2020届高考物理总复习 11.1 交变电流的产生与描述课件 新人教版

11交变电流传感器考纲解读考情动态第一节交变电流的产生与描述知识架构答案1．方向2.线圈平面与磁感线垂直的位置3.nBSω4.热效应最大值基础自测判断正误(1)在一个周期内，正弦交流电的方向改变两次.()(2)最大值和有效值之间的2倍关系只适用于正弦(余弦)交流电.()(3)矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时，一定会产生正弦式交变电流．()(4)线圈在磁场中转动的过程中穿过线圈的磁通量最大时，产生的感应电动势也最大．()(5)矩形线圈在匀强磁场中匀速转动经过中性面时，线圈中的感应电动势为零，电流方向发生改变．()(6)交流电气设备上所标的电压和电流值是交变电流的有效值．()(7)交流电压表和电流表测量的是交流电的峰值．()(8)保险丝的熔断电流是指电流的峰值．()(9)二极管的耐压值是指电压的峰值．()答案：(1)√(2)√(3)×(4)×(5)√(6)√(7)×(8)×(9)√考点突破1．正弦式交变电流的产生和图象(1)产生：在匀强磁场里，线圈绕垂直于磁场方向的轴匀速转动．(2)图象：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，其图象为正弦曲线．如图11－1－1甲、乙所示．图11－1－12．周期和频率(1)周期(T)：交变电流完成一次周期性变化(线圈转一周)所需的时间，单位是秒(s)，公式T＝2πω.(2)频率(f)：交变电流在1s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＝1f.3．正弦式交变电流的函数表达式(线圈从中性面开始计时)(1)电动势e＝Emsinωt＝nBSωsinωt.(2)电流i＝Imsinωt＝EmR＋rsinωt.(3)电压u＝Umsinωt＝EmRR＋rsinωt.【典例1】(2019年吉林长春质检)边长为a的N匝闭合正方形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线且与线圈在同一平面内的对称轴匀速转动，转速为n，线圈所围面积内的磁通量Φ随时间t变化的规律如图11－1－2所示，图象中Φ0为已知．则下列说法正确的是()图11－1－2A．t1时刻线圈中感应电动势最大B．t2时刻线圈中感应电流为零C．匀强磁场的磁感应强度大小为Φ0Na2D．线圈中瞬时感应电动势的表达式为e＝2NπΦ0ncos2πnt【解析】t1时刻线圈的磁通量最大，但磁通量的变化率为0，根据法拉第电磁感应定律可知此时线圈中感应电动势为0，A项错误；t2时刻线圈的磁通量为零，但磁通量的变化率最大，根据法拉第电磁感应定律可知此时线圈中感应电流为最大值，B项错误；磁通量与线圈匝数无关，根据磁通量的定义可得Φ0＝Ba2，B＝Φ0a2，C项错误；线圈中瞬时感应电动势的表达式为e＝NBSωcosωt＝2NπΦ0ncos2πnt，D项正确．【答案】D变式训练1(2017年高考·天津卷)(多选)在匀强磁场中，一个100匝的闭合矩形金属线圈，绕与磁感线垂直的固定轴匀速转动，穿过该线圈的磁通量随时间按图示正弦规律变化．设线圈总电阻为2Ω，则()图11－1－3A．t＝0时，线圈平面平行于磁感线B．t＝1s时，线圈中的电流改变方向C．t＝1.5s时，线圈中的感应电动势最大D．一个周期内，线圈产生的热量为8π2J解析：A项，t＝0时，磁通量为0，此时线圈平面平行于磁感线，故A项正确．B项，t＝1s时，在1s前后，磁通量的变化率不变，所以线圈中的电流方向不变，故B项错误．C项，t＝1.5s时，磁通量的变化率为0，线圈中的感应电动势为0,故C项错误．D项，感应电动势E＝nΦmωcosωt＝4πcosπt，所以感应电动势有效值E′＝4π2V,一个周期内，线圈产生的热量Q＝E′2RT＝8π2J,故D项正确．综上所述，本题正确答案为AD.答案：AD1．有效值的理解跟交变电流的热效应等效的恒定电流的值叫做交变电流的有效值．对于正弦交流电，其有效值和峰值的关系为E＝Em2，U＝Um2，I＝Im2.2．有效值的计算(1)计算有效值时要注意根据电流的热效应，抓住“三同”：“相同时间”内“相同电阻”上产生“相同热量”列式求解．(2)利用两类公式Q＝I2Rt和Q＝U2Rt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)交流电，其中从零(或最大值)开始的14周期整数倍的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Im＝2I、Um＝2U求解．3．几种典型的交变电流的有效值电流名称电流图象有效值正弦式交变电流I＝Im2正弦半波电流I＝Im2正弦单向脉冲电流I＝Im2矩形脉动电流I＝t0TIm非对称性交变电流I＝12（I21＋I22）【典例2】(2018年高考·课标全国卷Ⅲ)一电阻接到方波交流电源上，在一个周期内产生的热量为Q方；若该电阻接到正弦交变电源上，在一个周期内产生的热量为Q正．该电阻上电压的峰值为u0，周期为T，如图11－1－4所示．则Q方∶Q正等于()图11－1－4A．1∶2B.2∶1C．1∶2D．2∶1【解析】根据焦耳定律知热量与方波中的电流方向的变化无关，故Q方＝u20RT；而正弦交流电电压的有效值等于峰值的12，故Q正＝u022RT＝12·u20RT，所以Q方Q正＝21，D正确．【答案】D变式训练2(2019年福建厦门一中月考)如图11－1－5甲所示的电路，已知电阻R1＝R2＝R，和R1并联的D是理想二极管(正向电阻可视为零，反向电阻为无穷大)，在A、B之间加一个如图11－1－5乙所示的交变电压(电压为正值时，UAB0)．由此可知()图11－1－5A．在A、B之间所加的交变电压的周期为2sB．在A、B之间所加的交变电压的瞬时值表达式为u＝202sin50πt(V)C．加在R1上电压的有效值为10VD．加在R2上电压的有效值为510V解析：由题图乙可得交流电的周期T＝0.02s，故A错误；电压最大值为um＝202V，交变电压的瞬时值表达式为u＝umsinωt＝202sin2πTt(V)＝202sin100πt(V)，故B错误；当电压为正值时A点电势高于B点电势，二极管导通即R1被短路，R2两端电压为电源电压2022V＝20V，电压为负值时B点电势高于A点电势，二极管截止，R1、R2串联分压，设R1两端的电压有效值为U1，根据有效值的定义，一个周期内R1的电热为（10V）2R·T2＝U21RT，解得U1＝52V，同理可得R2两端的电压有效值U2，U22RT＝（20V）2R·T2＋（10V）2R·T2，解得U2＝510V，故C错误，D正确．答案：D物理含义重要关系适用情况瞬时值交变电流某一时刻的值e＝Emsinωt计算线圈某一时刻的受力情况峰值最大的瞬时值Em＝nBSωIm＝EmR＋r确定用电器的耐压值，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E＝Em2U＝Um2I＝Im2(1)计算与电流热效应相关的量(如功率、热量)(2)交流电表的测量值(3)电器设备标注的额定电压、额定电流(3)保险丝的熔断电流平均值交变电流图象中图线与时间轴所围面积与时间的比值E－＝nΔΦΔtI－＝E－R＋r计算通过电路某截面的电荷量【典例3】(2019年河南洛阳尖子生全市第二次联考)(多选)如图11－1－6所示，矩形线圈面积为S，匝数为N，线圈电阻为r，在磁感应强度为B的匀强磁场中绕OO′轴以角速度ω匀速转动，外电路电阻为R，下列判断正确的是()图11－1－6A．电压表的读数为NBSωR2（R＋r）B．当线圈由图示位置转过30°的过程中，通过电阻R的电荷量为NBS2（R＋r）C．在线圈转过一周的过程中，电阻R上产生的焦耳热为N2B2S2ωRπ2（R＋r）2D．当线圈由图示位置转过30°时通过电阻R的电流为NBSω2（R＋r）【解析】电动势的最大值Em＝NBSω，有效值E＝Em2＝NBSω2，电压表的示数为路端电压的有效值，解得U＝RR＋rE＝NBSωR2（R＋r），A正确；线圈转过30°的过程中，通过电阻R的电荷量q＝NΔΦR＋r＝N（BS－BSsin60°）R＋r＝1－32NBSR＋r，B错误；在线圈转过一周的时间内电阻R上产生的热量Q＝U2R·2πω＝N2B2S2ωRπ（R＋r）2，C错误；电流的最大值为Im＝EmR＋r＝NBSωR＋r，电流的瞬时值表达式为i＝Imsinωt，从图示位置转过30°时，ωt＝π6，此时的电流为i＝Im2＝NBSω2（R＋r），D正确．【答案】AD变式训练3如图11－1－7所示，矩形线圈的匝数为N，面积为S，内阻为r，在磁感应强度为B的匀强磁场中绕OO′轴以角速度ω做匀速转动．在它从如图所示的位置转过90°的过程中，下列说法正确的是()图11－1－7A．通过电阻的电荷量为NBSπ22（R＋r）B．通过电阻的电荷量为2NBSR＋rC．外力所做的功为πN2B2S2ω2（R＋r）D．外力所做的功为πN2B2S2ω4（R＋r）解析：流过电阻的电流平均值I＝NΔΦΔt（R＋r），磁通量的变化量为ΔΦ＝BS，通过电阻的电量为Q＝It，联立解得Q＝NBSR＋r，故A、B项错误；产生交流电的电压有效值为U＝Em2＝NBSω2，根据功能关系可知，外力做功和整个电路中产生的焦耳热相等，所以有W＝U2R＋rt＝πN2B2S2ω4（R＋r），故C项错误，D项正确．答案：D规律方法1．解决交变电流图象问题的三点注意(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，其变化规律与线圈的形状及转动轴处于线圈平面内的位置无关．(2)注意峰值公式Em＝nBSω中的S为有效面积．(3)在解决有关交变电流的图象问题时，应先把交变电流的图象与线圈的转动位置对应起来，再根据特殊位置求解．2．求解有效值的一般方法和技巧(1)首先要分析交变电流的变化规律，正弦式交变电流的最大值和有效值的关系是I＝Im2，U＝Um2，非正弦式交变电流一般不符合此关系．(2)对于非正弦式交变电流，可在一个周期内分段求出产生的热量，再求热量的总和Q.将总热量Q用相应的物理量I或U来表示(如Q＝I2Rt或Q＝U2Rt)，则I或U为其交变电流的相应有效值．