高考物理一轮复习讲义专题14.1　交变电流的产生和描述（原卷版）

专题14.1交变电流的产生和描述【讲】【讲核心素养】1.物理观念：①理解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象的意义.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.2.科学思维：“图象法”“等效法”。3.科学态度：认识电磁学在人类生活和社会发展中的作用。【讲考点题型】【知识点一】正弦交变电流的产生及变化规律1．交变电流(1)定义：大小和方向都随时间做周期性变化的电流。(2)按正弦规律变化的交变电流叫正弦式交变电流。(3)一个周期内线圈中电流的方向改变两次.2.描述交变电流的物理量(1)最大值Em＝NBSω，与转轴位置无关，与线圈形状无关(填“有关”或“无关”).(2)周期和频率①周期(T)：交变电流完成一次周期性变化所需的时间.单位是秒(s)，公式T＝eq\f(2π,ω).②频率(f)：交变电流在单位时间内完成周期性变化的次数.单位是赫兹(Hz).③周期和频率的关系：T＝eq\f(1,f)或f＝eq\f(1,T).3．正弦式交变电流的函数表达式(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＝Emsin_ωt。(2)负载两端的电压u随时间变化的规律：u＝Umsin_ωt。(3)电流i随时间变化的规律：i＝Imsin_ωt。其中ω等于线圈转动的角速度，Em＝nBSω。4．交流电产生过程中的两个特殊位置图示概念中性面位置与中性面垂直的位置特点B⊥SB∥SΦ＝BS，最大Φ＝0，最小e＝neq\f(ΔΦ,Δt)＝0，最小e＝neq\f(ΔΦ,Δt)＝nBSω，最大感应电流为零，方向改变感应电流最大，方向不变5.正弦式交变电流的变化规律如图磁通量：Φ＝Φmcosωt；电动势：e＝Emsinωt；电流：i＝Imsinωt。【例1】（多选）（2022·山东聊城一中高三开学考试）如图甲所示是一台交流发电机构造示意图，产生交变电流的感应电动势随时间变化的规律如图乙所示．发电机线圈电阻为SKIPIF1<0，外接电阻为SKIPIF1<0，其它电阻不计，则（  ）A．电动势的瞬时值表达式为SKIPIF1<0B．理想电压表的示数为SKIPIF1<0C．在SKIPIF1<0时刻，电路中电流的瞬时值为SKIPIF1<0D．该线圈磁通量变化率的最大值为SKIPIF1<0【素养升华】本题考察的学科素养主要是物理观念和科学思维。【变式训练1】（2022·四川省成都市武侯高级中学模拟预测）如图甲所示，在匀强磁场中，闭合线框绕垂直于磁场方向的轴匀速转动。线框产生的交变电流SKIPIF1<0随时间SKIPIF1<0变化的图像如图乙所示。下列说法正确的是（）A．交变电流的有效值为SKIPIF1<0B．交变电流的周期为SKIPIF1<0C．在SKIPIF1<0时穿过线框的磁通量为零D．线框匀速转动的角速度为SKIPIF1<0【技巧总结】1、求解正弦式交变电流的三点注意(1)只有当线圈从中性面位置开始计时，电流的瞬时值表达式才是正弦形式．(2)注意峰值公式Em＝nBSω中的S为有效面积．(3)转轴相对线圈的位置改变，或线圈的形状改变时，电动势的最大值仍可由Em＝nBSω计算．2、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：根据已知图象读出或由公式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图象为正弦函数图象，函数表达式为i＝Imsinωt.②线【知识点二】交变电流的有效值1．利用公式法计算利用E＝eq\f(Em,\r(2))、U＝eq\f(Um,\r(2))、I＝eq\f(Im,\r(2))计算，只适用于正(余)弦式交变电流．2．利用有效值的定义计算(非正弦式电流)计算时“相同时间”至少取一个周期或周期的整数倍．3．利用能量关系计算当有电能和其他形式的能转化时，可利用能的转化和守恒定律来求有效值．4．几种典型交变电流的有效值【例2】（2022·山西吕梁·二模）将有效值为220V，频率为50Hz的正弦交流电通过一信号发生设备后，其电压随时间变化的规律如图所示，其有效值与原交流电有效值的比值为（）A．1∶2 B．1∶3 C．1∶4 D．1∶5【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学思维。【变式训练2】（多选）（2022·重庆市江津第八中学校模拟预测）有一种家用电器工作原理图如图甲所示，当电阻丝接在正弦式交流电源（如图乙）上后，电阻丝开始加热，当其温度达到某一数值时，自动恒温装置启动，使电阻丝所接电压如图丙所示变化，从而进入恒温状态。则当自动恒温装置启动后（）A．电阻丝所接交变电压的频率变为原来的一半B．电压表的示数大约是原来的0.7倍C．电压表的示数大约是原来的0.5倍D．电阻丝的功率变为原来的一半【技巧总结】计算交变电流有效值的方法(1)分段计算电热，然后求和得出一个周期内产生的总热量．(2)利用两个公式Q＝I2Rt和Q＝eq\f(U2,R)t可分别求得电流有效值和电压有效值．(3)若图象部分是正弦(或余弦)式交变电流，其中的eq\f(1,4)(但必须是从零至最大值或从最大值至零)和eq\f(1,2)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＝eq\f(Im,\r(2))、U＝eq\f(Um,\r(2))求解．【知识点三】交变电流“四值”的理解与应用交变电流“四值”的比较物理量重要关系适用情况及说明瞬时值e＝Emsinωti＝Imsinωt计算线圈某时刻的受力情况峰值Em＝nBSωIm＝eq\f(Em,R＋r)讨论电容器的击穿电压有效值E＝eq\f(Em,\r(2))，U＝eq\f(Um,\r(2))，I＝eq\f(Im,\r(2))(只适用于正弦式交变电流)(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”上所标的值(3)保险丝的熔断电流(4)交流电表的读数平均值eq\x\to(E)＝BLeq\x\to(v)eq\x\to(E)＝neq\f(ΔΦ,Δt)eq\x\to(I)＝eq\f(\x\to(E),R＋r)计算通过电路截面的电荷量【例3】（多选）（2022·辽宁·模拟预测）2021年6月28日，“国之重器”金沙江白鹤滩水电站首批机组正式并网发电。近些年中国大力发展水电，既有助于减轻国家能源危机，又有利于减小碳排放。如图甲是一台小型发电机产生的电动势随时间变化的正弦规律图，图乙是该发电机的电路图，图中发电机的线圈为单匝线圈，其内阻为SKIPIF1<0，外接一只电阻为SKIPIF1<0的灯泡（阻值恒定），下列说法正确的是（）A．电压表的示数最大值为SKIPIF1<0B．在0~1s的过程中，灯泡产生的热量为95JC．在SKIPIF1<0时，通过线圈的磁通量最大D．在0.005~0.015s的过程中，通过线圈的电荷量为SKIPIF1<0【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学思维。【变式训练3】（2022·辽宁·东北育才学校模拟预测）线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴转动，线圈匝数SKIPIF1<0、面积SKIPIF1<0，产生的交变电动势的图像如图所示。下列说法正确的是（）A．SKIPIF1<0时刻线圈平面与中性面平行B．穿过线圈的磁通量最大值为SKIPIF1<0C．在SKIPIF1<0时间内，穿过线圈的磁通量在减少D．在SKIPIF