5.1 交流电的产生 归纳总结word版含答案
文档属性
| 名称 | 5.1 交流电的产生 归纳总结word版含答案 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 511.9KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2019-05-20 18:37:31 | ||
图片预览
文档简介
2019年人教版高二物理选修3-2《交流电的产生》归纳总结
一、交电流
1．定义：大小和方向都随时间做周期性变化的电流叫交变电流。
（1）方向不变的电流叫做直流，大小和方向都不变的电流叫恒定电流。
（2）大小不变、方向改变的电流也是交变电流。
2．产生：在匀强磁场中，绕垂直于磁场方向的轴匀速转动的线圈里产生的是正弦式交变电流。
（1）矩形线框在匀强磁场中匀速转动，仅是产生交变电流的一种方式，但不是唯一方式。
（2）交变电流的典型特征是电流方向变化，其大小可能不变，如图所示的交变电流称为矩形交变电流，在方向变化时其大小可能不变。
3．中性面：线圈平面垂直于磁感线时，各边都不切割磁感线，线圈中的感应电流为零，这一位置叫中性面。
特点：（1）线圈位于中性面时，穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率为零，感应电动势为零，感应电流为零。
（2）线圈经过中性面时，线圈中的电流方向要发生改变。线圈转一周有两次经过中性面，所以每转一周电流方向改变两次。
二、正弦式交变电流的变化规律
如图所示，该线圈从中性面起经时间转过角度，则，此时两边速度方向与磁感线方向的夹角分别为和，它们产生的感应电动势同向相加，整个线圈中的感应电动势为：
，
因为，代入上式得
。
令（若线圈有N匝，所围面积为，则，跟线圈形状无关），则有
，
为电动势在时刻的瞬时值，为电动势的最大值。
（1）电动势按正弦规律变化，仅限于线框自中性面开始计时的情形；若线圈从磁感线与线圈平面平行的位置开始计时，表达式变为：
。
（2）在轴和磁场垂直的前提下，交变电流的表达式与轴的位置无关。
（3）若线圈给外电阻供电，设线圈本身电阻为，由闭合电路欧姆定律得：
，
这种按正弦规律变化的电流叫做正弦式交变电流，它是最简单又最基本的交变电流。
两端的电压可记为：
。
三、交变电流的图象
1．物理意义：描述交变电流（电动势、电流、电压）随时间（或角度）变化的规律。
2．正弦式交变电流的图象
四、理解中性面和中性面的垂直面两特殊位置的不同特点及应用
1．线圈平面与中性面重合时，，最大，但，，，电流方向将发生改变。
2．线圈平面与中性面垂直时，，，最大，最大，最大，电流方向不变。
运用以上特点结合右手定则和楞次定律，可以快速、准确地解决一些有关电磁感应现象和交变电流的问题。
五、典型例题
类型一、判断电流是否为交变电流
例1．如图所示图象中属于交变电流的有（ ）
【答案】ABC
【解析】本题考查交变电流的定义。A、B、C中的方向均发生了变化，故它们属于交变电流，但不是正弦式交变电流，D中的方向未变化，故是直流。
【点评】判断电流是交变电流还是直流应看方向是否变化。如D选项，尽管大小随时间变化的情况与A相似，但因其方向不变，所以是直流。
类型二、交变电流瞬时值的应用
例2．一正方形线框有匝，边长为，线框总电阻为，线框绕轴以的角速度匀速转动，如图，垂直于线框平面向里的匀强磁场的磁感应强度为。问：
（1）该线框产生的交变电流电动势最大值、电流最大值分别是多少？
（2）线框从图示位置转过时，感应电动势的瞬时值是多大？
（3）写出感应电动势随时间变化的表达式。
【答案】（1） （2） （3）
【解析】本题考查交变电流电动势的最大值、瞬时值的计算。
（1）交变电流电动势最大值为
，
电流的最大值为
。
（2）线框转过60°时，感应电动势
。
（3）由于线框转动是从中性面开始计时的，所以瞬时值表达式为
。
【点评】理解交变电流电动势瞬时值表达式的推导过程和推导中得到的结论是解决本题的关键。
【训练】面积为的两个完全相同的单匝金属线圈分别放置在如图甲、乙所示的磁场中．甲图中是磁感应强度为的匀强磁场，线圈在磁场中以周期绕轴做匀速转动；乙图中磁场的变化规律为从图示时刻(时刻)起计时，则( )
A．两线圈中的磁通量变化规律均为
B．两线圈中感应电动势达到最大值的时刻不同
C．两线圈中产生交流电流的最大值不同
D．从此刻起，时间内流过两线圈截面的电量相同
【答案】BD
例3．如图所示，匝数为匝的圆形线圈绕与磁场垂直的轴以的转速转动，穿过线圈的最大磁通量为，从图示的位置开始计时，写出线圈中感应电动势的瞬时表达式。
【答案】或
【解析】本题考查电动势的瞬时值，关键要知道产生的交变电流和线圈形状无关。
线圈在匀强磁场中匀速转动产生正弦式电流，产生的交变电流与线圈的形状无关。
因
，
又
，，
所以
．
．
又线圈从与中性面成罢角度位置开始计时，故其瞬时表达式为：
或
【点评】题中是隐含条件，是基本关系；从图示位置计时，也可以用余弦函数表示变化规律。
【训练】如图所示，匀强磁场磁感应强度，匝数为匝的矩形线圈，绕转轴垂直于匀强磁场匀速转动，每匝线圈长为，宽为，线圈每分钟转动转，在匀速转动过程中，从线圈平面经过图示位置时开始记时．求：
（1）写出交流感应电动势的瞬时值表达式；
（2）若每匝线圈本身电阻，外接一阻值为的用电器，使线圈的外电路成闭合电路，写出感应电流的瞬时值表达式；
（3）若从线圈平面垂直于磁感线的位置开始记时，感应电动势和感应电流的瞬时表达式如何?
（4）画出（1）中的图象和（2）中的图象．
【答案】（1） （2） （3）， （4）见解析
【解析】（1）线圈匝数，磁场的磁感应强度，线圈转动的角速度为
，
线圈的面积
．
所以
从图示位置计时，有
．
（2）若，则
．
．
由闭合电路欧姆定律得
所以
．
（3）若从线圈平面与磁感线垂直的位置开始计时，即从中性面开始计时，感应电动势和感应电流的瞬时值分别为
，．
（4）因为，所以，，．
图象、图象如图所示．
类型三、交变电流图象的应用
例4．在匀强磁场中，一矩形金属线圈绕与磁感线垂直的转轴匀速转动，如图甲所示，产生的交变电动势的图象如图乙所示，则
(
e
/V
B
t
/s
O
311
-311
0.01
ω
甲
乙
)
A．t=0.005s时线圈平面与磁场方向平行
B．t=0.01s时线圈的磁通量变化率最大
C．线圈产生的交变电动势的频率为100HZ
D．线圈产生的交变电动势的有效值为311V
【答案】A
【解析】t=0.005s电动势最大，则线圈平面与磁场方向平行，故A正确； t=0.010s时电动势为0，则线圈的磁通量变化率为0，故B错误；由图可知周期为0.02s，则频率为，故C错误；线圈产生的交变电动势有效值为V，故D错误。
【点评】本题要根据交变电流的产生过程和图象的对应去分析。
例5、处在匀强磁场中的矩形线圈，以恒定的角速度绕边转动，磁场方向平行于纸面并与垂直．在时刻，线圈平面与纸面重合（如图），线圈的边离开纸面向外运动．
若规定由方向的感应电流为正，则能反映线圈中感应电流随时间变化的图线是（ ）
【答案】C
【训练】如图所示，单匝矩形线圈的一半放在具有理想边界的匀强磁场中，线圈轴线与磁场边界重合，线圈按图示方向匀速转动（向纸外向纸内）．若从图所示位置开始计时，并规定电流方向沿为正方向。
则线圈内感应电流随时间变化的图象是（ ）
【答案】D
一、交电流
1．定义：大小和方向都随时间做周期性变化的电流叫交变电流。
（1）方向不变的电流叫做直流，大小和方向都不变的电流叫恒定电流。
（2）大小不变、方向改变的电流也是交变电流。
2．产生：在匀强磁场中，绕垂直于磁场方向的轴匀速转动的线圈里产生的是正弦式交变电流。
（1）矩形线框在匀强磁场中匀速转动，仅是产生交变电流的一种方式，但不是唯一方式。
（2）交变电流的典型特征是电流方向变化，其大小可能不变，如图所示的交变电流称为矩形交变电流，在方向变化时其大小可能不变。
3．中性面：线圈平面垂直于磁感线时，各边都不切割磁感线，线圈中的感应电流为零，这一位置叫中性面。
特点：（1）线圈位于中性面时，穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率为零，感应电动势为零，感应电流为零。
（2）线圈经过中性面时，线圈中的电流方向要发生改变。线圈转一周有两次经过中性面，所以每转一周电流方向改变两次。
二、正弦式交变电流的变化规律
如图所示，该线圈从中性面起经时间转过角度，则，此时两边速度方向与磁感线方向的夹角分别为和，它们产生的感应电动势同向相加，整个线圈中的感应电动势为：
，
因为，代入上式得
。
令（若线圈有N匝，所围面积为，则，跟线圈形状无关），则有
，
为电动势在时刻的瞬时值，为电动势的最大值。
（1）电动势按正弦规律变化，仅限于线框自中性面开始计时的情形；若线圈从磁感线与线圈平面平行的位置开始计时，表达式变为：
。
（2）在轴和磁场垂直的前提下，交变电流的表达式与轴的位置无关。
（3）若线圈给外电阻供电，设线圈本身电阻为，由闭合电路欧姆定律得：
，
这种按正弦规律变化的电流叫做正弦式交变电流，它是最简单又最基本的交变电流。
两端的电压可记为：
。
三、交变电流的图象
1．物理意义：描述交变电流（电动势、电流、电压）随时间（或角度）变化的规律。
2．正弦式交变电流的图象
四、理解中性面和中性面的垂直面两特殊位置的不同特点及应用
1．线圈平面与中性面重合时，，最大，但，，，电流方向将发生改变。
2．线圈平面与中性面垂直时，，，最大，最大，最大，电流方向不变。
运用以上特点结合右手定则和楞次定律，可以快速、准确地解决一些有关电磁感应现象和交变电流的问题。
五、典型例题
类型一、判断电流是否为交变电流
例1．如图所示图象中属于交变电流的有（ ）
【答案】ABC
【解析】本题考查交变电流的定义。A、B、C中的方向均发生了变化，故它们属于交变电流，但不是正弦式交变电流，D中的方向未变化，故是直流。
【点评】判断电流是交变电流还是直流应看方向是否变化。如D选项，尽管大小随时间变化的情况与A相似，但因其方向不变，所以是直流。
类型二、交变电流瞬时值的应用
例2．一正方形线框有匝，边长为，线框总电阻为，线框绕轴以的角速度匀速转动，如图，垂直于线框平面向里的匀强磁场的磁感应强度为。问：
（1）该线框产生的交变电流电动势最大值、电流最大值分别是多少？
（2）线框从图示位置转过时，感应电动势的瞬时值是多大？
（3）写出感应电动势随时间变化的表达式。
【答案】（1） （2） （3）
【解析】本题考查交变电流电动势的最大值、瞬时值的计算。
（1）交变电流电动势最大值为
，
电流的最大值为
。
（2）线框转过60°时，感应电动势
。
（3）由于线框转动是从中性面开始计时的，所以瞬时值表达式为
。
【点评】理解交变电流电动势瞬时值表达式的推导过程和推导中得到的结论是解决本题的关键。
【训练】面积为的两个完全相同的单匝金属线圈分别放置在如图甲、乙所示的磁场中．甲图中是磁感应强度为的匀强磁场，线圈在磁场中以周期绕轴做匀速转动；乙图中磁场的变化规律为从图示时刻(时刻)起计时，则( )
A．两线圈中的磁通量变化规律均为
B．两线圈中感应电动势达到最大值的时刻不同
C．两线圈中产生交流电流的最大值不同
D．从此刻起，时间内流过两线圈截面的电量相同
【答案】BD
例3．如图所示，匝数为匝的圆形线圈绕与磁场垂直的轴以的转速转动，穿过线圈的最大磁通量为，从图示的位置开始计时，写出线圈中感应电动势的瞬时表达式。
【答案】或
【解析】本题考查电动势的瞬时值，关键要知道产生的交变电流和线圈形状无关。
线圈在匀强磁场中匀速转动产生正弦式电流，产生的交变电流与线圈的形状无关。
因
，
又
，，
所以
．
．
又线圈从与中性面成罢角度位置开始计时，故其瞬时表达式为：
或
【点评】题中是隐含条件，是基本关系；从图示位置计时，也可以用余弦函数表示变化规律。
【训练】如图所示，匀强磁场磁感应强度，匝数为匝的矩形线圈，绕转轴垂直于匀强磁场匀速转动，每匝线圈长为，宽为，线圈每分钟转动转，在匀速转动过程中，从线圈平面经过图示位置时开始记时．求：
（1）写出交流感应电动势的瞬时值表达式；
（2）若每匝线圈本身电阻，外接一阻值为的用电器，使线圈的外电路成闭合电路，写出感应电流的瞬时值表达式；
（3）若从线圈平面垂直于磁感线的位置开始记时，感应电动势和感应电流的瞬时表达式如何?
（4）画出（1）中的图象和（2）中的图象．
【答案】（1） （2） （3）， （4）见解析
【解析】（1）线圈匝数，磁场的磁感应强度，线圈转动的角速度为
，
线圈的面积
．
所以
从图示位置计时，有
．
（2）若，则
．
．
由闭合电路欧姆定律得
所以
．
（3）若从线圈平面与磁感线垂直的位置开始计时，即从中性面开始计时，感应电动势和感应电流的瞬时值分别为
，．
（4）因为，所以，，．
图象、图象如图所示．
类型三、交变电流图象的应用
例4．在匀强磁场中，一矩形金属线圈绕与磁感线垂直的转轴匀速转动，如图甲所示，产生的交变电动势的图象如图乙所示，则
(
e
/V
B
t
/s
O
311
-311
0.01
ω
甲
乙
)
A．t=0.005s时线圈平面与磁场方向平行
B．t=0.01s时线圈的磁通量变化率最大
C．线圈产生的交变电动势的频率为100HZ
D．线圈产生的交变电动势的有效值为311V
【答案】A
【解析】t=0.005s电动势最大，则线圈平面与磁场方向平行，故A正确； t=0.010s时电动势为0，则线圈的磁通量变化率为0，故B错误；由图可知周期为0.02s，则频率为，故C错误；线圈产生的交变电动势有效值为V，故D错误。
【点评】本题要根据交变电流的产生过程和图象的对应去分析。
例5、处在匀强磁场中的矩形线圈，以恒定的角速度绕边转动，磁场方向平行于纸面并与垂直．在时刻，线圈平面与纸面重合（如图），线圈的边离开纸面向外运动．
若规定由方向的感应电流为正，则能反映线圈中感应电流随时间变化的图线是（ ）
【答案】C
【训练】如图所示，单匝矩形线圈的一半放在具有理想边界的匀强磁场中，线圈轴线与磁场边界重合，线圈按图示方向匀速转动（向纸外向纸内）．若从图所示位置开始计时，并规定电流方向沿为正方向。
则线圈内感应电流随时间变化的图象是（ ）
【答案】D