第十三章 第1讲　交变电流的产生和描述 课时练作业ppt

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第十三章　交变电流　电磁波　传感器
第1讲　交变电流的产生和描述
物理
内容索引
必备知识梳理
关键能力提升
第一部分
第二部分
考点一　交变电流的产生及变化规律
考点二　交变电流有效值的求解
01
02
考点三　交变电流“四值”的理解和应用
03
课时作业
第三部分
课程标准 备考策略
1．通过实验，认识交变电流。能用公式和图像描述正弦式交变电流。 2．知道远距离输电时通常采用高压输电的原因。 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．知道非电学量转换成电学量的技术意义。 5．初步了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想，初步了解场的统一性与多样性，体会物理学对统一性的追求。 6．通过实验，了解电磁振荡。知道电磁波的发射、传播和接收。 7．认识电磁波谱。知道各个波段的电磁波的名称、特征和典型应用。 实验十五：探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系。 实验十六：利用传感器制作简单的自动控制装置 1．熟记基础知识，掌握交变电流的特点、图像及规律；注重交变电流四值适用的条件，掌握求解四值的基本方法。
2．掌握变压器模型及远距离输电模型，能在熟悉的情境中应用物理模型，并对相关的物理问题进行分析和推理。
3．知道电磁波的产生与发射及电磁波谱，关注电磁波与生产生活的联系，注重联系实际，能够根据电磁理论的发展过程，了解科技对人类生活和社会发展的促进作用，培养科学素养
必备知识梳理
第
分
部
一
自主学习·基础回扣
1．交变电流
(1)定义
方向随时间做__________的电流叫作交变电流，简称“交流”。
(2)图像
如图所示：
图_____________所示电流都属于交变电流，图__所示电流属于恒定电流。
周期性变化
甲、乙、丙、丁
戊
2．正弦式交变电流的产生和变化规律
(1)产生
如图所示，在匀强磁场里，线圈绕__________方向的轴匀速转动时，可产生正弦式交变电流，简称“正弦式电流”。
垂直于磁场
只有转轴和磁场垂直时，才产生正弦式交变电流。
(2)中性面及其特点
①定义：与磁场方向____的平面。
②特点：
a．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__。
b．线圈转动一周，__次经过中性面，线圈每经过中性面一次，电流的方向就改变一次。
垂直
最大
0
0
2
(3)图像
用以描述交变电流随时间变化的规律，如果线圈从中性面位置开始计时，其图像为____曲线，如图所示。
正弦
(4)变化规律(线圈在中性面位置开始计时)
①电动势e随时间变化的规律：e＝_____________。
②电压u随时间变化的规律：u＝_____________。
③电流i随时间变化的规律：i＝____________。
其中ω等于线圈转动的______，Em＝__________＝________。
Emsin ωt
Umsin ωt
Imsin ωt
角速度
nBl1l2ω
nBSω
3．描述交变电流的物理量
(1)周期和频率
①周期(T)：交变电流完成__________变化，即线圈______所需要的时间，
单位是________，公式______。
②频率(f)：交变电流在________________________的次数，单位是____________。
(2)交变电流的周期和频率的关系
T＝__。
一次周期性
转一周
秒(s)
单位时间内完成周期性变化
赫兹(Hz)
(3)交变电流的“四值”
①瞬时值：交变电流某一时刻的值，是时间的函数。
②峰值：交变电流(电流、电压或电动势)所能达到的最大的值，也叫最大值。
③有效值：跟交变电流的______等效的____电流的值叫作交变电流的有效
值。对正弦式交变电流，其有效值和峰值的关系为E＝__，U＝__，I＝
__。
④平均值：用E＝____来计算。
热效应
恒定
教材链接·想一想 请仔细阅读人教版教材选择性必修第二册P56“拓展学习”——电感器和电容器对交变电流的作用，回答下列问题。
如图所示，把电阻R、电感线圈L、电容器C分别串联一个灯泡后，并联接在交流电源的两端，三盏灯亮度相同。怎样才能使灯泡L1变亮、灯泡L2变暗？
提示：与灯泡L1串联的是电感线圈，要使灯泡L1变亮，应减小感抗，即减小f或L，或同时减小f和L；与灯泡L2串联的是电容器，要使灯泡L2变暗，应增大容抗，即减小f或C，或同时减小f和C。
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．线圈经过中性面时，感应电动势为0，感应电流方向发生改变。(　 　)
4．当线圈从垂直于中性面位置开始计时，产生的电动势按正弦规律变化，即e＝Emsin ωt。(　 　)
5．交变电流的有效值就是一个周期内的平均值。(　 　)
6．交流电压表和交流电流表测量的是交流电的峰值。(　 　)
7．通过导体横截面的电荷量q＝It，其中的I指的是有效值。(　 　)
概念辨析
×
×
√
×
×
×
×
关键能力提升
第
分
部
二
互动探究·考点精讲
考点一　交变电流的产生及变化规律
1．交变电流产生过程中的两个特殊位置
图示
位置 中性面位置 与中性面垂直的位置
特点 B⊥S B∥S
Φ＝BS，最大 Φ＝0，最小
2.交变电流的变化规律(线圈在中性面位置开始计时)
【典例1】　(多选)(2024·广东清远高三质检)如图甲所示，在匀强磁场中，一矩形金属线圈两次分别以不同的转速绕与磁感线垂直的轴匀速转动，产生的感应电动势随时间的变化规律如图乙所示，则下列说法正确的是(　 　)
A．t＝0时，穿过线圈的磁通量均为零
B．a表示的瞬时值表达式为u＝10sin 5πt V
C．a表示的交变电流的频率为25 Hz
BD
交变电流图像及瞬时值表达式的书写思路
(1)交变电流图像的信息
①确定交变电流的最大值(峰值)。
②确定不同时刻交变电流的瞬时值。
规律方法
(2)书写交变电流瞬时值表达式的基本思路
①确定正弦式交变电流的峰值，根据已知图像读出或由公式Em＝nBSω求出。
②明确线圈的初始位置，找出对应的函数关系式。
1．(多选)(2024·新课标卷)电动汽车制动时可利用车轮转动将其动能转换成电能储存起来。车轮转动时带动磁极绕固定的线圈旋转，在线圈中产生电流。磁极匀速转动的某瞬间，磁场方向恰与线圈平面垂直，如图所示。将两磁极间的磁场视为匀强磁场，则磁极再转过90°时，线圈中(　 　)
A．电流最小
B．电流最大
C．电流方向由P指向Q
D．电流方向由Q指向P
对点演练
BD
解析：如题图所示，开始时线圈处于中性面位置，当磁极再转过90°时，此时穿过线圈的磁通量为0，故可知线圈中电流最大；在磁极转动的过程中，穿过线圈的磁通量在减小，根据楞次定律可知，磁极再转过90°时感应电流方向由Q指向P。故选BD。
2．如图甲所示，在匀强磁场中，一矩形金属线框绕与磁感线垂直的转动轴匀速转动，产生的电动势随时间变化的规律如图乙所示，则下列说法正确的是(　 　)
A．t＝0.01 s时，线框平面与磁感线相互平行
B．t＝0.005 s时，穿过线框的磁通量最大
C．当电动势瞬时值为22 V时，线圈平面与中性面夹角为45°
D．线框中的感应电流方向每秒钟改变50次
C
考点二　交变电流有效值的求解
1．利用公式法计算
2．利用有效值的定义计算
(1)计算有效值时要根据电流的热效应，抓住“三同”：
①电阻大小相同。
②时间相同(交流电的一个周期)。
③产生的热量相同。
(2)分段计算电热，然后求和得出一个周期内产生的总热量。
B
对点演练
B
B
考点三　交变电流“四值”的理解和应用
1．交变电流“四值”的比较
2.交变电流“四值”应用的三点提醒
(1)在解答有关交变电流的问题时，要注意电路结构。
(2)注意区分交变电流的最大值、瞬时值、有效值和平均值，最大值是瞬时值中的最大值，有效值是以电流的热效应来等效定义的。
(3)与电磁感应问题一样，求解与电能、电热相关的问题时，一定要用有效值；而求解通过导体某横截面的电荷量时，一定要用平均值。
【典例3】　如图所示，N＝50匝的矩形线圈abcd，ab边长l1＝20 cm，ad边长l2＝25 cm，放在磁感应强度大小B＝0.4 T、方向水平向右的匀强磁场中，外力使线圈绕垂直于磁感线且通过线圈中线的OO′轴以n＝3 000 r/min的转速匀速转动，线圈电阻r＝1 Ω，外电路电阻R＝9 Ω，t＝0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：(π≈3.14)
(1)t＝0时感应电流的方向；
【解析】　根据右手定则知，t＝0时线圈中感应电流方向为adcba。
【答案】　感应电流方向沿adcba
(2)感应电动势的瞬时值表达式；
【解析】　线圈的角速度ω＝2πn＝100π rad/s，线圈在题图位置的感应电动势最大，其大小为Em＝NBl1l2ω，代入数据得Em＝314 V，感应电动势的瞬时值表达式为e＝Emcos ωt＝314cos (100πt) V。
【答案】　e＝314cos (100πt) V　
(3)线圈转一圈外力做的功；
【答案】　98.6 J
(4)从图示位置转过90°的过程中流过电阻R的电荷量。
【答案】　0.1 C
A．通过电阻的交变电流的频率是0.1 Hz
B．线圈中产生的感应电动势的有效值为80 V
C．电压表V的示数为40 V
D．线圈的发热功率为16 W
对点演练
BD
6．(多选)(2023·湖南卷)某同学自制了一个手摇交流发电机，如图所示。大轮与小轮通过皮带传动(皮带不打滑)，半径之比为4∶1，小轮与线圈固定在同一转轴上。线圈是由漆包线绕制而成的边长为L的正方形，共n匝，总阻值为R。磁体间磁场可视为磁感应强度大小为B的匀强磁场。大轮以角速度ω匀速转动，带动小轮及线圈绕转轴转动，转轴与磁场方向垂直。线圈通过导线、滑环和电刷连接一个阻值恒为R的灯泡。假设发电时灯泡能发光且工作在额定电压以内，下列说法正确的是(　 　)
AC
课时作业65
第
分
部
三
1．(5分)(2022·浙江卷)如图甲是一种手摇发电机及用细短铁丝显示的磁场分布情况，摇动手柄可使对称固定在转轴上的矩形线圈转动；如图乙是另一种手摇发电机及磁场分布情况，皮带轮带动固定在转轴两侧的两个线圈转动。下列说法正确的是(　 　)
A．甲图中线圈转动区域磁场可视为匀强磁场
B．乙图中线圈转动区域磁场可视为匀强磁场
C．甲图中线圈转动时产生的电流是正弦交流电
D．乙图线圈匀速转动时产生的电流是正弦交流电
A
解析：甲图中细短铁丝显示的磁场分布均匀，则线圈转动区域磁场可视为匀强磁场，故A正确；乙图中细短铁丝显示的磁场分布不均匀，则线圈转动区域磁场不能看成匀强磁场，故B错误；根据发电机原理可知甲图中线圈在匀强磁场中绕垂直磁场的转轴匀速转动时才能产生正弦交流电，故C错误；乙图中是非匀强磁场，则线圈匀速转动时不能产生正弦交流电，故D错误。
2．(5分)(2024·四川绵阳高三诊断)交流发电机模型如图所示。矩形线圈ABCD在匀强磁场中绕其中心轴OO′匀速转动，其角速度ω＝π rad/s。线圈转动过程中，某时刻线圈平面与磁场垂直，取此时刻为计时起点，下列说法正确的是(　 　)
A．t＝0时，穿过线圈的磁通量最大，产生的电流也最大
B．t＝0.5 s时，穿过线圈的磁通量为零，产生的电流最小
C．图中交流电流表在t＝0与t＝0.5 s两个时刻示数相同
D．t＝0.5 s时，AB与CD边所受安培力相同
C
3．(5分)如图所示，虚线是正弦交流电的图像，实线是另一交流电的图像，它们的周期T和最大值Um相同，则实线所对应的交流电的有效值U满足(　 　)
D
D
5．(5分)如图所示的垂直于纸面向里的有界匀强磁场中有一个矩形线框abcd，线框以OO′为轴匀速转动，OO′与磁场右边界重合。若线框中产生电流的峰值为Im，由图示位置开始计时，则下列可以正确描述线框中电流随时间变化的图像是(　 　)
D
6．(5分) (2024·广东卷)将阻值为50 Ω的电阻接在正弦式交流电源上。电阻两端电压随时间的变化规律如图所示。下列说法正确的是(　 　)
A．该交流电的频率为100 Hz
B．通过电阻电流的峰值为0.2 A
C．电阻在1 s内消耗的电能为1 J
D
7．(5分) (2024·广西柳州高三质检)为研究交变电流产生的规律，某研究小组把长60 m导线绕制成N＝100匝的矩形闭合线圈，如图所示。现把线圈放到磁感应强度大小B＝0.1 T、方向水平向右的匀强磁场中，线圈可以绕其对称轴OO′转动。现让线圈从图示位置开始(t＝0)以恒定的角速度ω＝10π rad/s转动。下列说法正确的是(　 　)
A．t＝0时，线圈位于中性面位置
B．t＝0.05 s时，感应电流达到最大值
C．当bc＝2ab时，感应电动势的表达式为e＝2πsin 10πt(V)
D．当ab＝ad时，感应电动势的有效值最大
D
8．(5分)(多选)图甲是小型交流发电机的示意图，两磁极N、S间的磁场可视为水平方向的匀强磁场，矩形线圈ABCD绕垂直于磁场方向的水平轴OO′沿逆时针方向匀速转动，t＝0时刻线圈从中性面位置开始转动，电压传感器显示其产生的电压如图乙所示。下列说法正确的是(　 　)
BC
A．10 W　　 B．15 W
C．25 W　　 D．30 W
C
A．电压表的示数为6 V
B．电流表的示数为0.5 A
C．电阻R一个周期内产生的热量一定大于9 J
D．电阻R换成一个耐压值为6 V的电容，会被击穿
C
BC
12．(5分)如图所示，坐标系xOy的第一、四象限的两块区域内分别存在垂直纸面向里、向外的匀强磁场，磁感应强度的大小均为1.0 T，两块区域曲线边界的曲线方程为y＝0．5sin 2πx(m)(0≤x≤1.0 m)。现有一单匝矩形导线框abcd在拉力F的作用下，从图示位置开始沿x轴正方向以2 m/s的速度做匀速直线运动，已知导线框长为1 m、宽为0.5 m、总电阻为1 Ω，开始时bc边与y轴重合，则导线框穿过两块区域的整个过程拉力F做的功为(　 　)
A．0.25 J B．0.375 J
C．0.5 J D．0.75 J
D