高考物理一轮复习 11.1 交变电流的产生和描述同步课件.ppt

第1讲交变电流的产生和描述 图10 1 1 一 交变电流的产生和变化规律1 交变电流 大小和方向都随时间做的电流 如图10 1 1 a b c d 所示都属于交变电流 其中按变化的交变电流叫正弦式交变电流 简称正弦式电流 如图10 1 1 a 所示 周期性变化 正弦规律 2 中性面 1 定义 与磁场方向的平面 2 特点 线圈位于中性面时 穿过线圈的磁通量 磁通量的变化率为 感应电动势为 线圈转动一周 经过中性面 线圈每经过一次 电流的方向就改变一次 垂直 最大 零 零 两次 中性面 3 正弦式电流的产生和变化规律 1 产生 当闭合线圈由中性面位置 图10 1 2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 2 规律 电动势 e e 电压 u u 电流 i i 匀速 正弦函数 emsin t umsin t imsin t 图10 1 2 若线圈有n匝 线圈的面积为s 线圈转动的角速度为 则em nbs 二 描述交变电流的物理量1 峰值 交变电流的最大值 某一时刻 热效应 3 有效值 根据电流的来规定的 让交流和恒定电流分别通过大小相同的电阻 如果在交流的一个周期内它们产生的热量相等 而这个恒定电流是i 电压是u i u就叫做这个交流的有效值 正弦式电流的有效值与峰值之间的关系 um im em 2 瞬时值 反映交变电流的大小和方向 4 周期和频率 描述交变电流变化的物理量 1 周期 交变电流完成变化的时间 2 频率 交变电流在1s内完成周期性变化的 3 周期和频率的关系 快慢 一次周期性 次数 只有正弦式电流才有i 的关系 对于非正弦式电流的有效值要根据有效值的定义求解 1 正弦式电流的变化规律 线圈在中性面位置时开始计时 2 对中性面的理解 1 中性面是与磁场方向垂直的平面 是假想的一个参考面 2 线圈平面位于中性面时 穿过线圈平面的磁通量最大 而磁通量的变化率为零 产生的感应电动势为零 3 线圈平面与中性面垂直时 穿过线圈平面的磁通量为零 但磁通量的变化率最大 产生的感应电动势最大 4 线圈每经过中性面一次 电流方向就改变一次 线圈转动一周 两次经过中性面 所以电流的方向改变两次 3 交变电流瞬时值表达式的书写基本思路 1 确定交变电流的峰值 根据已知图象或由公式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 如 线圈从中性面开始转动 则i t图象为正弦函数图象 函数式为i imsin t 线圈从垂直中性面开始转动 则i t图象为余弦函数图象 函数式为i imcos t 在交变电流的产生过程中 要特别注意两个特殊位置的不同特点 1 线圈平面与中性面重合时 s b 最大 t 0 e 0 i 0 电流方向将发生改变 2 线圈平面与中性面垂直时 s b 0 t最大 e最大 i最大 电流方向不改变 如图10 1 3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 为计时起点 并规定当电流自a流向b时电流方向为正 则如图10 1 4所示的四幅图中正确的是 图10 1 3 图10 1 4 确定感应电流的变化图象 应从三个方面分析 1 感应电流的方向 2 感应电流的大小 3 感应电流大小的变化趋势 从而排除错误选项 确定正确答案 听课记录 矩形线圈绕垂直于匀强磁场的转轴匀速转动产生正弦式电流 在开始计时 t 0 时线圈在图乙所示的位置 据右手定则判断电流方向为负方向 首先排除a b选项 若在图甲所示的位置 感应电流为负向的峰值 可见t 0的时刻交变电流处于负半周且再经到达中性面位置 即 0 瞬时值表达式i imsin t 0 所以0 imsin只有d项正确 答案 d 名师归纳 1 本题以矩形线圈在磁场中转动为背景 主要考查学生对交流发电机发电过程的理解和用图象描述交变电流的能力 同时考查学生对楞次定律或右手定则和法拉第电磁感应定律的应用 2 交变电流的产生过程中 要注意线圈的两个特殊位置 中性面 垂直中性面的位置 1 交变量电流的瞬时值 峰值 有效值和平均值的比较 2 对交变电流有效值的理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 注意 在交流电路中 电压表 电流表等电工仪表的示数均为交变电流的有效值 在没有具体说明的情况下 所给出的交变电流的电压 电流指的是有效值 1 由感应电动势的最大值公式em nbs 得 em仅由n b s 四个物理量所决定 与轴的具体位置和线圈的形状都无关 2 若图象部分是正弦式电流 其中的t和t部分的有效值可直接应用的关系 15分 如图10 1 5所示 线圈abcd的面积是0 05m2 共100匝 线圈电阻为1 外接电阻r为9 匀强磁场的磁感应强度为b 当线圈以300r min的转速匀速旋转时 求 图10 1 5 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 3 电路中 电压表和电流表的示数各是多少 4 从中性面开始计时 经s通过电阻r的电荷量为多少 由磁场情况和线圈转动情况可确定瞬时值表达式 电压表和电流表的示数为电路中电压和电流的有效值 而电荷量的计算则需用该时间内的平均值 满分指导 1 e emsin t nbs 2 fsin 2 ft 100 0 05 2 sin 2 t 50sin 10 t v 3分 2 当t s时e 50sin 10 43 3v 2分 3 电动势的有效值为 35 4v 2分 电流表示数i a 3 54a 1分 电压表示数u ir 3 54 9v 31 86v 1分 4 s内线圈转过的角度 t 1分 该过程中 bs bscos 1分 由得 4分 答案 1 e 50sin 10 t v 2 43 3v 3 31 86v3 54a 4 名师归纳 1 中性面是交变电流产生过程中的重要位置 从中性面开始计时和从其他位置开始计时计算交变电流的表达式不同 2 交流电路中 电流表 电压表测量的都是 3 交流电路中 欧姆定律 焦耳定律同样适用 交变电流的 有效值 1 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10 1 6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 图10 1 6 a 电压表v的示数为220vb 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484wd 发电机线圈内阻每秒钟产生的焦耳热为24 2j 解析 电动势的有效值为e 220v 所以电流的有效值i 2 2a 所以电压表的示数为u ir 2 2 95 0v 209v 选项a错 交变电流的频率为f 50hz 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 选项b错 灯泡实际消耗的功率为p灯 i2r 2 22 95 0w 459 8w 故选项c错 发电机线圈内阻每秒钟产生的焦耳热为q i2rt 2 22 5 0 1j 24 2j 选项d对 答案 d 2 一个矩形线圈在匀强磁场中转动产生的电动势e 200sin100 t v 那么 a 该交变电流的频率是50hzb 当t 0时 线圈平面恰好与中性面垂直c 当t s时 e有峰值d 该交变电流的电动势的有效值为200v 解析 由交变电流的电动势瞬时值表达式e nbs sin t可知 交变电流的频率 hz 50hz a不正确 在t 0时 电动势瞬时值为0 线圈平面恰好与中性面平行 b不正确 当t s时 e有峰值em 200v c正确 该交变电流的电动势的有效值e 200v d不正确 答案 ac 3 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10 1 8甲所示 则下列说法正确的是 图10 1 8 a t 0时刻 线圈平面与中性面垂直b t 0 01s时刻 的变化率最大c t 0 02s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 解析 由 t图知 t 0时 最大 即线圈处于中性面位置 此时e 0 故a d两项错误 由图知t 0 04s 在t 0 01s时 0 最大 e最大 则b项正确 在t 0 02s时 最大 0 e 0 则c项错误 答案 b 4 处在匀强磁场中的矩形线圈abcd 以恒定的角速度绕ab边转动 磁场方向平行于纸面并与ab垂直 在t 0时刻 线圈平面与纸面重合 如图10 1 9 线圈的cd边离开纸面向外运动 若规定由a b c d a方向的感应电流为正 则能反映线圈中感应电流i随时间t变化的图线是图10 1 10中的 图10 1 9 图10 1 10 解析 分析交变电流的图象问题应注意图线上某一时刻对应的线圈在磁场中的位置 将图线描述的变化过程对应到线圈所处的具体位置是分析的关键 线圈在图示位置时磁通量为零 但感应电流为最大值 再由楞次定律可判断线圈在转过90 的过程中 感应电流为正 故选项c正确 答案 c 5 如图10 1 11所示 n 50匝的矩形线圈abcd 边长ab 20cm bc 25cm 放在磁感应强度b 0 4t的匀强磁场中 绕垂直于磁感线且通过线圈的中轴线oo 匀速转动 转动角速度 50ra