力F2NBIml解得F(3)一个周期内，通电时间tTR上消耗的电能WIRt又WI2RT解得I答案(1)2NBl2(2)(3)点评对于“发电机”模型问题，要明确导体(或线圈)在磁场中受外力作用运动切割磁感线产生感应电流，感应电流在磁场中受安培力，阻碍导体切割磁感线，外力需克服安培力做功，是其他形式的能转化为电能，且能量转化满足能量守恒定律。变式训练一台小型发电机产生的电动势随时间变化的正弦规律图象如图甲所示。已知发电机线圈内阻为5.0 ，现外接一只电阻为95.0 的灯泡，如图乙所示，则()A电压表的示数为220 VB电路中的电流方向每秒钟改变50次C灯泡实际消耗的功率为484 WD发电机线圈内阻每秒钟产生的焦耳热为24.2 J解析：选D电动势的有效值为E V220 V，所以电流的有效值I2.2 A，所以电压表的示数为UIR209 V，A错误；交流电的周期为T2102 s，频率为f50 Hz，每个周期内电流方向改变2次，故每秒钟内电流方向改变100次，B错误；灯泡实际消耗的功率为P灯I2R459.8 W，C错误；发电机线圈内阻每秒钟产生的焦耳热为QI2rt2.225.01 J24.2 J，D正确。1关于中性面，下列说法错误的是()A中性面就是穿过线圈的磁通量为零的面B中性面就是线圈中磁通量变化率为零的面C线圈过中性面时，电流方向必改变D中性面就是线圈内感应电动势为零的面解析：选A线圈转至中性面时，线圈平面与磁感线垂直，所以此时穿过线圈的磁通量最大，磁通量变化率为零，感应电动势为零，电流方向改变，A错误，B、C、D正确。2如图甲所示，一矩形线圈abcd放置在匀强磁场中，并绕过ab、cd中点的轴OO以角速度逆时针匀速转动。若以线圈平面与磁场夹角45时(如图乙所示)为计时起点，并规定当电流自a流向b时电流方向为正。则图丙所示四幅图中正确的是()丙解析：选D由楞次定律知，t0时，电流方向为负，线圈平面与中性面的夹角为，线圈再转过到达中性面，所以线圈中感应电流为iImsin，D项正确。3多选(天津高考)如图甲所示，在匀强磁场中，一矩形金属线圈两次分别以不同的转速，绕与磁感线垂直的轴匀速转动，产生的交变电动势图象如图乙中曲线a、b所示，则()A两次t0时刻线圈平面均与中性面重合B曲线a、b对应的线圈转速之比为23C曲线a表示的交变电动势频率为25 HzD曲线b表示的交变电动势有效值为10 V解析：选ACt0时刻，两次产生的交流电的电动势瞬时值均为零，因此线圈平面均与中性面重合，A正确；图中a、b对应的周期之比为23，因此线圈转速之比nanb32，B错误；a线表示的交流电动势的频率为fa Hz25 Hz，C正确；a线对应线圈相应的电动势的最大值EamNBS，由图象知Eam15 V，b线对应线圈相应的电动势的最大值EbmNBS，因此，Ebm10 V，有效值Eb V5 V，D错误。4某交变电流的表达式e311sin 50t V，以下关于此电流的说法中正确的是()A频率为50 HzB电动势的最大值为311 VC电动势的有效值为311 VD1秒内电流的方向改变100次解析：选B由e311sin 50t V知Em311 V，B正确；有效值E220 V，C错误；50 rad/s，T s0.04 s，f25 Hz，A错误；1 s内电流方向改变50次，D错误。 5.如图所示，一个小型旋转电枢式交流发电机，其矩形线圈的长度为a，宽度为b，共有n匝，总电阻为r，与线圈两端相接触的集流环上接有一个阻值为R的定值电阻，线圈以角速度在磁感应强度为B的匀强磁场中绕与磁场方向垂直的对称轴OO匀速运动，沿转轴OO方向