内容正文:
2.正弦交变电流的描述
第三章 交流电
1.认识交变电流的周期、频率,知道交流电的周期、频率是由发电
机转子的转动快慢决定的物理量,理解周期、频率、角速度的关
系并会用来分析解决问题。
2.理解交变电流有效值的概念,会用等效法计算分析交变电流的有
效值。
3.知道正弦交变电流有效值与峰值的关系,能区分正弦交变电流四
值的区别并能分析解决相关问题。
素养目标
知识点一 周期和频率
1
知识点二 峰值 有效值
2
知识点三 正弦交变电流四值的比较
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课时测评
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随堂达标演练
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内容索引
知识点四 用图像描述交变电流
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知识点一 周期和频率
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自主学习
情境导学 如图所示,将手摇发电机与发光二极管连成闭合回路,转动发电机的手柄,发现二极管频闪发光,这说明发电机所发的电具有什么
特点?
提示:周期性变化。
教材梳理 (阅读教材P62-P63完成下列填空)
1.周期(T):交变电流做一次________变化所需的时间。
2.频率(f):交变电流完成周期性变化的次数与所用时间的比。
周期性
2πf
合作探究
问题探究 (1)若交变电流是线圈在匀强磁场中匀速转动形成的,则交变电流的周期与线圈做圆周运动的周期是什么关系?
提示:相等
(2)交变电流在1 s内电流方向变化的次数等于它的频率吗?
提示:不等于
关于交变电流的周期和频率,下列说法正确的是
A.正弦交变电流最大值连续出现两次的时间间隔等于周期
B.1 s内交变电流出现最大值的次数等于频率
C.交变电流方向变化的频率为交变电流频率的2倍
D.频率为50 Hz的交变电流,其周期等于 0.05 s
例1
√
在一个周期的时间内,交变电流会出现正向和负向最大值各一次,相邻两个峰值的时间间隔为半个周期,所以交变电流在一个周期内方向改变两次,即方向变化的频率为交变电流频率的2倍,C正确,A、B错误;周期T= s=0.02 s,D错误。
1.对交变电流周期和频率的理解
(1)周期和频率是描述交变电流变化快慢的物理量。
(2)产生交变电流的线圈转动一周,交变电流恰好完成一次周期性变化。
(3)交变电流的周期就是线圈在磁场中转动一周所用的时间;频率就是1 s内线圈在磁场中转动的圈数。
2.我国照明电路交变电流的周期和频率:
(1)周期:T=0.02 s。
(2)频率:f=50 Hz。
(3)角频率:ω=100π rad/s,电流方向每秒钟改变100次。
探究归纳
针对练1.(多选)某小型发电机产生的交变电动势e=50sin(100πt)V,对此电动势,下列表述正确的是
A.频率是50 Hz B.频率是100 Hz
C.周期是0.01 s D.周期是0.02 s
√
√
针对练2. (多选)矩形金属线圈共10匝,绕垂直于磁场方向的转动轴在匀强磁场中匀速转动,线圈中产生的交流电动势e随时间t变化的情况如图所示。下列说法正确的是
A.此交变电流的频率为0.2 Hz
B.1 s内电流方向改变10次
C.t=0.1 s时,线圈平面与磁场方向平行
D.1 s内线圈转5圈
√
√
由题图知T=0.2 s,故f= Hz=5 Hz,即1 s内完成5个周期性变化,线圈转5圈,电流方向改变10次,故A错误,B、D正确;t=0.1 s时,e=0,所以线圈平面与磁场方向垂直,故C错误。
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知识点二 峰值 有效值
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情境导学 如图甲、乙所示,同样的电炉分别使用恒定电流和交变电流烧水,设水的质量相等、初温相同,忽略热量散失。若使用恒定电流10分钟把水烧开,使用交变电流同样用10分钟把水烧开。
自主学习
(1)两种情况下电阻、通电时间、产生的热量相同吗?
提示:都相同
(2)该交变电流与4 A的恒定电流产生的效果相同吗?
提示:相同
(3)该交变电流相当于多大的恒定电流?怎样描述这种效果的意义?
提示:4 A 交变电流的有效值
教材梳理 (阅读教材P63-P65完成下列填空)
1.峰值
(1)定义:交变电流的电压、电流所能达到的最大值。
(2)应用:交流电压的峰值不能超过电容器、二极管所能承受的电压。
2.有效值
(1)定义:如果交流电与某一直流电通过同一______,在交流电的一个周期内产生的热量______,则这个直流电的电流和电压值,就分别称为相应交流电电流和电压的有效值。
(2)正弦交变电流的有效值与峰值的关系
电阻
相等
问题探究 如图表示一交流电的电流随时间而变
化的图像,若将该电流通入某定值电阻R中,分析
以下问题:
合作探究
(3)0~T这段时间内电阻R中产生的电热。
提示:0~T内,Q=Q1+Q2=25RT
(4)若将某恒定电流通入该定值电阻,且0~T时间内与该交流电在该电阻中产生的电热相同,该恒定电流的电流为多大?
提示:5 A
(5)该交流电的有效值为多少?
提示:5 A
如图为一交变电流的图像,则该交变电流的有效值为
例2
√
解题指导 计算电流有效值时,一般将一个周期内的电流分段分析,为正弦交流电 周期整数倍的部分有效值满足正弦交流电的有效值规律,将大小不变的电流看作一部分,然后计算一个周期内的电热,如果与某一恒定电流流过相同电阻在相等时间内产生的电热相等,该恒定电流的电流值即为该交流电的有效值。
1.交变电流有效值的理解
(1)交变电流的有效值是根据电流的热效应定义的。
(2)等效是指恒定电流和交变电流在相同的时间内、在相同的电阻上产生的热量相同。
(3)通常所说的交变电流的电压、电流,用电表测量的交变电流的电压、电流,以及用电器的额定电压、额定电流,还有保险丝的熔断电流,都指其有效值。
探究归纳
2.计算有效值的两种方法
(1)若按正(余)弦规律变化的交变电流,可利用交变电流的有效值与峰值的关系求解,即 。
(2)对于非正弦式交变电流,必须根据有效值的定义进行计算。
第一步:计算交变电流在一个周期内产生的热量Q;
第二步:将热量Q用相应的物理量的有效值表示Q=I2RT或Q=
T;
第三步:代入数值求解有效值
探究归纳
3.几种常见电流有效值的计算
探究归纳
探究归纳
针对练1.(2022·辽宁葫芦岛高二期末)如图为某交变电流随时间变化的图像。则此交变电流的有效值为
√
将交流与直流通过阻值都为R的电阻,设直流电流为I,则根据有效值的
定义有2×(12×R×1+22×R×1) (J)=I2R×4 (J),解得I= A,A正确,B、C、D错误。
针对练2.(2022·云南曲靖市高二期末)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流电源上,在一个周期内产生的热量为Q正,该电阻上电压的峰值均为U0,周期均为T,如图所示。则Q方∶Q正等于
A.1∶ B. ∶1
C.1∶2 D.2∶1
√
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知识点三 正弦交变电流四值的比较
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如图所示,线圈abcd的面积是0.05 m2,共100匝,
线圈电阻为1 Ω,外接电阻R为9 Ω,匀强磁场的磁感应
强度B= T。当线圈以300 r/min的转速匀速旋转时,则:
例3
(1)若从线圈处于中性面开始计时,写出线圈中感应电动
势的瞬时值表达式。
答案:e=50sin(10πt) V
从中性面开始计时,则e=Emsinωt=NBSωsinωt,由题意可知n=300 r/min=5 r/s,ω=2πn代入可得e=50sin(10πt) V。
(2)线圈转过 s时,电动势的瞬时值多大?(结果保留1位小数)
答案:43.3 V
(3)电路中,电压表和电流表的示数各是多少?
(结果保留2位小数)
答案:31.82 V 3.54 A
(4)从中性面开始计时,经 s通过电阻R的电荷
量为多少?
正弦交变电流“四值”的对比
物理含义 重要关系 适用情况
瞬时值 交流电某一时刻的值 e=Emsin ωt
i=Imsin ωt 从中性面开始计时,计算线圈某一时刻的受力情况
最大值 最大的瞬时值 Em=NBSω Im= 确定电容器、二极管等元件的耐压值
探究归纳
物理含义 重要关系 适用情况
有效值 跟交流电的热效应等效的恒定电流值、电压值 (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)电气设备标的额定电压、额定电流
(4)保险丝的熔断电流
平均值 交流电图像中图线与时间轴所围面积与时间之比 计算通过电路中导线横截面的电荷量
探究归纳
针对练1.(2023·重庆一中期末)一正弦交变电流i=2cos(4πt) A。下列说法正确的是
A.该交变电流的最大值为 A
B.该交变电流的有效值为2 A
C.该交变电流的频率为5 Hz
D.每分钟该交变电流的方向变化240次
√
针对练2. (多选)(2023·成都高二阶段练习)如图所示,边长为L的
正方形单匝线圈abcd,电阻为r,外电路的电阻为R,ab的中点
和cd的中点的连线OO′恰好位于匀强磁场的边界线上,磁场的磁
感应强度为B,若线圈从图示位置开始,以角速度ω绕OO′轴匀速
转动,则以下判断正确的是
√
√
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知识点四 用图像描述交变电流
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自主学习
情境导学 如图为正弦式交变电流的e-t图像,结合图像思考以下问题:
(1)该交变电流电动势的峰值、有效值、周期、频率各是多少?
提示:峰值为311 V、有效值为220 V、周期为0.02 s、频率为50 Hz。
(2)写出该交变电流电动势的瞬时值表达式。
提示:电动势的瞬时值表达式e=311sin (100πt) V。
教材梳理 (阅读教材P62-P65完成下列填空)
正弦式交变电流的公式和图像
物理量 函数表达式 图像
电动势 e=Emsin ωt=_____________
电压 u=Umsin ωt=_____________
电流 i=Imsin ωt=_____________
合作探究
问题探究 请思考下列问题:
(1)正弦式交变电流的e -t、u-t、i-t图像是同步变化的吗?
提示:是
(2)工厂用的动力电的电压表达式为u=380 sin (100πt)V,其有效值为
多少?
提示:380 V
(3)正弦式交变电流的电动势表达式可以写成e=Emcos ωt吗?
提示:可以
某小组用图a的风速仪研究交流电,风杯在风力作用下带动与其连在一起的永磁铁转动;某一风速时,线圈中产生的交变电流如图b所示,则
A.该交变电流的周期为t0
B.该交变电流的频率为2t0
C.该交变电流的有效值为 Im
D.该交变电流的峰值为 Im
例4
√
从交变电流图像中可以得到的信息
1.交变电流的最大值Im、Em、Um、周期T。
2.因线圈在中性面时感应电动势、感应电流均为零,磁通量最大,所以可确定线圈位于中性面的时刻及线圈平行于磁感线的
时刻。
3.判断线圈中磁通量的变化情况。
4.分析判断e、i、u随时间的变化规律。
5.根据峰值求有效值等。
探究归纳
针对练1.如图甲为风力发电的简易模型,在风力的作用下,风叶带动与其固定在一起的永磁铁转动,转速与风速成正比。某一风速时,线圈中产生的正弦交变电流如图乙所示,则
A.磁铁的转速为10 r/s
B.每秒钟交变电流方向变化5次
C.风速加倍时交变电流的表达式为i=1.2sin(10πt) A
D.风速加倍时线圈中交变电流的有效值加倍
√
通过题图乙可知电流的最大值为0.6 A,周期T=0.2 s,ω= =10π rad/s,故交变电流的表达式为i=0.6sin(10πt) A,风速加倍时,角速度加倍,根据Em=nBSω,可知产生的感应电动势最大值加倍,形成的感应电流加倍,线圈中交变电流的有效值加倍,故风速加倍时交变电流的表达式为i=1.2sin(20πt) A,C错误,D正确。
针对练2.如图所示,图线a是线圈在匀强磁场中匀速转动时产生的正弦交变电流的图像;当调整线圈转速后,所产生的正弦交变电流的图像如图线b所示。以下关于这两个正弦交变电流的说法中正确的是
A.线圈先后两次转速之比为1∶2
B.交变电流b电压的最大值为 V
C.交变电流a电压的瞬时值表达式u=10sin
(0.4πt) V
D.在图中t=0时刻穿过线圈的磁通量为零
√
由题图可知,周期Ta=0.4 s,Tb=0.6 s,则线圈先后两次转速之比na∶nb=Tb∶Ta=3∶2,故A错误;由感应电动势的最大值Em=NBSω,可知两个电压最大值之比Uma∶Umb=ωa∶ωb=3∶2,则交变电流b电压的最大值为 V,故B正确;
由题图可知,交变电流a电压的最大值Uma=10 V,周期Ta=0.4 s,ωa=
=5π rad/s,则交变电流a电压的瞬时值表达式为u=Umasin ωat=10sin(5πt) V,故C错误;t=0时刻u=0,根据法拉第电磁感应定律可知,磁通量的变化率为零时穿过线圈的磁通量最大,故D错误。
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随堂达标演练
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√
1.如图是一交变电流随时间变化的图像,则此交变电流的有效值是
A.5 A
B.4 A
C. A
D.3 A
√
2.(多选)(选自鲁科版新教材节练习)一个矩形线圈在匀强磁场中转动,产生的感应电动势大小为e=220 sin(100πt) V,则
A.交变电流的频率是100π Hz
B.t=0时,线圈位于中性面
C.交变电流的周期是0.02 s
D.t=0.05 s时,e有最大值
√
√
3.(多选)(2023·四川统考)如图甲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
A.理想电压表的示数U=6 V
B.线圈转动的角速度ω=100π rad/s
C.转动过程中穿过线圈的最大磁通量Φm= Wb
D.通过灯泡电流的瞬时值表达式为i=6 sin(100πt) A
√
线圈转动时产生的电动势最大值为em=NBSω=Φm·ω,可得转动过程中
4.(选自粤教版新教材课后练习)某一正弦交变电流通过一个阻值为100 Ω的电阻,其热效应与1 A的恒定电流在相同时间内通过该电阻所产生的热效应相同。
(1)这个正弦交变电流的电压、电流的有效值分别是多少?
答案:100 V 1 A
根据题意可知,电流有效值为1 A
电压有效值U=IR=100 V。
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(2)这个正弦交变电流的电压、电流的峰值分别是多少?
答案:141 V 1.41 A
课 时 测 评
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1.(多选)已知某发电机交变电流的瞬时值表达式为i=10sin(10πt) A,则
A.交变电流的频率为5 Hz
B.交流发电机线圈转动的角速度为10 rad/s
C.交变电流的峰值为10 A
D.若线圈的匝数N=10,则穿过线圈的磁通量的最大值为0.1 Wb
√
由表达式i=10sin(10πt) A可知发电机线圈转动的角速度为10π rad/s,交变电流的峰值为10 A,根据ω=2πf得f=5 Hz,选项A、C正确,B错误;因电动势的峰值未知, 故无法求出穿过线圈的磁通量的最大值,选项D错误。
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2. (多选)某交流发电机产生的感应电动势与时间的关系图像如图所示,由图像可知
A.交变电流的频率为4 Hz
B.0~1 s内电流方向变化50次
C.若仅使线圈转速加倍,则周期变为0.02 s
D.若仅使线圈转速加倍,则感应电动势的最大值变为400 V
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由题图可知,交变电流的周期T=0.04 s,则频率f= =25 Hz,选项A错误;一个周期内电流方向变化2次,则1 s内电流方向变化50次,选项B正确;若仅使线圈转速加倍,根据T= 可知,周期将变为原来的二分之一,即T′=0.02 s,选项C正确;若仅使线圈转速加倍,则角速度ω=2πn加倍,根据Em=NBSω可知感应电动势的最大值加倍,最大值变为200 V,选项D错误。
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电工工具上标明的耐压数值为最大值,交流电压表读数、保险丝的熔断电流、平时常说的电压和电流、电器上标注的电压和电流都为有效值,故选ACD。
3.(多选)下列选项中指交变电流的有效值的有
A.交流电路中交流电压表的读数
B.电工工具上标明的耐压数值
C.保险丝的熔断电流
D.家用电器(如灯泡)上标明的额定电压值
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4.在阻值为70 Ω的电阻中通以正弦交流电,测得在10 min内放出的热量为2.1×104 J,则此交流电的最大值为
A.0.24 A B.0.5 A
C.0.707 A D.1 A
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5. 如图所示的区域内有垂直于纸面的匀强磁场,磁感应强度大小为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
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交变电流的有效值是根据电流的热效应得出的,线框转动周期为T,而
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6.(多选)如图甲所示,在匀强磁场中,一矩形金属线圈两次分别以不同的转速,绕与磁感线垂直的轴匀速转动,产生的交变电流的e-t图像如图乙中曲线a、b所示,则
A.两次t=0时刻线圈平面均与中性面重合
B.曲线a、b对应的线圈转速之比为2∶3
C.曲线a表示的交变电流的频率为25 Hz
D.曲线b表示的交流电动势的有效值为10 V
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t=0时刻,两次产生的交流电的电动势瞬时值均为0,因此线圈平面均与中性面重合,A正确;图中a、b对应的周期之比为2∶3,因此线圈转
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7.(多选)如图甲为风力发电的简易模型。在风力作用下,风叶带动与杆固连的磁铁转动,磁铁下方的线圈与电压传感器相连。在某一风速时,传感器显示的电压随时间变化的关系如图乙所示,则
A.磁铁的转速为5π r/s
B.线圈两端电压的有效值为6 V
C.交变电压瞬时值表达式为u=12sin(5πt) V
D.该交变电压可以直接加在击穿电压为6 V的电容器上
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8. (多选)(2023·重庆八中期末)如图所示,磁感应强度大小为B的匀强磁场中,匝数为n、边长为L的正方形线圈绕垂直于磁场的轴OO′匀速转动,其角速度为ω,线圈总电阻
为r,则
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9.如图所示,闭合矩形线框ABCD以恒定的角速度ω绕对角线
AC转动。AC的左侧存在着垂直纸面向外、磁感应强度为B的匀
强磁场,已知AB长为l1,BC长为l2,线框电阻为R。t=0时刻线
框平面与纸面重合,下列说法正确的是
A.矩形线框该时刻的电流值最大
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该时刻穿过矩形线框的磁通量最大,感应电动势最小,
则感应电流值最小,A错误;矩形线框产生的感应电
动势最大值Em= Bωl1l2,有效值为
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10.(2023·重庆市第七中学校考)手摇发电机如图甲所示,可以简化为图乙。矩形线圈面积为S,匝数为n,线圈总电阻为r,在磁感应强度为B的匀强磁场中以矩形线圈中的轴线为轴、以角速度ω匀速转动,产生的交流电通过M、N与外电路连接,如图乙所示,外电路灯泡电阻为R,电压表为理想交流电表。在线圈由平行于磁场方向位置转过90°的过程中,下面说法正确的是
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11.如图甲所示,在匀强磁场中,一电阻均匀的正方形单匝导线框abcd绕与磁感线垂直的转轴ab匀速转动,线圈产生的交变电流的电动势随时间变化的规律如图乙所示,线框总电阻为5 Ω,则
A.线圈的转速为100 r/s
B.线框转动一周,cd边产生的焦耳热为 3.87 J
C.在前0.01 s时间内,通过线框某一横截面的电荷量约为0.02 C
D.当线框平面与中性面的夹角为45°时,线框产生的电动势的大小为22 V
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根据题图乙可得交变电流的周期T=0.02 s,所以线圈转动一圈的时间为0.02 s,可得线圈的转速n=50 r/s,A错误;线圈产生的电动势图像为正
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t=0和t=0.01 s时,感应电动势都等于零,所以此时穿过线框的磁通量最大,线框与磁感线垂直,可得在前0.01 s时间内,磁通量的变化量ΔΦ
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第三章
交流电
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3.周期和频率的关系:T=或f=。
4.角速度与周期、频率及转速的关系:ω==______。
=
=
①电动势的有效值:E=≈0.707Em。
②电流的有效值:I=≈0.707Im。
③电压的有效值:U=≈0.707Um。
(1)0~这段时间内电阻R中产生的电热。
提示:0~内,Q1=IR·=16RT
(2)~T这段时间内电阻R中产生的电热。
提示:~T内,Q2=IR·=9RT
A.I0 B.I0
C.I0 D.I0+I0
令该交变电流通过一电阻R,它在前半周期内通过该电阻产生的热量Q1=()2R·=,它在后半周期内产生的热量Q2=IR·=,
故在一个周期内产生的热量Q交=Q1+Q2=IRT,设某一恒定电流I在相同的时间T内通过该电阻R产生的热量为I2RT,由有效值的定义知
IRT=I2RT,解得I=I0,故C正确。
E=,U=,I=
电流名称
电流图线
有效值
正弦交变电流
I=
正弦半波电流
I=
电流名称
电流图线
有效值
正弦单向脉动电流
I=
矩形脉动电流
I=
非对称性交变电流
I=
A. A B. A
C. A D. A
由有效值概念知,一个周期内产生的热量Q方=·+·=T,Q正=T=T=·T,可得=,故D正确,A、B、C错误。
答案: C
E= U=
I=
=n =
q=t
A.线圈转过一周过程中的感应电动势最大为Em=BL2ω
B.从图示位置开始计时,闭合电路中感应电动势的瞬时值表达式为e=BL2ωsin ωt
C.线圈从图示位置转过180°的过程中,流过电阻R的电荷量为q=
D.线圈转动一周的过程中,电阻R上产生的热量为Q=
感应电动势的有效值为E有=,感应电流的有效值为I有=,电阻R上产生的热量为Q=IRT,T=,解得Q=,故D正确。
Emsin t
Umsin t
Imsin t
由有效值的定义可得I2RT=R·+R·,代入已知量解得I=
A。
A. B.
C. D.
A.理想电流表的示数为
B.线圈转动过程中的最大电流为
C.线圈转动一周产生的热量为
D.当线圈与中性面的夹角为30°时,线圈产生的瞬时感应电动势为nBL2ω
B.矩形线框产生的感应电动势有效值为Bl1l2ω
C.矩形线框转过半圈过程中产生的热量为
D.矩形线框从图示位置转过180°过程中,通过线框任意横截面的电荷量为
E==Bl1l2ω,B错误;矩形线框转过半圈过
程中产生的热量为Q=·=,C错误;矩形线框从图示位置转过180°过程中,通过线框任意横截面的电荷量为q=Δt==,D正确。
A.电压表V的示数为
B.线圈转过90°的过程平均感应电动势为
C.电路中产生的焦耳热为
D.从线圈平行于磁场方向位置开始计时,通过线圈中感应电流的瞬时值表达式为i=sin ωt
$$