1.交变电流-【金版教程】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册作业与测评课件PPT（人教版2019）

第三章　交变电流 1. 交变电流 目录 1 2 考点模型　考点对点练 核心能力提升练 考点模型　考点对点练 典型考点一　交变电流的判断 1．下列四个电流的图像中，不属于交变电流的是(　　) 答案 解析 解析：只要电流的方向随时间做周期性变化，即为交流电，A、B、C均为交流；D中电流大小虽然发生周期性变化，但方向不变，故不是交流电。　 1 2 3 4 5 6 7 8 考点模型 考点对点练 典型考点二　交变电流的产生 2．(多选)图中闭合金属线圈都在匀强磁场中绕虚线所示的固定轴匀速转动，能产生正弦式交变电流的是(　　) 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 考点模型 考点对点练 解析：矩形线圈在匀强磁场内绕垂直磁场的轴匀速转动时，线圈中就会产生正弦式交变电流。A中虽然只有一半金属线圈在磁场中，但在线圈绕固定轴转动的过程中，始终有一边切割磁感线，保证线圈在转动过程中产生的感应电动势连续，按照正弦规律变化，A正确；B中固定轴与磁场方向平行，线圈转动过程中，磁通量不变，无感应电流产生，B错误；C中线圈转动过程中，每个周期内只有半个周期内有感应电流，不能产生正弦式交变电流，C错误；D中闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场且在线圈平面内的转轴匀速转动，满足产生正弦式交变电流的条件，能产生正弦式交变电流，D正确。　 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 考点模型 考点对点练 3．(多选)如图所示，在水平向右的匀强磁场中，一线框绕垂直于磁感线的轴匀速转动，线框通过电刷、圆环、导线等与定值电阻组成闭合回路。t1、t2时刻线框分别转到图甲、乙所示的位置，下列说法正确的是(　　) A．t1时刻穿过线框的磁通量最大 B．t1时刻电阻中的电流最大，方向从右向左 C．t2时刻穿过线框的磁通量变化最快 D．t2时刻电阻中的电流为零，方向改变 答案 解析 解析：t1时刻，穿过线框的磁通量为零，线框产生的感应电动势最大，电阻中的电流最大，根据右手定则，通过电阻的电流方向从右向左，故A错误，B正确；t2时刻，穿过线框的磁通量最大，磁通量变化最慢，线框产生的感应电动势为零，电阻中的电流为零，方向改变，故C错误，D正确。　 1 2 3 4 5 6 7 8 考点模型 考点对点练 典型考点三　交变电流的变化规律 4．某交流发电机正常工作时产生的感应电动势为e＝Emsinωt，若线圈匝数减为原来的一半，而转速增为原来的2倍，其他条件不变，则产生的电动势的表达式是(　　) A．e＝Emsinωt B．e＝2Emsinωt C．e＝2Emsin2ωt D．e＝Emsin2ωt 答案 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 考点模型 考点对点练 5．(多选)线圈在磁场中匀速转动产生的交流电动势为e＝10sin(20πt) V，则下列说法正确的是(　　) A．t＝0时，线圈平面位于中性面 B．t＝0时，穿过线圈的磁通量最大 C．t＝0时，导线切割磁感线的有效速度最大 D．t＝0.4 s时，e达到峰值10 V 答案 解析 解析：t＝0时，感应电动势的瞬时值为e＝10sin(20πt) V＝0，则线圈平面位于中性面，此时穿过线圈的磁通量最大，导线切割磁感线的有效速度最小，A、B正确，C错误；当t＝0.4 s时，感应电动势的瞬时值为e＝10sin(20π×0.4) V＝0，D错误。 　 1 2 3 4 5 6 7 8 考点模型 考点对点练 6.(多选)一矩形线圈绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定轴匀速转动，线圈中的感应电动势e随时间t变化的规律如图所示，则下列说法正确的是(　　) A．图中曲线是从线圈平面与磁场方向平行时开始计时的 B．t1和t3时刻穿过线圈的磁通量为零 C．t1和t3时刻穿过线圈的磁通量的变化率为零 D．感应电动势e的方向变化时，穿过线圈的磁通量最大 答案 解析 解析：由题图可知，当t＝0时，感应电动势最大，说明穿过线圈的磁通量的变化率最大，磁通量为零，即图中曲线是从线圈平面与磁场方向平行时开始计时的，A正确；t1、t3时刻感应电动势为零，穿过线圈的磁通量的变化率为零，磁通量最大，B错误，C正确；感应电动势e的方向变化时，线圈通过中性面，此时穿过线圈的磁通量最大，D正确。 　 1 2 3 4 5 6 7 8 考点模型 考点对点练 答案：(1)e＝50sin(10πt) V　(2)4.33 A (3)u＝40sin(10πt) V 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 考点模型 考点对点练 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 考点模型 考点对点练 [名师点拨]　求解正弦式交变电流电动势瞬时值表达式的步骤 (1)确定线圈的转动是从哪个位置开始计时的。 (2)确定表达式是正弦函数还是余弦函数。 (3)确定转动的角速度ω及N、B、S。 (4)求出峰值Em，写出瞬时值表达式。 1 2 3 4 5 6 7 8 考点模型 考点对点练 典型考点四　交流发电机 8．大型发电机几乎都是旋转磁极式发电机，如图为其原理简图。竖直平面内闭合线圈abcd固定不动，磁体绕图中的虚线旋转，线圈中就会产生感应电流。若条形磁体以10π rad/s的角速度匀速转动，且图示时刻N极正在向里转。现以图示时刻为计时起点，则下列推断正确的是(　　) A．该发电机的原理与旋转电枢式发电机不同 B．t＝0时线圈中的电流方向为abcda C．条形磁体转动一周的过程中电流方向变化一次 D．t＝5 s时线圈中的电流最小 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 考点模型 考点对点练 解析：该发电机的原理与旋转电枢式发电机相同，都是电磁感应，A错误；由右手定则可知，t＝0时线圈中的电流方向为abcda，B正确；条形磁体转动一周的过程中电流方向变化两次，C错误；t＝5 s时线圈转过的角度为50π rad，线圈回到初始位置，则此时刻线圈中的电流最大，D错误。 　 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 考点模型 考点对点练 核心能力提升练 1．在物理选修课中，小明着手研究某款发电机，做如下尝试：如图甲所示，第一次在发电机的矩形线框处加水平向右的匀强磁场；如图乙所示，第二次在矩形线框处加竖直向下的匀强磁场。矩形线框绕对称轴OO′以一定的角速度ω匀速转动，给外电阻R供电。比较通过R的电流，下列说法正确的是(　　) A．甲、乙都为直流电 B．甲、乙都为交流电 C．甲是直流电，乙是交流电 D．甲是交流电，乙是直流电 答案 1 2 3 4 5 6 7 核心能力提升练 解析 解析：根据右手定则可知，图甲中线框与磁感线垂直时，线框中感应电流的方向改变，而此时R与线框的连接点恰好改变，则通过R的电流方向始终不变，为直流电；图乙中线框经过中性面位置(图示位置)时，线框中感应电流的方向改变，R与线框的连接点不变，则通过R的电流方向周期性改变，是交流电。故选C。 1 2 3 4 5 6 7 核心能力提升练 2．如图所示，甲→乙→丙→丁→甲过程是交 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，线圈在匀速转动时，可以 通过滑环和电刷保持与外电路连接。已知线圈转动的角速度为ω，转动过程中电路中的最大电流为Im。下列说法正确的是(　　) A．在图甲位置时，线圈中的磁通量最大，感应电流最大 B．从图乙位置开始计时，并且角速度增为原来的2倍时，线圈中电流i随时间t变化的关系式为i＝2Imsin2ωt C．在图丙位置时，线圈中的磁通量最大，磁通量的变化率也最大 D．在图丁位置时，感应电动势最大，cd边电流方向为d→c 答案 1 2 3 4 5 6 7 核心能力提升练 解析 1 2 3 4 5 6 7 核心能力提升练 3.有一不动的矩形线圈abcd，处于范围足够大的可转动的匀强磁场中。如图所示，该匀强磁场是由一对磁极N、S产生，磁极以OO′为轴匀速转动。在t＝0时刻，磁场的方向与线圈平面平行，磁极N离开纸面向外转动。规定沿a→b→c→d→a方向的感应电流为正，则能反映线圈中感应电流i随时间t变化的图线是(　　) 解析：由题意可知，线圈相对于磁场绕转轴顺时针转动(从O′向O看)，根据右手定则可知，t＝0时刻，感应电流的方向为a→b→c→d→a，感应电流为正值，此时线圈切割磁感线的有效速度最大，产生的感应电流最大，C正确，A、B、D错误。　 答案 解析 1 2 3 4 5 6 7 核心能力提升练 4．(多选)如图甲所示，一个矩形线圈abcd在 匀强磁场中绕垂直于磁场方向且与线圈共面的轴 OO′匀速转动，从某个时刻开始计时，穿过线圈 的磁通量Φ随时间t的变化如图乙所示，则下列说 法中正确的是(　　) A．t＝0时刻线圈处于中性面位置 B．t1、t3时刻线圈中的感应电流最大且方向相同 C．t2、t4时刻穿过矩形线圈的磁通量最大，但感应电流却为零 D．t5时刻穿过线圈的磁通量为零，磁通量的变化率也为零 答案 1 2 3 4 5 6 7 核心能力提升练 解析 解析：t＝0时刻穿过线圈的磁通量最大，所以线圈处于中性面位置，故A正确；t1、t3时刻穿过线圈的磁通量为零，线圈平面与磁场平行，磁通量的变化率最大，感应电流最大，但方向相反，故B错误；t2、t4时刻穿过矩形线圈的磁通量最大，磁通量的变化率为零，所以感应电流为零，故C正确；t5时刻穿过线圈的磁通量为零，磁通量的变化率最大，故D错误。　 1 2 3 4 5 6 7 核心能力提升练 答案 1 2 3 4 5 6 7 核心能力提升练 解析 1 2 3 4 5 6 7 核心能力提升练 6．(多选)如图所示，形状或转轴位置不同，但面积均为S的单匝线圈处在同一个磁感应强度为B的匀强磁场中，以相同的角速度ω匀速转动，从图示位置开始计时，则下列正确的说法是(　　) A．感应电动势的最大值都相同 B．感应电动势的瞬时值不同 C．感应电动势的最大值不同 D．感应电动势的瞬时值都相同 解析：图示位置为中性面位置，线圈从图示 位置开始计时，产生的感应电动势e＝NBSωsinωt， 可知感应电动势的最大值和瞬时值与线圈形状无关， 与轴的位置无关，即图中四个线圈产生的感应电动势的最大值、瞬时值都相同，A、D正确。　 答案 解析 1 2 3 4 5 6 7 核心能力提升练 7.如图所示，边长为L的均匀正方形单匝金属线圈abcd从 图示位置(线圈平面与纸面相平行)开始绕通过b、d两点的轴 EF以角速度ω匀速转动，EF的左侧有垂直于纸面向里的匀强 磁场，磁感应强度大小为B，右侧没有磁场。 (1)从图示位置转出磁场的过程中，线圈中产生的感应电 流方向是怎样的？ (2)线圈中产生的感应电动势的最大值是多少？并写出从图示位置开始计时，感应电动势的瞬时值表达式。 (3)当线圈从图示位置转过60°时，d、b两点间的电压是多少？ 答案 1 2 3 4 5 6 7 核心能力提升练 解析 1 2 3 4 5 6 7 核心能力提升练 解析 1 2 3 4 5 6 7 核心能力提升练 　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　 R 解析：当线圈匝数N、转速n发生变化时，感应电动势的最大值也可能发生变化，由Em＝NBSω及角速度与转速的关系ω＝2πn得，当N′＝eq \f(N,2)、n′＝2n时，ω′＝2ω，Em′＝N′BSω′＝eq \f(N,2)BS·2ω＝NBSω，即Em′＝Em，其他条件不变，故产生的感应电动势表达式为e＝Emsin2ωt，D正确。　 7.矩形线圈的面积为0.05 m2，共100匝，线圈电阻为2 Ω，外接电阻为R＝8 Ω，线圈在磁感应强度为B＝eq \f(1,π) T的匀强磁场中以300 r/min的转速绕垂直于磁感线的轴匀速转动，如图所示，若从中性面开始计时，求： (1)线圈中感应电动势的瞬时值表达式(以abcda为电流正方向)； (2)从开始计时起经eq \f(1,30) s时，线圈中电流的瞬时值； (3)外电路电阻R两端电压的瞬时值表达式。 解析：(1)从中性面开始计时，线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动时产生的感应电动势的瞬时值为e＝Emsinωt， 其中Em＝NBSω 由题意知ω＝2πn＝2π×eq \f(300,60) rad/s＝10π rad/s 代入数据可得e＝Emsinωt＝50sin(10πt) V。 (2)线圈中的电流i＝eq \f(e,R＋r)＝eq \f(Em,R＋r)sinωt 代入数据得i＝5sin(10πt) A 当t＝eq \f(1,30) s时，线圈中电流的瞬时值为 i′＝5sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(10π×\f(1,30))) A＝4.33 A。 (3)由u＝iR得，R两端电压的瞬时值表达式为 u＝40sin(10πt) V。　 解析：在图甲位置时，穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率为零，则感应电动势为零，感应电流为零，故A错误；角速度为ω时，电流最大值Im＝eq \f(Em,R)，Em＝NBSω，角速度增为原来的2倍，电流最大值变为Im′＝eq \f(Em′,R)，Em′＝NBS·2ω，联立得Im′＝2Im，从图乙位置开始计时，此时穿过线圈的磁通量为零，其磁通量的变化率最大，则感应电动势最大，感应电流最大，则线圈中电流i随时间t变化的关系式为i＝Im′·cos2ωt＝2Imcos2ωt，故B错误；在图丙位置时，穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率为零，故C错误；在图丁位置时，穿过线圈的磁通量为零，磁通量的变化率最大，感应电动势最大，根据右手定则可知，cd边电流方向为d→c，故D正确。　 5．一单匝闭合线框在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动。在转动过程中，线框中的最大磁通量为Φm，最大感应电动势为Em，下列说法正确的是(　　) A．当磁通量为零时，感应电动势也为零 B．当磁通量减小时，感应电动势也减小 C．当磁通量等于0.5Φm时，感应电动势等于0.5Em D．线框匀速转动的角速度ω等于eq \f(Em,Φm) 解析：当磁通量最大时，感应电动势为零；当磁通量减小时，感应电动势在增大；磁通量减为零时，感应电动势最大，由此可知A、B错误。因Em＝BSω，Φm＝BS，故角速度ω＝eq \f(Em,Φm)，D正确；设从线框位于中性面位置开始计时，产生的感应电动势e＝Emsinωt，穿过线框的磁通量Φ＝Φmcosωt，当Φ＝0.5Φm时，则cosωt＝0.5，sinωt＝eq \f(\r(3),2)，则感应电动势e＝eq \f(\r(3),2)Em，C错误。　 答案：(1)a→b→c→d→a　(2)eq \f(BL2ω,2)　e＝eq \f(BL2ω,2)sinωt　(3)－eq \f(\r(3),8)BL2ω 解析：(1)从图示位置转出磁场的过程中，穿过线圈的磁通量垂直于纸面向里且减小，由楞次定律可知，线圈中产生a→b→c→d→a方向的感应电流。 (2)线圈中产生的感应电动势的最大值为 Em＝BSω＝eq \f(BL2ω,2)。 图示位置穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率为0， 则感应电动势为0，故从图示位置开始计时，感应电动势的瞬 时值表达式为 e＝Emsinωt＝eq \f(BL2ω,2)sinωt。 (3)当线圈从图示位置转过60°，即ωt＝60°时， e＝eq \f(BL2ω,2)sin60°＝eq \f(\r(3),4)BL2ω 由楞次定律可得，此时dab边中电流方向为d→a→b， 又dab边相当于电源，所以b点电势高于d点电势，d、b 两点间的电压 Udb＝－eq \f(1,2)e＝－eq \f(\r(3),8)BL2ω。　 $$