2019高考物理一輪復習 微專題系列之熱點專題突破 專題63 正弦交變電流的產(chǎn)生及變化規(guī)律學案.doc

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專題63 正弦交變電流的產(chǎn)生及變化規(guī)律 1．正弦式交變電流的產(chǎn)生 (1)線圈繞垂直于磁場方向的軸勻速轉(zhuǎn)動． (2)兩個特殊位置的特點： ①線圈平面與中性面重合時，S⊥B，Φ最大，＝0，e＝0，i＝0，電流方向?qū)l(fā)生改變． ②線圈平面與中性面垂直時，S∥B，Φ＝0，最大，e最大，i最大，電流方向不改變． (3)電流方向的改變：線圈通過中性面時，電流方向發(fā)生改變，一個周期內(nèi)線圈兩次通過中性面，因此電流的方向改變兩次． (4)交變電動勢的最大值Em＝nBSω，與轉(zhuǎn)軸位置無關，與線圈形狀無關． 2．正弦式交變電流的變化規(guī)律(線圈在中性面位置開始計時) 物理量 函數(shù)表達式 圖象 磁通量 Φ＝Φmcos ωt＝BScos ωt 電動勢 e＝Emsin ωt＝nBSωsin ωt 端電壓 u＝Umsin ωt＝sin ωt 電流 i＝Imsin ωt＝sin ωt 【典例1】交流發(fā)電機發(fā)電的示意圖如圖所示，線圈的AB邊連在金屬滑環(huán)K上，CD邊連在金屬滑環(huán)L上，線圈在轉(zhuǎn)動時可以通過滑環(huán)和電刷保持與外電路相連。線圈轉(zhuǎn)動過程中，下列說法中正確的是（ ） A． 轉(zhuǎn)到圖甲位置時，通過線圈的磁通量變化率最大 B． 轉(zhuǎn)到圖乙位置時，線圈中產(chǎn)生的感應電動勢為零 C． 轉(zhuǎn)到圖丙位置時，線圈中產(chǎn)生的感應電流最大 D． 轉(zhuǎn)到圖丁位置時，AB邊感應電流方向為A→B 【答案】D （4）當線圈轉(zhuǎn)到圖丁位置時，線圈AB邊、CD邊此時正分別向上和向下垂直切割磁場，根據(jù)右手定則，此時回路中的感應電流方向為從A到B，D正確； 故本題選D 【典例2】如圖所示，在水平向右的勻強磁場中，一線框繞垂直于磁感線的軸勻速轉(zhuǎn)動，線框通過電刷、圓環(huán)、導線等與定值電阻組成閉合回路．t1、t2時刻線框分別轉(zhuǎn)到圖甲、乙所示的位置，下列說法正確的是(　　) A．t1時刻穿過線框的磁通量最大 B．t1時刻電阻中的電流最大，方向從右向左 C．t2時刻穿過線框的磁通量變化最快 D．t2時刻電阻中的電流最大，方向從右向左 【答案】B　 【解析】t1時刻，穿過線框的磁通量為零，線框產(chǎn)生的感應電動勢最大，電阻中的電流最大，根據(jù)楞次定律，通過電阻的電流方向從右向左，A錯誤，B正確；t2時刻，穿過線框的磁通量最大，線框產(chǎn)生的感應電動勢為零，電阻中的電流為零，C、D錯誤． 【典例3】線圈在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動,產(chǎn)生交流電的圖象如圖所示,由圖可知（ ） A． 在A和C時刻線圈處于中性面位置 B． 在B和D時刻穿過線圈的磁通量為零 C． 從A時刻起到D時刻,線圈轉(zhuǎn)過的角度為π弧度 D． 在A和C時刻磁通量變化率的絕對值最大 【答案】D 【跟蹤短訓】 1. 如圖，線圈在磁場中勻速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生交變電流，以下相關說法中正確的是 A． 線圈在甲、丙圖所示位置時，磁通量變化率最大 B． 線圈在乙、丁圖所示位置時，產(chǎn)生的電流最大 C． 線圈平面經(jīng)過甲、丙圖所示位置時，電流的方向都要改變一次 D． 線圈每轉(zhuǎn)動一周，電流方向改變一次 【答案】BC 【解析】（1）當線圈出現(xiàn)在甲、丙位置時，線圈平面和磁場完全垂直，磁通量最大，但ab邊和cd邊恰好不切割磁場，瞬時感應電動勢為零，根據(jù)法拉第電磁感應定律，此時磁通量的瞬時變化率為零，A錯誤； （2）線圈在乙丁位置時，線圈平面和磁場方向平行，磁通量為零，但此時ab邊和cd邊正好垂直切割磁場，產(chǎn)生的感應電動勢最大，故此時流過線圈的瞬時電流最大，B正確； （3）根據(jù)交變電流產(chǎn)生的原理，線圈每經(jīng)過一次中性面，電流方向改變一次，線圈在甲、丙圖中均處于中性面，故電流方向都要改變一次，C正確； （4）線圈每轉(zhuǎn)動一周要經(jīng)過兩次中性面，所以線圈每轉(zhuǎn)動一周，方向改變兩次，D錯誤。 故本題選BC 2．一矩形線圈繞垂直于勻強磁場方向、并位于線圈平面內(nèi)的固定軸轉(zhuǎn)動，線圈中的感應電動勢e隨時間t的變化情況如圖所示，則 A． t1時刻穿過線圈的磁通量為零 B． t2時刻穿過線圈的磁通量為零 C． t3時刻穿過線圈的磁通量變化率為零 D． t4時刻穿過線圈的磁通量變化率為零 【答案】AD 3．在勻強磁場中，一只矩形金屬線框繞與磁感線垂直的轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生的交變電動勢的圖象如圖所示.則(??) A． 交變電動勢的頻率為100Hz B． 線框轉(zhuǎn)動的角速度為100πrad/s C． t=0.01s時線框平面與中性面重合 D． 線框產(chǎn)生的交變電動勢有效值為311V 【答案】BC 課后作業(yè) 1. 風力發(fā)電機為一種新能源產(chǎn)品，功率為200 W到15 kW，廣泛應用于分散住戶．若風力發(fā)電機的矩形線圈在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動，當線圈通過中性面時，下列說法正確的是(　　)． A．穿過線圈的磁通量最大，線圈中的感應電動勢最大 B．穿過線圈的磁通量等于零，線圈中的感應電動勢最大 C．穿過線圈的磁通量最大，線圈中的感應電動勢等于零 D．穿過線圈的磁通量等于零，線圈中的感應電動勢等于零 【答案】　C 【解析】　當線圈通過中性面時，感應電動勢為零，但此時穿過線圈的磁通量最大；當線圈平面轉(zhuǎn)到與磁感線平行時，穿過線圈的磁通量為零，但此時感應電動勢最大． 2. 一矩形線框在勻強磁場內(nèi)繞垂直于磁場的軸勻速轉(zhuǎn)動的過程中，線框輸出的交流電壓隨時間變化的圖象如圖所示，下列說法中正確的是(　　)． A．t＝0時刻線框平面與磁場平行 B．交流電壓的頻率為4 Hz C．1 s末線框平面垂直于磁場，通過線框的磁通量變化最快 D．2 s末線框平面垂直于磁場，通過線框的磁通量最大 【答案】　D 【解析】　由u t圖象可知，t＝0時刻瞬時電壓為零，線框處于中性面，頻率f＝＝0.25 Hz，故選項A、B錯誤；由圖象可知，1 s末交變電壓最大，通過線框的磁通量變化率最大，此時線框與磁場方向平行，而2 s末交變電壓為零，此時線框經(jīng)過中性面與磁場垂直，穿過線框的磁通量最大，故選項C錯誤、D正確． 3．—矩形線圈繞垂直于勻強磁場并位于線圈平面內(nèi)的固定轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動，線圈中產(chǎn)生的感應電動勢e隨時間t的變化規(guī)律如圖所示。下列說法中正確的是 A． t1時刻通過線圈的磁通量的絕對值最大 B． t2時刻通過線圈的磁通量為0 C． t3時刻通過線圈的磁通量變化率的絕對值最大 D． 每當電流方向變化時，線圈平面就會與中性面垂直 【答案】C 4．在勻強磁場中，一矩形金屬線框繞與磁感線垂直的轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動，如圖甲所示。產(chǎn)生的感應電動勢如圖乙所示，則（ ） A． 線框產(chǎn)生的交變電動勢有效值為311???V B． 線框產(chǎn)生的交變電動勢頻率為100Hz C． t=0.01????s時線框平面與中性面重合 D． t=0.015????s時線框的磁通量變化率為零 【答案】C 5．在勻強磁場中,一個100匝的閉合矩形金屬線圈,繞與磁感線垂直的固定軸勻速轉(zhuǎn)動，線圈中產(chǎn)生的電動勢隨時間按如圖所示正弦規(guī)律變化。設線圈總電阻為2Ω,則（ ） A． t=0.5s時,線圈平面垂直于磁感線 B． 一分鐘內(nèi)線圈中的電流改變方向30次 C． t=1s時,線圈中的磁通量最大,為125πwb D． 一個周期內(nèi),線圈產(chǎn)生的熱量為16J 【答案】C 【解析】0.5s時感應電動勢最大，磁通量變化率最大，磁通量為零，線圈平面平行磁感線，A錯誤；一個周期變換兩次方向，從圖中可知t=2s，故一分鐘內(nèi)線圈中的電流改變方向6022=60次，B錯誤；t=1s時，感應電動勢為零，此時磁通量最大，因為Em=NBSω=NΦm2πT，解得Φm=EmT2πN=422π100=125πWb，C正確；一個周期內(nèi)，線圈產(chǎn)生的熱量為Q=E2RT=Em22RT=42222=8J，D錯誤． 6．一單匝閉合線框從如圖所示位置開始，在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的的轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)動過程中，線框中的最大磁通量為Φm，最大感應電動勢為Em，下列說法正確的是 A． 轉(zhuǎn)動90時磁通量為零，感應電動勢也為零 B． 當磁通量為零時，感應電動勢最大 C． 當磁通量等于0.5Φm時，感應電動勢等于0.5Em D． 角速度ω=EmΦm 【答案】BD （4）因為電動勢峰值Em=BSω，最大磁通量Φm=BS，則ω=EmΦm，D正確。 故本題選BD 7．一交流發(fā)電機模型如圖1所示，用示波器觀察到它產(chǎn)生的感應電動勢波形如圖2所示,則 A． 該感應電動勢的有效值為5V B． 該發(fā)電機線圈的轉(zhuǎn)速為25r/s C． t=1200s時，穿過發(fā)電機線圈的磁通量最大 D． t=1200s時，穿過發(fā)電機線圈的磁通量變化率最大 【答案】D 【解析】由圖2可知，交流電的最大值為Em=5V，故有效值為E=Em2＝522V，故A錯誤；交流電的周期T=0.02s，故轉(zhuǎn)速n=1/T＝50r/s，故B錯誤；交流電的角速度ω=2πn=100πrad/s，產(chǎn)生的交流電的瞬時值e=5sin100πtV，當t=1/200s時，交流電的瞬時值e=5sin100π1200V＝5V，此時的感應電動勢最大，磁通量變化率最大，發(fā)電機線圈平面跟磁感線平行，磁通量為零，故C錯誤，D正確；故選D。