第13章 第1讲 交变电流的产生和描述-【优化探究】2025年高考物理一轮复习高考总复习配套课件（教科版2019）

第1讲　交变电流的产生和描述 第十三章　交变电流　传感器 电磁波　相对论 基础知识 自主梳理 核心知识 典例研析 分层训练 巩固提高 考点一　交变电流的产生和规律描述 考点二　有效值的理解与计算 考点三　交变电流“四值”的理解和应用 内容索引 基础知识 自主梳理 一 3 一、交变电流 1．交变电流(AC)：电流和电压的______和________都随时间做周期性变化。正弦式交变电流是最简单、最基本的交变电流。如图所示是几种不同类型的交变电流。 大小 方向 2．正弦式交变电流的产生条件和图像 (1)产生条件：在匀强磁场中，线圈绕________磁场方向的轴________转动。 垂直于 匀速 (3)电流方向的改变：线圈通过________时，电流方向发生改变，一个周期内线圈两次通过中性面，因此电流的方向一个周期改变______。 改变 不改变 中性面 两次 (4)图像：线圈从中性面位置开始计时，穿过线圈的磁通量Φ、电动势e、电压u和电流i随时间t变化的图像分别如图甲、乙、丙、丁所示。 (5)方程：Φ＝____________＝____________，e＝____________＝____________，u＝____________，i＝____________。 Φmcos ωt BS cos ωt Emsin ωt NBS ωsin ωt Umsin ωt Imsin ωt 周期性 单位时间 赫兹 2．交变电流的“四值” (1)瞬时值：交变电流某一________的值，是时间的函数，如e＝____________。 (2)峰值：交变电流的电流或电压所能达到的______值。 (3)有效值：让交变电流和________电流分别通过相同阻值的电阻，如果在交变电流的一个周期内它们产生的________相等，就把这一恒定电流的数值叫作这一交变电流的有效值。 时刻 Emsin ωt 最大 恒定 热量 面积 二 核心知识 典例研析 13 考点一　交变电流的产生和规律描述 基础考点 1．交流电产生过程中的两个特殊位置规律展示 2.正弦式交变电流的变化规律(线圈在中性面位置开始计时) 考向1　正弦交流电的产生原理 [典例1]　两人在赤道上站立，各自手握金属绳OPO′的一端，绕东西方向的水平轴沿顺时针方向匀速摇动金属绳，周期为T。将金属绳连入电路，闭合回路如图所示，取金属绳在图示的最高位置时为t＝0时刻，则下列说法正确的是(　　) 考向2　正弦交流电的描述 [典例2]　(多选)(2023·四川成都石室中学三模)如图甲所示，KLMN是一个电阻R＝0.4 Ω的单匝竖直矩形闭合导线框，全部处于水平方向的匀强磁场中，MN边水平，线框绕某一竖直固定轴按俯视的逆时针方向匀速转动，产生的感应电流如图乙所示。下列说法正确的是(　　) 考点二　有效值的理解与计算 能力考点 (2)定义法：对于非正弦式电流，计算有效值时要抓住“三同”，即“相同时间”内“相同电阻”上产生“相同热量”，列式求解时，时间一般取一个周期或周期的整数倍。 (3)能量守恒法：当有电能和其他形式的能相互转化时，可利用能量守恒定律来求有效值。 3．“三步法”计算有效值 4．常见案例 四种非常规图像的有效值 考向1　正弦交流电有效值的计算 [典例3]　(多选)(2023·湖南卷)某同学自制了一个手摇交流发电机，如图所示。大轮与小轮通过皮带传动(皮带不打滑)，半径之比为4∶1，小轮与线圈固定在同一转轴上。线圈是由漆包线绕制而成的边长为L的正方形，共n匝，总阻值为R。磁体间磁场可视为磁感应强度大小为B的匀强磁场。大轮以角速度ω匀速转动，带动小轮及线圈绕转轴转动，转轴与磁场方向垂直。线圈通过导线、滑环和电刷连接一个阻值恒为R的灯泡。假设发电时灯泡能发光且工作在额定电压以内。下列说法正确的是(　　) 考向2　非正弦交流电有效值的计算 [典例4]　如图甲、乙分别是两种交流电的i2－t、i－t关系图像，则这两种交流电的有效值之比为(　　) A [典例5]　在如图甲所示电路中，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之间加一个如图乙所示的交变电压(电压为正值时，UAB>0)。由此可知(　　) 考点三　交变电流“四值”的理解和应用 能力考点 正弦式交变电流的“四值”及应用 [典例6]　(2024·四川绵阳高三诊断)如图甲所示，为一台小型发电机的示意图，单匝线圈匀速转动，产生的电动势e随时间t的变化规律如图乙所示。已知发电机线圈内阻为0.2 Ω，小灯泡的电阻恒为0.8 Ω。则(　　) [典例7]　如图所示，N＝50匝的矩形线圈abcd，ab边长l1＝20 cm，ad边长l2＝25 cm，放在磁感应强度B＝0.4 T的匀强磁场中，外力使线圈绕垂直于磁感线且通过线圈中线的OO′轴以n＝3 000 r/min的转速匀速转动，线圈电阻r＝1 Ω，外电路电阻R＝9 Ω。t＝0时线圈平面与磁感线平行，ab边正转出纸外、cd边正转入纸里。求：(π≈3.14) (1)t＝0时线圈中感应电流的方向； [答案]　(1)adcba　 (1)根据右手定则知，t＝0时线圈中感应电流的方向为adcba。 (2)感应电动势的瞬时值表达式； [答案]　(2)e＝314cos 100πt V (2)线圈的角速度ω＝2πn＝100π rad/s 题图位置的感应电动势最大，其大小为 Em＝NBl1l2ω 代入数据得Em＝314 V 感应电动势的瞬时值表达式为 e＝Emcos ωt＝314cos 100πt V。 (3)线圈转一圈外力做的功； [答案]　(3)98.6 J　 (4)从图示位置转过90°的过程中流过电阻R的电荷量。 [答案]　(4)0.1 C 三 分层训练 巩固提高 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 【A级　夯实基础】 1．(多选)(2024·四川绵阳南山中学高三诊断)如图所示，(a)→(b)→(c)→(d)→(e)过程是交流发电机发电的示意图，线圈的ab边连在金属滑环K上，cd边连在金属滑环L上，用导体制成的两个电刷分别压在两个滑环上，线圈在转动时可以通过滑环和电刷保持与外电路连接，线圈转动的角速度为ω，线圈中最大电流为Im，以下说法正确的是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 A．图(a)中，线圈平面与磁感线垂直，磁通量变化率为零 B．从图(b)开始计时，线圈中电流随时间t变化的关系式i＝Imsin ωt C．当线圈转到图(c)位置时，感应电流最小，且电流改变方向 D．当线圈转到图(d)位置时，感应电动势最小，ab边电流方向为b→a 答案：AC 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 图(a)中，线圈在中性面位置，故穿过线圈的磁通量最大，磁通量变化率为0，故A正确；从图(b)开始计时，此时线圈垂直于中性面，线圈中感应电流最大，感应电流的表达式为i＝Imcos ωt，故B错误；当线圈转到图(c)位置时，线圈在中性面位置，故穿过线圈的磁通量最大，产生的感应电流最小为零，电流方向将改变，故C正确；当线圈转到图(d)位置时，磁通量最小，磁通量的变化率最大，故感应电动势最大，ab边感应电流方向为b→a，故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 3.(2022·广东卷)如图是简化的某种旋转磁极式发电机原理图。定子是仅匝数n不同的两线圈，n1>n2，二者轴线在同一平面内且相互垂直，两线圈到其轴线交点O的距离相等，且均连接阻值为R的电阻，转子是中心在O点的条形磁铁，绕O点在该平面内匀速转动时，两线圈输出正弦式交变电流。不计线圈电阻、自感及两线圈间的相互影响。下列说法正确的是(　　) A．两线圈产生的电动势的有效值相等 B．两线圈产生的交变电流频率相等 C．两线圈产生的电动势同时达到最大值 D．两电阻消耗的电功率相等 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 二极管具有单向导电性，因此电路中只有正向电流，图像如图所示。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 5．(多选)某闭合金属线圈在匀强磁场中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规律变化。已知线圈匝数为100，总电阻为1 Ω，π2取10，则下列说法正确的是(　　) A．t＝0时，线圈中的感应电动势为0 B．t＝1 s时，线圈中的电流改变方向 C．t＝3 s时，线圈平面垂直于磁感线 D．4 s内，线圈中产生的焦耳热为125 J AD 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 由题图可知，t＝0时，穿过线圈的磁通量最大，线圈所在平面与中性面重合，线圈中感应电动势为0，A正确；t＝1 s时，穿过线圈的磁通量为0，线圈所在平面垂直于中性面，线圈中感应电流最大，线圈中的电流方向不改变，B错误；t＝3 s时，穿过线圈的磁通量为0，线圈所在平面垂直于中性面，线圈平面平行于磁感线，C错误；线圈中产生的感应电流为正弦交流电，周期为T＝4 s，则 Em＝NBSω Φmax＝BS 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 6．(多选)如图所示，图线a是线圈在匀强磁场中匀速转动时所产生的正弦交流电的图像，当调整线圈转速后，所产生的正弦交流电的图像如图线b所示。以下关于这两个正弦交流电的说法正确的是(　 　) BCD 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 7．(多选)(2023·湖南岳阳检测)图甲是小型交流发电机的示意图，两磁极N、S间的磁场可视为水平方向的匀强磁场，矩形线圈ABCD绕垂直于磁场方向的水平轴OO′沿逆时针方向匀速转动。t＝0时刻线圈从中性面开始转动，电压传感器显示其产生的电压如图乙所示。下列选项正确的是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 【B级　能力提升】 8．(多选)(2023·陕西咸阳模拟)如图所示，发电机内部线圈处于磁体和圆柱形铁芯之间的径向磁场中，磁体的N、S极间的过渡区域宽度很小，可忽略不计。线圈的匝数为N、面积为S、总电阻为r，线圈所在位置的磁感应强度大小为B。当线圈以角速度ω匀速转动时，额定电压为U、电阻为R的小灯泡在电路中恰能正常发光，则(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 9．(2023·山东德州模拟)如图所示，坐标系xOy的第一、四象限的两块区域内分别存在垂直纸面向里、向外的匀强磁场，磁感应强度的大小均为1.0 T，两块区域曲线边界的曲线方程为y＝0.5sin 2πx m(0≤x≤1.0 m)。现有一单匝矩形导线框abcd在拉力F的作用下，从图示位置开始沿x轴正方向以2 m/s的速度做匀速直线运动。已知导线框长为1 m、宽为0.5 m、总电阻为1 Ω，开始时bc边与y轴重合，则导线框穿过两块区域的整个过程拉力F做的功为(　　) A．0.25 J　　　　　　　 B．0.375 J C．0.5 J D．0.75 J D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 10．如图所示，间距为L的光滑平行金属导轨，水平地放置在竖直向上且磁感应强度大小为B的匀强磁场中，一端接阻值为R的电阻。一有效电阻为r、质量为m的导体棒放置在导轨上，在外力F作用下从t＝0时刻开始运动，其速度随时间的变化规律为v＝vmsin ωt，不计导轨电阻。求： 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 $$