2022年高中物理選修（3-2）第二章《交變電流的產(chǎn)生及描述》word學(xué)案

2022年高中物理選修（3-2）第二章交變電流的產(chǎn)生及描述word學(xué)案學(xué)習(xí)目標(biāo)定位 1.理解交變電流的產(chǎn)生過程，能夠求解交變電流的瞬時(shí)值.2.理解交變電流圖象的物理意義.3.知道交變電流“四值”的區(qū)別，會(huì)求解交變電流的有效值1線圈在勻強(qiáng)磁場中繞垂直于磁感線的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生正弦式交變電流，瞬時(shí)值表達(dá)式eEmsin_t(從中性面開始計(jì)時(shí))2正弦式交變電流的最大值EmnBS，即最大值由線圈匝數(shù)n、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度及線圈面積S決定，與線圈的形狀、轉(zhuǎn)軸的位置無關(guān)(填“有關(guān)”或“無關(guān)”)3線圈在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的平均電動(dòng)勢，要用法拉第電磁感應(yīng)定律計(jì)算，即n.4正弦交流電的有效值U，I.其他非正弦交流電的有效值根據(jù)電流的熱效應(yīng)求解.一、對交變電流產(chǎn)生規(guī)律的理解求解交變電動(dòng)勢瞬時(shí)值時(shí)：(1)先要計(jì)算峰值EmnBS；(2)確定線圈從哪個(gè)位置開始轉(zhuǎn)動(dòng)，以便確定瞬時(shí)值表達(dá)式是按正弦規(guī)律變化還是按余弦規(guī)律變化；(3)確定線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度(以rad/s作單位)；(4)最后確定感應(yīng)電動(dòng)勢的瞬時(shí)值表達(dá)式例1圖1甲為小型旋轉(zhuǎn)電樞式交流發(fā)電機(jī)的原理圖其矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中繞垂直于磁場方向的固定軸OO勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈的匝數(shù)n100匝，電阻r10 ，線圈的兩端經(jīng)集流環(huán)與電阻R連接，電阻R90 ，與R并聯(lián)的交變電壓表為理想電表在t0時(shí)刻，線圈平面與磁場方向平行，穿過每匝線圈的磁通量隨時(shí)間t按圖乙所示正弦規(guī)律變化求：圖1(1)交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電動(dòng)勢最大值；(2)電動(dòng)勢的瞬時(shí)值表達(dá)式(3)線圈轉(zhuǎn)過 s時(shí)電動(dòng)勢的瞬時(shí)值(4)電路中交變電壓表的示數(shù)解析(1)交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電動(dòng)勢的最大值EmnBS而mBS，所以Em由t圖線可知，m2.0×102 Wb，T0.2 s所以Em20 V62.8 V.(2)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度 rad/s10 rad/s，由于從垂直中性面處開始計(jì)時(shí)，所以感應(yīng)電動(dòng)勢瞬時(shí)值表達(dá)式為eEmcos t62.8cos (10t) V(3)當(dāng)線圈轉(zhuǎn)過 s時(shí)e20cos (10×) V10 V31.4 V(4)電動(dòng)勢的有效值E10 VUE×10 V9 V40 V答案(1)62.8 V(2)e62.8cos (10t) V(3)31.4 V(4)40 V二、交變電流圖象的應(yīng)用正弦交流電的圖象是一條正弦曲線，從圖象中可以得到以下信息：(1)交變電流的峰值Im、Em、周期T、頻率f.(2)可根據(jù)線圈轉(zhuǎn)至中性面時(shí)電流為零的特點(diǎn)，確定線圈處于中性面的時(shí)刻，確定了該時(shí)刻，也就確定了磁通量最大的時(shí)刻和磁通量變化率最小的時(shí)刻(3)可根據(jù)線圈轉(zhuǎn)至與磁場平行時(shí)感應(yīng)電流最大的特點(diǎn)，確定線圈與中性面垂直的時(shí)刻此時(shí)刻也就是磁通量為零的時(shí)刻和磁通量變化率最大的時(shí)刻例2(雙選)如圖2所示，圖線a是線圈在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的正弦交流電的圖象，當(dāng)調(diào)整線圈轉(zhuǎn)速后，所產(chǎn)生正弦交流電的圖象如圖線b所示，以下關(guān)于這兩個(gè)正弦交流電的說法正確的是()圖2A在圖中t0時(shí)刻穿過線圈的磁通量均為零B線圈先后兩次轉(zhuǎn)速之比為23C交流電a的瞬時(shí)值為u10sin (5t) VD交流電b的最大值為 V解析由題圖可知，t0時(shí)刻線圈均在中性面，穿過線圈的磁通量最大，A錯(cuò)誤；由題圖可知TaTb23，故nanb32，B錯(cuò)誤；由題圖可知，C正確；因ab32，交流電最大值UmnBS，故UmaUmb32，UmbUma V，D正確答案CD三、交變電流有效值的計(jì)算求解有效值的一般方法和技巧：(1)首先要分析交變電流的變化規(guī)律，正弦式交變電流的最大值和有效值的關(guān)系是I、U，非正弦式交變電流一般不符合此關(guān)系(2)對于非正弦式交變電流，可在一個(gè)周期內(nèi)分段求出產(chǎn)生的熱量，再求熱量的總和Q.將總熱量Q用相應(yīng)的物理量I或U來表示(如QI2RT或QT)，則I或U為非正弦式交變電流的相應(yīng)有效值例3(單選)如圖3表示一交流電電流隨時(shí)間變化的圖象，其中電流的正值為正弦曲線的正半周，其最大值為Im；電流的負(fù)值強(qiáng)度為Im，則該交流電的有效值為 ()圖3A. B.Im CIm D.Im解析根據(jù)有效值的定義，取一個(gè)周期T，則Q()2RIRI2RT解得：IIm，故選D.答案D四、交變電流“四值”的應(yīng)用比較交變電流的四值，即峰值、有效值、瞬時(shí)值、平均值，在不同情況下的使用：(1)在研究電容器的耐壓值時(shí)，只能用峰值(2)在研究交變電流做功、電功率及產(chǎn)生的熱量時(shí)，只能用有效值，交流電表顯示的也是有效值(3)在研究交變電流通過導(dǎo)體橫截面的電荷量時(shí)，只能用平均值(4)在研究某一時(shí)刻線圈受到的安培力時(shí)，只能用瞬時(shí)值特別提醒(1)交變電流的平均值是針對某一過程的物理量，在不同的時(shí)間內(nèi)平均值一般不相同(2)平均電動(dòng)勢不等于初、末兩時(shí)刻瞬時(shí)值的平均值，必須用法拉第電磁感應(yīng)定律計(jì)算即n.例4一個(gè)電阻為r、邊長為L的正方形線圈abcd共N匝，線圈在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中繞垂直于磁感線的軸OO以如圖4所示的角速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，外電路電阻為R.圖4(1)寫出此刻線圈感應(yīng)電流的方向(2)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)過程中感應(yīng)電動(dòng)勢的最大值為多大？(3)線圈平面與磁感線夾角為60°時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢為多大？(4)設(shè)發(fā)電機(jī)由柴油機(jī)帶動(dòng)，其他能量損失不計(jì)，線圈轉(zhuǎn)一周柴油機(jī)做多少功？(5)從圖示位置開始，線圈轉(zhuǎn)過60°的過程中通過R的電荷量是多少？(6)圖中電流表和電壓表的示數(shù)各是多少？解析(1)由右手定則可判定電流的方向沿adcba.(2)EmNBSNBL2.(3)線圈平面與B成60°角時(shí)的瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢eEmcos 60°NBL2.(4)電動(dòng)勢的有效值E.電流的有效值I，由于不計(jì)能量損失，柴油機(jī)做的功全部轉(zhuǎn)化為電能，線圈轉(zhuǎn)一周，柴油機(jī)做的功WEItt·.(5)通過R的電荷量q·t·tN(6)電流表示數(shù)I電壓表示數(shù)UIR答案見解析1(交變電流圖象的應(yīng)用)(雙選)圖5甲、乙分別表示兩種電壓的波形，其中甲電壓按正弦規(guī)律變化下列說法正確的是()圖5A甲表示交流電，乙表示直流電B兩種電壓的有效值相等C甲電壓的瞬時(shí)值表達(dá)式為u311sin (100t) VD甲交變電流的有效值比乙交變電流的有效值大答案CD解析兩題圖中電壓的大小和方向都隨時(shí)間變化，在t軸的上方為正，下方為負(fù)，A錯(cuò)有效值E只對正弦交流電適用，將兩個(gè)圖象疊放在一起，可以看出兩個(gè)交變電流的最大值相等，甲對應(yīng)的有效值大，所以B錯(cuò)，D對由題圖甲可知C對2(交變電流有效值的計(jì)算)(單選)如圖6所示，圖甲和圖乙分別表示正弦脈沖波和方波的交變電流與時(shí)間的變化關(guān)系若使這兩種電流分別通過兩個(gè)完全相同的電阻，則經(jīng)過1 min的時(shí)間，兩電阻消耗的電功之比W甲W乙為()圖6A1 B12C13 D16答案C解析電功的計(jì)算，I要用有效值計(jì)算，題圖甲中，由有效值的定義得()2R×2×1020()2R×2×102IR×6×102，得I1 A；題圖乙中，I的值不變，故I21 A，由WUItI2Rt可以得到W甲W乙13.C正確3(對交變電流產(chǎn)生規(guī)律的理解)如圖7所示，在勻強(qiáng)磁場中有一個(gè)“”形導(dǎo)線框可繞AB軸轉(zhuǎn)動(dòng)，已知?jiǎng)驈?qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度BT，線框的CD邊長為20 cm，CE、DF長均為10 cm，轉(zhuǎn)速為50 r/s.若從圖示位置開始計(jì)時(shí)：圖7(1)寫出線框中感應(yīng)電動(dòng)勢的瞬時(shí)值表達(dá)式；(2)在et坐標(biāo)系中作出線框中感應(yīng)電動(dòng)勢隨時(shí)間變化關(guān)系的圖象答案(1)e10cos (100t) V(2)見解析圖解析(1)線框轉(zhuǎn)動(dòng)，開始計(jì)時(shí)的位置為線圈平面與磁感線平行的位置，在t時(shí)刻線框轉(zhuǎn)過的角度為t，此時(shí)刻eBl1l2cos t，即eBScos t，其中B T，S0.1×0.2 m20.02 m2，2n2×50 rad/s100 rad/s，故e×0.02×100cos (100t) V，即e10cos (100t) V.(2)線框中感應(yīng)電動(dòng)勢隨時(shí)間變化關(guān)系的圖象如圖所示4(交變電流“四值”的應(yīng)用比較)如圖8所示，單匝線圈在勻強(qiáng)磁場中繞OO軸從圖示位置開始勻速轉(zhuǎn)動(dòng)已知從圖示位置轉(zhuǎn)過時(shí)，線圈中電動(dòng)勢大小為10 V，求：圖8(1)交變電動(dòng)勢的峰值；(2)交變電動(dòng)勢的有效值；(3)與線圈相接的交流電壓表的示數(shù)答案(1)20 V(2)10 V(3)10 V解析(1)圖示位置為中性面，從此時(shí)開始計(jì)時(shí)，交變電動(dòng)勢的瞬時(shí)值為eEmsin t，將t，e10 V代入上式，求得Em20 V.(2)此電流為正弦交變電流，所以交變電動(dòng)勢的有效值E V10 V.(3)此交流電壓表測的是電動(dòng)勢的有效值，大小為10 V.題組一對交變電流產(chǎn)生規(guī)律的理解1(單選)如圖1所示，在水平方向的勻強(qiáng)磁場中，有一單匝矩形導(dǎo)線框可繞垂直于磁場方向的水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)在線框由水平位置以角速度勻速轉(zhuǎn)過90°的過程中，穿過線框面的最大磁通量為，已知導(dǎo)線框的電阻為R，則下列說法中正確的是 ()圖1A導(dǎo)線框轉(zhuǎn)到如圖所示的位置時(shí)電流的方向?qū)l(fā)生改變B導(dǎo)線框轉(zhuǎn)到如圖所示的位置時(shí)電流的方向?yàn)閎adcC以圖中位置作為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，該導(dǎo)線框產(chǎn)生的交流電瞬時(shí)值表達(dá)式為esin tD以圖中位置作為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，該導(dǎo)線框產(chǎn)生的交流電瞬時(shí)值表達(dá)式為ecos t答案D2(單選)面積均為S的兩個(gè)電阻相同的線圈，分別放在如圖2甲、乙所示的磁場中，甲圖中是磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0的勻強(qiáng)磁場，線圈在磁場中以周期T繞OO軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，乙圖中磁場變化規(guī)律為BB0cos t，從圖示位置開始計(jì)時(shí)，則 ()圖2A兩線圈的磁通量變化規(guī)律相同B兩線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢達(dá)到最大值的時(shí)刻不同C經(jīng)相同的時(shí)間t(tT)，兩線圈產(chǎn)生的熱量不同D從此時(shí)刻起，經(jīng)T/4時(shí)間，流過兩線圈橫截面的電荷量不同答案A解析甲圖中的磁通量變化規(guī)律為甲B0Scos t，乙圖中磁通量的變化規(guī)律為乙B0Scos t.由于兩線圈中的磁通量變化規(guī)律相同，則兩線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢的變化規(guī)律相同，達(dá)到最大值的時(shí)刻也相同，有效值E也相同，又因兩線圈電阻相同，所以Qt也相同，經(jīng)過時(shí)間，流過兩線圈橫截面的電荷量q·也相同，故A正確題組二交變電流圖象的應(yīng)用3(單選)某臺(tái)家用柴油發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)能夠產(chǎn)生與我國照明電網(wǎng)相同的交變電流現(xiàn)在該發(fā)電機(jī)出現(xiàn)了故障，轉(zhuǎn)子勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速只能達(dá)到正常工作時(shí)的一半，則它產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢隨時(shí)間變化的圖象是 ()答案B解析線圈轉(zhuǎn)速為正常時(shí)的一半，據(jù)2n知，周期變?yōu)檎r(shí)的2倍，又據(jù)EmnBS知，最大值變?yōu)檎r(shí)的一半，結(jié)合我國電網(wǎng)交流電實(shí)際情況，知正確選項(xiàng)為B.4(單選)一矩形金屬線圈共10匝，繞垂直磁場方向的轉(zhuǎn)軸在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈中產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢e隨時(shí)間t變化的情況如圖3所示，下列說法中正確的是 ()圖3A此交流電的頻率為0.2 HzB此交變電動(dòng)勢的有效值為1 VCt0.1 s時(shí)，線圈平面與磁場方向平行D在線圈轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，穿過線圈的最大磁通量為 Wb答案D解析由題圖可知，此交流電的周期T0.2 s，頻率f5 Hz，A錯(cuò)誤E V，B錯(cuò)誤t0.1 s時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢為0，線圈平面與磁感線垂直，C錯(cuò)誤因EmnBS，其中n10，10 rad/s，故BS Wb，D正確5(單選)如圖4(a)所示，一矩形線圈abcd放置在勻強(qiáng)磁場中，并繞過ab、cd中點(diǎn)的軸OO以角速度逆時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng)若以線圈平面與磁場夾角45°時(shí)為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，如圖(b)所示，并規(guī)定當(dāng)電流自a流向b時(shí)電流方向?yàn)檎齽t下列所示的四幅圖中能正確描述該電流的是()圖4答案D解析由楞次定律知，t0時(shí)，感應(yīng)電流方向?yàn)樨?fù)，線圈平面與中性面的夾角為，線圈再轉(zhuǎn)過到達(dá)中性面，所以，在線圈轉(zhuǎn)過的過程中電流在減小，轉(zhuǎn)過的角度時(shí)，i0，因而只有D項(xiàng)正確題組三交變電流有效值的計(jì)算6(單選)如圖5所示是一交變電流的it圖象，則該交變電流的有效值為 ()圖5A4 AB2 AC. AD. A答案D解析根據(jù)有效值的定義可得：()2R·(4)2RI2RT，解得：I A，故選D.7(單選)如圖6所示，A、B是兩個(gè)完全相同的電熱器，A通以圖甲所示的方波交變電流，B通以圖乙所示的正弦交變電流，則兩電熱器的電功率PAPB等于 ()圖6A54 B32 C.1 D21答案A解析設(shè)方形波的有效值為I1，則IRIRIRT，解得：I1 I0正弦交流電有效值為：I2所以PAPBIRIR54，故選A.題組四交變電流“四值”的應(yīng)用比較8(雙選)如圖7所示，單匝矩形線圈放置在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，以恒定的角速度繞ab邊轉(zhuǎn)動(dòng)，磁場方向垂直于紙面向里，線圈所圍面積為S，線圈導(dǎo)線的總電阻為R.t0時(shí)刻線圈平面與紙面重合則()圖7A線圈中電流t時(shí)刻瞬時(shí)值表達(dá)式為icos tB線圈中電流的有效值為IC線圈中電流的有效值為ID線圈消耗的電功率為P答案CD解析回路中感應(yīng)電動(dòng)勢最大值EmBS，電流最大值Im，t0時(shí)線圈在中性面，故電流瞬時(shí)值表達(dá)式isin t.線圈中電流的有效值I，PI2R，故A、B錯(cuò)誤，C、D正確9.如圖8所示，在勻強(qiáng)磁場中有一個(gè)內(nèi)阻r3 、面積S0.02 m2的半圓形導(dǎo)線框可繞OO軸旋轉(zhuǎn)已知?jiǎng)驈?qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B T若線框以100 rad/s的角速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)且通過電刷給“6 V、12 W”的小燈泡供電，則：圖8(1)若從圖示位置開始計(jì)時(shí)，求線框中感應(yīng)電動(dòng)勢的瞬時(shí)值表達(dá)式；(2)從圖示位置開始，線框轉(zhuǎn)過90°的過程中，流過導(dǎo)線橫截面的電荷量是多少？該電荷量與線框轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢是否有關(guān)？(3)由題所給已知條件，判斷外電路所接小燈泡能否正常發(fā)光？如不能，則小燈泡實(shí)際功率為多大？答案(1)e10cos (100t) V(2) C無關(guān)(3)不能 W解析(1)線框轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的最大值EmBS×0.02×100 V10 V因線框轉(zhuǎn)動(dòng)從平行于磁感線位置開始計(jì)時(shí)，則感應(yīng)電動(dòng)勢的瞬時(shí)值表達(dá)式eEmcos t10cos (100t) V.(2)線框轉(zhuǎn)過90°的過程中，產(chǎn)生的平均電動(dòng)勢.流過導(dǎo)線橫截面的電荷量q·t，又燈泡電阻R 3 .故q C C，與線框轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢無關(guān)(3)線框產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢的有效值E10 V，燈泡兩端電壓UR5 V.因U6 V，故燈泡不能正常發(fā)光其實(shí)際功率P W W.