2022届高考物理二轮复习重难点专题37 正弦交流电的产生和描述（原卷版）.doc

2022届高考物理二轮复习重难点专题37 正弦交流电的产生和描述重点知识讲解考点一、交流电的产生及变化规律1、交变电流：大小和方向随时间变化的电流叫交变电流，常见的交流电如下　　本章所涉及的将是最简单的交变电流，即正弦交流电—随时间按正弦规律变化的电流2、特点 易于产生、输送、变压、整流，在生活中有广泛的应用，交流电路理论是电工和电子技术的理论基础所以交流电在电力工程、无线电技术和电磁测量中有极广泛的应用，在工程技术中所使用的交流电也是各式各样的它具有三大优点：变换容易、输送经济、控制方便，所以已经作为现代国民经济的主要动力 在稳恒电流中，I—电流、U（E）—电压（电动势），都是恒定值但在本章，i—电流、e—电动势、u—电压，都是瞬时值，因为它随时间而变，所以实际上是i（t）、e（t）、u（t）3、交变电流的产生机理法拉第发现电磁感应定律的最重要的应用就是制成发电机 （1）发电机的组成磁极、线圈（电枢）旋转电枢：通过滑环、电刷通入外电路，一般产生的电压小于500V旋转磁极：比较常用，几千~几万V原理：利用线圈在磁场中绕某一固定轴转动，切割磁感线产生感应电动势，继而在闭合回路产生电流　 能量转化：机械能→电能（2）交流电的产生矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，角速度ω一定。

其中ab、cd边切割磁感线，且ab、cd始终与速度v垂直，从切割效果看总是两个电源串联，其俯视图为：　　 第一象限：方向—abcda(磁通量Φ减少)大小：　　第二象限：方向—abcda(磁通量Φ增加)大小：依次类推：可得其它象限的情况总之，与轴的位置无关①大小为②方向取决于角度ωt　 0<ωt<π　 e>0　　　　　　　　　　 π<ωt<2π　 e<0线圈每经过中性面一次，电流方向改变一次；线圈旋转一周，电流方向改变两次③为感应电动势的最大值④当线圈与中性面重合时（磁场方向与线圈平面垂直），磁通量Φ最大，磁通量的变化率最小，感应电动势最小，磁力矩最小；当线圈与中性面垂直时（磁场方向与线圈平面平行），磁通量Φ最小，磁通量的变化率最大，感应电动势最大，磁力矩最大中性面特点：（1）磁场方向与线圈平面垂直；（2）穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率为零，电动势为零；（3）线圈每经过中性面一次，电流方向就改变一次4、交流电的变化规律（1）几个表达式瞬时值　电动势 e　电流　i　　路端电压u最大值　Em　 Im　 Um若外电阻为R，电动机内阻为r，则瞬时值表达式为（2）图象　　 二、描述交流电的物理量　在稳恒电流里用两个物理量（I、U）就能描述电路的情况，但在交流电路里，由于电流的大小、方向都在随时间做周期性的变化，所以要描述它们的物理量就要多一些。

1、最大值（Im、Um）指在一周期内所能达到的最大值电动势的最大值，电流的最大值电压的最大值电容器的耐压值应超过交流电压的最大值，才不会被击穿.2、周期和频率（1）周期T：交流电完成一次周期性变化所需要的时间即：线圈转动一周（2）频率f： 　（3）角速度 3、有效值U、I（不是平均值）要点诠释：表示交流电产生的效果电流的效应有热效应、化学效应、磁效应等交流电的有效值是根据交流电的热效应来规定的对交流电来说，有意义的不是其在某一瞬间的瞬时功率，而是它在一个周期内的平均功率如50Hz供电的灯泡，虽然其瞬时功率不断变化，但我们感觉不到其亮度的变化，其亮度取决于其平均功率1）定义：让交流电和稳恒电流通过相同的电阻，如果在相同的时间内产生的热量相等，则这个稳恒电流的数值就为该交流电的有效值2）正弦交流电的有效值 即 　　交电流在一周期内的平均功率，对直流电，对交流电以上公式只适用于正弦交流电对其它的交流电不适用，在对待非正弦交流电时，有效值的计算应从其定义出发进行推算，或与正弦交流电的规律进行对比得出3）一般说明交流电的数值，不做特殊说明，都指有效值例：①照明电路中的220V电压②额定电压及功率“220V 50W”③交流电表的指示数值对纯电阻电路，其计算与直流电的计算类似，但式中各量均代入有效值 　　 　 P=UI4、平均值物理意义：交变电流图像中图线与时间轴所围成的面积与时间的比值。

计算有关电量时只能用平均值 三、电感、电容对交变电流的影响　　电感是“通直流、阻交流，通低频、阻高频”　　电容是“通交流、隔直流、通高频、阻低频”（1）电感对直流的阻碍作用很小所以是“通直流”，而对交流都有阻碍作用，所以“阻交流”；而交流频率越高，电感阻碍作用越大，而对低频阻碍作用较小，所以“通低频，阻高频”；（2）电容对直流来说是断路，而交流可以通过对电容充放电，使电路中有电流，故表现为交流“通过”了电容器，故有“通交流，隔直流”；电容器对交流的阻碍作用与交流的频率有关，频率越高，容抗越小，越易“通过”电容器，而对低频容抗较大，故有“通高频、阻低频” 典型例题精析1．（2021·丰台区·北京丰台二中高三三模）某实验装置如图所示，在铁芯P上绕着两个线圈A和B圈A中通入电流i与时间t的关系如图A、B、C、D所示，那么在t1~t2这段时间内，可以观察到线圈B中产生交变电流的是（　　）A． B．C． D．2．（2021·四川成都市·高三三模）图为一交流发电机示意图，线圈在匀强磁场中绕固定轴沿顺时针方向匀速转动，产生的电动势的瞬时值表达式为已知线圈电阻，定值电阻，电表均为理想交流电表，下列说法正确的是（　　）A．电流表读数为B．电压表读数为C．时刻，穿过线圈的磁通量最大D．内，通过电阻R的电荷量为3．（2021·安徽蚌埠市·高三三模）在匀强磁场中，匝数N=100的矩形线圈绕垂直磁感线的转轴匀速转动，线圈中产生的感应电动势随时间变化规律如图所示，则下列说法正确的是（　　）A．s时，线圈平面与中性面重合 B．s时，线圈中磁通量变化率最大C．穿过每一匝线圈的最大磁通量为Wb D．线圈转动的角速度为50π rad/s4．（2021·全国高三专题练习）图甲所示电压按正弦规律变化，图乙所示电压是正弦交流电的一部分，则下列说法正确的是（　　）A．图乙所示的电压也是正弦式交流电压B．图甲所示电压的瞬时值表达式为u＝10sin50πt（V）C．图乙所示电压的周期与图甲所示电压周期相同D．图甲所示电压的有效值比图乙所示电压的有效值小5．（2021·全国高三专题练习）如图（a）所示，阻值为R＝20Ω的定值电阻接在如图（b）所示的交流电上，交流电的前半个周期为正弦交流电，后半个周期为恒定电流。

理想交流电压表的示数为（　　）A．20V B．20V C．20V D．40V6．（2021·湖南衡阳市八中高三其他模拟）如图所示，a、b、c三种交流电，分别通过同一电阻，在0.8s内，电阻产生的热量分别为、和，则（　　）A． B． C． D．7．（2021·全国高三专题练习）如图所示，匝数为N，内阻为r的矩形线圈abcd在匀强磁场中绕垂直于磁场的bc边以角速度ω匀速转动该线圈中感应电动势的峰值为Em，闭合回路中两只完全相同的灯泡均能正常发光，此时它们的电阻均为R下列说法中正确的是（　　）A．从图中位置开始计时，感应电动势的瞬时值表达式为e=EmcosωtB．穿过线圈的最大磁通量为C．从图中位置开始计时，四分之一周期内通过灯泡A1的电荷量为D．增大角速度ω时，灯泡A1变暗，A2变亮8．（2021·全国高三专题练习）如图所示，矩形金属线圈abed与理想变压器的原线圈组成闭合电路，灯泡L1、L2完全相同，当变压器原线圈中的抽头P置于最上端时，原、副线圈的匝数比为n：1．矩形线圈abcd在有界匀强磁场中绕垂直于磁场的bc边匀速转动，且磁场只分布在bc边的左侧，磁感应强度大小为B，线圈面积为S，转动的角速度为ω，匝数为N，线圈电阻不计。

则下列说法正确的是（　　）A．若减小矩形线圈abcd的转速，灯L1会变亮B．在图示位置时，矩形线圈中瞬时感应电动势最大C．当抽头P置于最上端时，圈abcd转动的过程中，电压表示数为D．若仅将线圈abcd的转轴平移至ad边处，且转速不变，则电压表示数也不变9．（2020·浙江高三期中）一电阻不计的矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴作匀速转动，产生正弦式交变电流，其电动势的变化规律如图甲中的线a所示，用此线圈给图乙电路供电，发现三个完全相同的灯泡亮度均相同当调整线圈转速后，电动势的变化规律如图甲中的线b所示，以下说法正确的是（　　）A．曲线a、b对应的线圈转动角速度之比为2：3B．时刻，线圈平面恰好与磁场方向平行C．转速调整后，灯泡的亮度变暗D．转速调整后，线圈电动势的有效值变为10V10．（2019·武汉市第四十九中学高三月考）如图所示电路，L1、L2、L3是三盏相同的电灯，当双刀双掷开关S的1、2接线柱与c、d两端连接时，L1、L2、L3的发光情况相同，若将开关S的1、2接线柱与a、b两端连接时，则稳定后观察到的现象是（　　）A．L1不亮，L2比L3亮B．L1不亮，L2、L3两盏电灯的亮度相同C．L1、L2、L3三盏电灯的亮度相同D．L1不亮，L3比L2亮11．（2021·全国高三专题练习）如图所示为一交流发电机的原理示意图，装置中两磁极之间产生的磁场可近似为匀强磁场，发电机的矩形线圈abcd在磁场中，图中abcd分别为矩形线圈的四个顶点，其中的c点被磁铁遮挡而未画出。

线圈可绕过bc边和ad边中点且垂直于磁场方向的水平轴匀速转动为了便于观察，图中发电机的线圈只画出了其中的1匝，用以说明线圈两端的连接情况线圈的ab边连在金属滑环K上，cd边连在金属滑环L上；用导体做的两个电刷E、F分别压在两个滑环上，线圈在转动过程中可以通过滑环和电刷保持其两端与外电路的定值电阻R连接已知矩形线圈ab边和cd边的长度L1＝50cm，bc边和ad边的长度L2＝20cm，匝数n＝100匝，线圈的总电阻r＝5.0Ω，线圈转动的角速度ω＝282rad/s，外电路的定值电阻R＝45Ω，匀强磁场的磁感应强度B＝0.05T电流表和电压表均为理想电表，滑环与电刷之间的摩擦及空气阻力均可忽略不计，计算中取π＝3.14，＝1.411）请推导出线圈在匀速转动过程中感应电动势最大值Em的表达式（用题中已知物理量的符号表示），并求出此最大值；（2）求电流表的示数I；（3）求维持线圈匀速转动1圈，所需外力做的功W（结果保留3位有效数字）12．（2021·江苏高三专题练习）如图甲所示，绝缘轻杆将一个N=100匝的矩形线圈固定在竖直平面内，悬点P为AB边中点矩形线圈水平边AB=CD=5cm，竖直边AD=BC=4cm，E、F分别为AD和BC边的中点，在EF上方有一个垂直纸面的匀强磁场。

矩形线圈的质量m=0.1kg、电阻为R=1Ω，取如图所示的磁场方向为正方向，磁感应强度B随时间t的变化关系如图乙所示已知g=10m/s2）(1)求在t=0.1s时轻杆对线圈的作用力大小；(2)求线圈中感应电流的有效值。