(新高考)高考物理一轮复习课件第12章第1讲《交变电流的产生和描述》(含解析)

第十二章交变电流

自主命题卷全国卷考情分析2021·广东卷·T7理想变压器2021·湖南卷·T6理想变压器2021·河北卷·T8交变电流的描述、理想变压器2021·浙江6月选考·T5有效值2020·江苏卷·T2电流互感器2020·山东卷·T5有效值、理想变压器、交变电流的图像2020·浙江7月选考·T11远距离输电2020·全国卷Ⅱ·T19远距离输电2020·全国卷Ⅲ·T20有效值、理想变压器、交变电流的图像2018·全国卷Ⅲ·T16有效值、热量的计算2016·全国卷Ⅰ·T16变压器试题情境生活实践类发电机、变压器、远距离输电、无线充电、家用和工业电路、家用电器等学习探究类探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系，探究家用小型发电机的原理，探究负载增加对供电系统的影响第1讲交变电流的产生和描述目标要求1.理解正弦式交变电流的产生过程，能正确书写交变电流的函数表达式.2.理解并掌握交变电流图像的意义.3.理解描述交变电流的几个物理量，会计算交变电流的有效值.4.知道交流电“四值”在具体情况下的应用.内容索引考点一正弦式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考点三交变电流“四值”的理解和计算课时精练考点一正弦式交变电流的产生及变化规律1.产生线圈绕

匀强磁场方向的轴匀速转动.2.两个特殊位置的特点(1)线圈平面转到中性面时，S⊥B，Φ

，

＝0，e＝0，i＝0，电流方向将

.(2)线圈平面与中性面垂直时，S∥B，Φ＝0，

，e最大，i最大，电流方向

.3.一个周期内线圈中电流的方向改变

次.夯实必备知识基础梳理垂直于最大发生改变最大不改变两4.描述交变电流的物理量(1)最大值Em＝

，与转轴位置

，与线圈形状

(填“有关”或“无关”).(2)周期和频率①周期(T)：交变电流完成

变化所需的时间.单位是秒(s)，公式T＝

.②频率(f)：交变电流在单位时间内完成周期性变化的

.单位是赫兹(Hz).③周期和频率的关系：T＝

或f＝

.NBSω无关无关一次周期性次数5.交变电流的变化规律(线圈从中性面开始计时)

函数表达式图像磁通量Φ＝

＝_________

电动势e＝

＝___________

Φmcos

ωtBScos

ωtEmsin

ωtNBSωsin

ωt1.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，感应电动势为零，感应电流方向发生改变.(

)4.当线圈从垂直中性面开始计时，产生的电动势按正弦规律变化，即e＝Emsin

ωt.(

)√×××提升关键能力方法技巧书写交变电流瞬时值表达式的技巧(1)确定正弦交变电流的峰值：根据已知图像读出或由公式Em＝NBSω求出相应峰值.(2)明确线圈的初始位置：①若线圈从中性面位置开始计时，则i－t图像为正弦函数图像，函数表达式为i＝Imsin

ωt.②若线圈从垂直中性面位置开始计时，则i－t图像为余弦函数图像，函数表达式为i＝Imcos

ωt.例1

一手摇交流发电机线圈在匀强磁场中匀速转动，内阻不计.转轴位于线圈平面内，并与磁场方向垂直.产生的电动势随时间变化的规律如图所示，则A.该交变电流频率是0.4HzB.计时起点，线圈恰好与中性面重合C.t＝0.1s时，穿过线圈平面的磁通量最大D.该交变电动势瞬时值表达式是e＝10cos

5πt(V)√由题图可知电压随着时间变化的周期为T＝0.4s，故频率为f＝

Hz＝2.5Hz，故A错误；计时起点，电动势最大，所以此时磁通量为0，线圈和中性面垂直，故B错误；t＝0.1s时，电动势为0，穿过线圈平面的磁通量最大，故C正确；该交变电动势最大值为Um＝10V，ω＝

＝5πrad/s，又从垂直中性面开始计时，所以电动势瞬时值表达式是e＝Emcos

ωt＝10cos5πt(V)，故D错误.例2

为了研究交流电的产生过程，小张同学设计了如下实验构思方案：第一次将单匝矩形线圈放在匀强磁场中，线圈绕转轴OO1按图示方向匀速转动(ab向纸外，cd向纸内)，并从图甲所示位置开始计时，此时产生的交流电如图乙所示.第二次他仅将转轴移至ab边上，第三次他仅将转轴OO1右侧的磁场去掉，关于后两次的电流图像，下列说法正确的是A.第二次是(a)图

B.第二次是(c)图C.第三次是(b)图

D.第三次是(d)图√第二次将转轴移到ab边上产生的感应电流与第一次相同，第三次将OO1右侧的磁场去掉，线圈在转动过程中只有一边切割磁感线，产生的交变电流的最大值为原来的

，D正确.例3

(多选)如图所示，图线a是线圈在匀强磁场中匀速转动时所产生正弦式交变电流的图像，当调整线圈转速后，其在同一磁场中匀速转动过程所产生正弦式交变电流的图像如图线b所示.下列关于这两个正弦式交变电流的说法中正确的是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3∶2C.交变电流a的电动势瞬时值表达式为e＝

10sin(5πt)VD.交变电流b的电动势最大值为

V√√√由题图可知t＝0时刻线圈均在中性面位置，穿过线圈的磁通量最大，A错误；由图像可知Ta∶Tb＝2∶3，故na∶nb＝3∶2，B正确；由图像可知交变电流a的电动势最大值为10V，ω＝

rad/s＝5πrad/s，所以交变电流a的电动势瞬时值表达式为e＝10sin(5πt)V，C正确；交变电流的电动势最大值为Em＝NBSω，故Ema∶Emb＝3∶2，知Emb＝

Ema＝

V，D正确.考点二交变电流有效值的求解1.有效值让交变电流与恒定电流分别通过大小相同的电阻，如果在交变电流的一个周期内它们

相等，则这个恒定电流的电流I与电压U就是这个交变电流的有效值.2.正弦式交变电流的有效值与峰值之间的关系夯实必备知识基础梳理产生的热量I＝

，U＝

，E＝

.1.有效值等于峰值的

，这一关系适用于所有交变电流.(

)2.交变电流的有效值就是一个周期内的平均值.(

)××有效值的计算(1)计算有效值时要根据电流的热效应，抓住“三同”：“相同时间”内“相同电阻”上产生“相同热量”，先分段计算热量，求和得出一个周期内产生的总热量，然后根据Q总＝I2RT或Q总＝

T列式求解.(2)若图像部分是正弦(或余弦)式交变电流，其中的

周期(必须是从零至最大值或从最大值至零)和

周期部分可直接应用正弦式交变电流有效值与最大值间的关系I＝

、U＝

求解.提升关键能力方法技巧例4

如图所示为一交流电电流随时间变化的图像，此交流电电流的有效值为A.7A B.5AC.3.5A

D.3.5A√设该电流的有效值为I，根据有效值的定义有：(4A)2R×0.02s＋(3A)2R×0.02s＝I2R×0.04s，解得I＝5A，故选B.例5

(2022·湖北黄冈市模拟)如图是某一线圈通过的交流电的电流—时间关系图像(前半个周期为正弦波形的

)，则一个周期内该电流的有效值为√考点三交变电流“四值”的理解和计算夯实必备知识基础梳理物理量物理含义重要关系适用情况及说明瞬时值交变电流某一时刻的值e＝Emsin

ωti＝Imsin

ωt计算线圈某时刻的受力情况峰值最大的瞬时值Em＝NBSω讨论电容器的

电压击穿有效值跟交变电流的热效应等效的恒定电流的值E＝U＝I＝适用于正(余)弦式交变电流(1)交流电流表、交流电压表的示数(2)电气设备“铭牌”上所标的值(如额定电压、额定电流等)(3)计算与电流的热效应有关的量(如电功、电功率、电热、保险丝的熔断电流等)(4)没有特别加以说明的指有效值平均值交变电流图像中图线与时间轴所围的面积与时间的比值计算通过导线横截面的_______电荷量1.交流电压表和电流表测量的是交流电的峰值.(

)2.可以用平均值计算交变电流产生的热量.(

)3.求通过导体横截面的电荷量q＝It，其中的I指的是有效值.(

)×××例6

一个U形金属线框在两匀强磁场中绕OO′轴以相同的角速度匀速转动，通过导线给同一电阻R供电，如图甲、乙所示.甲图中OO′轴右侧有磁场，乙图中整个空间均有磁场，两图中磁场的磁感应强度相同.则甲、乙两图中交流电流表的示数之比为A.1∶

B.1∶2C.1∶4 D.1∶1√题图甲中OO′轴的右侧有磁场，所以线框只在半个周期内有感应电流产生，感应电流随时间变化的图像如图(a)，交流电流表测的是有效值，由例7

(多选)如图甲所示，标有“220V

40W”的灯泡和标有“20μF

320V”的电容器并联接到交流电源上，

为交流电压表，交流电源的输出电压如图乙所示，闭合开关.下列判断正确的是√√

的示数应是交流电压的有效值220V，故选项A、D错误；交流电压的有效值恰好等于灯泡的额定电压，灯泡正常发光，选项B正确；交流电压的峰值Um＝220V≈311V，小于电容器的耐压值，故电容器不可能被击穿，选项C正确.例8

(多选)如图所示，边长为L的正方形单匝线圈abcd，电阻为r，外电路的电阻为R，ab的中点和cd的中点的连线恰好位于匀强磁场的边界线OO′上，磁场的磁感应强度为B，若线圈从图示位置开始以角速度ω绕OO′轴匀速转动，则以下判断正确的是A.图示位置线圈中的感应电动势最大，为Em＝BL2ωB.从图示位置开始计时，闭合电路中感应电动势的

瞬时值表达式为e＝

BL2ωsinωtC.线圈从图示位置起转过180°的过程中，流过电阻

R的电荷量为q＝D.线圈转动一周的过程中，电阻R上产生的热量为Q＝√√题图位置线圈中的感应电动势最小，为零，A错误；若线圈从题图位置开始转动，闭合电路中感应电动势的瞬时值表达式为e＝

BL2ωsinωt，B正确；线圈从题图位置转过180°的过程中，课时精练1.在匀强磁场中，匝数N＝100的矩形线圈绕垂直磁感线的转轴匀速转动，线圈中产生的感应电动势随时间变化规律如图所示，则下列说法正确的是A.t＝0.5×10－2s时，线圈平面与中性面重合B.t＝1×10－2s时，线圈中磁通量变化率最大C.穿过每一匝线圈的最大磁通量为1×10－3

WbD.线圈转动的角速度为50πrad/s√必备基础练1234567891011由题图可知，当t＝0.5×10－2s时，感应电动势最大，线圈平面与中性面垂直，故A错误；当t＝1×10－2s时，感应电动势为0，磁通量变化率为0，故B错误；1234567891011该交流电的周期T＝0.02s，则线圈转动的角速度ω＝

rad/s＝100πrad/s，交流电的最大感应电动势Em＝NBSω，所以Φm＝BS＝

Wb＝1×10－3

Wb，故C正确，D错误.2.一只低压教学电源输出的交变电压为U＝10sin314t(V)，以下说法正确的是A.这只电源可以使“10V

2W”的灯泡正常发光B.这只电源的交变电压的周期是314sC.这只电源在t＝0.01s时电压达到最大值D.“10V

2μF”电容器可以接在这只电源上√12345678910111234567891011t＝0.01s时，经过半个周期，电压为零，故C项错误；当电容器的耐压值小于峰值，电容器被击穿，10V小于10V，则“10V

2μF”电容器不能接在这只电源上，故D项错误.3.(2021·浙江6月选考·5)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1234567891011√因虚线是正弦交流电的图像，则该交流电的有效值为U有效＝由题图可知，在任意时刻，实线所对应的交流电的瞬时值都不大于虚线表示的正弦交流电的瞬时1234567891011值，则实线所对应的交流电的有效值小于虚线表示的正弦交流电的有效值，则U<，故选D.4.某研究小组成员设计了一个如图所示的电路，已知纯电阻R的阻值不随温度变化.与R并联的是一个理想的交流电压表，D是理想二极管(它的导电特点是正向电阻为零，反向电阻为无穷大).在A、B间加一交1234567891011流电压，其瞬时值的表达式为u＝20sin100πt(V)，则交流电压表示数为A.10V B.20VC.15V D.14.1V√12345678910115.(2018·全国卷Ⅲ·16)一电阻接到方波交流电源上，在一个周期内产生的热量为Q方；若该电阻接到正弦交流电源上，在一个周期内产生的热量为Q正.该电阻上电压的峰值均为u0，周期均为T，如图所示.则Q方∶Q正等于1234567891011√12345678910116.(多选)有一种自行车，它有能向自行车车头灯泡供电的小型发电机，其原理示意图如图甲所示，图中N、S是一对固定的磁极，磁极间有一固定在绝缘转轴上的矩形线圈，转轴的一端有一个与自行车后轮边缘接触的摩擦轮.如图乙所示，当车轮转动时，因摩擦而带动摩擦轮转动，从而使线圈在磁场中转动而产生电流给车头灯泡供电.关于此装置，下列说法正确的是

A.自行车匀速行驶时线圈中产生的是交流电B.小灯泡亮度与自行车的行驶速度无关C.知道摩擦轮和后轮的半径，就可以知道后

轮转一周的时间里摩擦轮转动的圈数D.线圈匝数越多，穿过线圈的磁通量的变化率越大1234567891011√√自行车匀速行驶时，摩擦轮带动线圈在磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，产生交流电，故A正确；自行车的行驶速度会影响感应电动势1234567891011的大小，进而影响小灯泡的亮度，故B错误；摩擦轮和后轮属于摩擦传动，具有大小相等的线速度，如果知道了摩擦轮与后轮的半径关系，就能知道角速度关系，也就能知道转速关系，故C正确；线圈匝数不影响穿过线圈的磁通量的变化率的大小，故D错误.7.(多选)如图所示，一个半径为r的半圆形线圈，以直径ab为轴匀速转动，转速为n，ab的左侧有垂直于纸面向里(与ab垂直)的匀强磁场，磁感应强度为B.M和N是两个集流环，负载电阻为R，线圈、电流表和连接导线的电阻不计，若图示位置为初始时刻，则A.感应电动势的最大值是Em＝2π2Bnr2B.从图示位置起转过

转的时间内，负载电阻R上产生的热量

Q＝C.从图示位置起转过

转的时间内通过负载电阻R的电荷量为D.电流表的示数为√√1234567891011能力综合练√123456789101112345678910118.如图所示为一台小型发电机构造示意图，图示时刻线圈平面和磁感线平行.线圈匝数为N，电阻为r，理想电压表与外接电阻R并联.当线圈绕OO′轴以角速度ω匀速转动时，电压表的示数为U.则1234567891011√1234567891011123456789101112345678910119.如图所示，两根间距为20cm的无限长光滑金属导轨，电阻不计，其左端连接一阻值为10Ω的定值电阻，两导轨之间存在着磁感应强度为1T的匀强磁场，磁场边界虚线均为正弦曲线的一部分，一根接入电路中的电阻为10Ω的光滑导体棒，在外力作用下以10m/s的速度匀速向右运动(接触电阻不计)，交流电压表和交流电流表均为理想电表，则A.回路中产生的是正弦式交变电流B.电压表的示数是2VC.导体棒运动到图示虚线位置时，

电流表示数为零D.导体棒上消耗的热功率为0.2W1234567891011√1234567891011磁场边界虚线为正弦曲线的一部分，可知回路中产生的是