《2017教科版高中物理选修（3-2）第2章《交变电流的产生及描述》word学案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2017教科版高中物理选修（3-2）第2章《交变电流的产生及描述》word学案（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、学案学案 3 3 习题课：交变电流的产生及描述习题课：交变电流的产生及描述目标定位 1.理解交变电流的产生过程，能够求解交变电流的瞬时值.2.理解交变电流图像的物理意义.3.知道交变电流“四值”的区别，会求解交变电流的有效值一、对交变电流产生规律的理解求解交变电动势瞬时值时：(1)首先要计算峰值EmNBS；(2)确定线圈转动从哪个位置开始，以便确定瞬时值表达式是按正弦规律变化还是按余弦规律变化；(3)确定线圈转动的角速度(以 rad/s 作单位)；(4)最后确定感应电动势的瞬时值表达式例 1 图 1 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
2、，线圈的匝数n100 匝，电阻r10 ，线圈的两端经集流环与电阻R连接，电阻R90 ，与R并联的交流电压表为理想电表在t0 时刻，线圈平面与磁场方向平行，穿过每匝线圈的磁通量随时间t按图乙所示正弦规律变化求：图 1(1)交流发电机产生的电动势最大值；(2)电动势的瞬时值表达式；(3)线圈转过 s 时电动势的瞬时值；1 30(4)电路中交流电压表的示数解析 (1)交流发电机产生的电动势最大值EmnBS而mBS，所以Em2 T2nm T由t图线可知，m2.0102 Wb，T0.2 s所以Em20 V62.8 V.(2)线圈转动的角速度 rad/s10 rad/s，由于从垂直中性面处开始计时，所2
3、T2 0.2以感应电动势瞬时值表达式为eEmcos t62.8cos (10t) V(3)当线圈转过 s 时1 30e20cos (10) V10 V31.4 V1 30(4)电动势的有效值E10 VEm22UE10 V9 V40 VR Rr90 10022答案 (1)62.8 V (2)e62.8cos (10t) V (3)31.4 V(4)40 V二、交变电流图像的应用正弦交流电的图像是一条正弦曲线，从图像中可以得到以下信息：1周期(T)和角速度()：线圈转动的角速度.2T2峰值(Em，Im)：图像上的峰值可计算出有效值E，I.Em2Im23瞬时值：每个“点”表示某一时刻的瞬时值4可确定
4、线圈位于中性面的时刻，也可确定线圈平行于磁感线的时刻5判断线圈中磁通量及磁通量变化率的变化情况 t例 2 如图 2 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( )图 2A在图中t0 时刻穿过线圈的磁通量均为零B线圈先、后两次转速之比为 32C交流电a的瞬时值为u10sin (5t) VD交流电b的最大值为 V20 3解析 由题图可知，t0 时刻线圈均在中性面，穿过线圈的磁通量最大，A 错误；由题图可知TaTb23，故nanb32，B 正确；由题图可知，C 正确；因ab32，交
5、流电最大值UmNBS，故UmaUmb32，UmbUma V，D 正确2 320 3答案 BCD三、交变电流有效值的计算交变电流有效值的计算一般有以下两种情况：1对于按正(余)弦规律变化的电流，可先根据EmNBS求出其峰值，然后根据E求出其Em2有效值2当电流按非正弦规律变化时，必须根据有效值的定义求解计算时要注意三同：相同电阻、相同时间(一般要取一个周期)、产生相同热量例 3 图 3 表示一交流电电流随时间变化的图像，其中电流的正值为正弦曲线的正半周，其最大值为Im；电流的负值强度为Im，则该交流电的有效值为 ( )图 3A. B.Im CIm D.ImIm2232解析 根据有效值的定义，取一
6、个周期T，则Q()2RI RI2RTIm2T 22 mT 2解得IIm，故选 D.32答案 D四、交变电流“四值”的应用比较交变电流的四值，即峰值、有效值、瞬时值、平均值，在不同情况下的使用：(1)在研究电容器的耐压值时，只能用峰值(2)在研究交变电流做功、电功率及产生的热量时，只能用有效值，交流电表显示的也是有效值(3)在研究交变电流通过导体横截面的电荷量时，只能用平均值(4)在研究某一时刻线圈受到的安培力时，只能用瞬时值特别提醒 (1)交变电流的平均值是针对某一过程的物理量，在不同的时间内平均值一般不相同(2)平均电动势不等于初、末两时刻瞬时值的平均值，必须用法拉第电磁感应定律计算即 NE
7、. t例 4 图 4一个总电阻为r、边长为L的正方形线圈abcd共N匝，线圈在磁感应强度为B的匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴OO以如图 4 所示的角速度匀速转动，外电路电阻为R.(1)求此时刻线圈感应电流的方向(2)线圈转动过程中感应电动势的最大值为多大？(3)设发电机由柴油机带动，其他能量损失不计，线圈转一周柴油机做多少功？(4)从图示位置开始，线圈转过 60的过程中通过R的电荷量是多少？(5)图中电流表和电压表的示数各是多少？解析 (1)由右手定则可判定电流的方向沿adcba.(2)EmNBSNBL2.(3)电动势的有效值E.Em2电流的有效值I，由于不计能量损失，柴油机做的功全部转化为电能
8、，线圈转一周，柴E Rr油机做的功WEItt.E2 Rr(NBL22)2Rr2 N2B2L4 Rr(4)通过R的电荷量q ttIN t RrN RrNBL2sin 60 Rr3NBL22Rr(5)电流表示数IE RrEm2RrNBL22Rr电压表示数UIRNBL2R2Rr答案 见解析1(交变电流图像的应用)图 5 甲、乙分别表示两种电压的波形，其中图甲所示的电压按正弦规律变化下列说法正确的是( )图 5A甲表示交流电，乙表示直流电B两种电压的有效值相等C甲电压的瞬时值表达式为u311sin (100t) VD甲交变电流的有效值比乙交变电流的有效值大答案 CD解析 两题图中交变电流的大小和方向都
9、随时间变化，在t轴的上方为正，下方为负，A错有效值E只对正弦交流电适用，将两个图像叠放在一起，可以看出两个交变电流的最Em2大值相等，甲对应的有效值大，所以 B 错，D 对由题图甲可知 C 对2(交变电流有效值的计算)如图 6 所示，图甲和图乙分别表示正弦脉冲波和方波的交变电流与时间的变化关系若使这两种电流分别通过两个完全相同的电阻，则经过 1 min 的时间，两电阻消耗的电功之比W甲W乙为( )图 6A1 B12 C13 D162答案 C解析 电功的计算，I要用有效值计算，题图甲中，由有效值的定义得( A)2R2102 12s0( A)2R2102 sI R6102 s，得I1 A；题图乙中
10、，I的值不变，故122 133I21 A，由WUItI2Rt可以得到W甲W乙13，C 正确3. (交变电流“四值”的应用比较)如图 7 所示，一半径为r的半圆形单匝线圈放在具有理想边界的匀强磁场中，磁场的磁感应强度为B.线圈以直径ab为轴匀速转动，转速为n，磁场位于ab左侧且垂直于纸面向里(与ab垂直) , M和N是两个滑环，负载电阻为R.线圈、电流表和连接导线的电阻不计，下列说法中正确的是( )图 7A转动过程中电流表的示数为2Bnr2 2RB从图示位置起转过 圈的时间内产生的平均感应电动势为 2nBr21 4C从图示位置起转过 圈的时间内通过负载电阻R的电荷量为1 42B2r28RD. 以
11、上说法均不正确答案 AB解析 交流电动势的最大值为ImBr22n，转动过程中通过电流表的示数1 2RB2nr2 R为有效值，由有效值的定义得()2R 0I2RT，解得I，平均感应电动势为 Im2T 2B2nr2 2RE2n2nBr2，A、B 正确通过负载电阻R的电荷量为qB1 2r2 2 RB1 2r2 R，C 错误Br2 2R4. (对交变电流产生规律的理解)如图 8 所示，在匀强磁场中有一个“”形导线框可绕AB轴转动，已知匀强磁场的磁感应强度B T，线框的CD边长为 20 cm，CE、DF长均为 10 5 2cm，转速为 50 r/s.若从图示位置开始计时：图 8(1)写出线框中感应电动势
12、的瞬时值表达式；(2)在et坐标系中作出线框中感应电动势随时间变化关系的图像答案 (1)e10cos (100t) V (2)见解析图2解析 (1)线框转动，开始计时的位置为线圈平面与磁感线平行的位置，在t时刻线框转过的角度为t，此时刻eBl1l2cos t，即eBScos t，其中B T，S0.10.2 5 2m20.02 m2，2n250 rad/s100 rad/s，故e0.02100cos (100t) V，5 2即e10cos (100t) V.2(2)线框中感应电动势随时间变化关系的图像如图所示题组一 对交变电流产生规律的理解1. 如图 1 所示，在水平方向的匀强磁场中，有一单匝矩
13、形导线框可绕垂直于磁场方向的水平轴转动在线框由水平位置以角速度匀速转过 90的过程中，穿过线框面的最大磁通量为，已知导线框的电阻为R，则下列说法中正确的是 ( )图 1A导线框转到如图所示的位置时电流的方向将发生改变B导线框转到如图所示的位置时电流的方向为badcbC以图中位置作为计时起点，该导线框产生的交流电瞬时值表达式为esin tD以图中位置作为计时起点，该导线框产生的交流电瞬时值表达式为ecos t答案 D2面积均为S的两个电阻相同的线圈，分别放在如图 2 甲、乙所示的磁场中，甲图中是磁感应强度为B0的匀强磁场，线圈在磁场中以周期T绕OO轴匀速转动，乙图中磁场变化规律为BB0cos t
14、，从图示位置开始计时，则 ( )2 T图 2A两线圈的磁通量变化规律相同B两线圈中感应电动势达到最大值的时刻不同C经相同的时间t(tT)，两线圈产生的热量不同D从此时刻起，经 时间，通过两线圈横截面的电荷量不同T 4答案 A解析 甲图中的磁通量变化规律为甲B0Scos t，乙图中磁通量的变化规律为乙2 TB0Scos t，故 A 正确由于两线圈的磁通量变化规律相同，则两线圈中感应电动势的变化2 T规律相同，达到最大值的时刻也相同，有效值E也相同，又因两线圈电阻相同，所以Qt也E2 R相同，经过 时间，通过两线圈横截面的电荷量q 也相同，故 B、C、D 错误T 4IT 4题组二 交变电流图像的应
15、用3某台家用柴油发电机正常工作时能够产生与我国照明电网相同的交变电流现在该发电机出现了故障，转子匀速转动时的转速只能达到正常工作时的一半，则它产生的交变电动势随时间变化的图像是 ( )答案 B解析 线圈转速为正常时的一半，据2n知，周期变为正常时的 2 倍，又据2 TEmNBS知，最大值变为正常时的一半，结合我国电网交流电实际情况，知正确选项为 B.4一矩形金属线圈共 10 匝，绕垂直磁场方向的转轴在匀强磁场中匀速转动，线圈中产生的交变电动势e随时间t变化的情况如图 3 所示，下列说法中正确的是 ( )图 3A此交流电的频率为 0.2 HzB此交变电动势的有效值为 1 VCt0.1 s 时，线圈平面与磁场方向平行D在线圈转动过程中，穿过线圈的最大磁通量为 Wb1 100答案 D解析 由题图可知，此交流电的周期T0.2 s，频率f 5 Hz，A 错误E V，B1 TEm222错误t0.1 s
