2022-2023學(xué)年高中物理 第2章 交變電流 第1節(jié) 交變電流練習(xí) 教科版選修3-2

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1、2022-2023學(xué)年高中物理 第2章 交變電流 第1節(jié) 交變電流練習(xí) 教科版選修3-21大小和方向不隨時間變化的電壓和電流,稱為_,簡稱直流電;大小和方向隨時間作周期性變化的電壓和電流,稱為_,簡稱交流電2電壓和電流都隨時間按正弦函數(shù)規(guī)律變化的交變電流稱為_電流,簡稱正弦交流電其電動勢的瞬時值表達式為e_,其中Em_.閉合矩形線圈在_磁場中繞_的軸勻速轉(zhuǎn)動時,線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流是正弦交流電3下圖所示的4種電流隨時間變化的圖象中,屬于交變電流的有()4下列各圖中,哪些情況線圈中能產(chǎn)生交流電()5矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的軸勻速轉(zhuǎn)動,下列說法中正確的是()A在中性面時,通過線圈的磁

2、通量最大B在中性面時,感應(yīng)電動勢最大C穿過線圈的磁通量為零時,感應(yīng)電動勢也為零D穿過線圈的磁通量為零時,磁通量的變化率也為零【概念規(guī)律練】知識點一交變電流的產(chǎn)生1如圖1所示為演示交變電流產(chǎn)生的裝置圖,關(guān)于這個實驗,正確的說法是()圖1A線圈每轉(zhuǎn)動一周,指針左右擺動兩次B圖示位置為中性面,線圈中無感應(yīng)電流C圖示位置ab邊的感應(yīng)電流方向為abD線圈平面與磁場方向平行時,磁通量變化率為零2處在勻強磁場中的矩形線圈abcd,以恒定的角速度繞ab邊轉(zhuǎn)動,磁場方向平行于紙面并與ab垂直。在t=0時刻,線圈平面與紙面重合(如圖2所示),線圈的cd邊離開紙面向外運動。若規(guī)定由abcda方向的感應(yīng)電流為正,則能

3、反映線圈中感應(yīng)電流I隨時間t變化的圖線是()知識點二交變電流的變化規(guī)律3閉合線圈在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)速為240r/min,若線圈平面轉(zhuǎn)至與磁場方向平行時的電動勢為2V,則從中性面開始計時,所產(chǎn)生的交流電動勢的表達式為e_V,電動勢的峰值為_V,從中性面起經(jīng)s,交流電動勢的大小為_V.4有一個10匝正方形線框,邊長為20cm,線框總電阻為1,線框繞OO軸以10rad/s的角速度勻速轉(zhuǎn)動,如圖3所示,垂直于線框平面向里的勻強磁場的磁感應(yīng)強度為0.5T問:圖3(1)該線框產(chǎn)生的交變電流電動勢最大值、電流最大值分別是多少?(2)線框從圖示位置轉(zhuǎn)過60時,感應(yīng)電動勢的瞬時值是多大?(3)寫出感應(yīng)電動

4、勢隨時間變化的表達式【方法技巧練】一、瞬時值、平均值的計算方法5矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁感線的對稱軸轉(zhuǎn)動,線圈共100匝,轉(zhuǎn)速為r/min,在轉(zhuǎn)動過程中穿過線圈的磁通量的最大值為0.03Wb,則線圈平面轉(zhuǎn)到與磁感線平行時,感應(yīng)電動勢為多少?當(dāng)線圈平面與中性面夾角為時,感應(yīng)電動勢為多少?6如圖4所示,匝數(shù)為n,面積為S的矩形線圈在勻強磁場B中勻速轉(zhuǎn)動,角速度為,求線圈從圖示位置轉(zhuǎn)過180時間內(nèi)的平均感應(yīng)電動勢圖4二、交變電流圖象的應(yīng)用7矩形線圈,繞垂直于勻強磁場并位于線圈平面內(nèi)的固定軸轉(zhuǎn)動線圈中的感應(yīng)電動勢e隨時間t的變化如圖5所示下面說法中正確的是()圖5At1時刻通過線圈的磁通量為零B

5、t2時刻通過線圈的磁通量的絕對值最大Ct3時刻通過線圈的磁通量變化率的絕對值最大D每當(dāng)e變換方向時,通過線圈的磁通量絕對值都為最大8一矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁感線的軸勻速轉(zhuǎn)動,穿過線圈的磁通量隨時間的變化圖象如圖6所示,則下列說法中,正確的是()圖6At0時刻,線圈平面與中性面垂直Bt0.01s時刻,穿過線圈平面的磁通量的變化率最大Ct0.02s時刻,線圈中有最大感應(yīng)電動勢Dt0.03s時刻,線圈中有最大感應(yīng)電流1關(guān)于線圈在勻強磁場中轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的交變電流,下列說法中正確的是()A線圈平面每經(jīng)過中性面一次,感應(yīng)電流方向就改變一次,感應(yīng)電動勢方向不變B線圈每轉(zhuǎn)動一圈,感應(yīng)電流方向就改變一次C線

6、圈平面經(jīng)過中性面一次,感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流的方向都要改變一次D線圈每轉(zhuǎn)動一圈,感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流方向都要改變一次2線圈在磁場中勻速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生交流電的瞬時電動勢為e10sin20tV,則下列說法正確的是()At0時,線圈平面位于中性面Bt0時,穿過線圈的磁通量最大Ct0時,導(dǎo)線切割磁感線的有效速度最大Dt0.4s時,e達到峰值10V3交流發(fā)電機在工作時的電動勢為eEmsint,若將其電樞的轉(zhuǎn)速提高1倍,其他條件不變,則其電動勢變?yōu)?)AEmsinB2EmsinCEmsin2tD2Emsin2t4一閉合矩形線圈abcd繞垂直于磁感線的固定軸OO勻速轉(zhuǎn)動,線圈平面位于如圖7甲所示的勻強磁場中通過線圈

7、的磁通量隨時間t的變化規(guī)律如圖乙所示,下列說法正確的是()圖7At1、t3時刻通過線圈的磁通量變化率最大Bt1、t3時刻線圈中感應(yīng)電流方向改變Ct2、t4時刻線圈中磁通量最大Dt2、t4時刻線圈中感應(yīng)電動勢最小5如圖8所示,一正方形線圈abcd在勻強磁場中繞垂直于磁感線的對稱軸OO勻速轉(zhuǎn)動沿著OO觀察,線圈沿逆時針方向轉(zhuǎn)動已知勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B,線圈匝數(shù)為n,邊長為l,電阻為R,轉(zhuǎn)動的角速度為,則當(dāng)線圈轉(zhuǎn)至圖示位置時()圖8A線圈中感應(yīng)電流的方向為abcdaB線圈中的感應(yīng)電流為C穿過線圈的磁通量為0D穿過線圈的磁通量的變化率為06如圖9所示,矩形線圈abcd,已知ab為L1,ad為L2,

8、在磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中繞OO軸以角速度(從圖中位置開始)勻速轉(zhuǎn)動,則線圈中感應(yīng)電動勢的大小為()圖9A.BL1L2sin tB.BL1L2costCBL1L2sintDBL1L2cost7如圖10所示,一矩形線圈abcd放置在勻強磁場中,并繞過ab、cd中點的軸OO以角速度逆時針勻速轉(zhuǎn)動若以線圈平面與磁場夾角0時(如圖)為計時起點,并規(guī)定當(dāng)電流自a流向b時電流方向為正則下列四幅圖中正確的是()圖108如圖11甲所示,一矩形閉合線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的轉(zhuǎn)軸OO以恒定的角速度轉(zhuǎn)動當(dāng)從線圈平面與磁場方向平行時開始計時,線圈中產(chǎn)生的交變電流按照圖乙所示的余弦規(guī)律變化,則在t時刻()圖1

9、1A線圈中的電流最大B穿過線圈的磁通量為零C線圈所受的安培力為零D線圈中的電流為零9如圖12所示,矩形線圈abcd在勻強磁場中可以分別繞垂直于磁場方向的軸P1和P2以相同的角速度勻速轉(zhuǎn)動,當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)到與磁場方向平行時()圖12A線圈繞P1轉(zhuǎn)動時的電流等于繞P2轉(zhuǎn)動時的電流B線圈繞P1轉(zhuǎn)動時的電動勢小于繞P2轉(zhuǎn)動時的電動勢C線圈繞P1和P2轉(zhuǎn)動時電流的方向相同,都是abcdD線圈繞P1轉(zhuǎn)動時cd邊受到的安培力大于繞P2轉(zhuǎn)動時cd邊受到的安培力題號123456789答案10.一矩形線圈在勻強磁場中以角速度4rad/s勻速轉(zhuǎn)動,產(chǎn)生的交變電動勢的圖象如圖13所示則交變電流的頻率為_Hz,當(dāng)t0時,

10、線圈平面與磁感線_,當(dāng)t0.5s時,e為_V.圖1311如圖14所示,在勻強磁場中有一個“n”形導(dǎo)線框可繞AB軸轉(zhuǎn)動,已知勻強磁場的磁感應(yīng)強度BT,線框的CD邊長為l120cm,CE、DF邊長均為l210cm,轉(zhuǎn)速為50r/s.若從圖示位置開始計時:圖14(1)寫出線框中感應(yīng)電動勢的瞬時值表達式;(2)在et坐標系中作出線框中感應(yīng)電動勢隨時間變化關(guān)系的圖象12如圖15所示,勻強磁場B0.1T,所用矩形線圈的匝數(shù)N100,邊長ab0.2m,bc0.5m,以角速度100rad/s繞OO軸勻速轉(zhuǎn)動從線圈平面通過中性面時開始計時,試求:圖15(1)線圈中感應(yīng)電動勢的大小(2)由t0至t過程中的平均電動

11、勢值第二章交變電流第1節(jié)交變電流答案課前預(yù)習(xí)練1恒定電流交變電流2正弦交變EmsintnBS勻強垂直于磁場方向3CD直流電是方向不隨時間改變,交變電流是方向隨時間改變,正弦式交變電流是按正弦規(guī)律變化的交變電流,圖象中正、負表示電流方向A選項中電流數(shù)值總為正,表示電流方向不變,是直流電B選項中圖象雖為正弦,但由于電流總是正值,表示電流方向不變,電流大小隨時間變化,也是直流電C、D選項中電流強度和方向都隨時間做周期性變化,是交變電流因此,是交變電流的只有C和D,是正弦式交變電流的只有D.4BCDA中線圈中的磁通量始終是零,故無感應(yīng)電流產(chǎn)生;B、C、D中都是線圈在勻強磁場中繞垂直于磁感線的軸勻速轉(zhuǎn)動

12、,故能產(chǎn)生交流電,則B、C、D正確5A中性面和磁場垂直,磁通量最大,磁通量的變化率為零課堂探究練1C線圈在磁場中勻速轉(zhuǎn)動時,在電路中產(chǎn)生呈周期性變化的交變電流,線圈經(jīng)過中性面時電流改變方向,線圈每轉(zhuǎn)動一周,有兩次通過中性面,電流方向改變兩次,指針左右擺動一次,故A錯;線圈處于圖示位置時,ab邊向右運動,由右手定則,ab邊的感應(yīng)電流方向為ab,故C對;線圈平面與磁場方向平行時,ab、cd邊垂直切割磁感線,線圈產(chǎn)生的電動勢最大,也可以這樣認為,線圈平面與磁場方向平行時,磁通量為零,但磁通量的變化率最大,B、D錯誤。點評線圈平面垂直于磁感線時,線圈中的感應(yīng)電流為零,這一位置叫中性面線圈平面經(jīng)過中性面

13、時,電流方向就發(fā)生改變線圈繞軸轉(zhuǎn)一周經(jīng)過中性面兩次,因此感應(yīng)電流方向改變兩次線圈經(jīng)過中性面時,穿過線圈的磁通量最大,但磁通量的變化率為零(即各邊都不切割),所以感應(yīng)電動勢為零2C線圈在磁場中繞垂直于磁場方向的軸勻速轉(zhuǎn)動時,可以產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的交流電對于圖示起始時刻,線圈的cd邊離開紙面向紙外運動,速度方向和磁場方向垂直,產(chǎn)生的電動勢的瞬時值最大;用右手定則判斷出電流方向為逆時針方向,與規(guī)定的正方向相同所以C對點評線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的軸勻速轉(zhuǎn)動時,可以產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的交流電其中“線圈”無特殊要求,即矩形線圈、圓形線圈等其他形狀都可,“繞某一軸勻速轉(zhuǎn)動”,只要求此軸垂直于磁場

14、方向,沒有其他限制條件32sin8t21解析當(dāng)線圈平面與磁場平行時(S/B),感應(yīng)電動勢最大,即Em2V,2n2rad/s8 rad/s,則從中性面開始計時,瞬時值表達式:eEmsint2sin8tV,當(dāng)ts時,e2sin(8) V1V.點評當(dāng)閉合線圈繞垂直于磁場的軸勻速轉(zhuǎn)動,且從中性面開始計時時產(chǎn)生正弦式交流電電動勢的表達式eEmsint,Em為最大值即當(dāng)線圈平面與磁場方向平行時的瞬時值,為轉(zhuǎn)動角速度4(1)6.28 V6.28 A(2)5.44 V(3)e6.28sin 10t V解析(1)交變電流電動勢最大值為EmnBS100.50.2210V6.28V,電流的最大值為ImEm/RA6.

15、28A.(2)線框轉(zhuǎn)過60時,感應(yīng)電動勢eEmsin605.44V.(3)由于線框轉(zhuǎn)動是從中性面開始計時的,所以瞬時值表達式為eEmsint6.28sin10tV.點評電動勢最大值EmnBS.當(dāng)計時起點為中性面位置時表達式為eEmsint當(dāng)計時起點為線圈平面與磁場方向平行時,表達式為eEmcost.51VV解析由題意知:m0.03Wb2n2rad/srad/s.線圈轉(zhuǎn)至與磁感線平行時,感應(yīng)電動勢最大,故EmnBSnm1000.03V1V瞬時值表達式eEmsintsinV當(dāng)t時,esinVV.方法總結(jié)要記住兩個特殊位置感應(yīng)電動勢的瞬時值,即中性面位置e0;線圈平面與磁感線平行的位置eEmnBS.

16、確定線圈從哪個位置開始計時的,從而確定電動勢的瞬時值表達式是正弦形式還是余弦形式6.nBS解析由楞次定律可判斷線圈從圖示位置轉(zhuǎn)過180時間內(nèi),線圈中的平均感應(yīng)電動勢E0.磁通量是沒有方向的標量,但卻有正負如果我們規(guī)定磁感線從線圈的一側(cè)穿入另一側(cè),穿出磁通量為正,那么從另一側(cè)穿入這一側(cè)穿出時,磁通量就為負了設(shè)線圈轉(zhuǎn)過180時,穿過它的磁通量BS,那么圖示位置時穿過它的磁通量BS.由法拉第電磁感應(yīng)定律得:nnnnBS.方法總結(jié)平均感應(yīng)電動勢不等于始、末兩瞬時電動勢值的平均值,必須用法拉第電磁感應(yīng)定律計算即n.7Dt1、t3時刻感應(yīng)電動勢為零,線圈位于中性面位置,所以穿過線圈的磁通量最大,磁通量的變

17、化率為零,A、C錯誤;t2時刻感應(yīng)電動勢最大,線圈位于中性面的垂面位置,穿過線圈的磁通量為零,B錯誤;由于線圈每過一次中性面時,穿過線圈的磁通量的絕對值最大,e變換方向,所以D正確方法總結(jié)當(dāng)感應(yīng)電動勢最大時,磁通量的變化率最大,磁通量卻最小8ABCD由題意可知msin t時,其感應(yīng)電動勢應(yīng)為eEmcos t,當(dāng)t0時,0,線圈平面與中性面垂直,穿過線圈平面的磁通量的變化率最大,線圈中有最大的感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流,此類時刻還有0.01 s,0.02 s,0.03 s,所以答案為A、B、C、D.方法總結(jié)由En可知,交變電流的電動勢隨線圈的磁通量的變化而變化,即由的變化可推知感應(yīng)電動勢的變化規(guī)律(當(dāng)

18、msint時eEmcost;當(dāng)mcost時,eEmsint)課后鞏固練1C2AB根據(jù)交流電動勢的瞬時值表達式可判斷為正弦式交變電流,當(dāng)t0時,e0,所以此時磁通量的變化率為零,導(dǎo)線切割磁感線的有效速度為零,但此時穿過線圈的磁通量最大,線圈平面位于中性面,所以A、B正確,C錯誤;當(dāng)t0.4s時,e10sin20tV10sin8V0,所以D錯誤3D電樞轉(zhuǎn)速提高1倍,由2n知,角速度變?yōu)樵瓉淼?倍;由電動勢的最大值表達式EmnBS知,最大值也變?yōu)樵瓉淼?倍4Bt1、t3時刻通過線圈的磁通量的絕對值最大,磁通量變化率0,此時感應(yīng)電動勢、感應(yīng)電流為零,線圈中感應(yīng)電流方向改變,A錯誤,B正確;t2、t4時

19、刻線圈中磁通量為零,磁通量的變化率最大,即感應(yīng)電動勢最大,C、D錯誤5BC圖示位置為垂直于中性面的位置,此時通過線圈的磁通量為零,但磁通量的變化率最大,感應(yīng)電流也最大,I,由右手定則可判斷出線圈中感應(yīng)電流的方向為adcba.6C線圈經(jīng)過時間t時,轉(zhuǎn)過角度,這時ab,cd邊切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢EabBL1vsin,EcdBL1vsin,bc,ad邊不切割磁感線不產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,故線圈中的感應(yīng)電動勢為EEabEcd2BL1vsin2BL1L2sintBL1L2sint,故正確選項應(yīng)為C.7D矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的軸勻速轉(zhuǎn)動,從線圈平面與磁場方向平行開始計時,產(chǎn)生的感應(yīng)電流按余弦

20、規(guī)律變化,由于t=0時,線圈的轉(zhuǎn)動方向如題圖,由右手定則判斷可得,此時ad中電流方向為由a到d,線圈中電流方向為adcba,與規(guī)定的電流正方向相反,電流為負值.又因為此時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大,故只有D正確。8CDt,此時線圈位于中性面位置,所以穿過線圈的磁通量最大,B錯誤;由于此時感應(yīng)電動勢為零,所以線圈中電流為零,線圈所受的安培力為零,A錯誤,C、D正確9A無論是繞P1轉(zhuǎn)動還是繞P2轉(zhuǎn)動,線圈轉(zhuǎn)到圖示位置時產(chǎn)生的電動勢都為最大值Em=nBS,由歐姆定律可知此時I相等,A對,B錯;由右手定則可知線圈中電流方向為adcba,故C錯;cd邊所受的安培力FBLcdI,故F一樣大,D錯102垂直0解析

21、Ts,則交流電的頻率f2Hz.由圖象知t0時,e0,線圈位于中性面位置,線圈平面和磁感線垂直;當(dāng)t0.5s時,t2ft2,e0.11(1)e10cos100tV(2)見解析解析(1)線框轉(zhuǎn)動,開始計時的位置為線圈平面與磁感線平行的位置,產(chǎn)生的交變電流按余弦規(guī)律變化,在t時刻線框轉(zhuǎn)過的角度為t,此時刻eBL1L2cost,即eBScost,其中BT,S0.10.2m20.02m2,2n250rad/s100 rad/s,故e0.02100cos100tV,即e10cos100tV.(2)T0.02s,線框中感應(yīng)電動勢隨時間變化關(guān)系的圖象如下圖所示12(1)314sin100tV(2)200V解析(1)解法一線圈經(jīng)過時間t轉(zhuǎn)過角度t,這時bc和da邊不切割磁感線,ab和cd邊切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢eabecdNBvsint,其中v,所以eeabecd2eab2NBsintNBSsint,EmNBS1000.10.1100V314V,e314sin100tV解法二感應(yīng)電動勢的瞬時值eNBSsint,由題可知S0.20.5m20.1m2,EmNBS1000.10.1100V314V,所以e314sin 100t V.(2)用EN計算t0至t過程中的平均電動勢ENN即ENBS.代入數(shù)值得E200V.

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