《三维设计》2014新课标高考物理一轮总复习课件 第十章第1单元交变电流的产生及描述(57张ppt).ppt

交变电流的产生及变化规律,想一想,线圈在匀强磁场中转动产生交变电流，线圈平面每转动一周，感应电流的方向改变几次？线圈在什么位置，电流方向会发生改变？ 提示 线圈每经过中性面一次，感应电流的方向就改变一次，线圈平面每转动一周，经过两次中性面，故感应电流的方向改变两次。,超链接,记一记,1交变电流 (1)定义： 和 都随时间做周期性变化的电流。 (2)图象：如图1011(a)、(b)、(c)、(d)所示都属于交变电流。其中按正弦规律变化的交变电流叫正弦式交变电流，如图1011(a)所示。,大小,方向,图1011,2正弦式电流的产生和图象 (1)产生：在匀强磁场里，线圈绕 方向的轴匀速转动。 (2)图象：用以描述交流电随时间变化的规律，如果线圈从中性面位置时开始计时，其图象为正弦曲线。如图1011(a)所示。,垂直于磁场,nBSsin t,nBS,3正弦式电流的函数表达式,试一试 1一只矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀 速转动，穿过线圈的磁通量随时间变化的图象如图1012甲所示，则下列说法正确的是 ( ),图1012,At0时刻，线圈平面与中性面垂直 Bt0.01 s时刻，的变化率最大 Ct0.02 s时刻，交流电动势达到最大 D该线圈产生的交流电动势的图象如图乙所示,答案：B,描述正弦式电流的物理量,想一想,有一个10匝的正方形线框，边长为20 cm，线框总电阻为1 ，线框绕OO轴 以10 rad/s的角速度匀速转动，如图10 13所示，垂直于线框平面向里的匀 强磁场的磁感应强度为0.5 T。则正弦式电流电动势和电流的峰值和有效值分别为多少？,图1013,记一记,一次周期性,次数,热效应,热量,有效值,试一试 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 感应电动势与时间呈正弦函数关 系，如图1014所示。此线圈 与一个R10 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 ( ),图1014,A交变电流的周期为0.125 s B交变电流的频率为8 Hz,答案：C,正弦式交变电流的变化规律,1.正弦式电流的变化规律(线圈在中性面位置开始计时),eEm·sin nBSsin t t,电动势,m·cos tBScos t,磁通量,图象,函数,规律 物理量,图象,函数,规律 物理量,电压,电流,2两个特殊位置的特点,3书写交变电流瞬时值表达式的基本思路 (1)确定正弦式交变电流的峰值，根据已知图象读出或由公式EmnBS求出相应峰值。 (2)明确线圈的初始位置，找出对应的函数关系式。 若线圈从中性面位置开始转动，则it图象为正弦函数图象，函数式为iImsin t。 若线圈从垂直中性面位置开始转动，则it图象为余弦函数图象，函数式为iImcos t。,例1 (2012·安徽高考)图1015甲是交流发电机模型示意图。在磁感应强度为B的匀强磁场中，有一矩形线圈abcd可绕线圈平面内垂直于磁感线的轴OO转动，由线圈引出的导线ae和df分别与两个跟线圈一起绕OO转动的金属圆环相连接，金属圆环又分别与两个固定的电刷保持滑动接触，这样矩形线圈在转动中就可以保持和外电路电阻R形成闭合电路。图乙是线圈的主视图，导线ab和cd分别用它们的横截面来表示。已知ab长度为L1，bc长度为L2，线圈以恒定角速度逆时针转动。(只考虑单匝线圈),图1015,(1)线圈平面处于中性面位置时开始计时，试推导t时刻整个线圈中的感应电动势e1的表达式； (2)线圈平面处于与中性面成0夹角位置时开始计时，如图丙所示，试写出t时刻整个线圈中的感应电动势e2的表达式； (3)若线圈电阻为r，求线圈每转动一周电阻R上产生的焦耳热。(其他电阻均不计),交变电流瞬时值表达式求法： (1)先求电动势的最大值EmnBS；,(3)明确从哪一位置开始计时，从而确定是正弦函数还是余弦函数； (4)写出瞬时值的表达式。,交流电“四值”的理解与应用,交变电流的瞬时值、峰值、有效值和平均值的比较,讨论电容器的击穿电压,最大的瞬时值,峰值,计算线圈某时刻的受力情况,eEmsin t iImsin t,交变电流某一时刻的值,瞬时值,适用情况及说明,重要关系,物理含义,物理量,(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”上所标的一般是指有效值 (3)保险丝的熔断电流为有效值,跟交变电流的热效应等效的恒定电流的值,有效值,适用情况及说明,重要关系,物理含义,物理量,计算通过电路截面的电荷量,交变电流图象中图线与时间轴所夹的面积与时间的比值,平均值,适用情况及说明,重要关系,物理含义,物理量,例2 (2013·河北衡水调研)如图101 6所示，在磁感应强度为B的匀强磁场中， 有一矩形线圈，面积为S，匝数为N，内阻 为r，绕垂直磁感线的对称轴OO以角速度匀速转动，从图示位置转90°的过程中，下列说法正确的是( ),图1016,审题指导 第一步：抓关键点,产生余弦式交流电,从图示位置开始计时,线圈中产生交流电,匀强磁场、转轴垂直于磁场、匀速转动,获取信息,关键点,第二步：找突破口 (1)要求产生电量应利用电流的平均值。 (2)要求平均功率应利用电流的有效值。 (3)要求瞬时值表达式eEmcos t。,答案 BC,模型概述 “电动机”模型和“发电机”模型是高考题中时常出现的两种物理模型，凡在安培力作用下在磁场中运动的通电导体均可看做电动机模型，在外力作用下在磁场中做切割磁感线运动的导体均可看做发电机模型，此模型综合考查了磁场力的作用、电磁感应、恒定电流、交流电、能量转化与守恒等知识。,超链接,右手抓着发电机,左手抓着电动机,形象比喻,(1)产生的感应电动势方向由右手定则判定 (2)感应电动势大小由法拉第电磁感应定律计算 (3)注意感应电流的最大值、瞬时值、有效值和平均值的计算 (4)能量转化中满足守恒,(1)受力由左手定则来判断 (2)能量关系：P总P输出P热 (3)实际功率：P实际P额定 (4)电压、电流关系：UIR,解题要点,机械能转化为电能,电能转化为机械能,能量转化,闭合线圈在磁场中受外力转动，产生感应电动势,通电线圈在磁场中受到安培力而转动,工作原理,发电机,电动机,典例 如图1017甲所示是某同学设计的一种振动发电装置的示意图，一个半径r0.10 m、匝数n20的线圈套在永久磁铁槽中，磁场的磁感线均沿半径方向均匀分布(其右视图如图乙所示)。在线圈所在位置磁感应强度B的大小均为B0.20 T，线圈的电阻为R10.50 ，它的引出线接有R29.5 的小电珠L。外力推动线圈框架的P端，使线圈沿轴线做往复运动，便有电流通过电珠。当线圈向右的位移x随时间t变化的规律如图丙所示时(x取向右为正)。求：,(1)线圈运动时产生的感应电动势E的大小； (2)线圈运动时产生的感应电流I的大小； (3)每一次推动线圈运动过程中作用力F的大小； (4)该发电机的输出功率P。,图1017,(3)由于线圈每次运动都是匀速直线运动，由平衡条件F推F安，即F推nBI2r20×0.2×0.2×2×3.14×0.1 N0.5 N。 (4)发电机的输出功率即小电珠的电功率PI2R20.22×9.5 W0.38 W。 答案 (1)2 V (2)0.2 A (3)0.5 N (4)0.38 W,题后悟道 (1)线圈在辐射形磁场中切割磁感线产生的电动势等于每匝线圈产生电动势的和。 (2)线圈所受的安培力等于各匝线圈所受安培力的和。 (3)线圈是电源，灯泡是负载，其能量来源是推力做的功。,如图1018所示为电动机的简化模型，线圈abcd可绕轴O1O2自由转动。当线圈中通入如图所示的电流时，顺着O1O2的方向看去，线圈将 ( ),图1018,A顺时针转动 B逆时针转动 C仍然保持静止 D既可能顺时针转动，也可能逆时针转动 解析：在题中图示位置，由左手定则可以判断，ab边受到的安培力向上，cd边受到的安培力向下，则线圈顺时针转动，故A项正确。 答案：A,随堂巩固落实,1(2013·唐山模拟)一矩形线圈绕垂直于 匀强磁场方向、并位于线圈平面内的 固定轴转动，线圈中的感应电动势e 随时间t的变化情况如图1019所示，则( ) At1时刻穿过线圈的磁通量为零 Bt2时刻穿过线圈的磁通量为零,图1019,Ct3时刻穿过线圈的磁通量变化率为零 Dt4时刻穿过线圈的磁通量变化率为零 解析：t1时刻穿过线圈的磁通量为零，感应电动势最大；t2时刻穿过线圈的磁通量最大，感应电动势为零；t3时刻穿过线圈的磁通量变化率最大，感应电动势最大；t4时刻穿过线圈的磁通量变化率为零，感应电动势为零，选项A、D正确。 答案：AD,2.通过某电流表的电流按如图101 10所示的规律变化，则该电流表的 读数为 ( ),图10110,答案：C,3在匀强磁场中，一矩形金属线框绕与磁感线垂直的 转轴匀速转动，如图10111甲所示，产生的交变电动势的图象如图乙所示，则 ( ),图10111,At 0.005 s 时线框的磁通量变化率为零 Bt 0.01 s 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 311 V D线框产生的交变电动势频率为 100 Hz,答案：B,A周期是0.01 s B最大值是311 V C有效值是220 V D表达式为u220sin 100t(V) 解析：由交变电流的图象知，周期是0.02 s，A项错；最大值是311 V，B项正确；有效值是220 V，C项正确；瞬时值表达式为u311 sin (100t) V，D项错误。,4如图10112是某种正弦式交变 电压的波形图，由图可确定该电 压的 ( ),图10112,答案：BC,5. 如图10113所示，矩形线圈abcd在磁感 应强度B2 T的匀强磁场中绕轴OO以角 速度10 rad/s匀速转动，线圈共10匝， 电阻r5 ，ab0.3 m，bc0.6 m，负 载电阻R45 。求： (1)写出从图示位置开始计时线圈中感应电动势的瞬时值表达式； (2)电阻R在0.05 s内产生的热量； (3)0.05 s内流过电阻R上的电荷量(设线圈从垂直中性面开始转动)。,图10113,解析：(1)电动势的最大值为EmnBS10 ×2 ×0.3 ×0.6 ×10 V113.04 V 故瞬时值表达式eEmcos t113.04cos (10t) V,答案：(1)e113.04cos 10t V (2)5.76 J (3)0.072 C,课时跟踪检测 见“课时跟踪检 测（三十七）”,（给有能力的学生加餐）,A0.2 s B0.02 s C0.01 s D0.005 s,答案：C,2在如图1甲所示的电路中，电阻R的阻值为50 ，在 ab间加上图乙所示的正弦交流电，则下面说法中正确的是 ( ),图1,A交流电压的有效值为100 V B电流表示数为2 A,C产生该交流电的线圈在磁场中转动的角速度为3.14 rad/s D在1分钟内电阻R上产生的热量为1.2×104 J,答案：ABD,3.实验室里的交流发电机可简化为如图2所 示的模型，正方形线圈在水平匀强磁场 中，绕垂直于磁感线的OO轴匀速转动。 今在发电机的输出端接一个电阻R和理 想电压表，并让线圈每秒转25圈，读出 电压表的示数为10 V。已知R10 ，线圈电阻忽略不计，下列说法正确的是 ( ),图2,C流过电阻R的电流每秒钟方向改变50次 D电阻R上的热功率等于20 W,答案：BC,4(2012·西安五校联考)如图3所示，N匝矩形 导线框以角速度在磁感应强度为B的匀强 磁场中绕轴OO匀速转动，线框面积为S， 线框的电阻、电感均不计，外电路接有电 阻R、理想电流表 和二极管D。二极管D具有单向导电性，即正向电阻为零，反向电阻无穷大。下列说法正确的是 ( ),图3,答案：D,5.如图4所示，矩形线圈abcd在匀强磁场中 可以分别绕垂直于磁场方向的轴P1和P2 以相同的角速度匀速转动，当线圈平面 转到与磁场方向平行时 ( ) A线圈绕P1转动时的电流等于绕P2转动时的电流 B线圈绕P1转动时的电动势小于绕P2转动时的电动 势,图4,C线圈绕P1和P2转动时电流的方向相同，都是a b c d D线圈绕P1转动时dc边受到的安培力大于绕P2转动时dc 边受到的安培力 解析：只要线圈绕垂直于磁感线的轴转动，在其他量相同时，产生的电动势与转轴的位置无关，故A对，B错；根据楞次定律，线圈绕P1和P2转动时电流的方向相同，都是adcb，C错；绕两轴转动时，在同一位置的瞬时电流相同，同一边受到的安培力也相同，D错。 答案：A,