第10章试题解析48

1第十章交变电流学案48交变电流的产生和描述一、概念规律题组1．图中闭合线圈都在匀强磁场中绕虚线所示的固定转轴匀速转动，不能产生正弦式交变电流的是()2．下面关于交变电流的说法中正确的是()A．交流电器设备上所标的电压值和电流值是交变电流的峰值B．用交流电流表和电压表测定的数值是交变电流的瞬时值C．给定的交变电流数值，在没有特别说明的情况下指的都是有效值D．跟交变电流有相同的热效应的直流电数值是交变电流的有效值3．一闭合矩形线圈abcd绕垂直于磁感线的固定轴OO′匀速转动，线圈平面位于如图1甲所示的匀强磁场中．通过线圈的磁通量Φ随时间t的变化规律如图乙所示，下列说法正确的是()图1A．t1、t3时刻通过线圈的磁通量变化率最大B．t1、t3时刻线圈中感应电流方向改变C．t2、t4时刻线圈中磁通量最大D．t2、t4时刻线圈中感应电动势最小二、思想方法题组4．两个完全相同的电热器，分别通以图2甲、乙所示的峰值相等的矩形交变电流和正弦交变电流，则这两个电热器的电功率之比P甲∶P乙等于()图2A.2∶1B．2∶1C．4∶1D．1∶15．一正弦交流电的电压随时间变化的规律如图3所示，由图可知()2图3A．该交流电的电压的有效值为100VB．该交流电的频率为25HzC．该交流电压瞬时值的表达式为u＝100sin25tVD．若将该交流电压加在阻值为100Ω的电阻两端，则该电阻消耗的功率为50W一、正弦式交流电产生的原理图4矩形线框绕垂直于匀强磁场的轴O转动时，线圈的两条边切割磁感线产生感应电动势，如图4所示．设线圈的匝数为n，转动角速度为ω，两对边分别为l1和l2(其中ab边为l1，ad边为l2)．若从中性面开始计时，经时间t转到如图所示位置．则t时间线框转过ωt角．ab边产生的电动势e1＝nBl1ω·12l2sinωt.cd边产生的电动势e2＝nBl1ω·12l2sinωt.由右手定则可知：e1和e2环绕方向相同．故总电动势e＝e1＋e2＝nBl1l2ωsinωt＝nBSωsinωt.其中nBSω为电动势的最大值．图5【例1】如图5所示，边长为l的正方形线圈abcd的匝数为n，ad边的中点和bc边的中点的连线OO′恰好位于匀强磁场的边界上，磁感应强度为B，线圈与外电阻R构成闭合3电路，整个线圈的电阻为r.现在让线圈以OO′连线为轴，以角速度ω匀速转动，从图示时刻开始计时，求：(1)闭合电路中电流瞬时值i的表达式；(2)当t＝π4ω时，电阻R两端的电压值．[规范思维][针对训练1]在匀强磁场中，一矩形金属框绕与磁感线垂直的转轴匀速转动，如图6所示，产生的交变电动势的图象如图7所示，则()图6图7A．t＝0.005s时线框的磁通量变化率为零B．t＝0.01s时线框平面与中性面重合C．线框产生的交变电动势有效值为311VD．线框产生的交变电动势频率为100Hz二、正弦式交流电的图象的应用物理量函数(从中性面计时)图象磁通量Φ＝Φmcosωt＝BScosωt4电动势e＝Emsinωt＝nBSωsinωt路端电压u＝Umsinωt电流i＝Imsinωt【例2】如图8(a)所示，一矩形线圈abcd放置在匀强磁场中，并绕过ab、cd中点的轴OO′以角速度ω逆时针匀速转动．若以线圈平面与磁场夹角θ＝45°时为计时起点，如图(b)所示，并规定当电流自a流向b时为正方向．则下面所示的四幅图中正确的是()图8[规范思维]5图9[针对训练2]小型交流发电机中，矩形金属线圈在匀强磁场中匀速转动，产生的感应电动势与时间成正弦函数关系，如图9所示，此线圈与一个R＝10Ω的电阻构成闭合电路，不计电路的其他电阻，下列说法正确的是()A．交变电流的周期为0.125sB．交变电流的频率为8HzC．交变电流的的有效值为2AD．交变电流的的最大值为4A三、非正弦交流电有效值的计算方法只有正弦式交变电流才能用的关系，其他交变电流都不满足这一关系，只能根据有效值的定义进行计算．计算时要注意两点，一：若交变电流正负半周最大值不相等时，应分段计算电热；二：取一个周期计算电热．【例3】如图10所示为一交变电流的i－t图象，该交变电流的有效值为多少？图10[规范思维]6[针对训练3]图11如图11所示的区域内有垂直于纸面的匀强磁场，磁感应强度为B.电阻为R、半径为L、圆心角为45°的扇形闭合导线框绕垂直于纸面的O轴以角速度ω匀速转动(O轴位于磁场边界)．则线框内产生的感应电流的有效值为()A.BL2ω2RB.2BL2ω2RC.2BL2ω4RD.BL2ω4R四、交流电四值的比较和应用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＝Emsinωti＝Imsinωt计算线圈某时刻的受力情况峰值最大的瞬时值Em＝nBSωIm＝讨论电容器的击穿电压有效值跟交变电流的热效应等效的恒定电流值对正(余)弦交变电流有：E＝Em/2U＝Um/2I＝Im/2(1)计算与电流的热效应有关的量(如功、功率、热量等)(2)电器设备“铭牌”上所标的一般是有效值(3)保险丝的熔断电流值为有效值平均值交变电流图象中图线与时间轴所围的面积与时间的比值E＝BlvE＝nΔΦΔtI＝ER＋r计算通过电路截面的电荷量【例4】一台小型发电机产生的电动势随时间变化的正弦规律图象如图12甲所示．已知发电机线圈内阻为5.0Ω，现外接一只电阻为95.0Ω的灯泡，如图乙所示，则()7图12A．电压表V的示数为220VB．电路中的电流方向每秒钟改变50次C．灯泡实际消耗的功率为484WD．发电机线圈内阻每秒钟产生的焦耳热为24.2J[针对训练4]图13如图13所示，在匀强磁场中匀速转动的矩形线圈的周期为T，转轴O1O2垂直于磁场方向，线圈电阻为2Ω.从线圈平面与磁场方向平行时开始计时，线圈转过60°时的感应电流为1A．那么()A．线圈消耗的电功率为4WB．线圈中感应电流的有效值为2AC．任意时刻线圈中的感应电动势为e＝4cos2πTtD．任意时刻穿过线圈的磁通量为Φ＝Tπsin2πTt【基础演练】1．如下图所示的线圈中产生了交变电流的是()2．一正弦交流电的电压随时间变化的规律如图14所示．由图可知()图148A．该交流电的电压瞬时值的表达式为u＝100sin(25t)VB．该交流电的频率为25HzC．该交流电的电压的有效值为1002VD．若将该交流电压加在阻值为R＝100Ω的电阻两端，则电阻消耗的功率是50W3．矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动，下列说法正确的是()A．在中性面时，通过线圈的磁通量最大B．在中性面时，感应电动势最大C．穿过线圈的磁通量为零时，感应电动势也为零D．线圈每个周期内通过中性面两次，电流方向改变一次4．一个矩形线圈在匀强磁场中转动产生的交变电流的电动势e＝2202sin100πtV，那么()A．该交变电流的频率是100HzB．当t＝0时，线圈平面恰好与中性面垂直C．当t＝1200s时，e有最大值D．该交变电流电动势的有效值为2202V5．如图15甲所示，为一种调光台灯电路示意图，它通过双向可控硅电子器件实现了无级调节亮度．给该台灯接220V的正弦交流电后加在灯管两端的电压如图乙所示，则此时交流电压表的示数为()图15A．220VB．110VC.2202VD.1102V6．电吹风是电动机带动风叶转动的装置，电热丝给空气加热得到热风．设电动机线圈和电热丝的总电阻为R，接在一电压为u＝U0sinωt的交流电源上，若已知电吹风使用时消耗的功率为P，通过电热丝和电动机线圈的总电流为I，则有()A．PU202RB．PI2RC．P＝I2RD．P＝22U0I【能力提升】7．在两块金属板上加上交变电压u＝Umsin2πTt，当t＝0时，板间有一个电子正好处于静止状态．下面关于电子以后的运动情况的判断正确的是()A．t＝T时，电子回到原出发点B．电子始终向一个方向运动C．t＝T/2时，电子将有最大速度D．t＝T/2时，电子的位移最大题号1234567答案8.把电压u＝1202sinωtV、频率为50Hz的交变电流加在激发电压和熄灭电压均为u0＝602V的霓虹灯的两端．(1)求在一个小时内，霓虹灯发光时间有多长．9(2)试分析为什么人眼不能感到这种忽明忽暗的现象？(已知人眼的视觉暂留时间约为116s)学案48交变电流的产生和描述【课前双基回扣】1．C2.CD3．B[t1、t3时刻通过线圈的磁通量Φ的绝对值最大，磁通量变化率ΔΦΔt＝0，此时感应电动势、感应电流为零，线圈中感应电流方向改变，A错误，B正确；t2、t4时刻线圈中磁通量为零，磁通量的变化率最大，即感应电动势最大，C、D错误．]4．B[甲为矩形交变电流，它的大小恒为Im，方向做周期性的变化，而电流通过电阻的热功率跟电流的方向无关，所以矩形交变电流通过电阻R的热功率P甲＝Im2R；乙为正弦交变电流，计算热功率时要用电流的有效值：I＝Im2，所以P乙＝I2R＝(Im2)2R＝Im22R＝P甲2，故P甲P乙＝21，B正确．]5．BD[根据图象可知该交变电流的最大值为100V，周期为4×10－2s，所以频率为25Hz.]思维提升1．只有闭合线圈绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时，才能产生正弦式交变电流．2．有效值是根据电流的热效应来定义的．只有正弦式电流才有：E＝Em2，I＝Im2.求电功、电热、电表示数，铭牌标识，指的都是有效值．3．线圈在中性面位置特点：Φ最大，e＝0，电流换方向，线圈在垂直中性面位置特点：10Φ＝0，ΔΦΔt最大，e最大．4．若线圈从中性面开始计时，表达式为e＝Em·sinωt，若线圈从垂直中性面开始计时，表达式为e＝Emcosωt.【核心考点突破】例1(1)i＝nBl2ω2R＋rsinωt(2)2nBl2ωR4R＋r解析(1)沿O′O方向看去，磁场分布的侧视图如下图所示．由图可知，线圈转动时只有一条边切割磁感线，产生感应电动势，在t时刻线圈的电动势为：e＝nBlv1＝nBlv·sinωt其中v＝ω·l2解得e＝12nBl2ωsinωt根据闭合电路欧姆定律可知，闭合电路中的电流为：i＝eR＋r＝nBl2ω2R＋rsinωt.(2)由电流瞬时值表达式知，t＝π4ω时，流过电阻R的电流为i1＝nBl2ω2R＋rsin(ω·π4ω)＝2nBl2ω4R＋r由部分电路欧姆定律知，t＝π4ω时，电阻R两端电压为u＝i1R＝2nBl2ωR4R＋r.[规范思维]当线圈从中性面位置开始计时时，电流的瞬时值表达式才是正弦形式，而从垂直中性面位置开始计时时为余弦形式，还要注意：Em＝nBSω中，S为有效面积，且与线圈的形状无关．例2D[由楞次定律知，t＝0时，感应电流方向为负，线圈平面与中性面的夹角为π2－θ＝π4，线圈再转过π4到达中性面，所以，在线圈转过π4的过程中电流在减小，θ＝π4时，i＝0，因而只有D项正确．][规范思维]解答本题应注意以下三方面：(1)t＝0时刻感应电流的方向；11(2)利用t＝0时刻的速度确定感应电动势大小；(3)判定t＝0时刻后短时间内电流的变化趋势．例31.9A解析从题图可知交流电周期T＝0.4s，t1＝0.1s，t2＝0.1s，t3＝0.15s，t4＝0.05s，设其有效值为I，则：I21Rt1＋I22Rt2＋I23Rt3＋I24Rt4＝I2RT，其中I1＝3A，I2＝2A，I3＝1A，I4＝0，代入上式，得I≈1.9A.[规范思维](1)计算有效值一般取交变电流的一个周期；(2)不要盲目套用公式，2倍关系只适用于正弦式交流电．例4D[由图甲可知，感应电动势最大值为2202V，故其有效值为220V，电压表测量的是灯泡两端的电压，U＝209V，A错；交流电的周期T＝0.02s，一个周期内电流的方向改变2次，故其方向每秒改变100次，B错；灯泡消耗的功率P＝I2R＝(22095＋5)2×95W＝459.8W，C错；发电机内阻每秒产生的热量Q＝I2rt＝(22095＋5)2×5×1J＝24.2J，D对．][规范思维]计算热量、电功率，电流表、电压表的示数等用的都是有效值．而计算电荷量需用平均