2024高考物理大一輪復習課件 第十三章 第1講 交變電流的產(chǎn)生和描述

DISHISANZHANG第十三章交變電流電磁波傳感器考情分析交流電及四值2022·浙江1月選考·T9

2022·廣東卷·T4

2022·河北卷·T3

2021·遼寧卷·T52021·江蘇卷·T12

2021·天津卷·T3

2021·北京卷·T5

2021·浙江1月選考·T162021·浙江6月選考·T5

2018·全國卷Ⅲ·T16變壓器綜合問題2022·山東卷·T4

2022·湖北卷·T9

2022·湖南卷·T6

2022·北京卷·T42022·重慶卷·T3

2021·廣東卷·T7

2021·河北卷·T8

2021·湖南卷·T62021·湖北卷·T6

2021·福建卷·T3

2020·全國卷Ⅲ·T20

2020·江蘇卷·T22020·山東卷·T5遠距離輸電2020·全國卷Ⅱ·T19

2020·浙江7月選考·T11電磁波2021·浙江6月選考·T8

2021·福建卷·T5

2020·北京卷·T32020·江蘇卷·T13B(1)傳感器2022·河北卷·T12

2022·北京卷·T13

2022·重慶卷·T11試題情境生活實踐類發(fā)電機、變壓器、遠距離輸電、無線充電、家用和工業(yè)電路、家用電器、雷達、射電望遠鏡、X射線管、電子秤、煙霧報警器等學習探究類探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系，探究家用小型發(fā)電機的原理，探究負載增加對供電系統(tǒng)的影響、電磁振蕩、利用傳感器制作簡單的自動控制裝置第1講目標要求1.理解正弦式交變電流的產(chǎn)生過程，能正確書寫交變電流的函數(shù)表達式.2.理解并掌握交變電流圖像的意義.3.理解描述交變電流的幾個物理量，會計算交變電流的有效值.4.知道交流電“四值”在具體情況下的應用.交變電流的產(chǎn)生和描述

內(nèi)容索引考點一正弦式交變電流的產(chǎn)生及變化規(guī)律考點二交變電流有效值的求解考點三交變電流“四值”的理解和計算課時精練考點一正弦式交變電流的產(chǎn)生及變化規(guī)律1.產(chǎn)生在勻強磁場中線圈繞

磁場方向的軸勻速轉(zhuǎn)動.2.兩個特殊位置的特點(1)線圈平面轉(zhuǎn)到中性面時，S⊥B，Φ

，

＝0，e＝0，i＝0，電流方向?qū)?/p>

.(2)線圈平面與中性面垂直時，S∥B，Φ＝0，

，e最大，i最大，電流方向

.3.一個周期內(nèi)線圈中電流的方向改變

次.梳理必備知識垂直于最大發(fā)生改變最大不改變兩4.描述交變電流的物理量(1)最大值Em＝

，與轉(zhuǎn)軸位置

，與線圈形狀

(均選填“有關(guān)”或“無關(guān)”).(2)周期和頻率①周期(T

)：交變電流完成

變化所需的時間.單位是秒(s)，公式T＝

.②頻率(

f

)：交變電流在單位時間內(nèi)完成周期性變化的

.單位是赫茲(Hz).③周期和頻率的關(guān)系：T＝

或f＝

.NBSω無關(guān)無關(guān)一次周期性次數(shù)

函數(shù)表達式圖像磁通量Φ＝

＝__________

電動勢e＝

＝____________

5.交變電流的變化規(guī)律(線圈從中性面開始計時)ΦmcosωtBscosωtEmsinωtNBSωsinωt1.矩形線圈在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動時，一定會產(chǎn)生正弦式交變電流.(

)2.線圈在磁場中轉(zhuǎn)動的過程中穿過線圈的磁通量最大時，產(chǎn)生的感應電動勢也最大.(

)3.線圈經(jīng)過中性面時，感應電動勢為零，感應電流方向發(fā)生改變.(

)4.當線圈從垂直中性面開始計時，產(chǎn)生的電動勢按正弦規(guī)律變化，即e＝Emsinωt.(

)√×××書寫交變電流瞬時值表達式的技巧(1)確定正弦交變電流的峰值：根據(jù)已知圖像讀出或由公式Em＝NBSω求出相應峰值.(2)明確線圈的初始位置：①若線圈從中性面位置開始計時，則i－t圖像為正弦函數(shù)圖像，函數(shù)表達式為i＝Imsinωt.②若線圈從垂直中性面位置開始計時，則i－t圖像為余弦函數(shù)圖像，函數(shù)表達式為i＝Imcosωt.提升關(guān)鍵能力例1

(2023·廣西柳州市模擬)為研究交變電流產(chǎn)生的規(guī)律，某研究小組把長60m導線繞制成N＝100匝的矩形閉合線圈，如圖所示.現(xiàn)把線圈放到磁感應強度大小B＝0.1T、方向水平向右的勻強磁場中，線圈可以繞其對稱軸OO′轉(zhuǎn)動.現(xiàn)讓線圈從圖示位置開始(t＝0)以恒定的角速度ω＝10πrad/s轉(zhuǎn)動.下列說法正確的有A.t＝0時，線圈位于中性面位置B.t＝0.05s時，感應電流達到最大值C.當bc＝2ab時，感應電動勢的表達式為e＝2πsin10πt(V)D.當ab＝ad時，感應電動勢的有效值最大√t＝0時，線圈位于與中性面垂直的位置，故A錯誤；線圈的周期為T＝

＝0.2s，t＝0.05s時，線圈轉(zhuǎn)過90°，到達中性面位置，此時磁通量最大，感應電流為零，故B錯誤；電動勢最大值為Em0＝NBS0ω，S0＝ab·bc，N(ab＋bc)×2＝60m,2ab＝bc，聯(lián)立可得Em0＝2πV，線圈從題中圖示位置(平行于磁場方向)開始轉(zhuǎn)動，因此感應電動勢的表達式為e＝2πcos10πt(V)，故C錯誤；線圈周長為0.6m，當ab＝ad時，邊長相等，此時線圈面積最大，又Em＝NBSω，則感應電動勢最大，即感應電動勢的有效值最大，故D正確.例2

(2023·江蘇省高三月考)兩人在赤道上站立，各自手握金屬繩OPO′的一端，繞東西方向的水平軸沿順時針方向勻速搖動，周期為T，將金屬繩連入電路，閉合回路如圖所示，取金屬繩在圖示的最高位置時為t＝0時刻，則下列說法正確的是A.電路中存在周期為T的變化電流B.t＝0時刻，回路中磁通量最大，電路中電流最大C.t＝

時刻，電流向左通過靈敏電流計D.t＝

時刻，回路磁通量最大，電路中電流最大√在t＝

時刻，金屬繩向下運動，由右手定則可知，電流向右通過靈敏電流計，故C錯誤；在t＝0時刻和t＝

時刻，磁通量的變化率最小，則電路中電流最小，故B、D錯誤.金屬繩在勻強磁場中勻速搖動時，產(chǎn)生周期性變化的電流，所以這個電路中存在周期為T的變化電流，故A正確；例3

一手搖交流發(fā)電機線圈在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動，內(nèi)阻不計.轉(zhuǎn)軸位于線圈平面內(nèi)，并與磁場方向垂直.產(chǎn)生的電動勢隨時間變化的規(guī)律如圖所示，則A.該交變電流的頻率是0.4HzB.t＝0時刻，線圈恰好與中性面重合C.t＝0.1s時，穿過線圈的磁通量最大D.該交變電動勢瞬時值表達式是e＝10

cos5πt(V)√在t＝0時刻，電動勢最大，所以此時穿過線圈的磁通量為0，線圈和中性面垂直，故B錯誤；在t＝0.1s時，電動勢為0，穿過線圈的磁通量最大，故C正確；考點二交變電流有效值的求解1.有效值讓交變電流與恒定電流分別通過大小相同的電阻，如果在交變電流的一個周期內(nèi)它們

相等，則這個恒定電流的電流I與電壓U就是這個交變電流的有效值.2.正弦式交變電流的有效值與峰值之間的關(guān)系梳理必備知識產(chǎn)生的熱量I＝

，U＝

，E＝

.1.有效值等于峰值的

，這一關(guān)系適用于所有交變電流.(

)2.交變電流的有效值就是一個周期內(nèi)的平均值.(

)××例4

阻值為R的電阻上通以如圖所示的交變電流，則此交變電流的有效值為A.1A

B.

AC.2A

D.3A√√有效值的計算方法點撥方法點撥考點三交變電流“四值”的理解和計算梳理必備知識物理量物理含義重要關(guān)系適用情況及說明瞬時值交變電流某一時刻的值e＝Emsinωti＝Imsinωt計算線圈某時刻的受力情況峰值最大的瞬時值Em＝NBSωIm＝討論電容器的

電壓平均值交變電流圖像中圖線與時間軸所圍的面積與時間的比值計算通過導線橫截面的_______擊穿電荷量有效值跟交變電流的熱效應等效的恒定電流的值適用于正(余)弦式交變電流(1)交流電流表、交流電壓表的示數(shù)(2)電氣設(shè)備“銘牌”上所標的值(如額定電壓、額定電流等)(3)計算與電流的熱效應有關(guān)的量(如電功、電功率、電熱、保險絲的熔斷電流等)(4)沒有特別加以說明的1.交流電壓表和電流表測量的是交流電的峰值.(

)2.可以用平均值計算交變電流產(chǎn)生的熱量.(

)3.求通過導體橫截面的電荷量q＝It，其中的I指的是有效值.(

)×××例6

(多選)如圖甲所示，標有“220V

40W”的燈泡和標有“20μF

320V”的電容器并聯(lián)接到交流電源上，為交流電壓表，交流電源的輸出電壓如圖乙所示，閉合開關(guān).下列判斷正確的是A.t＝

時刻，的示數(shù)為零B.燈泡恰好正常發(fā)光C.電容器不可能被擊穿D.的示數(shù)保持110

V不變√√

的示數(shù)應是交流電壓的有效值，即為220V，選項A、D錯誤；交流電壓的有效值恰好等于燈泡的額定電壓，燈泡正常發(fā)光，選項B正確；交流電壓的峰值Um＝220

V≈311V，小于電容器的耐壓值，故電容器不可能被擊穿，選項C正確.例7

一個U形金屬線框在兩勻強磁場中繞OO′軸以相同的角速度勻速轉(zhuǎn)動，通過導線給同一電阻R供電，如圖甲、乙所示.甲圖中OO′軸右側(cè)有磁場，乙圖中整個空間均有磁場，兩圖中磁場的磁感應強度相同.則甲、乙兩圖中交流電流表的示數(shù)之比為A.1∶

B.1∶2C.1∶4 D.1∶1√例8

(2023·江蘇省常熟中學模擬)圖甲是某發(fā)電機的示意圖，正方形金屬框邊長為L，其兩端與兩個半圓環(huán)相連，在磁感應強度為B的勻強磁場中以恒定角速度繞OO′軸轉(zhuǎn)動.阻值為R的電阻兩端的電壓如圖乙所示，Um為已知，其他電阻不計，則金屬框轉(zhuǎn)動一周A.框內(nèi)電流方向不變√金屬框每次經(jīng)過中性面時框內(nèi)電流方向都會改變，故A錯誤；四課時精練1.在勻強磁場中，匝數(shù)N＝100的矩形線圈繞垂直磁感線的轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動，線圈中產(chǎn)生的感應電動勢隨時間變化規(guī)律如圖所示，則下列說法正確的是A.t＝0.5×10－2s時，線圈平面與中性面重合B.t＝1×10－2s時，線圈中磁通量變化率最大C.穿過每一匝線圈的最大磁通量為1×10－3WbD.線圈轉(zhuǎn)動的角速度為50πrad/s123456789101112√基礎(chǔ)落實練由題圖可知，當t＝0.5×10－2s時，感應電動勢最大，線圈平面與中性面垂直，故A錯誤；123456789101112當t＝1×10－2s時，感應電動勢為0，線圈中磁通量變化率為0，故B錯誤；2.(2022·廣東卷·4)如圖是簡化的某種旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機原理圖.定子是僅匝數(shù)n不同的兩線圈，n1>n2，二者軸線在同一平面內(nèi)且相互垂直，兩線圈到其軸線交點O的距離相等，且均連接阻值為R的電阻，轉(zhuǎn)子是中心在O點的條形磁鐵，繞O點在該平面內(nèi)勻速轉(zhuǎn)動時，兩線圈輸出正弦式交變電流.不計線圈電阻、自感及兩線圈間的相互影響，下列說法正確的是A.兩線圈產(chǎn)生的電動勢的有效值相等B.兩線圈產(chǎn)生的交變電流頻率相等C.兩線圈產(chǎn)生的電動勢同時達到最大值D.兩電阻消耗的電功率相等√123456789101112因兩線圈放在同一個旋轉(zhuǎn)磁鐵的旁邊，則兩線圈產(chǎn)生的交變電流的頻率相等，選項B正確；當磁鐵的磁極到達線圈軸線時，磁通量變化率最大，感應電動勢最大，由題圖可知兩線圈產(chǎn)生的感應電動勢不可能同時達到最大值，選項C錯誤.1234567891011123.一只低壓電源輸出的交變電壓為U＝10

sin314t(V)，π取3.14，以下說法正確的是A.這只電源可以使“10V

2W”的燈泡正常發(fā)光B.這只電源的交變電壓的周期是314sC.這只電源在t＝0.01s時電壓達到最大值D.“10V

2μF”的電容器可以接在這只電源上√123456789101112123456789101112在t＝0.01s時，經(jīng)過半個周期，電壓為零，故C項錯誤；4.(多選)如圖所示，圖線a是線圈在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動時所產(chǎn)生正弦式交變電流的圖像，當調(diào)整線圈轉(zhuǎn)速后，其在同一磁場中勻速轉(zhuǎn)動過程所產(chǎn)生正弦式交變電流的圖像如圖線b所示.下列關(guān)于這兩個正弦式交變電流的說法中正確的是A.在圖中t＝0時刻穿過線圈的磁通量均為零B.線圈先后兩次轉(zhuǎn)速之比為3∶2C.交變電流a的電動勢瞬時值表達式為e＝10sin(5πt)VD.交變電流b的電動勢最大值為

V123456789101112√√√由題圖可知，在t＝0時刻線圈均在中性面位置，穿過線圈的磁通量最大，A錯誤；由圖像可知Ta∶Tb＝2∶3，故na∶nb＝3∶2，B正確；1234567891011121234567891011125.某研究小組成員設(shè)計了一個如圖所示的電路，已知純電阻R的阻值不隨溫度變化.與R并聯(lián)的是一個理想的交流電壓表，D是理想二極管(它的導電特點是正向電阻為零，反向電阻為無窮大).在A、B間加一交流電壓，其瞬時值的表達式為u＝20

sin100πt(V)，則交流電壓表的示數(shù)為A.10V B.20VC.15V D.14.1V123456789101112√1234567891011126.(2018·全國卷Ⅲ·16)一電阻接到方波交流電源上，在一個周期內(nèi)產(chǎn)生的熱量為Q方；若該電阻接到正弦交流電源上，在一個周期內(nèi)產(chǎn)生的熱量為Q正.該電阻上電壓的峰值均為u0，周期均為T，如圖所示.則Q方∶Q正等于123456789101112√1234567891011127.(多選)如圖所示，一個半徑為r的半圓形線圈，以直徑ab為軸勻速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為n，ab的左側(cè)有垂直于紙面向里(與ab垂直)的勻強磁場，磁感應強度大小為B.M和N是兩個集流環(huán)，負載電阻為R，線圈、電流表和連接導線的電阻不計，若圖示位置為初始時刻，則123456789101112能力綜合練√123456789101112√√1234567891011121234567891011121234567891011128.(多選)(2023·陜西咸陽市模擬)如圖所示，發(fā)電機內(nèi)部線圈處于磁體和圓柱形鐵芯之間的徑向磁場中，磁體的N、S極間的過渡區(qū)域?qū)挾群苄。珊雎圆挥?線圈的匝數(shù)為N、面積為S、總電阻為r，線圈所在位置的磁感應強度大小為B.當線圈以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動時，額定電壓為U、電阻為R的小燈泡在電路中恰能正常發(fā)光，則A.發(fā)電機輸出的電流為矩形波交流電√D.轉(zhuǎn)動過程中穿過線圈的磁通量始終為零√123456789101112線圈在徑向磁場中做切割磁感線運動，產(chǎn)生的感應電動勢大小不變，方向做周期性變化，發(fā)電機輸出的電流為矩形波交流電，A正確；線圈以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動時，根據(jù)法拉第電磁感應定律，則有感應電動勢的最大值為Em＝NBSω，因磁場是輻向磁場，線圈切割磁感線的有效速度大小不變，所以發(fā)電機產(chǎn)生的感應電動勢的有效值E＝NBSω，燈泡兩端電壓U＝

R，B錯誤；123456789101112若轉(zhuǎn)動過程中穿過線圈的磁通量始終為零，則不會產(chǎn)生感應電動勢，D錯誤.9.(多選)如圖甲所示，電阻不計、面積S＝0.04m2的固定矩形線圈水平放置，與線圈平面垂直的空間有均勻分布的勻強磁場，磁場的磁感應強度隨時間變化的規(guī)律如圖乙所示.此時與線圈連接的額定電壓是40V的燈泡正常發(fā)光，氖泡兩端瞬時電壓達到40V時開始發(fā)光.下列說法正確的是(不計燈絲電阻隨溫度的變化)A.氖泡兩端電壓的瞬時值表達式為

u＝40

·cos100πt(V)B.矩形線圈匝數(shù)N＝50匝C.氖泡的發(fā)光頻率為50HzD.若將氖泡換成一個耐壓值為40V的電容器，電容器可以安全工作123456789101112√√123456789101112根據(jù)法拉第電磁感應定律可知，矩形線圈中會產(chǎn)生周期為0.02s的正弦式交流電，因為小燈泡正常發(fā)光，其兩端電壓有效值為40V，因此原線圈兩端電壓的瞬時值表達式為u＝40cos100πt(V)，A項正確；線圈產(chǎn)生的正弦式交流電電動勢的最大值Em＝NBSω＝40

V，解得N＝50匝，B項正確；123456789101112一個周期內(nèi)，氖泡發(fā)光兩次，因此氖泡發(fā)光頻率是交流電頻率的兩倍，為100Hz，C項錯誤；電容器的擊穿電壓(耐壓值)指的是電壓的最大值，題述交流電壓的最大值大于40V，所以耐壓值為40V的電容器接在氖泡位置將被擊穿，D項錯誤.10.如圖所示，間距為L的光滑平行金屬導軌，水平地放置在豎直向上且磁感應強度大小為B的勻強磁場中，一端接阻值為R的電阻.一有效電阻為r、質(zhì)量為m的導體棒放置在導軌上，在外力F作用下從t＝0時刻開始運動，其速度隨時間的變化規(guī)律為v＝vmsinωt，不計導軌電阻.求：123456789101112由導體棒切割磁感線產(chǎn)生感應電動勢有E＝BLv，得e＝BLvmsinωt回路中產(chǎn)生正弦式交變電流，其有效值為12345678910111212345678910111211.(2023·山東德州市模擬)如圖所示，坐標系xOy的第一、四象限的兩塊區(qū)域內(nèi)分別存在垂直紙面向里、向外的勻強磁場，磁感應強度的大小均為1.0T，兩塊區(qū)域曲線邊界的曲線方程為y＝0.5sin2πx(m)(0≤x≤1.0m).現(xiàn)有一單匝矩形導線框abcd在拉力F的作用下，從圖示位置開始沿x軸正方向以2m/s的速度做勻速直線運動，已知導線框長為1m、寬