高中物理 第2章 交变电流的产生及描述学案 教科版选修32.doc

学案3习题课：交变电流的产生及描述目标定位 1.理解交变电流的产生过程，能够求解交变电流的瞬时值.2.理解交变电流图像的物理意义.3.知道交变电流“四值”的区别，会求解交变电流的有效值一、对交变电流产生规律的理解求解交变电动势瞬时值时：(1)首先要计算峰值emnbs；(2)确定线圈转动从哪个位置开始，以便确定瞬时值表达式是按正弦规律变化还是按余弦规律变化；(3)确定线圈转动的角速度(以rad/s作单位)；(4)最后确定感应电动势的瞬时值表达式例1图1甲为小型旋转电枢式交流发电机的原理图其矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的固定轴oo匀速转动，线圈的匝数n100匝，电阻r10 ，线圈的两端经集流环与电阻r连接，电阻r90 ，与r并联的交流电压表为理想电表在t0时刻，线圈平面与磁场方向平行，穿过每匝线圈的磁通量随时间t按图乙所示正弦规律变化求：图1(1)交流发电机产生的电动势最大值；(2)电动势的瞬时值表达式；(3)线圈转过 s时电动势的瞬时值；(4)电路中交流电压表的示数解析(1)交流发电机产生的电动势最大值emnbs而mbs，所以em由t图线可知，m2.0102 wb，t0.2 s所以em20 v62.8 v.(2)线圈转动的角速度 rad/s10 rad/s，由于从垂直中性面处开始计时，所以感应电动势瞬时值表达式为eemcos t62.8cos (10t) v(3)当线圈转过 s时e20cos (10) v10 v31.4 v(4)电动势的有效值e10 vue10 v9 v40 v答案(1)62.8 v(2)e62.8cos (10t) v(3)31.4 v(4)40 v二、交变电流图像的应用正弦交流电的图像是一条正弦曲线，从图像中可以得到以下信息：1周期(t)和角速度()：线圈转动的角速度.2峰值(em，im)：图像上的峰值可计算出有效值e，i.3瞬时值：每个“点”表示某一时刻的瞬时值4可确定线圈位于中性面的时刻，也可确定线圈平行于磁感线的时刻5判断线圈中磁通量及磁通量变化率的变化情况例2如图2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()图2a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的瞬时值为u10sin (5t) vd交流电b的最大值为 v解析由题图可知，t0时刻线圈均在中性面，穿过线圈的磁通量最大，a错误；由题图可知tatb23，故nanb32，b正确；由题图可知，c正确；因ab32，交流电最大值umnbs，故umaumb32，umbuma v，d正确答案bcd三、交变电流有效值的计算交变电流有效值的计算一般有以下两种情况：1对于按正(余)弦规律变化的电流，可先根据emnbs求出其峰值，然后根据e求出其有效值2当电流按非正弦规律变化时，必须根据有效值的定义求解计算时要注意三同：相同电阻、相同时间(一般要取一个周期)、产生相同热量例3图3表示一交流电电流随时间变化的图像，其中电流的正值为正弦曲线的正半周，其最大值为im；电流的负值强度为im，则该交流电的有效值为 ()图3a. b.im cim d.im解析根据有效值的定义，取一个周期t，则q()2riri2rt解得iim，故选d.答案d四、交变电流“四值”的应用比较交变电流的四值，即峰值、有效值、瞬时值、平均值，在不同情况下的使用：(1)在研究电容器的耐压值时，只能用峰值(2)在研究交变电流做功、电功率及产生的热量时，只能用有效值，交流电表显示的也是有效值(3)在研究交变电流通过导体横截面的电荷量时，只能用平均值(4)在研究某一时刻线圈受到的安培力时，只能用瞬时值特别提醒(1)交变电流的平均值是针对某一过程的物理量，在不同的时间内平均值一般不相同(2)平均电动势不等于初、末两时刻瞬时值的平均值，必须用法拉第电磁感应定律计算即n.例4图4一个总电阻为r、边长为l的正方形线圈abcd共n匝，线圈在磁感应强度为b的匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴oo以如图4所示的角速度匀速转动，外电路电阻为r.(1)求此时刻线圈感应电流的方向(2)线圈转动过程中感应电动势的最大值为多大？(3)设发电机由柴油机带动，其他能量损失不计，线圈转一周柴油机做多少功？(4)从图示位置开始，线圈转过60的过程中通过r的电荷量是多少？(5)图中电流表和电压表的示数各是多少？解析(1)由右手定则可判定电流的方向沿adcba.(2)emnbsnbl2.(3)电动势的有效值e.电流的有效值i，由于不计能量损失，柴油机做的功全部转化为电能，线圈转一周，柴油机做的功weitt.(4)通过r的电荷量qttn(5)电流表示数i电压表示数uir答案见解析1(交变电流图像的应用)图5甲、乙分别表示两种电压的波形，其中图甲所示的电压按正弦规律变化下列说法正确的是()图5a甲表示交流电，乙表示直流电b两种电压的有效值相等c甲电压的瞬时值表达式为u311sin (100t) vd甲交变电流的有效值比乙交变电流的有效值大答案cd解析两题图中交变电流的大小和方向都随时间变化，在t轴的上方为正，下方为负，a错有效值e只对正弦交流电适用，将两个图像叠放在一起，可以看出两个交变电流的最大值相等，甲对应的有效值大，所以b错，d对由题图甲可知c对2(交变电流有效值的计算)如图6所示，图甲和图乙分别表示正弦脉冲波和方波的交变电流与时间的变化关系若使这两种电流分别通过两个完全相同的电阻，则经过1 min的时间，两电阻消耗的电功之比w甲w乙为()图6a1 b12 c13 d16答案c解析电功的计算，i要用有效值计算，题图甲中，由有效值的定义得( a)2r2102 s0( a)2r2102 sir6102 s，得i1 a；题图乙中，i的值不变，故i21 a，由wuiti2rt可以得到w甲w乙13，c正确3. (交变电流“四值”的应用比较)如图7所示，一半径为r的半圆形单匝线圈放在具有理想边界的匀强磁场中，磁场的磁感应强度为b.线圈以直径ab为轴匀速转动，转速为n，磁场位于ab左侧且垂直于纸面向里(与ab垂直) , m和n是两个滑环，负载电阻为r.线圈、电流表和连接导线的电阻不计，下列说法中正确的是()图7a转动过程中电流表的示数为b从图示位置起转过圈的时间内产生的平均感应电动势为2nbr2c从图示位置起转过圈的时间内通过负载电阻r的电荷量为d. 以上说法均不正确答案ab解析交流电动势的最大值为imbr22n，转动过程中通过电流表的示数为有效值，由有效值的定义得()2r0i2rt，解得i，平均感应电动势为2n2nbr2，a、b正确通过负载电阻r的电荷量为q，c错误4. (对交变电流产生规律的理解)如图8所示，在匀强磁场中有一个“”形导线框可绕ab轴转动，已知匀强磁场的磁感应强度b t，线框的cd边长为20 cm，ce、df长均为10 cm，转速为50 r/s.若从图示位置开始计时：图8(1)写出线框中感应电动势的瞬时值表达式；(2)在et坐标系中作出线框中感应电动势随时间变化关系的图像答案(1)e10cos (100t) v(2)见解析图解析(1)线框转动，开始计时的位置为线圈平面与磁感线平行的位置，在t时刻线框转过的角度为t，此时刻ebl1l2cos t，即ebscos t，其中b t，s0.10.2 m20.02 m2，2n250 rad/s100 rad/s，故e0.02100cos (100t) v，即e10cos (100t) v.(2)线框中感应电动势随时间变化关系的图像如图所示题组一对交变电流产生规律的理解1. 如图1所示，在水平方向的匀强磁场中，有一单匝矩形导线框可绕垂直于磁场方向的水平轴转动在线框由水平位置以角速度匀速转过90的过程中，穿过线框面的最大磁通量为，已知导线框的电阻为r，则下列说法中正确的是 ()图1a导线框转到如图所示的位置时电流的方向将发生改变b导线框转到如图所示的位置时电流的方向为badcbc以图中位置作为计时起点，该导线框产生的交流电瞬时值表达式为esin td以图中位置作为计时起点，该导线框产生的交流电瞬时值表达式为ecos t答案d2面积均为s的两个电阻相同的线圈，分别放在如图2甲、乙所示的磁场中，甲图中是磁感应强度为b0的匀强磁场，线圈在磁场中以周期t绕oo轴匀速转动，乙图中磁场变化规律为bb0cos t，从图示位置开始计时，则 ()图2a两线圈的磁通量变化规律相同b两线圈中感应电动势达到最大值的时刻不同c经相同的时间t(tt)，两线圈产生的热量不同d从此时刻起，经时间，通过两线圈横截面的电荷量不同答案a解析甲图中的磁通量变化规律为甲b0scos t，乙图中磁通量的变化规律为乙b0scos t，故a正确由于两线圈的磁通量变化规律相同，则两线圈中感应电动势的变化规律相同，达到最大值的时刻也相同，有效值e也相同，又因两线圈电阻相同，所以qt也相同，经过时间，通过两线圈横截面的电荷量q也相同，故b、c、d错误题组二交变电流图像的应用3某台家用柴油发电机正常工作时能够产生与我国照明电网相同的交变电流现在该发电机出现了故障，转子匀速转动时的转速只能达到正常工作时的一半，则它产生的交变电动势随时间变化的图像是 ()答案b解析线圈转速为正常时的一半，据2n知，周期变为正常时的2倍，又据emnbs知，最大值变为正常时的一半，结合我国电网交流电实际情况，知正确选项为b.4一矩形金属线圈共10匝，绕垂直磁场方向的转轴在匀强磁场中匀速转动，线圈中产生的交变电动势e随时间t变化的情况如图3所示，下列说法中正确的是 ()图3a此交流电的频率为0.2 hzb此交变电动势的有效值为1 vct0.1 s时，线圈平面与磁场方向平行d在线圈转动过程中，穿过线圈的最大磁通量为 wb答案d解析由题图可知，此交流电的周期t0.2 s，频率f5 hz，a错误e v，b错误t0.1 s时，感应电动势为0，线圈平面与磁感线垂直，c错误因emnbs，其中n10，10 rad/s，故mbs wb，d正确5如图4(a)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时为计时起点，如图(b)所示，并规定当电流自a流向b时电流方向为正则下列所示的四幅图中正确的是()图4答案d解析由楞次定律知，t0时，感应电流方向为负，线圈平面与中性面的夹角为，线圈再转过到达中性面，所以，在线圈转过的过程中电流在减小，t时，i0，因而只有d项正确题组三交变电流有效值的计算6a、b是两个完全相同的电热器，a通以图5甲所示的方波交变电流，b通以图乙所示的正弦交变电流，则两电热器的电功率papb等于 ()图5a54 b32c.1 d21答案a解析方形波的有效值为iririrt，解得i1i0正弦交流电有效值为i2所以papbirir54，故选a.7一个小型电热器若接在输出电压为10 v的直流电源上，消耗电功率为p；若把它接在某个正弦交流电源上，其消耗的电功率为.如果电热器电阻不变，则此交流电源输出电压的最大值为()a5 v b5 vc10 v d10 v答案c解析根据p，对直流电有p，对正弦式交流电有，所以正弦交流电的有效值为u v，故交流电源输出电压的最大值umu10 v，故选项c正确题组四交变电流“四值”的应用比较8. 如图6所示，单匝矩形线圈放置在磁感应强度为b的匀强磁场中，以恒定的角速度绕ab边转动，磁场方向垂直于纸面向里，线圈所围面积为s，线圈导线的总电阻为r.t0时刻线圈平面与纸面重合则()图6a线圈中电流瞬时值表达式为icos tb线圈中电流的有效值为ic线圈中电流的有效值为id线圈消耗的电功率为pb2s22答案cd解析回路中感应电动势最大值embs，电流最大值im，t0时线圈位于中性面，故电流瞬时值表达式isin t.线圈中电流的有效值i，pi2r，故a、b错误，c、d正确9. 如图7所示，在匀强磁场中有一个内阻r3 、面积s0.02 m2的半圆形导线框可绕oo轴旋转已知匀强磁场的磁感应强度b t若线框以100 rad/s的角速度匀速转动，且通过电刷给“6 v12 w”的小灯泡供电，则：图7(1)若从图示位置开始计时，求线框中感应电动势的瞬时值表达式；(2)从图示位置开始，线框转过90的过程中，流过导线横截面的电荷量是多少？该电荷量与线框转动的快慢是否有关？(3)由题所给已知条件，外电路所接小灯泡能否正常