2020届新考案高考物理总复习教师用书:第十四单元 交变电流 第1讲 Word版含解析.pdf
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1、 交变电流一章是电磁感应内容的延续,从近几年命题看,高考对本章内容的考查频率一般,主要体现 在“三突出”:一是突出考查交变电流的产生过程;二是突出考查交变电流的图象和交变电流的“四值”;三 是突出考查变压器及远距离输电。整体考查难度不大,多以选择 题的形式出现。 预计 2020 年高考对本专题内容的考查仍将通过交变电流的图象考查交变电流的四值、变压器等问题, 可能加强对实际问题处理能力的考查,以分值为 6 分的选择题为主。 第 1 讲 交变电流的产生和描述 1正弦式交变电流的产生及变化规律 (1)交变电流的产生 交变电流:电流的大小和方向都做周期性的变化,这种电流叫交变电流,简称交流。下图 为
2、几种交变电流的电流随时间变化的图象。 正弦式交变电流产生原理:将闭合线圈置于匀强磁场中,并绕垂直于磁场方向的轴做匀 速转动,线圈中将产生按正弦规律变化的交变电流。 注意:正弦式交变电流的变化规律与线圈的形状、转动轴处于线圈平面内的位置无关。 正弦式交变电流产生过程中的两个特殊位置。 图示 概念中性面位置与中性面垂直的位置 BSBS =BS,最大=0,最小 e=n=0,最小 t e=n=nBS,最大 t 特点 感应电流为零,方向改变 感应电流最大,方向不变 (2)正弦式交变电流的变化规律(线圈在中性面位置开始计时) 规律 物理量 函数表达式图象 磁通量 =mcos t=BScos t 注意:与线
3、圈匝数无 关 电动势 e=Emsin t=nBSsin t 电压 u=Umsin t=sin RE R + r t 电流 i=Imsin t=sin E R + r t 1.1 (2018 宜昌质检)关于线圈在匀强磁场中转动产生的交变电流,下列说法中正确的是( )。 A.线圈平面每经过中性面一次,感应电流的方向就改变一次,感应电动势的方向不变 B.线圈每转动一周,感应电流的方向改变一次 C.线圈平面每经过中性面一次,感应电动势和感应电流的方向都改变一次 D.线圈每转动一周,感应电动势和感应电流的方向都改变一次 【答案】C 1.2 (2018 福州质检)如图所示是某发电机的结构示意图,其中 N、
4、S 是永磁铁的两个磁极,它们的表面呈半圆柱 面形状。M是圆柱形铁芯,它与磁极的柱面共轴,铁芯上有一矩形线框,可绕与铁芯M共轴的固定转动轴旋转。 磁极与铁芯之间的缝隙中形成方向沿半径、大小近似均匀的磁场。若从图示位置开始计时,当线框绕固定转 动轴匀速转动时,下列图象中能正确反映线框中感应电动势e随时间t变化规律的是( )。 【答案】D 2描述交变电流的物理量 (1)瞬时值、最大值和有效值 瞬时值:交变电流在任一时刻的值叫瞬时值。 最大值:瞬时值中最大的值,又称峰值。 有效值:交变电流的有效值是根据电流的热效应来规定的。让交变电流与恒定电流通 过大小相同的电阻,如果在交变电流的一个周期内它们产生的
5、热量相等,而这个恒定电流是 I、电压是U,我们就把I、U称为这个交变电流的有效值。 (2)交变电流“四值”的区别与联系 正弦式交变电流的电动势、电压和电流都有最大值、有效值、瞬时值和平均值。以电动 势为例:最大值用Em表示,有效值用E表示,瞬时值用e表示,平均值用 表示,它们之间的关系如 表所示。 物理含义重要关系适用情况 瞬时 值 交变电流某 一时刻的值 e=Emsin t i=Imsin t 计算线圈某时 刻的受力 最大 值 最大的瞬时 值 Em=nBS Im= E R + r 确定用电器的 耐压值,如电容 器、 晶体管等的 击穿电压 有效跟交变电流对正弦式交流计算与电流 值的热效应等 效
6、的恒定电 流值 电: E=,U=, E 2 U 2 I= I 2 热效应相关的 量,如功、功率、 热量等;交流 电表的测量 值;电气设备 所标注的额定 电压、额定电 流;保险丝的 熔断电流 平均 值 交变电流图 象中图线与 时间轴围成 面积与时间 的比值 =n E t =I E R + r 计算通过电路 某一截面的电 荷量:q= tI (3)周期和频率 周期T:交变电流完成一次周期性变化所需的时间。在一个周期内,交变电流的方向变化两次。 频率f:交变电流在 1 s 内完成周期性变化的次数。 角频率:=2f,单位为弧度/秒。 2 2.1 (2018 南昌一模)(多选)如图所示,图线a是线圈在匀强
7、磁场中匀速转动时所产生正弦交变电流的图象,当 调整线圈转速后,所产生正弦交变电流的图象如图线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t=0 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 32 C.交变电流a的瞬时值表达式为u=10sin 5t(V) D.交变电流b的最大值为 5 V 【答案】BC 2.2 (2019岳阳检测)如图所示,正方形线圈abcd的边长l=0.3 m,直线OO与ad边相距 ,过OO且垂直纸面的 2 3 竖直平面右侧有磁感应强度B=1 T 的匀强磁场,方向垂直纸面向外,线圈在转动时通过两个电刷和两个滑环与 外电路连接。线圈以OO为轴匀速
8、转动,角速度=20 rad/s,图示位置为计时起点。则( )。 A.线圈输出交流电的周期为 s 20 B.流过ab边的电流方向保持不变 C.t= s 时,穿过线圈的磁通量为 0.06 Wb 20 D.从t=0 到t= s,穿过线圈磁通量的变化量为 0.06 Wb 40 【答案】C 2.3 (2019 浙江杭州 1 月月考)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 生的交变电动势随时间变化的图象如图乙所示,已知发电机线圈内阻为 1.0 ,外接一只电阻为 9.0 的灯 泡,则( )。 A.电压表的示数为 20 V B.电路中的电流方向每秒改变 5 次 C.灯泡实际
9、消耗的功率为 36 W D.电动势随时间变化的瞬时值表达式为e=20cos 5t(V) 【答案】C 3电感、电容对交流电的阻碍作用 (1)电感:通直流,阻交流;通低频,阻高频。 (2)电容:通交流,隔直流;通高频,阻低频。 3.1 (2018 云南检测)如图所示是“二分频”音箱内部电路,来自前级电路的电信号,被电容和电感组成的分频 电路分成高频成分和低频成分,分别送到高、低音扬声器。下列说法正确的是( )。 A.C1让低频成分通过 B.L2让高频成分通过 C.扬声器BL1是低音扬声器 D.扬声器BL2是低音扬声器 【答案】D 题型 一 交变电流的变化规律 两个特殊位置的特点 (1)线圈平面与中
10、性面重合时,SB,最大,=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,SB,=0,最大,e最大,i最大,电流方向不改变。 【温馨提示】 (1)只要线圈平面在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动,就产生正弦式交变电流,其 变化规律与线圈的形状、转动轴处于线圈平面内的位置无关。(2)-t图象与对应的e-t图象是互余的。 【例 1】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)为计时起点,并规定当电流自a流向b时,电流方 向为正。则下列四个图中正确的是( )。 【解析】t=0 时
11、刻,根据题图乙表示的转动方向,由右手定则知,此时ad中电流方向由a到d,所以线圈中 电流方向为adcba,与规定的电流正方向相反,电流为负值。又因为此时ad、bc两边的切割速度方 向与磁场方向成 45夹角,由E=2Blv,可得E=2Blv=Em,即此时电流是最大值的,由图乙还能观察到, 2 2 2 2 2 2 线圈在接下来 45的转动过程中,ad、bc两边切割磁感线的分速度v越来越小,所以感应电动势应减小,感应 电流应减小,则瞬时电流的表达式为i=-Imcos(+t),应为 D 项所示情景,故 D 项正确。 4 【答案】D 解答本题应注意以下三点: (1)确定t=0 时刻感应电流的方向。 (2
12、)利用t=0 时刻的速度确定感应电动势的大小。 (3)判定t=0 时刻后短时间内电流的变化趋势。 【变式训练 1】(2019 洛阳检测)一矩形线圈绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定轴转动,线圈中 的感应电动势e随时间t的变化如图所示,下列说法中正确的是( )。 A.t1时刻通过线圈的磁通量为零 B.t2时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大 C.t3时刻通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大 D.每当e变换方向时,通过线圈的磁通量绝对值都为最大 【解析】由图可知t1、t3时刻线圈中的感应电动势e=0,说明这两个时刻线圈通过中性面,穿过线圈的磁 通量最大,这个时刻线圈各边都不切割磁感线,线圈中电动势为
13、零,说明磁通量变化率为零,因此 A、C 两项错 误。t2时刻线圈中的感应电动势达到最大,说明线圈平面正转至与磁感线平行的位置,此时穿过线圈的磁通量 为 0,所以 B 项错误。 每当e变换方向时也就是线圈通过中性面时刻,通过线圈的磁通量的绝对值最大,所以 D 项正确。 【答案】D 题型 二 交变电流有效值的计算 有效值是交变电流中最重要的物理量,必须会求解,特别是正弦交变电流的有效值,应记住公式。求交变 电流有效值的方法如下。 (1)利用I=,U=,E=计算,此关系式只适用于正(余)弦式交变电流。 m 2 m 2 m 2 (2)非正弦式交变电流有效值的求解根据电流的热效应进行计算,其中,交变电流
14、的有效值是根据电流通 过电阻时产生的热效应定义的,即让交变电流和直流电流通过相同的电阻,在相同的时间里若产生的热量相 同,则交变电流(电压)的有效值就等于这个直流电流(电压)的值,即交变电流的有效值问题必须在相同电阻、 相同时间、相同热量的“三同”原则下求解。 【例 2】如图所示为一个经双向可控硅调节后加在电灯上的电压,正弦交变电流的每一个二分之一周期 中,前面四分之一周期被截去,则现在电灯上电压的有效值为( )。 A.UmB.C.D. m 2 m 3 m 2 【解析】由题给图象可知,交流电压的变化规律具有周期性,用电流热效应的等效法求解。设电灯的阻值 为R,正弦交流电压的有效值与峰值的关系是
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