2022高考物理一輪復習 微專題系列之熱點專題突破 專題64 交變電流有效值的計算與“四值”的理解應用學案

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1、2022高考物理一輪復習 微專題系列之熱點專題突破 專題64 交變電流有效值的計算與“四值”的理解應用學案 一、計算交變電流有效值的方法 1．利用有效值的定義計算(非正弦式電流) 交變電流的有效值是根據(jù)電流的熱效應(電流通過電阻生熱)進行定義的，所以進行有效值計算時，要緊扣電流通過電阻生熱(或熱功率)．注意“三同”：即“相同電阻”，“相同時間”內(nèi)產(chǎn)生“相同熱量”．計算時“相同時間”要取周期的整數(shù)倍，一般取一個周期． 2.公式法 利用E＝、U＝、I＝計算，只適用于正(余)弦式交變電流． 3. 多種形式組合的有效值的計算 （1）分段計算電熱求和得出一個周期內(nèi)產(chǎn)生的總熱量． （2）利

2、用兩個公式Q＝I2Rt和Q＝t可分別求得電流有效值和電壓有效值． （3）若圖象部分是正弦(或余弦)式交變電流，其中的(但必須是從零至最大值或從最大值至零)和周期部分可直接應用正弦式交變電流有效值與最大值間的關系I＝、U＝求解． 【典例1】如圖所示為一交變電流隨時間變化的圖象，此交流電的有效值是(　　)． A．5 A　 B．5 A C．3.5 A　 D．3.5 A 【答案】　B 【典例2】如圖所示的區(qū)域內(nèi)有垂直于紙面的勻強磁場，磁感應強度為B.電阻為R、半徑為L、圓心角為45°的扇形閉合導線框繞垂直于紙面的O軸以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動(O軸位于磁場邊界)．則線框內(nèi)產(chǎn)生的感應電流的有

3、效值為(　　)． A.　 B. C.　 D. 【答案】　D 【解析】　線框轉(zhuǎn)動的角速度為ω，進磁場的過程用時周期，出磁場的過程用時周期，進、出磁場時產(chǎn)生的感應電流大小均為I′＝，則轉(zhuǎn)動一周產(chǎn)生的感應電流的有效值I滿足：I2RT＝2R×T，解得I＝，D項正確． 【典例3】如圖所示，圖甲和圖乙分別表示正弦脈沖波和方波式的交變電流與時間的變化關系．若使這兩種電流分別通過兩個完全相同的電阻，經(jīng)過1 min的時間，則(　　) A．圖甲所示交變電流的有效值為 A B．圖乙所示交變電流的有效值為 A C．兩電阻消耗的電功之比為1∶3 D．兩電阻消耗的電功之比為3∶1 【答案】A

4、C　 【跟蹤短訓】 1．某交流電的電流隨時間變化圖像如圖所示，則此交變電流的有效值為 A． l A B． 3 A C． D． 2A 【答案】C 【解析】據(jù)有效值的定義可得：，代入數(shù)據(jù)解得：此交變電流的有效值。故C項正確，ABD三項錯誤。 2．如圖甲、乙、丙所示的是三個具有相同和周期T的交變電流，分別通過三個相同的電阻，下列說法中正確的是 A． 在相同時間內(nèi)三個電阻發(fā)熱量相等 B． 在相同時間內(nèi)，甲是丙發(fā)熱量的2倍 C． 在相同時間內(nèi)，甲是乙發(fā)熱量的 D． 在相同時間內(nèi)，乙發(fā)熱量最大，甲次之，丙的發(fā)熱量最小 【答案】C 3. 如圖所示，

5、甲、乙為兩種電壓的波形，其中圖甲所示的電壓按正弦規(guī)律變化，圖乙所示的電壓波形是正弦函數(shù)圖象的一部分．下列說法正確的是(　　) A．圖甲、圖乙均表示交變電流 B．圖甲所示電壓的瞬時值表達式為u＝20sin 100πt(V) C．圖乙所示電壓的有效值為20 V D．圖乙所示電壓的有效值為10 V 【答案】 ABD　 二、交變電流“四值”的理解及應用 物理量 含義 重要關系 適用情況及說明 瞬時值 交變電流某一時刻的值 e＝Emsin ωt i＝Imsin ωt 計算線圈某時刻的受力情況 峰值 最大的瞬時值 Em＝nBSω Im＝ 討論電容器的擊穿

6、電壓 有效值 跟交變電流的熱效應等效的恒定電流的值 E＝ U＝ I＝ (只適用于正弦 式交變電流) (1)計算與電流的熱效應有關的量(如電功、電功率、電熱等) (2)電氣設備“銘牌”上所標的一般是指有效值 (3)保險絲的熔斷電流為有效值 (4)交流電壓表和電流表的讀數(shù)為有效值 平均值 某段時間內(nèi)感應電動勢或電流的平均值大小 ＝BL ＝n ＝ 計算通過電路截面的電荷量 【典例4】一個矩形線圈的匝數(shù)為N，線圈面積為S，在磁感強度為B的勻強磁場中以角速度ω繞所在平面內(nèi)垂直磁感線的軸勻速轉(zhuǎn)動，開始時，線圈平面與磁場平行．對于它產(chǎn)生的交變電動勢，下列說法正確的是(　　

7、) A． 瞬時值表達式為e＝NBSωsinωt B． 有效值為NBSω C． 平均值為NBSω D． 頻率為2πω 【答案】B 【典例4】如圖甲所示的電路，已知電阻R1＝R2＝R，和R1并聯(lián)的D是理想二極管(正向電阻可視為零，反向電阻為無窮大)，在A、B之間加一個如圖乙所示的交變電壓(電壓為正值時，UAB>0)．由此可知(　　) 甲　　　　　　　　　　　　　　乙 A．在A、B之間所加的交變電壓的周期為2 s B．在A、B之間所加的交變電壓的瞬時值表達式為u＝20sin 100πt(V) C．在A、B之間所加的交變電壓的

8、最大值為20 V D．加在R2上電壓的有效值為20 V 【答案】 B　 【解析】 由題圖乙可知交變電壓的周期T＝0.02 s，選項A錯誤．A、B間所加交變電壓的瞬時值表達式u＝20sin 100πt(V)，選項B正確．在A、B之間所加的交變電壓的最大值為20V，有效值為20 V，選項C錯誤．由于電阻R1和R2串聯(lián)，電壓為正值的半個周期電阻R1被二極管短路，R2上電壓的有效值為20 V，電壓為負值的半個周期，二極管中無電流通過，電阻R1和R2串聯(lián)，R2上電壓的有效值為10 V，根據(jù)有效值的定義可得·＋·＝·T，解得加在R2上電壓的有效值為U＝5 V，選項D錯誤． 【典例5】如圖所示，在勻

9、強磁場中勻速轉(zhuǎn)動的矩形線圈abcd的轉(zhuǎn)速為3000r/min，轉(zhuǎn)軸OO′垂直于磁場方向，電路總電阻為R=10Ω，匝數(shù)為100匝．從線圈平面與磁場方向平行時開始計時，t＝s時通過電流表的電流為1 A．求： (1)寫出電動勢的瞬時表達式； (2)線圈勻速轉(zhuǎn)一圈電路產(chǎn)生的總熱量； (3)如果線圈從圖示的位置開始轉(zhuǎn)過180°的過程中，通過電阻的電荷量。 【答案】(1)；(2)Q=00.4J；(3) （2）電路產(chǎn)生的總熱量 Q=I2Rt 又電流有效值 解得Q=0.4J （3）因為Em=NBSω 通過電阻的電量 所

10、以 【跟蹤短訓】 1. 某正弦交流發(fā)電機產(chǎn)生的電動勢波形如圖所示，已知該發(fā)電機線圈匝數(shù)n＝100匝，線圈面積為S＝0.1 m2，線圈內(nèi)阻為r ＝1 Ω，用一理想交流電壓表接在發(fā)電機的兩個輸出端．由此可知(　　) A．線圈在勻強磁場中轉(zhuǎn)動的角速度為50π rad/s B．線圈所在處的磁感應強度是B＝1 T C．交流電壓表的讀數(shù)為220 V D．交變電動勢的平均值為＝200 V 【答案】D　 2. 下列說法正確的是：如圖為小型旋轉(zhuǎn)電樞式交流發(fā)電機的原理圖，其矩形線圈在磁感應強度為B的勻強磁場中，繞垂直于磁場方向的固定軸OO′勻速轉(zhuǎn)動，線圈的兩端經(jīng)集流環(huán)和電刷與電阻R

11、=10Ω連接，t=0時線圈以T=0.02s的周期從圖中位置開始轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動時理想交流電壓表示數(shù)為10 V，則（ ） A． 電阻R上的電功率為20W B． R兩端的電壓u隨時間變化的規(guī)律是u=10cos100πt(V） C． t=0.02s時R兩端的電壓瞬時值最大 D． 通過R的電流i隨時間t變化的規(guī)律是i=cos50πt(A） E. 一個周期內(nèi)電阻R產(chǎn)生的熱量是0.2J 【答案】BCE 3．電阻為1Ω的某矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場的軸勻速轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生的正弦式交流電的i-t圖線如圖中圖線a所示；調(diào)整線圈的轉(zhuǎn)速后，該線圈中產(chǎn)生的正弦式交流電的i-t圖線如圖線b所示。以下

12、關于這兩個正弦式交變電流的說法正確的是 A． 圖線a對應的交流電的電流有效值為10A B． 圖線a對應的交流電的電動勢的有效值為5V C． 線圈先后兩次的轉(zhuǎn)速之比為3：2 D． 圖線b對應的交流電的電動勢的最大值為V 【答案】BC 【解析】AB：由圖得圖線a對應的交流電的電流最大值為10A，即圖線a對應的交流電的電流有效值為；矩形線圈的電阻為1Ω，則圖線a對應的交流電的電動勢的有效值。故A項錯誤，B項正確。 CD：由圖得，線圈兩次轉(zhuǎn)動的周期分別為、，則線圈兩次轉(zhuǎn)動的頻率之比，線圈先后兩次的轉(zhuǎn)速之比為3：2，線圈轉(zhuǎn)動的角速度之比為3：2。據(jù)，可得。線a對應的交流電的電流最大值為

13、10A，圖線a對應的交流電的電動勢的最大值。綜上圖線b對應的交流電的電動勢的最大值。故C項正確，D項錯誤。 課后作業(yè) 1．將如圖所示規(guī)律變化的電壓加在一阻值為5Ω的電阻上，lmin內(nèi)產(chǎn)生的熱量為 A． 300J B． 240J C． 180J D． 150J 【答案】D 2．如圖所示，已知交流電源的電動勢為，電阻R＝2200Ω，則電路中交流電流表和電壓表的示數(shù)分別為(　　) A． ， B． 0.1 A， C． ，220 V D． 0.1 A，220 V 【答案】D 【解析】由表達式可知，則交流電源電壓的有效值，由

14、歐姆定律可知,電路中電流，故A、B、C錯誤，D正確； 故選D。 3．將正弦交流電經(jīng)過整流器處理后，得到的電流波形剛好去掉了半周，如圖所示，它的有效值是(　　) A． 2 A B． A C． A D． 1 A 【答案】D 【解析】該交變電流通過定值電阻R后，在一個周期內(nèi)產(chǎn)生的熱量為。解得I=1 A，選項D正確。 4．如圖所示為一個經(jīng)雙可控硅調(diào)節(jié)后加在電燈上的電壓，正弦式交變電流的每一個二分之一周期中，前面四分之一周期被截去，則現(xiàn)在電燈上電壓的有效值為(　　) A． Um B． C． D． 【答案】D

15、 5．如圖是一交變電流的i-t圖像，其中曲線部分按正弦規(guī)律變化，則該交變電流的有效值為 A． 2A B． A C． A D． 4A 【答案】C 【解析】有效值是根據(jù)電流的熱效應來規(guī)定的。根據(jù)，解得：，故C正確，ABD錯誤。 6．如圖所示電路,電阻與電阻的阻值都為,理想二極管 (正向電阻可看作零,反向電阻可看作無窮大)與并聯(lián),在間加一正弦交流電壓,則加在上的電壓有效值為（ ） A． B． C． D． 【答案】B 7．如圖所示，甲圖為正弦式交流電，乙圖正值部分按正弦規(guī)律變化，負值部分電流恒定，丙圖為方波式交流電，三個圖中

16、的和周期T相同.三種交流電的有效值之比為( ) A． B． C． D． 【答案】A 【解析】甲圖中交流電的有效值為；對乙圖：，解得；對丙圖有效值為I3=I0：則三種交流電的有效值之比為：，故選A. 8．如圖甲、乙丙所示的交變電流，分別通過三個相同電阻。下列說法中正確的是（ ） A． 交變電流的有效值是根據(jù)電流的熱效應來規(guī)定的 B． 交流電表所測得的值為最大值 C． 在相同時間內(nèi)，三個電阻產(chǎn)生熱量的關系是 D． 在相同時間內(nèi)，三個電阻產(chǎn)生熱量的關系是 【答案】AC 【解析】A．交變電流的有效

17、值是根據(jù)交流電和直流電電流的熱效應等效來規(guī)定的，故A正確； B．交流電表所測得的值為有效值，故B錯誤； C．甲的有效值為：I=，由Q=I2Rt可知t時間內(nèi)甲的發(fā)熱量為：Q1= ；乙前后半個周期電流大小相等，故其發(fā)熱量為：Q2= ；丙只有一半時間有電流，故其發(fā)熱量為：Q3= 。故可知在相同時間內(nèi)，甲、丙發(fā)熱量相等，是乙發(fā)熱量的1/2，故C正確，D錯誤。 故選：AC. 9．有一個交流電U = 311 sin314t 伏，則下列說法中錯誤的是（ ） A． 這個交流電的頻率是50赫茲 B． 它可以使“220V，100W”的燈泡正常發(fā)光 C． 用交流電壓表測量電壓時，讀數(shù)為311伏

18、D． 使用這個交流電的用電器，每通過一庫侖的電量時，電流做功220焦耳 【答案】C 10．如圖所示，電阻為r的矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場的軸以某一角速度ω勻速轉(zhuǎn)動．t=0時，線圈平面與磁場垂直，各電表均為理想交流電表，則（ ） A． t=0時，線圈中的感應電動勢最大 B． 1 s內(nèi)電路中的電流方向改變了次 C． 滑片P向下滑動時，電壓表的讀數(shù)不變 D． 線圈勻速轉(zhuǎn)動的角速度ω變大時，電流表的讀數(shù)也變大 【答案】D 【解析】 t=0時，線圈位于中性面，此時感應電動勢為零，A錯誤；交流電的頻率為f=，1s內(nèi)電流方向改變2f，即，B錯誤；滑片P向下滑動時，電阻增大，電

19、流減小，電源內(nèi)阻分壓減小，所以電壓表讀數(shù)變大，C錯誤；線圈勻速轉(zhuǎn)動的角速度ω變大時，電動勢的最大值Em=NBSω增大，電流表的讀數(shù)變大，D正確。故選D。 11．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磁場方向平行 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50Hz D． 曲線表示的交變電動勢有效值為 【答案】B 12．線圈的面積是,共100匝,線圈電阻為,外接純電阻為,線圈處于如圖所示勻強磁場中,磁感應強度為。自時刻起,

20、線圈由中性面開始繞垂直于磁場方向的轉(zhuǎn)軸逆時針勻速轉(zhuǎn)動,角速度為。下列說法正確的是（ ） A． 時,線圈中的電流方向為 B． 時,電流表的示數(shù)為 C． 時,線圈中的電流大小為 D． 時,穿過線圈的磁通量為 【答案】C 【解析】t=0.05s時，線圈轉(zhuǎn)過的角度為,由楞次定律可知，此時線圈中的電流方向為ADCBA，選項A錯誤；交流電的最大值：，交流電的有效值，電流的有效值，則t=0.05s時,電流表的示數(shù)為2.5A，選項B錯誤；t=0.05s時,線圈中電動勢的瞬時值為，此時線圈中的電流大小，選項C正確；t=0.05s時,穿過線圈的磁通量為，選項D錯誤；故選C. 13．圖甲為交流

21、發(fā)電機構(gòu)造示意圖，當線圈沿逆時針方向勻速轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生的電動勢隨時間變化的規(guī)律如圖乙所示。若線圈的電阻為2Ω，外接燈泡的電阻為10Ω，則 A． 電流方向每秒鐘改變50次 B． 交流電壓表的示數(shù)為6V C． 燈泡的電功率為2.5W D． 在t=0.01s時刻，穿過線圈的磁通量為零 【答案】C 14．如圖所示，有一矩形線圈面積為S，匝數(shù)為N，總電阻為r，外電阻為R，接觸電阻不計線圈繞垂直于磁感線的軸以角速度w勻速轉(zhuǎn)動，勻強磁場的磁感應強度為則 A． 當線圈平面與磁感線平行時，線圈中電流為零 B． 電流有效值 C． 電動勢的最大值為 D． 外力做功的平均

22、功率 【答案】D 15．如圖所示，單匝矩形線圈在勻強磁場中繞OO′軸勻速轉(zhuǎn)動，磁場方向與轉(zhuǎn)軸垂直，磁場的磁感應強度為B。線圈的電阻為r，長為l1，寬為l2，轉(zhuǎn)動角速度為ω。線圈兩端外接阻值為R的電阻和一個理想交流電流表。 （1）請推導證明：線圈轉(zhuǎn)至圖示位置時，線圈中的感應電動勢為E＝B l1 l2ω； （2）從圖示位置開始計時，請寫出線圈中感應電動勢e隨時間t變化的表達式； （3）電流表的讀數(shù)是多少？ 【答案】（1）Bωl1l2 （2） （3） 【解析】（1）在圖示位置電動勢有最大值 Em = 2Bl1v 由 聯(lián)立以上兩式解得 Em = Bωl1l

23、2 （2）感應電動勢 （3）根據(jù)全電路歐姆定律，電流的最大值 電流表讀數(shù)為有效值I，根據(jù) 解得 16．小華想利用山澗中的水來發(fā)電給果園的小屋照明，他設計了一臺發(fā)電機如圖所示，已知矩形線圈匝數(shù)N=100匝，面積，勻強磁場的磁感應強度B＝T，線圈與輸電線的總電阻r=2Ω，當線圈以周期T=0.05s勻速旋轉(zhuǎn)時，燈泡恰好正常發(fā)光。求： （1）線圈中感應電動勢的峰值 （2）從圖中位置轉(zhuǎn)過的過程中線圈的平均感應電動勢 （3）若燈泡的額定電流為I=2A，則燈泡的額定功率P 【答案】(1) V (2) V或36V （3）W （3）電動勢的有效值為：V 根據(jù)歐姆定律可得： 功率為： 代入數(shù)據(jù)解得：