2025高考物理总复习交变电流的产生及其描述

第1讲交变电流的产生及其描述高考总复习2025课程标准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.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。3.通过实验,探究并了解变压器原、副线圈电压与匝数的关系。了解从变电站到用户的输电过程,知道远距离输电时用高电压的道理核心素养试题情境生活实践类家用和工业电路、家用电器、磁电式电流表、发电机、变压器、远距离输电、无线充电学习探索类探究变压器原、副线圈电压关系问题,传感器的简单应用等考点一交变电流的产生及其变化规律强基础•固本增分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。

垂直磁场

2.中性面及其特点(1)定义:与磁场方向

的平面。

(2)特点①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

。

②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。

垂直最大零零23.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Em仅由N、B、S、ω四个量决定,与轴的具体位置和线圈的形状都无关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是线圈转动的

,Em=

。

Emsinωt

Umsinωt

Imsinωt

角速度

NBSω√×√研考点•精准突破1.产生正弦式交变电流的五种方法(1)矩形线圈绕垂直于匀强磁场的轴匀速转动。(2)导体棒在匀强磁场中平动且导体棒切割磁感线的有效长度按正(余)弦规律变化。(3)导体棒在匀强磁场中沿平行导轨平动切割磁感线时,导体棒的速度按正(余)弦规律变化。(4)导体棒在磁场中匀速平动切割磁感线,在导体棒的平动方向上,磁场按正(余)弦规律变化。(5)闭合线圈垂直于匀强磁场,线圈静止不动,磁场按正(余)弦规律做周期性变化。2.两个特殊位置及其特点

3.书写交变电流瞬时值表达式的技巧(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求出相应峰值。(2)明确线圈的初始位置:①线圈在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=Imsinωt;②线圈在垂直于中性面的位置开始计时,则i-t图像为余弦函数图像,函数表达式为i=Imcosωt。4.正弦式交变电流的图像(线圈在中性面位置开始计时)考向一

交变电流的产生典题1(多选)(2024四川绵阳模拟)如图所示,甲→乙→丙→丁→戊过程是交流发电机发电的示意图,线圈的ab边连在金属滑环K上,cd边连在金属滑环L上,用导体制成的两个电刷分别压在两个滑环上,线圈在转动时可以通过滑环和电刷保持与外电路连接,线圈转动的角速度为ω,线圈中最大电流为Im,以下说法正确的是(

)A.图甲中,线圈平面与磁感线垂直,磁通量变化率为零B.从图乙开始计时,线圈中电流随时间t变化的关系式i=ImsinωtC.当线圈转到图丙位置时,感应电流最小,且电流改变方向D.当线圈转到图丁位置时,感应电动势最小,ab边电流方向为b→a答案

AC

解析

图甲中,线圈在中性面位置,故穿过线圈的磁通量最大,磁通量变化率为0,A正确;从图乙开始计时,此时线圈垂直于中性面,线圈中感应电流最大,感应电流的表达式为i=Imcos

ωt,B错误;当线圈转到图丙位置时,线圈在中性面位置,故穿过线圈的磁通量最大,产生的感应电流最小为零,电流方向将改变,C正确;当线圈转到图丁位置时,磁通量最小,磁通量的变化率最大,故感应电动势最大,ab边感应电流方向为b→a,D错误。典题2

一种振动发电装置的示意图如图甲所示,一个半径r=0.10m、匝数n=20的线圈套在永久磁体槽中,槽中磁场的磁感线均沿半径方向均匀分布(其右侧视图如图乙所示),线圈所在位置磁感应强度B的大小均为

线圈的电阻R1=0.50Ω,它的引出线接有R2=9.50Ω的小灯泡L,A为理想交流电流表。当线圈框架的P端在外力作用下沿轴线做往复运动,便有电流通过小灯泡。若线圈往复运动的规律如图丙所示(v取向右为正),则下列判断正确的是(

)A.电流表的示数为0.24AB.0.01s时回路中的电流最大C.回路中交变电流的频率为50HzD.0.015s时小灯泡L中电流的方向为D→L→C答案

C

解析

由E=BLv及题中v-t图像可知,线圈往复运动所产生的感应电流为正弦式交变电流,则Em=nB×2πrvm=2.4

V,电流的有效值

,A错误;由题图丙可知T=0.02

s,f=50

Hz,C正确;t=0.01

s时,v=0,所以I=0,B错误;t=0.015

s时,由右手定则可知,电流方向为C→L→D,D错误。考向二

交变电流的瞬时值表达式典题3(多选)一矩形线圈在匀强磁场中转动,产生交变电流的电动势为e=220sin100πtV,对于这个交变电流的说法错误的是(

)A.此交变电流的频率为100Hz,周期为0.01sB.此交变电流电动势的有效值为220VC.耐压值为220V的电容器能够在该交变电路中使用D.t=0时,线圈平面与中性面垂直,此时磁通量为零ACD考向三

交变电流的图像典题4(多选)(2023山东日照二模)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(

)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=10sin5πtVC.a表示的交变电流的频率为25HzD.b表示的感应电动势的最大值为VBD考点二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

变化所需的时间,即线圈

所需的时间,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=

。

强基础•固本增分一次周期性

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”热效应

恒定××增大减小解析

在交变电流中电感线圈有通低频、阻高频的作用;电容器有通高频、阻低频的作用。因此提高交变电流的频率,电感线圈L对交变电流的阻碍作用增大,电容器C对交变电流的阻碍作用减小,故灯泡L1亮度增大,灯泡L2亮度减小。研考点•精准突破1.有效值的理解(1)交流电流表、交流电压表的示数是指有效值。(2)用电器铭牌上标的值(如额定电压、额定功率等)指的均是有效值。(3)计算热量、电功率及保险丝的熔断电流指的是有效值。(4)没有特别加以说明的,是指有效值。(5)“交流的最大值是有效值的

倍”仅适用于正(余)弦式交变电流。2.有效值的计算(2)利用有效值的定义计算(非正弦式电流):计算时“相同时间”至少取一个周期或为一个周期的整数倍。(3)利用能量关系:当有电能和其他形式的能转化时,可利用能的转化和能量守恒定律来求有效值。3.交变电流的“四值”物理量表达式适用情况及说明瞬时值e=Emsinωt、u=Umsinωti=Imsinωt计算线圈某时刻的受力情况最大值(峰值)Em=nBSω,Im=讨论电容器的击穿电压有效值对正弦式交变电流有(1)计算与电流的热效应有关的量(如电功、电功率、电热等);(2)电气设备“铭牌”上所标的一般是有效值;(3)保险丝的熔断电流为有效值;(4)电表的读数为有效值平均值计算通过电路截面的电荷量考向一

有效值的理解与计算典题5(多选)(2023湖南长沙模拟)如图所示,边长分别为L1、L2的矩形线圈在均匀辐向分布的磁场中以角速度ω绕固定轴匀速转动,某时刻线圈中的电流方向如图所示,线圈匝数为N,切割磁感线的边所在位置的磁感应强度大小为B,AOB和COD之间区域的磁场忽略不计,已知θ=60°,则下列选项正确的是(

)A.线圈顺时针转动B.线圈逆时针转动BD解析

由右手定则可判断线圈逆时针转动,A错误,B正确;线圈在磁场中转动时,感应电动势大小保持不变为E=NBL1L2ω,由题设可知,线圈每转动一周,三分之二的时间内线圈中电动势为E,三分之一的时间内线圈中电动势为0,考向二

对交变电流“四值”的理解和应用典题6

发电机的示意图如图甲所示,边长为L的单匝正方形金属框,在磁感应强度为B的匀强磁场中以恒定角速度绕OO'轴转动,阻值为R的电阻两端的电压如图乙所示。其他电阻不计,图乙中的Um为已知量。则金属框转动一周(

)A.金属框内电流方向不变B.电动势的有效值为UmC解析

当金属框转动时,框内电流方向每经过中性面一次都要变化一次,所以金属框内电流方向是周期性变化的,因为金属框输出端有换向器,故图乙中通过电阻的电流方向不变,A错误;由图乙可知,电动势的最大值为Um,则典题7(2024陕西西安长安一中期中)如图所示,足够长的两平行光滑金属导轨MN、PQ水平放置,间距l=1m,导轨中间分布有磁感应强度为1T的匀强磁场,磁场边界为正弦曲线。一粗细均匀的导体棒以10m/s的速度向右匀速滑动,