第3章 1 交变电流-【优化探究】2025-2026学年新教材高中物理选择性必修第二册同步导学案配套PPT课件(人教版)多选
2025-03-28
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教辅
资源信息
| 学段 | 高中 |
| 学科 | 物理 |
| 教材版本 | 高中物理人教版选择性必修 第二册 |
| 年级 | 高二 |
| 章节 | 1. 交变电流 |
| 类型 | 课件 |
| 知识点 | - |
| 使用场景 | 同步教学-新授课 |
| 学年 | 2025-2026 |
| 地区(省份) | 全国 |
| 地区(市) | - |
| 地区(区县) | - |
| 文件格式 | PPTX |
| 文件大小 | 3.82 MB |
| 发布时间 | 2025-03-28 |
| 更新时间 | 2025-03-28 |
| 作者 | 山东金太阳教育集团有限公司 |
| 品牌系列 | 优化探究·高中同步导学案 |
| 审核时间 | 2025-03-28 |
| 下载链接 | https://m.zxxk.com/soft/51242507.html |
| 价格 | 4.00储值(1储值=1元) |
| 来源 | 学科网 |
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内容正文:
第三章 交变电流
1 交变电流
1
[学习目标] 1.知道交流、直流的概念。2.掌握交变电流的产生和变化规律,会推导交变电流的瞬时值表达式(重难点)。3.了解发电机的构造及不同类型发电机的优缺点。
2
课时作业 巩固提升
要点1 交变电流 交变电流的产生
要点2 交变电流的变化规律
要点3 交流发电机
内容索引
3
要点1 交变电流 交变电流的产生
一
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1.交变电流
(1)交变电流:随时间做____________变化的电流,简称交流。
(2)直流:____________不随时间变化的电流。大小和方向都不随时间变化的电流称为恒定电流。
2.交变电流的产生
(1)产生条件:在匀强磁场中,矩形线圈绕____________方向的轴匀速转动。
(2)中性面:线圈在磁场中转动的过程中,线圈平面与磁场___________时所在的平面。
梳理 必备知识 自主学习
周期性
方向
垂直于磁场
垂直
5
[思考与讨论]
线圈绕OO'轴沿逆时针方向
匀速转动,如图所示。思考
下列问题:
6
(1)线圈转动一周的过程中,线圈中的电流方向如何变化?
提示:(1)
转动过程 电流方向
甲→乙 B→A→D→C
乙→丙 B→A→D→C
丙→丁 A→B→C→D
丁→甲 A→B→C→D
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(2)线圈转动过程中,当产生的感应电流有最大值和最小值时线圈分别在什么位置?
提示:(2)线圈转到乙或丁位置时线圈中的感应电流最大。线圈转到甲或丙位置时线圈中感应电流最小,为零。
8
1.直流和交变电流的区分
(1)主要是看电流方向是否变化,电流大小随时间变化,方向不变的电流仍然是直流电,交变电流经过电子电路的处理,也能变成直流电。
(2)交变电流的波形不一定是曲线,也不能认为凡是波形是曲线的电流就一定是交变电流。
归纳 关键能力 合作探究
9
2.正弦式交变电流的产生条件
(1)匀强磁场。
(2)线圈匀速转动。
(3)线圈的转轴垂直于磁场方向。
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3.中性面、中性面的垂面位置的特点比较
项目 中性面 中性面的垂面
图示
位置 线圈平面与磁场垂直 线圈平面与磁场平行
项目 中性面 中性面的垂面
磁通量Φ 最大 零
磁通量变化率 零 最大
感应电动势e 零 最大
感应电流i 零 最大
电流方向 改变 不变
角度1 区分直流和交变电流
[例1] 以下各个选项所示的电流,属于交变电流的是( )
B
判断电流是交流还是直流,要看其方向是否随时间周期性变化。选项C中,电流的大小和方向均不变;选项A、D中,尽管电流大小随时间周期性变化,但其方向不变,仍是直流,故只有B正确。
角度2 交变电流的产生
[例2] (2024·陕西安康高二联考)交流发电机的示意图如图所示,磁极中间区域的磁场近似为匀强磁场,矩形线圈abcd绕轴OO'沿逆时针方向匀速转动,矩形线圈在转动中始终保持和外电路电阻R形成闭合电路,
回路中接有一理想交流电流表。下列说法正确的是( )
A.图示位置为中性面
B.图示位置穿过线圈的磁通量变化率最大
C.从图示位置转过周,线圈中的电流方向将发生改变
D.从图示位置转过周,穿过线圈磁通量的变化量为零
A
图示位置穿过线圈的磁通量最大,为中性面,
故A正确;图示位置穿过线圈的磁通量最大,线圈
的磁通量变化率最小,故B错误;从图示位置转过
周,线圈中的电流最大,方向不发生改变,故C
错误;从图示位置转过周,穿过线圈磁通量的变化量为2BS,不为零,故D错误。
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[针对训练] 1.对于如图所示的电流i随时间t做周期性变化的图像,下列
描述正确的是( )
A.电流的大小变化,方向也变化,是交变电流
B.电流的大小变化,方向不变,不是交变电流
C.电流的大小不变,方向不变,是直流
D.以上说法都不正确
B
由i-t图像可知,电流的大小变化,但电流方
向一直为正,故电流方向不变,根据交变电流、
直流的定义可知,图中所示电流是直流,B正确。
2.(2024·广东惠州高二期中)如图是交流发电机的示意图,图甲到图丁分别表示线圈转动过程中的四个位置,其中甲、丙中的线圈与磁场方向垂直,乙、丁中线圈与磁场方向平行,则在线圈转动的过程中,下列说法正确的是( )
A.线圈转动的过程中,产生直流电流
B.转到图乙位置时,线圈中产生的感应电动势为零
C.转到图丙位置时,线圈中产生的感应电流最大
D.转到图乙和图丁位置时,线圈产生的感应电流方向相反
答案:D
题图为交流发电机的示意图,故而在线圈转动的过程中,产生交变电流,故A错误;转到图乙位置时,线圈中磁通量为零,线圈中产生的感应电动势最大,故B错误;转到图丙位置时,线圈中磁通量最大,线圈中产生的感应电流为零,故C错误;转到图乙位置时,AB边向下切割磁感线,由右手定则可知线圈中的电流方向为ADCBA,转到图丁位置时,AB边向上切割磁感线,由右手定则可知线圈中的电流方向为ABCDA,所以感应电流方向相反,故D正确。
二
要点2 交变电流的变化规律
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1.从中性面开始计时,线圈中产生的电动势的瞬时值表达式:e=
Emsin ωt,Em叫作电动势的________,Em=_________。
2.正弦式交变电流和电压
电流表达式i=____________,电压表达式u=___________。其中Im、
Um分别是电流和电压的____________,也叫_________。
3.正弦式交变电流:按_________规律变化的交变电流叫作正弦式交变
电流,简称______________。
梳理 必备知识 自主学习
峰值
NωBS
Imsin ωt
Umsin ωt
最大值
峰值
正弦
正弦式电流
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4.正弦式交变电流随时间变化的图像
24
5.几种不同类型的交变电流
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[思考与讨论]
如图所示,线圈平面绕过ad、bc边中点的轴线
OO'从中性面开始转动,角速度为ω,经过时
间t,线圈转过的角度是ωt,ab边的线速度v的
方向跟磁感线方向间的夹角也等于ωt。设ab
边长为L1,bc边长为L2,线圈面积S=L1L2,
磁感应强度为B。
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(1)ab边产生的感应电动势为多大?
提示:(1)eab=BL1vsin ωt=BL1sin ωt=
BL1L2ωsin ωt=BSωsin ωt。
(2)整个线圈中的感应电动势为多大?
提示:(2)整个线圈中的感应电动势由ab和cd两边
产生的感应电动势组成,且eab=ecd,所以e总=eab+ecd=BSωsin ωt。
(3)若线圈有N匝,则整个线圈的感应电动势为多大?
提示:(3)若线圈有N匝,则相当于N个完全相同的电源串联,所以e=NBSωsin ωt。
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1.峰值
(1)由e=NBSωsin ωt可知,电动势的峰值Em=NBSω。
(2)交变电动势的最大值,由线圈匝数N、磁感应强度B、转动角速度ω及线圈面积S决定,与线圈的形状无关,与转轴的位置无关,但转轴必须垂直于磁场,因此如图所示几种情况,若N、B、S、ω相同,则电动势的最大值相同。
归纳 关键能力 合作探究
(3)电流的峰值可表示为Im=。
28
2.正弦式交变电流的图像
如图甲、乙所示,从图像中可以得到以下信息:
29
(1)交变电动势与交变电流的峰值Em、Im。
(2)两个特殊值对应的位置。
①e=0(或i=0)时:线圈位于中性面上,此时=0,Φ最大。
②e最大(或i最大)时:线圈平面平行于磁感线,此时最大,Φ=0。
(3)e、i大小和方向随时间的变化规律。
角度1 交变电流的变化规律
[例3] 如图所示,正方形线圈abcd的边长是
0.5 m,共150匝,匀强磁场的磁感应强度为
B= T,当线圈以150 r/min的转速绕中心轴
线OO'匀速旋转时。
(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] (1)e=375sin 5πt V
分别把Em、ω的数值推出,代入一般式e=
Emsin ωt就得出了瞬时值表达式。求瞬时值时,
只需把t的时刻值代入表达式就可以了。
(1)e=Emsin ωt=NBS·2πnsin 2πnt
代入数据可得e=375sin 5πt V。
(2)求线圈转过 s时电动势的瞬时值。
[答案] (2)375 V
(2)当t= s时,电动势的瞬时值
e=375sin(5π×)V=375 V。
[例4] 一个矩形线圈在匀
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
像如图甲所示,则下列说
法中正确的是( )
A.t=0时刻,线圈平面与中性面垂直
B.t=0.01 s时刻,Φ的变化率最大
C.t=0.02 s时刻,感应电动势达到最大
D.该线圈产生的感应电动势的图像如图乙所示
B
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由题图甲知,当t=0时,
Φ最大,说明线圈平面与
中性面重合,故选项A错
误;t=0.01 s时,Φ=0,
Φ-t图像的切线斜率最大,
即Φ的变化率最大,故选项B正确;当t=0.02 s时,Φ最大,但为零,感应电动势为零,故选项C、D错误。
[针对训练] 3.如图所示为交流发电机模型的示意
图。位于磁场中的矩形导线框abcd可绕过其对称
轴的轴线(图中虚线)转动。已知在t=0时刻,线框
的平面与磁场方向垂直(图示位置),并从此位置开
始以恒定的角速度绕转轴沿逆时针方向转动。若规定通过电阻的电流方
向由e到f为正,则下列i-t图像正确的是( )
C
在t=0时刻,线框处于中性面位置,此时产生的
感应电动势为零,感应电流为零,故A、D错误;
根据楞次定律和安培定则可知在前时间内,产
生的感应电流方向为由a到b,故流过电阻的电流
方向为由f到e,与规定的正方向相反,故C正确,B错误。
4.如图所示,N=50匝的矩形线圈abcd,边长ab=
20 cm,ad=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边转入纸里。
(1)判断t=0时感应电流的方向;
答案:(1)a→d→c→b→a
(1)根据ab、cd切割磁感线,由右手定则可得线圈中感应电流方向a→d→c→b→a。
(2)写出线圈感应电动势的瞬时表达式。
答案:(2)e=314cos 100πt V
(2)线圈的角速度ω=2πn=2×π× rad/s=100π rad/s
图示位置的感应电动势最大,其大小为
Em=NBSω=NBab·ad·ω=50×0.4×0.20×0.25×100π V≈314 V
因从垂直中性面位置开始计时,则电动势的瞬时表达式为e=314cos 100πt V。
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三
要点3 交流发电机
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1.交流发电机的构造
发电机主要由______________________(电枢)和__________________两部分组成。
梳理 必备知识 自主学习
产生感应电动势的线圈
产生磁场的磁体
42
2.交流发电机的种类
两种类型 转子 定子 特点
旋转电枢式 电枢 ____________ 电压低,功率小
旋转磁极式 磁极 ____________ 电压高,功率大
磁极
电枢
43
发电机工作时产生的感应电流在磁场中会受到安培力,安培力的作用总是阻碍转子的运动,在这一过程中,发电机把机械能转化成了电能。
归纳 关键能力 合作探究
44
[例5] (2024·江苏苏州高二期中)如图所示
是正弦式交流发电机的示意图。下列说法中
正确的是( )
A.该发电机是旋转电枢式发电机
B.两磁极之间产生的磁场是辐向磁场
C.图示位置时,穿过线圈的磁通量为零,感应电动势也为零
D.逆时针转至图示位置时,线圈中感应电流的方向是A→B→C→D
A
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电枢转动,磁极不动的发电机叫作旋转电枢
式发电机,故A正确;两磁极之间产生的磁场
可近似为匀强磁场,故B错误;图中位置为线
圈平面与磁场方向平行的位置,通过线圈的
磁通量为零,磁通量的变化率最大,感应电
动势最大,故C错误;根据安培定则可知逆时针转至图示位置时,线圈中感应电流的方向是D→C→B→A,故D错误。
四
课时作业 巩固提升
47
[A组 基础巩固练]
1.下列关于交变电流和直流的说法正确的是( )
A.若电流大小做周期性变化,则一定是交变电流
B.直流的大小可以变化,但方向不一定变化
C.交变电流一定是按正弦或余弦规律变化的
D.交变电流的最大特征就是电流的方向发生周期性的变化
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D
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若电流大小做周期性变化,则不一定为交变电流,因为没有提及电流方向随时间做周期性变化,A错误;直流的大小可以变化,但直流的方向一定不变,B错误;交变电流的方向发生周期性的变化,但不一定是按正弦或余弦规律变化的,C错误;交变电流的最大特征就是电流的方向发生周期性的变化,D正确。
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2.(多选)下列方法中能够产生交变电流的是( )
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ACD
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A中线圈在匀强磁场中按逆时针方向匀速转动,会产生正弦式交变电流;B中的导体棒不切割磁感线,不产生感应电动势;C中的折线的转动效果与矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴转动的效果是相同的;D中能产生按余弦规律变化的交变电流。
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3.(2024·重庆沙坪坝高二阶段检测)如图所示
为某交流发电机原理示意图,则( )
A.图示位置线圈中电流为零
B.图示位置穿过线圈的磁通量最大
C.该发电机是利用电磁感应现象制成的
D.该发电机工作时把电能转化为机械能
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C
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图示位置线圈平面与磁感线平行,穿过线圈的磁通量为零,此时线圈中电流最大,A、B错误;该发电机是利用电磁感应现象制成的,发电机工作时把机械能转化为电能,C正确,D错误。
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4.关于线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴转动产生的交变电流,
下列说法正确的是( )
A.线圈每转动一周,感应电流方向就改变一次
B.线圈平面每经过中性面一次,感应电流方向就改变一次,感应电动势方向不变
C.线圈平面每经过中性面一次,感应电流和感应电动势方向都要改变
一次
D.线圈转动一周,感应电流和感应电动势方向都要改变一次
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C
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当线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴转动产生交变电流时,线圈平面每经过中性面一次,感应电流与感应电动势方向均改变一次,转动一周,感应电流与感应电动势方向改变两次,故C正确。
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5.一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.图像是从线圈平面位于中性面开始计时的
B.t2时刻穿过线圈的磁通量为零
C.t2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,穿过线圈的磁通量的方向也变化
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B
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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,即是从线圈平面与磁场方向平行时开始计
时的,选项A错误;t2时刻感应电动势最大,穿
过线圈的磁通量的变化率最大,穿过线圈的磁通量为零,选项B正确,C错误;感应电动势e的方向变化时,线圈通过中性面,穿过线圈的磁通量最大,但方向并不变化,选项D错误。
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6.(多选)(2024·黑龙江哈尔滨高二检
测)在匀强磁场中,一闭合矩形金属线
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,则( )
A.t=0时,线圈平面与磁场方向平行,线圈中的感应电动势为零
B.t=1.0 s时,线圈平面与磁场方向平行,线圈中的电流改变方向
C.t=1.5 s时,线圈平面与磁场方向垂直,线圈中的感应电动势为零
D.t=2.0 s时,线圈平面与磁场方向平行,线圈中的磁通量的变化率最大
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CD
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由题图可知,t=0、t=1.0 s、t=2.0 s时,
穿过线圈的磁通量为零,磁通量的变化
率最大,则线圈平面与磁场方向平行,
线圈中的感应电动势最大,感应电流最
大,电流方向不发生改变,故A、B错误,
D正确;由题图可知,t=1.5 s时,穿过线圈的磁通量最大,磁通量的变化率为零,则线圈平面与磁场方向垂直,线圈中的感应电动势为零,故C正确。
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7.如图所示,面积均为S的线圈均绕其对称轴或中心轴在匀强磁场B中以角速度ω匀速转动。能产生感应
电动势e=BSωsin ωt的图是( )
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A
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线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动,且从中性面开始计时时,产生的电动势e=BSωsin ωt。由此判断出,只有A选项符合。
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8.一矩形线圈abcd如图所示,已知ab边长为l1,bc
边长为l2,在磁感应强度为B的匀强磁场中绕OO'
轴以角速度ω从图示位置开始匀速转动,则t时刻
线圈中的感应电动势为( )
A.0.5Bl1l2ωsin ωt B.0.5Bl1l2ωcos ωt
C.Bl1l2ωsin ωt D.Bl1l2ωcos ωt
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D
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因为开始时刻线圈平面与磁感线平行,即线圈从垂
直于中性面的位置开始运动,所以开始时刻线圈中
感应电动势最大,为Em=Bl1l2ω,感应电动势的表
达形式应为余弦函数形式。因此在t时刻线圈中的
感应电动势为e=Bl1l2ωcos ωt,故选项D正确。
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9.(多选)线圈在磁场中匀速转动产生的感应电动势为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
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AB
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t=0时,感应电动势的瞬时值为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。
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10.(2024·湖北襄阳高二检测)矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的
转轴匀速转动,产生的感应电动势的最大值为Em。设t=0时线圈平面与
磁场平行,当线圈的匝数增加一倍,转速也增大一倍,其他条件不变
时,产生的感应电动势为( )
A.e=2Emsin 2ωt B.e=4Emsin 2ωt
C.e=2Emcos 2ωt D.e=4Emcos 2ωt
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D
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t=0时,线圈平面与磁场平行,此时磁通量为零,感应电动势达最大值,所以表达式应为余弦函数。当线圈的匝数和转速增加后有N'=2N,ω'=2ω,可得感应电动势的最大值为Em'=N'BSω'=4NBSω=4Em,则瞬时值表达式为e=4Emcos 2ωt,故D正确。
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[B组 综合强化练]
11.(多选)如图所示,abcd为一边长为l、匝数为N的
正方形闭合线圈,绕对称轴OO'匀速转动,角速度
为ω。空间中只有OO'左侧存在垂直于纸面向里的匀
强磁场,磁感应强度大小为B。若闭合线圈的总电
阻为R,则( )
A.线圈中电动势的最大值为NBl2ω
B.线圈中电动势的最大值为NBl2ω
C.在线圈转动一圈的过程中,线圈中有一半时间没有电流
D.当线圈转到图中所处的位置时,穿过线圈的磁通量为Bl2
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BD
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线圈中电动势的最大值Em=NBl2ω,A错误,B正
确;在线圈转动的过程中,线圈始终有一半在磁场中
运动,不会有一半时间没有电流,C错误;当线圈处
在题图中所示位置时,穿过线圈的磁通量为Bl2,
D正确。
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12.如图所示为一台发电机的结构示意图,其中N、S
是永久磁体的两个磁极,它们的表面呈半圆柱面形状。
M是圆柱形铁芯,它与磁极的柱面共轴,铁芯上有一
矩形线框,可绕与铁芯M共轴的固定转轴旋转。磁极与铁芯之间的缝隙中形成方向沿半径、大小均匀的磁场。若从图示位置开始计时,当线框绕固定转轴匀速转动时,下图所示的图像中能正确反映线框中感应电动势e随时间t变化规律的是( )
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答案:D
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因发电机的两个磁极N、S呈半圆柱面形状,磁极间的磁感线如图所示,磁感应强度的大小不变,仅方向发生改变,故线框在磁场中转动时垂直切割磁感线,产生的感应电动势的大小不变,线框越过较小空隙段后,由于线框切割磁感线的方向发生变化,所以感应电动势的方向发生变化,故选D。
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13.如图甲为小型旋转电枢式交流发电机的原理图,其矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的固定轴OO'匀速转动,线圈的匝数N=100匝、电阻r=10 Ω,线圈的两端经滑环与电阻R连接,电阻R=90 Ω,与R并联的交流电压表为理想电表。在t=0时刻,线圈平面与磁场方向平行,穿过每匝线圈的磁通量Φ随时间t按如图乙所示正弦规律变化。求:
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(1)交流发电机产生的电动势的最大值;
答案:(1)200 V
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(1)线圈转动的角速度为ω= rad/s=100 rad/s
产生的最大感应电动势为
Em=NBSω=NΦmω=100×2.0×10-2×100 V=200 V。
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(2)外电阻R两端的电压随时间变化的表达式。
答案:(2)u=180cos 100t V
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(2)根据闭合电路欧姆定律得,外电阻R两端电压的最大值
Um=R=×90 V=180 V
故外电阻R两端的电压随时间变化的表达式u=180cos 100t V。
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[C组 培优选做练]
14.如图所示为演示用的手摇发电机模型,匀强
磁场磁感应强度B=0.5 T,线圈匝数N=50匝,
每匝线圈面积为0.48 m2,转速为150 r/min。在
匀速转动过程中,从图示位置线圈转过90°开
始计时。
(1)写出交变电流感应电动势瞬时值的表达式;
答案:见解析
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(1)由题可知N=50,B=0.5 T,S=0.48 m2,
ω=2π× rad/s=5π rad/s,
则Em=NBSω=50×0.5×0.48×5π V≈188 V,
从中性面开始计时,由e=Emsin ωt得e=
188sin 5πt V。
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(2)画出e-t图像。
答案:见解析
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(2)T= s=0.4 s,e-t图像如图所示。
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