2025高考物理總復(fù)習(xí)交變電流的產(chǎn)生和描述

第十三章交變電流電磁波傳感器考情分析試題情境生活實(shí)踐類發(fā)電機(jī)、變壓器、遠(yuǎn)距離輸電、無線充電、家用和工業(yè)電路、家用電器、雷達(dá)、射電望遠(yuǎn)鏡、X射線管、電子秤、煙霧報(bào)警器等學(xué)習(xí)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(jī)的原理，探究負(fù)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課時(shí)交變電流的產(chǎn)生和描述目標(biāo)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(dá)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(gè)物理量，會計(jì)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(yīng)用。內(nèi)容索引考點(diǎn)一

正弦式交變電流的產(chǎn)生及變化規(guī)律考點(diǎn)二

交變電流的四值及應(yīng)用課時(shí)精練><考點(diǎn)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(qiáng)磁場中線圈繞

磁場方向的軸勻速轉(zhuǎn)動。垂直于2.交流電產(chǎn)生過程中的兩個(gè)特殊位置圖示

概念中性面位置與中性面垂直的位置特點(diǎn)B⊥SB∥SΦ＝BS，磁通量最

，

＝___Φ＝0，磁通量最____e＝___e＝

＝

，電動勢最___感應(yīng)電流i＝0，方向_____感應(yīng)電流最

，方向_____一個(gè)周期內(nèi)電流方向改變

次，在

位置改變大0小0NBSωNΦmω大改變大不變兩中性面3.正弦式交變電流的圖像(線圈從中性面位置開始計(jì)時(shí))物理量函數(shù)表達(dá)式圖像磁通量Φ＝Φmcosωt＝BScosωt

電動勢e＝

＝___________

EmsinωtNBSωsinωt物理量函數(shù)表達(dá)式圖像電流i＝________＝__________(外電路為純電阻電路)

電壓u＝_________＝__________(外電路為純電阻電路)

ImsinωtUmsinωt4.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

(后兩個(gè)空均選填“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(shí)間。單位是秒(s)，公式T＝NBSω?zé)o關(guān)無關(guān)一次周期性②頻率(f)：交變電流在單位時(shí)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＝____。次數(shù)1.矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動時(shí)，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(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也最大。(

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

)4.當(dāng)從線圈垂直中性面位置開始計(jì)時(shí)，產(chǎn)生的電動勢按正弦規(guī)律變化，即e＝Emsinωt。(

)××√×例1

(2023·遼寧卷·4)如圖，空間中存在水平向右的勻強(qiáng)磁場，一導(dǎo)體棒繞固定的豎直軸OP在磁場中勻速轉(zhuǎn)動，且始終平行于OP。導(dǎo)體棒兩端的電勢差u隨時(shí)間t變化的圖像可能正確的是√如圖所示，導(dǎo)體棒勻速轉(zhuǎn)動，設(shè)速度大小為v，設(shè)導(dǎo)體棒從A到B的過程中，棒轉(zhuǎn)過的角度為θ，則導(dǎo)體棒垂直磁感線方向的分速度為v⊥＝vcosθ，可知導(dǎo)體棒垂直磁感線的分速度為余弦變化，根據(jù)左手定則可知，導(dǎo)體棒經(jīng)過B點(diǎn)和B點(diǎn)關(guān)于P點(diǎn)的對稱點(diǎn)時(shí)，電流方向不同，根據(jù)u＝BLv⊥可知，導(dǎo)體棒兩端的電勢差u隨時(shí)間t變化的圖像為余弦圖像，故選C。例2

(2024·江蘇南通市期末)某興趣小組自制一小型發(fā)電機(jī)，使線圈在勻強(qiáng)磁場中繞垂直于磁場方向的固定軸轉(zhuǎn)動，穿過線圈的磁通量Φ隨時(shí)間t按正弦規(guī)律變化的圖像如圖所示，線圈轉(zhuǎn)動周期為T，線圈產(chǎn)生的電動勢的最大值為Em。則A.在t＝

時(shí)，線圈中產(chǎn)生的電流最大B.在t＝

時(shí)，線圈中的磁通量變化率最大C.線圈中感應(yīng)電動勢的瞬時(shí)值D.增大線圈轉(zhuǎn)速，線圈中感應(yīng)電動勢的有效值不變√線圈中感應(yīng)電動勢的最大值為Em＝nBSω，增大線圈轉(zhuǎn)速，線圈中感應(yīng)電動勢的最大值增大，即感應(yīng)電動勢的有效值增大，D項(xiàng)錯(cuò)誤。例3

為研究交變電流產(chǎn)生的規(guī)律，某研究小組把長60m導(dǎo)線繞制成N＝100匝的矩形閉合線圈，如圖所示?，F(xiàn)把線圈放到磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B＝0.1T、方向水平向右的勻強(qiáng)磁場中，線圈可以繞其對稱軸OO′轉(zhuǎn)動?，F(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(shí)，線圈位于中性面位置B.t＝0.05s時(shí)，感應(yīng)電流達(dá)到最大值C.當(dāng)bc＝2ab時(shí)，感應(yīng)電動勢的瞬時(shí)值表達(dá)式為e＝

2πsin10πt(V)D.當(dāng)ab＝ad時(shí)，感應(yīng)電動勢的有效值最大√感應(yīng)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，線圈從題圖位置(平行于磁場方向)開始轉(zhuǎn)動，因此感應(yīng)電動勢的瞬時(shí)值表達(dá)式為e＝2πcos10πt(V)，故C錯(cuò)誤；t＝0時(shí)，線圈位于與中性面垂直的位置，故A錯(cuò)誤；線圈轉(zhuǎn)動的周期為T＝

＝0.2s，t＝0.05s時(shí)，線圈轉(zhuǎn)過90°，到達(dá)中性面位置，此時(shí)穿過線圈的磁通量最大，感應(yīng)電流為零，故B錯(cuò)誤；當(dāng)ab＝ad時(shí)，邊長相等，此時(shí)線圈面積最大，又Em＝NBSω，則感應(yīng)電動勢最大，即感應(yīng)電動勢的有效值最大，故D正確。拓展在例3中(1)0～0.05s過程中，穿過線圈的磁通量變化率如何變化？答案0～0.05s過程中，穿過線圈的磁通量逐漸增大，磁通量變化率逐漸減小。(2)畫出從圖示位置開始計(jì)時(shí)的感應(yīng)電動勢隨時(shí)間變化的圖像(已知bc＝2ab)。答案(3)當(dāng)ab＝ad時(shí)，寫出線圈從中性面開始轉(zhuǎn)動的感應(yīng)電動勢的瞬時(shí)值表達(dá)式。答案1匝線圈周長為0.6m，ab＝ad時(shí)，邊長L＝0.15m，Em＝NBL2ω＝2.25πV，得e＝Emsinωt＝2.25πsin10πt(V)。書寫交變電流瞬時(shí)值表達(dá)式的技巧1.確定正弦式交變電流的峰值：根據(jù)已知圖像讀出或由公式Em＝NBSω求出相應(yīng)峰值。2.明確線圈的初始位置：(1)若從線圈位于中性面位置開始計(jì)時(shí)，則i－t圖像為正弦函數(shù)圖像，函數(shù)表達(dá)式為i＝Imsinωt。(2)若從線圈位于垂直中性面位置開始計(jì)時(shí)，則i－t圖像為余弦函數(shù)圖像，函數(shù)表達(dá)式為i＝Imcosωt。返回交變電流的四值及應(yīng)用><考點(diǎn)二物理量物理含義重要關(guān)系適用情況及說明瞬時(shí)值交變電流某一時(shí)刻的值e＝Emsinωti＝Imsinωt計(jì)算線圈某時(shí)刻的受力情況峰值最大的瞬時(shí)值Em＝NBSωIm＝(外電路為純電阻電路)討論電容器的

電壓擊穿物理量物理含義重要關(guān)系適用情況及說明平均值交變電流圖像中圖線與時(shí)間軸所圍的面積與時(shí)間的比值(外電路為純電阻電路)計(jì)算通過導(dǎo)線橫截面的_______電荷量物理量物理含義重要關(guān)系適用情況及說明有效值跟交變電流的熱效應(yīng)等效的恒定電流的值適用于正弦式交變電流(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(biāo)的值(如額定電壓、額定電流等)(3)計(jì)算與電流的熱效應(yīng)有關(guān)的量(如電功、電功率、電熱、保險(xiǎn)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(jì)算交變電流產(chǎn)生的熱量。(

)3.求通過導(dǎo)體橫截面的電荷量q＝It，其中的I指的是有效值。(

)4.最大值和有效值之間的

倍關(guān)系僅適用于正弦式交流電。(

)×××√例4如圖是某一線圈通過的交流電的電流—時(shí)間圖像(前半個(gè)周期為正弦波形的

)，則一個(gè)周期內(nèi)該電流的有效值為√有效值的計(jì)算例5

(2023·江蘇鎮(zhèn)江市三模)如圖所示，空間中分布著磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)有界磁場，EF是其左邊界，一面積為S的n匝圓形金屬線框垂直于磁場放置，圓形線框的圓心O在EF上，線框電阻為R，若線框以角速度ω繞EF勻速轉(zhuǎn)動，并從圖示位置開始計(jì)時(shí)，則√C.線框中產(chǎn)生的交變電動勢的最大值為nBSω例6

(2023·江蘇徐州市統(tǒng)考)如圖所示為某發(fā)電機(jī)的原理圖。發(fā)電機(jī)的矩形線圈abcd固定，磁體在葉片驅(qū)動下繞線圈對稱軸勻速轉(zhuǎn)動，圖示位置線圈平面恰與磁場垂直。已知磁體間的磁場為勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，磁體轉(zhuǎn)動的角速度為ω，線圈匝數(shù)為N，矩形線圈abcd的面積為S，線圈總電阻為r，外接電阻R和理想二極管相連。求：(1)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的最大值Em；答案NBSω

線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的最大值為Em＝NBSω(2)磁體從圖示位置轉(zhuǎn)過60°過程中，通過電阻R的電荷量q；(3)磁體轉(zhuǎn)動一個(gè)周期，電阻R上產(chǎn)生的電熱Q。返回課時(shí)精練1.教學(xué)用交流發(fā)電機(jī)示意圖如圖所示。矩形線圈ABCD在勻強(qiáng)磁場中繞其中心軸OO′勻速轉(zhuǎn)動，某時(shí)刻線圈平面與磁感線垂直。下列說法正確的是A.此時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流最大B.此時(shí)線圈平面處在中性面上C.此時(shí)線圈磁通量變化率最大D.此時(shí)開始再轉(zhuǎn)半個(gè)周期，線圈磁通量變化量為零√1234567891011由題圖可知，此時(shí)線圈平面與磁場方向垂直，穿過線圈的磁通量最大，但此時(shí)的磁通量變化率為零，感應(yīng)電動勢為零，感應(yīng)電流為零，線圈平面處在中性面上，B正確，A、C錯(cuò)誤；假設(shè)此時(shí)穿過線圈的磁通量為Φ0＝BS，從此時(shí)開始再轉(zhuǎn)半個(gè)周期，線圈磁通量變化量為ΔΦ＝－BS－BS＝－2BS，即線圈磁通量變化量不為零，D錯(cuò)誤。12345678910112.(2023·江蘇連云港市聯(lián)考)在勻強(qiáng)磁場中，一矩形金屬線框繞與磁感線垂直的轉(zhuǎn)動軸勻速轉(zhuǎn)動，如圖甲所示。產(chǎn)生的交變電動勢隨時(shí)間變化的規(guī)律如圖乙所示。則下列說法正確的是A.t＝0.01s時(shí)穿過線框的磁通量最小B.該交變電動勢的有效值為C.該交變電動勢的瞬時(shí)值表達(dá)式為

e＝D.電動勢瞬時(shí)值為22V時(shí)，線框平面與中性面的夾角為60°√12345678910111234567891011由題圖乙可知t＝0.01s時(shí)，感應(yīng)電動勢最小，此時(shí)線框位于中性面，穿過線框的磁通量最大，A項(xiàng)錯(cuò)誤；電動勢瞬時(shí)值為22V時(shí)，代入瞬時(shí)值表達(dá)式可知，線框平面與中性面的夾角為45°，D項(xiàng)錯(cuò)誤。3.一只低壓電源輸出的交變電壓為

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(shí)輸出的電壓達(dá)到最大值D.擊穿電壓為10V的電容器可以直接接在這只電源上√1234567891011在t＝0.01s時(shí)，這只電源的輸出電壓為零，故C項(xiàng)錯(cuò)誤；12345678910114.(2020·海南卷·3)圖甲、乙分別表示兩種電流的波形，其中圖乙所示電流按正弦規(guī)律變化，分別用I1和I2表示甲和乙兩電流的有效值，則A.I1∶I2＝2∶1 B.I1∶I2＝1∶2√1234567891011對題圖甲的交流電分析可知，一個(gè)周期內(nèi)交流電的電流方向變化，而大小不變，故題圖甲的電流有效值為I1＝I0；由題可知，題圖乙的交流電為正弦式交流電，故其有效值為5.(2022·江蘇省揚(yáng)州中學(xué)模擬)如圖甲所示，單匝矩形線框在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場中，繞與磁場垂直的軸OO′勻速轉(zhuǎn)動。已知線框電阻為R，轉(zhuǎn)動周期為T，穿過線框的磁通量Φ與時(shí)間t的關(guān)系圖像如圖乙所示。則下列說法錯(cuò)誤的是√1234567891011123456789101112345678910116.(2023·江蘇南通市三模)如圖所示，紙面內(nèi)有一“凹”字形單匝金屬線框組成閉合回路，置于垂直于紙面向里、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場中，線框的總電阻為R，邊長如圖所示。線框繞ab軸做角速度為ω的勻速圓周運(yùn)動。則從圖示位置A.轉(zhuǎn)動90°時(shí)回路中電流方向發(fā)生改變B.轉(zhuǎn)動180°的過程中通過導(dǎo)線截面的電荷量為零C.轉(zhuǎn)動90°時(shí)回路中感應(yīng)電動勢大小為3BL2ωD.轉(zhuǎn)動過程中電流的有效值為√12345678910111234567891011通過一次中性面(即磁場與線框平面垂直位置時(shí))電流方向才會發(fā)生改變，故A錯(cuò)誤；轉(zhuǎn)動90°時(shí)回路中感應(yīng)電動勢大小為Em＝3BL2ω，故C正確；7.某音響電路的簡化電路圖如圖所示，輸入信號既有高頻成分，也有低頻成分，則A.電感線圈L1的作用是通高頻B.電容器C2的作用是通高頻C.揚(yáng)聲器甲用于輸出高頻成分D.揚(yáng)聲器乙用于輸出低頻成分√12345678910111234567891011在交流電路中，電感線圈的作用是“通低頻、阻高頻”，電容器的作用是“通交流、隔直流”和“通高頻、阻低頻”，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，B正確；當(dāng)輸入端的信號既有高頻成分也有低頻成分時(shí)，低頻成分通過電感線圈L1，到達(dá)揚(yáng)聲器甲，高頻成分通過電容器C2，到達(dá)揚(yáng)聲器乙，選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤。8.(2023·江蘇南通市檢測)如圖為某種風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理圖，發(fā)電機(jī)的線圈固定，磁體在葉片驅(qū)動下繞線圈對稱軸轉(zhuǎn)動。已知磁體間的磁場為勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，線圈的匝數(shù)為N、面積為S、電阻為r，磁體轉(zhuǎn)動的角速度為ω，外接電路的電流為I，則A.圖示位置，穿過線圈的磁通量為NBSB.圖示位置，線圈中的電流方向不發(fā)生改變C.從圖示位置開始計(jì)時(shí)，交流電的表達(dá)式為

e＝NBSωcosωtD.線圈的輸出功率為1234567891011√1234567891011圖示位置，穿過線圈的磁通量為Φ＝BS，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；圖示位置為中性面，線圈經(jīng)過該位置時(shí)電流方向會發(fā)生改變，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；從圖示位置開始計(jì)時(shí)，交流電的表達(dá)式為e＝NBSωsinωt，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；9.(2024·江蘇南京市第二十九中學(xué)檢測)矩形線圈abcd在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B＝

的勻強(qiáng)磁場中繞軸OO′勻速轉(zhuǎn)動，軸OO′與線圈平面共面且與磁場方向垂直，線圈兩端分別通過電刷與外電阻相連，電阻兩端并聯(lián)一理想交流電壓表。矩形線圈匝數(shù)為N＝100，面積為S＝

×10－2m2，其中ab邊長為L＝0.1m，線圈總電阻為r＝2Ω，外電路電阻為R＝6Ω，線圈的轉(zhuǎn)速為n＝4r/s。如圖所示，某時(shí)刻線圈平面剛好轉(zhuǎn)到與磁場方向垂直的位置。1234567891011(1)從此時(shí)刻開始計(jì)時(shí)，寫出線圈中感應(yīng)電流瞬時(shí)值的表達(dá)式；1234567891011線圈轉(zhuǎn)動過程中角速度ω＝2πn＝2π×4rad/s＝8πrad/s感應(yīng)電動勢的最大值為1234567891011線圈轉(zhuǎn)動過程中電流瞬時(shí)值表達(dá)式為(2)求電壓表示數(shù)；1234567891011答案12V(3)從此時(shí)刻開始計(jì)時(shí)，經(jīng)t＝

時(shí)，線圈ab邊所受安培力大小是多少？此過程中通過電阻R的電荷量是多少？(計(jì)算結(jié)果可以保留π和根號)12345678910111234567891011ab邊所受安培力123456789101110.(2023·江蘇南通市模擬)如圖所示，矩形線圈abcd匝數(shù)為N，總電阻為R，ab邊和ad邊長分別為L和3L，O、O′為線圈上兩點(diǎn)，OO′與cd邊平行且與cd邊的距離為L，OO′左側(cè)空間有垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B?，F(xiàn)使線圈繞OO′以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動，求：(1)從圖示位置開始轉(zhuǎn)過60°過程中通過導(dǎo)線橫截面的電荷量q；12345678910111234567891011其中磁通量的變化量ΔΦ＝2BL2－2BL2cos60°＝BL2(2)線圈在轉(zhuǎn)動一周過程中產(chǎn)生的焦耳熱Q。12345678910111234567891011線圈在磁場中轉(zhuǎn)動時(shí)產(chǎn)生的電動勢隨時(shí)間變化的規(guī)律如圖所示，設(shè)ab邊、cd邊在磁場中轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電動勢的最大值分別為E1m、E2m，有效值分別為E1、E2，則11.(2023·江蘇