高考物理第十一章第1节交变电流的产生及描述学案.docx

交变电流传感器新课程标准核心知识提炼1.通过实验，认识交变电流。能用公式和图像描述正弦交变电流。2.通过实验，探究并了解变压器原、副线圈电压与匝数的关系。了解从变电站到用户的输电过程，知道远距离输电时用高电压的道理。3.了解发电机和电动机工作过程中的能量转化。认识电磁学在人类生活和社会发展中的作用。4.知道非电学量转化成电学量的技术意义。5.通过实验，了解常见传感器的工作原理。会利用传感器设计并制作简单的自动控制装置。6.列举传感器在生产生活中的应用。交变电流的产生与描述变压器的工作原理远距离输电发电机和电动机工作过程中的能量转化常见传感器的工作原理实验：探究变压器电压与线圈匝数的关系实验：利用传感器设计并制作简单的自动控制装置第1节交变电流的产生及描述一、交变电流、交变电流的图像1交变电流大小和方向都随时间做周期性变化的电流。2正弦式交变电流的产生和图像(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。注1注2 (2)图像：线圈从中性面位置开始计时，如图甲、乙、丙所示。 二、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)：交变电流完成一次周期性变化(线圈转一周)所需的时间，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。2交变电流的瞬时值、峰值和有效值(1)瞬时值：交变电流某一时刻的值，是时间的函数。如eEmsin t。(2)峰值：交变电流的电流或电压所能达到的最大值。(3)有效值：让交流和直流通过相同阻值的电阻，如果它们在一个周期内产生的热量相等，就把这一直流的数值叫做这一交流的有效值。E，U，I。注3【注解释疑】注1 只有转轴和磁场垂直时，才产生正弦交流电。注2 在磁场中与B垂直的位置为中性面，最大，I感0，线圈转一周两次经过中性面，电流方向改变两次。注3 只有正(余)弦交流电的有效值和峰值之间是E的关系，其他交流电不是。深化理解(1)正弦交流电的产生：中性面垂直于磁场方向，线圈平面平行于磁场方向时电动势最大：EmnBS。线圈从中性面开始转动：eEmsin t。线圈从平行于磁场方向开始转动：eEmcos t。(2)正弦交变电流的有效值与最大值的关系，对整个波形、半个波形、甚至个波形都成立。(3)非正弦交流电的有效值利用等效法求解，即：I2Rt等于一个周期内产生的总热量。基础自测一、判断题(1)矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时，一定会产生正弦式交变电流。()(2)线圈在磁场中转动的过程中穿过线圈的磁通量最大时，产生的感应电动势也最大。()(3)矩形线圈在匀强磁场中匀速转动经过中性面时，线圈中的感应电动势为零，电流方向发生改变。()(4)交流电气设备上所标的电压和电流值是交变电流的有效值。()(5)交流电压表和电流表测量的是交流电的峰值。()二、选择题1.如图所示，KLMN是一个竖直的矩形导线框，全部处于磁感应强度为B的水平方向的匀强磁场中，线框面积为S，MN边水平，线框绕某竖直固定轴以角速度匀速转动。在MN边与磁场方向的夹角达到30的时刻(图示位置)，导线框中产生的瞬时电动势e的大小和线框此时电流的方向分别为(已知线框按俯视的逆时针方向转动)()A.BS，电流方向为KNMLKB.BS，电流方向为KNMLKC.BS，电流方向为KLMNKD.BS，电流方向为KLMNK解析：选BMN边与磁场方向成30时，感应电动势为eEmcos tBScos 30BS。由右手定则可知电流方向为KNMLK。2人教版选修32 P34 T3改编如图所示，单匝矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，设磁感应强度为0.01 T，线圈边长AB为20 cm，宽AD为10 cm，转速n为50 r/s，则线圈转动时感应电动势的最大值为()A1102 VB3.14102 VC2102 VD6.28102 V解析：选D感应电动势最大值EmBSBS2n6.28102 V。3沪科版选修32 P59 T4改编如图为某正弦式交变电流的图像，则该电流的瞬时值表达式为()Ai10sin(100t)A Bi10sin(10t)ACi20sin(50t)ADi20sin(100t)A解析：选D由题图可知T0.02 s，则100 rad/s。当t0.002 5 s时，i14.14 A，代入iImsin t得Im20 A。所以电流的瞬时值表达式为i20sin(100t)A。4鲁科版选修32 P61T1两只相同的电阻，分别通以正弦波形的交流电和方波形的交流电，两种交流电的最大值相等，且周期相等(如图甲、乙所示)。在正弦波形交流电的一个周期内，正弦波形的交流电在电阻上产生的焦耳热为Q1，其与方波形交流电在电阻上产生的焦耳热Q2之比Q1Q2等于()A11 B21C12D43解析：选C设两种交变电流的最大值为Im。对于正弦波形电流，其有效值I1，对于方波形电流，其有效值I2Im。根据焦耳定律QI2RT，得Q1Q2I12I2212。高考对本节内容的考查，主要集中在交变电流的产生和描述、有效值的理解与计算、交变电流“四值”的理解和应用，对这些考点的考查，主要以选择题的形式呈现，难度一般。考点一交变电流的产生和描述基础自修类题点全练1交变电流的函数表达式一个矩形线圈在匀强磁场中转动产生的电动势e200sin 100t(V)，下列说法正确的是()A该交变电流的频率是100 HzB当t0时，线圈平面恰好与中性面垂直C当t s时，e达到峰值D该交变电流的电动势的有效值为200 V解析：选C由交变电流的电动势瞬时值表达式enBSsin t可知，交变电流的频率f Hz50 Hz，选项A错误。在t0时，电动势瞬时值为0，线圈平面恰好在中性面处，选项B错误。当t s时，e达到峰值Em200 V，选项C正确。该交变电流的电动势的有效值E200 V，选项D错误。2交变电流的图像表达 (多选)如图所示，图线a是线圈在匀强磁场中匀速转动时所产生的正弦交流电的图像，当调整线圈转速后，所产生的正弦交流电的图像如图线b所示。以下关于这两个正弦交流电的说法正确的是()A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的瞬时值表达式为u10sin(5t)VD交流电b的最大值为 V解析：选BCD在题图中t0时刻，感应电动势为零，穿过线圈的磁通量最大，A错误；a的周期为0.4 s，b的周期为0.6 s，转速与周期成反比，所以转速之比为32，B正确；交流电的瞬时值表达式为uUmsin t，所以a的瞬时值表达式为u10sinV10sin(5t)V，C正确；由UmNBS，可知角速度变为原来的，则最大值变为原来的，交流电b的最大值为 V，D正确。3交流电的产生(多选)1831年，法拉第在一次会议上展示了他发明的圆盘发电机(图甲)，它是利用电磁感应的原理制成的，是人类历史上第一台发电机。图乙是这个圆盘发电机的结构示意图：铜盘安装在水平的铜轴上，它的边缘正好在两磁极之间，两块铜片C、D分别与转动轴和铜盘的边缘良好接触，使铜盘转动，电阻R中就有电流通过。若所加磁场为匀强磁场，回路的总电阻恒定，从左往右看，铜盘沿顺时针方向匀速转动，下列说法正确的是()A铜片D的电势高于铜片C的电势B电阻R中有正弦式交变电流流过C铜盘转动的角速度增大1倍，流过电阻R的电流也随之增大1倍D保持铜盘不动，磁场变为方向垂直于铜盘的交变磁场，则铜盘中有电流产生解析：选ACD根据右手定则可知，铜片D的电势比C的高，A正确；若所加的磁场为匀强磁场，铜盘匀速转动，则产生的感应电动势EBLBLBL2，不随时间变化，则电阻R中流过的是恒定电流，B错误；由上式可知，若铜盘转动的角速度增大1倍，感应电动势增大1倍，流过电阻R的电流也随着增大1倍，C正确；保持铜盘不动，磁场变为垂直于铜盘的交变磁场，则通过铜盘的磁通量发生变化，铜盘中会产生感应电动势，铜盘中有电流产生，D正确。 名师微点正弦式交变电流的产生及特点(1)线圈绕垂直于磁场方向的轴匀速转动。(2)两个特殊位置的特点：线圈平面与中性面重合时，SB，最大，0，e0，i0，电流方向将发生改变。线圈平面与中性面垂直时，SB，0，最大，e最大，i最大，电流方向不改变。(3)电流方向的改变：线圈通过中性面时，电流方向发生改变，一个周期内线圈两次通过中性面，因此电流的方向改变两次。(4)交变电动势的最大值EmnBS，与转轴位置无关，与线圈形状无关。考点二有效值的理解与计算师生共研类有效值的求解(1)计算有效值的根据是电流的热效应，抓住“三同”：“相同时间”内“相同电阻”上产生“相同热量”列式求解。(2)利用公式QI2Rt和Qf(U2,R)t可分别求得电流有效值和电压有效值。 典例 电阻R1、R2与交流电源按照图甲所示方式连接，R110 ，R220 。合上开关S后，通过电阻R2的正弦式交变电流i随时间t变化的情况如图乙所示。则()A通过R1的电流有效值是1.2 ABR1两端的电压有效值是6 VC通过R2的电流有效值是1.2 ADR2两端的电压最大值是6 V解析首先从交流电图像中找出交变电流的最大值即通过R2的电流最大值为0.6 A，由正弦式交变电流最大值与有效值的关系ImI可知其有效值为0.6 A，由于R1与R2串联，所以通过R1的电流有效值也是0.6 A，选项A、C错误；R1两端电压有效值为U1IR16 V，选项B正确；R2两端电压最大值为U2mImR20.620 V12 V，选项D错误。答案B延伸思考变式1把图像下半部分翻到t轴的上面正弦交流电是由闭合线圈在匀强磁场中匀速转动产生的。线圈中感应电动势随时间变化的规律如图所示，则此感应电动势的有效值为_ V。解析：由有效值的定义式得：2 T，解得：U220 V。答案：220变式2仅余周期的波形家用电子调光灯的调光功能是用电子线路将输入的正弦交流电压的波形截去一部分来实现的，由截去部分的多少来调节电压，从而实现灯光的可调，比过去用变压器调压方便且体积小。某电子调光灯经调整后电压波形如图所示，求灯泡两端电压的有效值。解析：从ut图像看出，每个周期的前半周期是正弦图形，其有效值为U1；后半周期电压为零。根据有效值的定义，T0，解得U。答案：变式3仅余周期的波形如图所示为一个经双可控硅调节后加在电灯上的电压，正弦交流电的每一个二分之一周期中，前面四分之一周期被截去。现在电灯上电压的有效值为()AUmB.C. D.解析：选D从ut图像上看，每个周期正弦波形的有效值U1，根据有效值的定义：T20，解得：U，D正确。变式4把正、余弦波形变成矩形波形如图所示，表示一交流电的电流随时间而变化的图像，此交流电的有效值是()A5 A B3.5 AC3.5 AD5 A解析：选D交流电的有效值是根据其热效应定义的，它是从电流产生焦耳热相等的角度出发，使交流电与恒定电流等效。设交流电的有效值为I，令该交变电流通过一阻值为R的纯电阻，在一个周期内有：I2RTI12RI22R。所以该交流电的有效值为I 5 A。D项正确。变式5上下波形的最大值不一致电压u随时间t的变化情况如图所示，求电压的有效值。解析：由有效值的定义式得：T，解得：U174 V。答案：174 V变式6交流电与二极管相连如图所示，在电阻两端并联二极管的电路中，电阻R1与电阻R2阻值相同，都为R，和R1并联的D为理想二极管(正向电阻可看作零，反向电阻可看作无穷大)，在A、B间加一正弦交流电u20sin(100t) V，则加在R2上的电压有效值为()A10 V B20 VC15 VD5 V解析：选D电压值取正值时，即在前半个周期内，二极管电阻为零，R2上的电压等于输入电压值，电压值取负值时，即在后半个周期内，二极管电阻无穷大可看作断路，R2上的电压等于输入电压值的一半，据此可设加在R2的电压有效值为U，根据电流的热效应，在一个周期内满足T，可求出U5 V。故选项D正确。解题方略几种典型交变电流的有效值电流名称电流图像有效值正弦式交变电流I正弦半波电流I矩形脉动电流I Im考点三交变电流“四值”的理解和应用基础自修类题点全练1交变电流峰值的应用(多选)如图甲所示，标有“220 V40 W”的电灯和标有“20 F300 V”的电容器并联接到交流电源上，V为交流电压表。交流电源的输出电压如图乙所示，闭合开关S，下列判断正确的是()At时刻，V的示数为零B电灯恰正常发光C电容器有可能被击穿D交流电压表V的示数保持110 V不变解析：选BC交流电压表V的示数应是电压的有效值220 V，故A、D错误；电压的有效值恰等于电灯的额定电压，电灯正常发光，B正确；电压的峰值220 V311 V，大于电容器的耐压值，故电容器有可能被击穿，C正确。2.四值的计算(多选)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。下列判断正确的是()A电压表的读数为B当线圈由图示位置转过30的过程中，通过电阻R的电荷量为C在线圈转过一周的过程中，电阻R上产生的焦耳热为D当线圈由图示位置转过30时，通过电阻R的电流为解析：选AD电动势的最大值EmNBS，有效值E，电压表的示数为路端电压的有效值，解得UE，A正确；线圈由题图所示位置转过30的过程中，通过电阻R的电荷量q，B错误；在线圈转过一周的时间内电阻R上产生的热量Q，C错误；电流的最大值为Im，电流的瞬时值表达式为iImsin t，从题图所示位置转过30时，t，此时的电流为i，D正确。3四值的应用如图所示，N50匝的矩形线圈abcd，ab边长l120 cm，ad边长l225 cm，放在磁感应强度B0.4 T的匀强磁场中，外力使线圈绕垂直于磁感线且通过线圈中线的OO轴以n3 000 r/min的转速匀速转动，线圈电阻r1 ，外电路电阻R9 。t0时线圈平面与磁感线平行，ab边正转出纸外、cd边转入纸里。求：(1)t0时感应电流的方向；(2)感应电动势的瞬时值表达式；(3)线圈转一圈外力做的功；(4)从图示位置转过90的过程中流过电阻R的电荷量。解析：(1)根据右手定则，线圈感应电流方向为adcba。(2)线圈的角速度2n100 rad/s题图所示位置的感应电动势最大，其大小为EmNBl1l2代入数据得Em314 V感应电动势的瞬时值表达式eEmcos t314cos(100t)V。(3)电动势的有效值E线圈匀速转动的周期T0.02 s线圈匀速转动一圈，外力做功大小等于电功的大小，即WI2(Rr)TT代入数据得W98.6 J。(4)从t0起线圈转过90的过程中，t内流过R的电荷量：qt代入数据得q0.1 C。答案：(1)感应电流方向沿adcba(2)e314cos(100t)V(3)98.6 J(4)0.1 C名师微点对交变电流“四值”的比较和理解物理量表达式适用情况及说明瞬时值eEmsin t uUmsin t iImsin t计算线圈某时刻的受力情况最大值(峰值)EmnBSIm讨论电容器的击穿电压有效值对正、余弦交流电有：E UI(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”上所标的一般是有效值(3)保险丝的熔断电流为有效值(4)电表的读数为有效值平均值BL n计算通过电路截面的电荷量“融会贯通”归纳好产生正弦交流电的5种方式1线圈在匀强磁场中匀速转动。2线圈不动，匀强磁场匀速转动。3导体棒在匀强磁场中做简谐运动。4线圈不动，磁场按正弦规律变化。5在匀强磁场中导体棒的长度与时间成正弦规律变化。第一种方式是课本上介绍的，第二种原理与第一种一样，实际生活中大型发电厂都采用这种方式。下面举例说明后面三种方式。 (一)导体棒在匀强磁场中做正弦式运动1.如图所示，间距为L的光滑平行金属导轨，水平地放置在竖直方向的磁感应强度为B的匀强磁场中，一端接阻值为R的电阻。一电阻为r、质量为m的导体棒放置在导轨上，在外力F作用下从t0的时刻开始运动，其速度随时间的变化规律vvmsin t，不计导轨电阻。求：(1)从t0到t时间内电阻R产生的热量；(2)从t0到t时间内外力F所做的功。解析：由导体棒切割磁感线产生的电动势EBLv得eBLvmsin t回路中产生正弦交流电，其有效值为E在0时间内产生的热量Q2R2由功能关系得：外力F所做的功WQ2。答案：(1)2(2)2(二)线圈不动，磁场按正弦规律变化2如图甲所示，一固定的矩形导体线圈水平放置，线圈的两端接一只小灯泡，在线圈所在空间内存在着与线圈平面垂直的均匀分布的磁场。已知线圈的匝数n100匝，电阻r1.0 ，所围成的矩形的面积S0.040 m2，小灯泡的电阻R9.0 ，磁场的磁感应强度随时间变化的规律如图乙所示，线圈中产生的感应电动势瞬时值的表达式为enBmScos t，其中Bm为磁感应强度的最大值，T为磁场变化的周期。不计灯丝电阻值随温度的变化，求：(1)线圈中产生感应电动势的最大值；(2)小灯泡消耗的电功率；(3)在磁感应强度变化的0时间内，通过小灯泡的