高中人教物理選擇性必修二專題07 交流電的產(chǎn)生與描述-學生版

1、專題7 交流電的產(chǎn)生與描述（學生版）一、目標要求目標要求重、難點交流電的產(chǎn)生重點交流電的描述重點、難點電阻、電感、電容對交流電的阻礙二、知識點解析1直流電和交流電的區(qū)別(1)定義：方向不隨時間變化的電流稱為直流電，如圖1(a)；大小和方向都不隨時間變化的電流稱為恒定電流，如圖1(b)：圖1大小和方向隨時間發(fā)生周期性變化的電流稱為交變電流，簡稱交流電，如圖1(c)和圖1(d)，其中電流隨時間按正弦函數(shù)規(guī)律變化的交變電流稱為正弦交變電流，簡稱正弦交流電，如圖1(d) 2正弦交流電的產(chǎn)生原理產(chǎn)生機理如圖2所示，線圈abcd置于勻強磁場中，繞中軸勻速轉(zhuǎn)動，ab邊和cd邊切割磁感線產(chǎn)生感應電流，并通過電

2、刷將電流輸出至外電路圖2產(chǎn)生機理：圖3若線圈abcd在磁感應強度為B的勻強磁場中以角速度繞中軸做勻速圓周運動，如圖3(a)所示，其中ab = L1，bc = L2，經(jīng)過時間t后線圈轉(zhuǎn)過的角度為 = t以ab為研究對象，轉(zhuǎn)至圖3(b)位置時速度為v，則ab產(chǎn)生的感應電動勢為：eab = BL1v = BL1vsin ab線速度v與線圈角速度關系為：除ab邊外，cd邊同時以大小相等方向相反的速度也切割磁感線，線圈abcd的總感應電動勢為：e = 2eab由上可得：設矩形線圈面積為S，則S = L1L2，考慮到線圈實際匝數(shù)為N，則：e = NBSsin t其中Em = NBS為線圈產(chǎn)生感應電動勢的最

3、大值表達式：e = Emsin t若將線圈兩端與外電路相接，組成閉合回路，電路中將產(chǎn)生按正弦函數(shù)規(guī)律變化的交變電流，其電流大小i隨時間t變化的關系為：i = Imsin t；外電路的電壓u隨時間t變化的關系為：u = Umsin t圖象：正弦交流電電流隨時間變化的圖象如圖4所示圖4中性面：a定義：當線圈與磁場垂直時，穿過線圈的磁通量最大，則將線圈所處的平面稱為中性面，如圖5圖5b特點：線圈處于中性面位置時，穿過磁通量最大，但磁通量的變化率最小，回路中的感應電動勢e = 0，感應電流i = 0，回路中電流在此時變換方向；當線圈處于與中性面垂直的位置時，穿過的磁通量為0，但磁通量變化率最大，回路中

4、感應電動勢最大，感應電流最大3描述交流電的物理量(1)周期和頻率：定義：交變電流作一次周期性變化所需的時間稱為周期，用符號T表示，單位是秒(s)；在1 s時間內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)稱為頻率，用符號f表示，單位是赫茲(Hz)兩者的大小關系為： 或理解：線圈在磁場中勻速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生正弦交流電，轉(zhuǎn)動一周所花的時間正好為一個周期，若線圈轉(zhuǎn)動的角速度為，則有，則在正弦交流電中，電動勢、電流和電壓的表達式還可以寫成：，(2)瞬時值：電動勢e = Emsin t、電流i = Imsin t和外電路的電壓u = Umsin t中，e、i和u分別稱為感應電動勢、感應電流和外電路電壓的瞬時值，不同時刻下，e、i和u也

5、不相同(3)峰值：Em、Im和Um分別稱為電動勢、電流和電壓的峰值，表示在一個周期內(nèi)電動勢、電流和電壓能達到的最大值；電容器和發(fā)光二極管在接入交流電路中時，不能讓峰值超過其擊穿電壓圖6(4)有效值：定義：如果交流電與某一直流電通過同一電阻，在相同時間內(nèi)(一般為交流電周期整數(shù)倍)產(chǎn)生的熱量相等，則這個直流電的電流和電壓就分別稱為相應交流電的電流和電壓的有效值正弦交流電的有效值：大量實驗和理論基礎表明，正弦交流電電流和電壓的有效值與峰值存在以下關系：；意義：a交流電的有效值是通過電流的熱效應給出，體現(xiàn)能量守恒思想b平時所描述的交流電的電壓和電流指的是其有效值，如我國家庭電路電壓220V，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

6、所使用的動力電路電壓380V指的都是有效值，對應的峰值分別是311V和538V；使用交流電壓表和交流電流表測出的數(shù)據(jù)也是正弦交流電的有效值(5)平均值：定義：指某段時間內(nèi)平均感應電動勢和平均電流的大小，在交變電流的圖象中，平均值即圖線與橫軸所圍面積與時間的比值計算式：，正弦式交流電的平均值注意：平均值與有效值物理意義不同，因此平均值不等于有效值4電感、電容對交流電的作用(1)電感對交流電的作用：探究：圖7中兩燈泡規(guī)格相同，圖7(b)中交流電電壓的有效值與圖7(a)的直流電電壓相同圖7閉合開關后，圖7(a)中的燈泡要比圖7(b)中的燈泡更亮，說明線圈對交流電有阻礙作用線圈對交流電的阻礙作用可以總

7、結為：通直流，阻交流；通低頻，阻高頻(2)電容對交流電的作用：探究：圖8中兩燈泡規(guī)格相同，圖8(b)中交流電電壓的有效值與圖8(a)的直流電電壓相同圖8閉合開關后，圖8(a)中燈泡不亮而圖8(b)中燈泡亮，說明電容器可以導通交流電而不能導通直流電電容對交流電的阻礙作用可以總結為：隔直流，通交流；阻低頻，通高頻三、考查方向題型1：交流電的產(chǎn)生典例一：（2020房山區(qū)二模）如圖所示，（a）（b）（c）（d）過程是交流發(fā)電機發(fā)電的示意圖，下列說法正確的是A當線圈轉(zhuǎn)到圖（a）位置時，線圈平面與磁感線垂直，磁通量變化率最大B從圖（b）開始計時，線圈中電流隨時間變化的關系是C當線圈轉(zhuǎn)到圖（c）位置時，感應

8、電流最小，且感應電流方向?qū)⒁淖僁當線圈轉(zhuǎn)到圖（d）位置時，感應電動勢最小，邊感應電流方向為題型2：交流電的描述典例二：（2014天津多選）如圖1所示，在勻強磁場中，一矩形金屬線圈兩次分別以不同的轉(zhuǎn)速，繞與磁感線垂直的軸勻速轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生的交變電動勢圖象如圖2中曲線，所示，則A兩次時刻線圈平面均與中性面重合B曲線、對應的線圈轉(zhuǎn)速之比為C曲線表示的交變電動勢頻率為D曲線表示的交變電動勢有效值為題型3：有效值的計算典例三：（2016朝陽區(qū)二模）、是兩個完全相同的電熱器，通以圖甲所示的交變電流，通以圖乙所示的交變電流，則兩電熱器的電功率之比等于ABCD題型4：電感、電容對交流電的作用典例四：（2017海

9、南物理多選）如圖，電阻R、電容C和電感L并聯(lián)后，接入輸出電壓有效值、頻率可調(diào)的交流電源。當電路中交流電的頻率為f時，通過R、C和L的電流有效值恰好相等。若將頻率降低為，分別用I1、I2和I3表示此時通過R、C和L的電流有效值，則（ ）AI1I3 BI1I2 CI3I2 DI2=I3四、模擬訓練一、基礎練習1.如圖1是交流發(fā)電機的模型，示意圖可以簡化為圖2，線圈在磁場中轉(zhuǎn)動過程又可以簡化為圖3關于交流電的產(chǎn)生過程，下列說法中正確的是( )A當線圈轉(zhuǎn)到圖2所示位置時，穿過線圈的磁通量為零，產(chǎn)生的電動勢為零B當線圈轉(zhuǎn)到中性面時磁通量的變化率最大C當線圈從中性面轉(zhuǎn)到圖3所示位置時，穿過線圈的磁通量減小

10、，產(chǎn)生的電動勢變小D線圈從中性面開始轉(zhuǎn)到圖3所示位置時，產(chǎn)生的電動勢變大2.如圖所示，處在勻強磁場中的矩形線圈abcd，以恒定的角速度繞中心對稱軸轉(zhuǎn)動，在t=0時刻，線圈平面與磁場重合，ab邊垂直紙面向里，cd邊垂直紙面向外運動若規(guī)定abcda為正方向，則線圈中感應電流i隨時間t變化的圖線是( )ABCD3.小型手搖發(fā)電機線圈abcd在勻強磁場中繞OO軸勻速轉(zhuǎn)動，如圖所示則( )A如圖所示位置穿過線圈的磁通量最大B如圖所示位置線圈中產(chǎn)生的感應電動勢最大C線圈每轉(zhuǎn)動一周，電流方向改變一次D線圈轉(zhuǎn)動過程中一定會產(chǎn)生感應電流4.如圖(甲)所示，單匝矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁感線的中心軸OO勻速轉(zhuǎn)

11、動，產(chǎn)生的感應電動勢e隨時間t的變化曲線如圖(乙)所示若外接電阻的阻值R=9 ，線圈的電阻r=1 ，則下列說法正確的是( )A線圈轉(zhuǎn)動頻率為50 HZB0.01 s末穿過線圈的磁通量最大C通過線圈的電流最大值為10 ADR消耗的熱功率為900 W5.在勻強磁場中，一矩形金屬線框繞與磁感線垂直的轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動，如圖甲所示，產(chǎn)生的交變電動勢的圖象如圖乙所示，則( )At=0.005 s時線框的磁通量變化率為零Bt=0.01 s時線框平面與中性面重合C線框產(chǎn)生的交變電動勢有效值為311 VD線框產(chǎn)生的交變電動勢頻率為100 Hz6.（多選）如圖所示表示交變電流產(chǎn)生的過程，在磁感應強度為的勻強磁場中一個

12、匝數(shù)為面積為線電阻為的矩形線圈，繞軸以角速度勻速轉(zhuǎn)動，外電路電阻為在線圈由圖示位置轉(zhuǎn)過的過程中，下列說法正確的是A磁通量的變化量B平均感應電動勢C電阻產(chǎn)生的焦耳熱D電阻產(chǎn)生的焦耳熱7.A、B是兩個完全相同的電熱器，A通以圖甲的方波交變電流，B通以圖乙所示的正弦交變電流，則兩電熱器的電功率之比PA：PB等于( )A5 : 4B3 : 2CD2 : 18.如圖所示，是一交流電隨時間而變化的圖象，其中電流的正值為正弦曲線的正半周，其最大值為；電流的負值的大小也為則該交變電流的有效值為ABCD9.如圖所示是一交變電流的圖象，則該交變電流的有效值為ABCD10.在如圖所示電路中，電阻R、電感線圈L、電容

13、器C并連接在某一交流電源上，三個相同的交流電流表的示數(shù)相同若保持電源的電壓不變，而將其頻率增大，則三個電流表的示數(shù)I1、I2、I3的大小關系是( )AI1=I2=I3BI1I2I3CI2I1I3DI3I1I211.如圖所示，把電感線圈L、電容器C、電阻R分別與燈泡L1、L2、L3串聯(lián)后接在交流電源兩極間，三盞燈亮度相同若保持交流電源兩極間的電壓不變，僅使交流電的頻率增大，則以下判斷正確的是( )A與線圈L連接的燈泡L1將變亮B與電容器C連接的燈泡L2將變亮C與電阻R連接的燈泡L3將變暗D三盞燈的亮度都不會改變12.有n=10匝的矩形線圈，每匝都是長50 cm，寬20 cm，線圈總電阻10 ，在

14、B=2 T的勻強磁場中以角速度=50 rad/s旋轉(zhuǎn)線圈與R=10 的外電阻連接，圖中的電流表、電壓表的接入不影響原電路求：(1)寫出電動勢的瞬時表達式(從中性面開始計時)；(2)電流表、電壓表的讀數(shù)；(3)1 min內(nèi)產(chǎn)生的熱量13.（2020春海淀區(qū)校級期末）如圖所示，位于豎直平面內(nèi)的矩形金屬線圈，匝數(shù)匝，總電阻，線圈的兩個末端分別與兩個彼此絕緣的銅環(huán)（集流環(huán)）焊接在一起，并通過電刷和的定值電阻相連接，線圈所在空間存在水平向右的勻強磁場。在外力驅(qū)動下線圈繞豎直固定中心軸勻速轉(zhuǎn)動。從某位置開始，線圈中的磁通量隨時間的變化如圖所示。不計一切摩擦，求：（1）電源電動勢瞬時值的表達式；（2）理想交

15、流電壓表的示數(shù)；（3）從計時開始，經(jīng)過周期通過電阻的電荷量；（4）在線圈轉(zhuǎn)動一周的過程中，外力做的總功。二、提升練習1.（2019高考理綜天津卷多選）單匝閉合矩形線框電阻為，在勻強磁場中繞與磁感線垂直的軸勻速轉(zhuǎn)動，穿過線框的磁通量與時間的關系圖像如圖所示。下列說法正確的是（ ）A.時刻線框平面與中性面重合B.線框的感應電動勢有效值為C.線框轉(zhuǎn)一周外力所做的功為D.從到過程中線框的平均感應電動勢為2.（2018海南高考物理多選）如圖，在磁感應強度大小為B的勻強磁場中，有一面積為S的矩形單匝閉合導線abcd, ab 邊與磁場方向垂直，線框的電阻為R。使線框以恒定角速度繞過ad、bc中點的軸旋轉(zhuǎn)。下列說法正確的是（ ）A.線框abcd中感應電動勢的最大值是B.線框abcd中感應電動勢的有效值是C.線框平面與磁場方向平行時，流經(jīng)線框的電流最大D.線框平面與磁場方向垂直時，流經(jīng)線框的電流最大3.（2018高考全國理綜III）一電阻接到方波交流電源上，在一個周期內(nèi)產(chǎn)生的熱量為Q方；若該電阻接到正弦交變電源上，在一個周期內(nèi)產(chǎn)生的熱量為Q正。該電阻上電壓的峰值為u0，周期為T，如圖所示。則Q方: Q正等于（ ）A B C1:2 D2:14.(2017天津理綜多選)在勻強磁場中，一個1