2019年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十一章 交變電流 傳感器 課時(shí)分層作業(yè) 三十一 11.1 交變電流的產(chǎn)生和描述.doc

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2019年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十一章 交變電流 傳感器 課時(shí)分層作業(yè) 三十一 11.1 交變電流的產(chǎn)生和描述 【基礎(chǔ)達(dá)標(biāo)題組】 一、選擇題(本題共9小題,每小題7分,共63分。1～5題為單選題,6～9題為多選題) 1.勻強(qiáng)磁場(chǎng)中有一長(zhǎng)方形閉合導(dǎo)線框,分別以相同的角速度繞圖a、b、c、d所示的固定轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn),用Ia、Ib、Ic、Id表示四種情況下線框中電流的有效值,則 (　　) A.Ia>Id　 B.Ia>Ib　 C.Ib>Ic　 D.Ic=Id 【解析】選D。由題意可知,無論轉(zhuǎn)軸在中心,還是在一邊,還是在其他位置,轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線的線框面積不變,根據(jù)Em=nBSω,知線框感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值是相同的,因此四種情況下,線框產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)表達(dá)式相同,即為e=Emsinωt,由閉合電路歐姆定律可知,感應(yīng)電流瞬時(shí)表達(dá)式也相同,即為i=Imsinωt,則感應(yīng)電流的最大值Im、感應(yīng)電流的有效值均相同,故D項(xiàng)正確,A、B、C項(xiàng)錯(cuò)誤。 2.(xx巢湖模擬)如圖所示,直線OO′的左側(cè)有垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)B1,右側(cè)有垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)B2,且B1>B2,一總阻值為R的導(dǎo)線框ABCD以O(shè)O′為軸做角速度為ω的勻速轉(zhuǎn)動(dòng),導(dǎo)線框的AB邊長(zhǎng)為l1,BC邊長(zhǎng)為l2。以圖示位置作為計(jì)時(shí)起點(diǎn),規(guī)定導(dǎo)線框內(nèi)電流沿A→B→C→D→A流動(dòng)時(shí)為電流的正方向。則下列圖象中能表示線框中感應(yīng)電流隨時(shí)間變化的是 (　　) 【解析】選A?；芈分械母袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)為e=e1+e2=B1l2ωsinωt+B2l2ωsinωt=sinωt,則電流為i=sinωt,故A項(xiàng)正確,B、C、D項(xiàng)錯(cuò)誤。 3.(xx蘭州模擬)長(zhǎng)為a、寬為b的矩形線框有n匝,每匝線圈電阻為R,如圖所示,對(duì)稱軸MN的左側(cè)處在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,第一次將線框從磁場(chǎng)中以速度v勻速拉出;第二次讓線框以ω=的角速度轉(zhuǎn)過90角。那么 (　　) A.通過導(dǎo)線橫截面的電量q1∶q2=1∶n B.通過導(dǎo)線橫截面的電量q1∶q2=1∶2 C.線框發(fā)熱功率P1∶P2=2n∶1 D.線框發(fā)熱功率P1∶P2=2∶1 【解析】選D。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,得出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=n,結(jié)合閉合電路歐姆定律I=與電量表達(dá)式q=It,即可解得電量q=,雖然兩次的運(yùn)動(dòng)方式不同,但它們的磁通量的變化量相同,因此它們的電量之比為1∶1,故A、B項(xiàng)錯(cuò)誤;瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=BLv,則感應(yīng)電流的大小之比即為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小之比,E1=nBav,第二次產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)如圖所示: 最大值E2m=nBaω,有效值E2=,再根據(jù)線框的發(fā)熱功率P=,可知線框發(fā)熱功率P1∶P2=2∶1,故C項(xiàng)錯(cuò)誤,D項(xiàng)正確。 4.三個(gè)相同的電阻,分別通過如圖甲、乙、丙所示的交變電流,三個(gè)圖中的I0和周期T相同。下列說法中正確的是 (　　) A.在相同時(shí)間內(nèi)三個(gè)電阻發(fā)熱量相等 B.在相同時(shí)間內(nèi),甲、乙發(fā)熱量相等,是丙發(fā)熱量的2倍 C.在相同時(shí)間內(nèi),甲、丙發(fā)熱量相等,是乙發(fā)熱量的 D.在相同時(shí)間內(nèi),乙發(fā)熱量最大,甲次之,丙的發(fā)熱量最小 【解析】選C。甲的有效值為:I=,由Q=I2Rt可知一個(gè)周期內(nèi)甲的發(fā)熱量為:Q1=;乙前、后半個(gè)周期電流大小相等,故其發(fā)熱量為:Q2=RT;丙只有前半個(gè)周期有電流,故其發(fā)熱量為:Q3=RT=;故可知在相同時(shí)間內(nèi),甲、丙發(fā)熱量相等,是乙發(fā)熱量的,故C項(xiàng)正確。 【加固訓(xùn)練】 一只電阻分別通過四種不同形式的電流,電流隨時(shí)間變化的情況如圖所示,在相同時(shí)間內(nèi)電阻產(chǎn)生熱量最大的是 (　　) 【解析】選D。對(duì)于A圖正弦式電流,有效值:I1=Im=A;根據(jù)焦耳定律得:Q1=RT1==2RT1;對(duì)于B圖正弦式電流,有效值:I2=Im= A,根據(jù)焦耳定律得:Q2=RT2=()2RT2=2RT2;對(duì)于圖C形式電流,根據(jù)焦耳定律得:Q3=RT2=2.25RT2;對(duì)于圖D形式電流,根據(jù)焦耳定律得:Q4=R+IR=2RT1+2RT1=4RT1,其中T1=2T2;故在相同時(shí)間內(nèi)電阻產(chǎn)生熱量最大的是D。 5.在一小型交流發(fā)電機(jī)中,矩形金屬線圈abcd的面積為S,匝數(shù)為n,線圈總電阻為r,在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,繞軸以角速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)(如圖甲所示),產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間的變化關(guān)系,如圖乙所示,矩形線圈與阻值為R的電阻構(gòu)成閉合電路,下列說法中正確的是 (　　) A.從t1到t3這段時(shí)間內(nèi)穿過線圈磁通量的變化量為零 B.從t3到t4這段時(shí)間通過電阻R的電荷量為 C.t4時(shí)刻穿過線圈的磁通量的變化率大小為E0 D.t4時(shí)刻電阻R的發(fā)熱功率為 【解析】選B。磁通量由正向BS變?yōu)樨?fù)向BS,故t1到t3這段時(shí)間穿過線圈磁通量的變化量不為零,為ΔΦ=2BS,故A項(xiàng)錯(cuò)誤;通過電阻的電荷量q=,所以t3到t4這段時(shí)間通過電阻R的電荷量q=,又E0=nBSω,故q=,故B項(xiàng)正確;由于磁通量變化率最大時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)最大,所以磁通量時(shí)間圖象中,在電動(dòng)勢(shì)最大時(shí)磁通量時(shí)間圖象的斜率最大,即E0=nk,所以k=,故C項(xiàng)錯(cuò)誤;t4時(shí)刻R的發(fā)熱功率P=[]2R=,故D項(xiàng)錯(cuò)誤。 6.如圖甲所示是一種手搖發(fā)電的手電筒,內(nèi)部有一固定的線圈和可來回運(yùn)動(dòng)的條形磁鐵,其原理圖如圖乙所示,當(dāng)沿圖中箭頭方向來回?fù)u動(dòng)手電筒過程中,條形磁鐵在線圈內(nèi)來回運(yùn)動(dòng),燈泡發(fā)光,在此過程中,下列說法正確的是 (　　) A.增加搖動(dòng)頻率,燈泡變亮 B.線圈對(duì)磁鐵的作用力方向不變 C.磁鐵從線圈一端進(jìn)入與從該端穿出時(shí),燈泡中電流方向相反 D.磁鐵從線圈一端進(jìn)入再?gòu)牧硪欢舜┏鲞^程,燈泡中電流方向不變 【解析】選A、C。當(dāng)永磁體在線圈中運(yùn)動(dòng)時(shí),線圈切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流,故依據(jù)電磁感應(yīng)原理制造的。要使燈泡亮度增大,即電流變大,可以加速切割、增加線圈匝數(shù)或更換磁性更強(qiáng)的永磁體,或者增大搖動(dòng)的頻率,故A項(xiàng)正確;根據(jù)楞次定律的推論“來拒去留”可知,線圈對(duì)磁鐵的作用力方向發(fā)生變化,故B項(xiàng)錯(cuò)誤;磁鐵從線圈一端進(jìn)入與從該端穿出時(shí),穿過線圈的磁通量先增大后減小,根據(jù)楞次定律可知燈泡中電流方向相反,故C項(xiàng)正確,D項(xiàng)錯(cuò)誤。 7.某一交流電的電壓隨時(shí)間變化的規(guī)律為:u=100sin100πt(V),將其接在阻值為R=100 Ω的電熱絲兩端,則下列說法正確的是 (　　) A.該交流電壓的周期為0.02 s B.該電熱絲消耗的電功率為200 W C.該交流電每秒內(nèi)電流方向改變50次 D.用電壓表測(cè)該用電器兩端電壓其示數(shù)為100 V 【解題指導(dǎo)】解析本題應(yīng)注意以下兩點(diǎn): (1)清楚正弦式交變電流的產(chǎn)生過程,注意兩個(gè)特殊位置的特點(diǎn)。 (2)區(qū)分交變電流的四個(gè)特征值,知道它們的適用情況。 【解析】選A、D。根據(jù)交流電的瞬時(shí)表達(dá)式可知,Em=100 V,ω=100π rad/s,故交流電的周期為T= s=0.02 s,故A項(xiàng)正確;交流電的有效值為E== V=100 V,該電熱絲消耗的電功率為P== W=100 W,故B項(xiàng)錯(cuò)誤;在一個(gè)周期內(nèi)電流方向改變2次,故1 s內(nèi)電流改變次數(shù)為n=2=100次,故C項(xiàng)錯(cuò)誤;電壓表測(cè)量的為有效值,故示數(shù)為100 V,故D項(xiàng)正確。 8.(xx呂梁模擬)一個(gè)矩形閉合線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁感線的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng),線圈中的磁通量隨時(shí)間變化的關(guān)系如圖所示,線圈的電阻為R,線圈共有n匝,則下列說法正確的是 (　　) A.t=時(shí)刻,線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零 B.t=時(shí)刻,磁通量的變化率為= C.線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)表達(dá)式為e=sint D.將磁通量的變化周期變?yōu)?則線圈中電流的功率增大為原來的4倍 【解析】選B、D。t=時(shí)刻,線圈中磁通量的變化率最大,線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大,故A項(xiàng)錯(cuò)誤;由題目結(jié)合圖象可知,t=時(shí)刻,線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值Em=nBSω=nΦ0=n,解得:=,故B項(xiàng)正確;線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)表達(dá)式e=Emcost=cost,故C項(xiàng)錯(cuò)誤;將磁通量的變化周期改變?yōu)?則電動(dòng)勢(shì)的最大值、有效值均變?yōu)樵瓉淼?倍,由線圈中電流的功率P=可知,電流的功率增大為原來的4倍,故D項(xiàng)正確。 【加固訓(xùn)練】 (多選)(xx龍巖模擬)如圖所示,矩形線圈面積為S,匝數(shù)為N,線圈電阻為r,在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞OO′軸以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動(dòng),外電路電阻為R,當(dāng)線圈由圖示位置轉(zhuǎn)過90的過程中,下列判斷正確的是 (　　) A.電壓表的讀數(shù)為U= B.磁通量的變化量為Φ=NBS C.電阻R所產(chǎn)生的焦耳熱為Q= D.通過電阻R的電荷量為q= 【解析】選C、D。線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng),產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的最大值為Em=NBSω,電動(dòng)勢(shì)的有效值為E=,電壓表測(cè)量為電路的外電壓,所以電壓表的讀數(shù)為U=R=,故A項(xiàng)錯(cuò)誤;由圖示位置轉(zhuǎn)過90的過程中,磁通量的變化量 ΔΦ=BS,與匝數(shù)無關(guān),故B項(xiàng)錯(cuò)誤;電阻R產(chǎn)生的熱量Q==,故C項(xiàng)正確;由=N,=,q=Δt得到,電量q=,故D項(xiàng)正確。 9.(xx長(zhǎng)春模擬)如圖甲為風(fēng)力發(fā)電的簡(jiǎn)易模型,在風(fēng)力的作用下,風(fēng)葉帶動(dòng)與其固定在一起的永磁體轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)速與風(fēng)速成正比,某一風(fēng)速時(shí),線圈中產(chǎn)生的正弦式電流如圖乙所示,則 (　　) A.電流的表達(dá)式為i=0.6sin10πt(A) B.磁體的轉(zhuǎn)速為10 r/s C.風(fēng)速加倍時(shí)電流的表達(dá)式為i=1.2sin10πt(A) D.風(fēng)速加倍時(shí)線圈中電流的有效值為0.6 A 【解析】選A、D。通過乙圖可知電流的最大值為0.6 A,周期T=0.2 s,故ω== 10π rad/s,故電流的表達(dá)式為i=0.6sin10πt(A),故A項(xiàng)正確;電流的周期為T=0.2 s,故磁體的轉(zhuǎn)速為n== r/s=5 r/s,故B項(xiàng)錯(cuò)誤;風(fēng)速加倍時(shí),角速度加倍,根據(jù)Em=nBSω可知產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)加倍,形成的感應(yīng)電流加倍,故風(fēng)速加倍時(shí)電流的表達(dá)式為i=1.2sin20πt(A),故C項(xiàng)錯(cuò)誤;根據(jù)C的分析,形成的感應(yīng)電流Im=1.2 A,故有效值為I== A=0.6 A,故D項(xiàng)正確。 二、計(jì)算題(12分。需寫出規(guī)范的解題步驟) 10.(xx贛州模擬)如圖所示線圈面積為0.05 m2,共100匝,線圈總電阻為r= 1 Ω,外電阻R=9 Ω,線圈處于B= T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中。當(dāng)線圈繞OO′以轉(zhuǎn)速n= 300 r/min勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),從線圈處于圖示位置開始計(jì)時(shí),求: (1)寫出電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)表達(dá)式。 (2)線圈轉(zhuǎn)過60時(shí)兩交流電表的示數(shù)U和I。 (3)線圈轉(zhuǎn)過 s的過程中,通過電阻的電荷量q。 (4)線圈勻速轉(zhuǎn)一圈回路產(chǎn)生的總熱量Q。 【解析】(1)線圈的角速度 ω=2πn=10π rad/s 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值Em=NBSω=100 V 則從線圈處于中性面開始計(jì)時(shí),電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式為 e=Emsinωt=100sin10πt(V) (2)電路中電流的有效值I= E=Em 解得:I=5 A 即電流表讀數(shù)為5 A 電壓表讀數(shù)為U=IR=45 V (3)線圈轉(zhuǎn)過的角度為θ=ωt=π,在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中,通過電阻的電荷量 q== C (4)線圈勻速轉(zhuǎn)一圈回路產(chǎn)生的總熱量 Q=I2(R+r)T=I2(R+r)=100 J 答案:(1)e=100sin10πt(V) (2)45 V　5 A　(3) C　(4)100 J 【加固訓(xùn)練】 如圖所示,一個(gè)半徑為r的半圓形線圈,以直徑ab為軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)速為n,ab的左側(cè)有垂直于紙面向里(與ab垂直)的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。M和N是兩個(gè)集流環(huán),負(fù)載電阻為R,線圈、電流表和連接導(dǎo)線的電阻不計(jì),求: (1)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值。 (2)從圖示位置起轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)的時(shí)間內(nèi),負(fù)載電阻R上產(chǎn)生的熱量。 (3)從圖示位置起轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)的時(shí)間內(nèi),通過負(fù)載電阻R的電荷量。 (4)電流表的示數(shù)。 【解析】(1)線圈繞軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),在電路中產(chǎn)生如圖所示的交變電流: 此交變電動(dòng)勢(shì)的最大值為 Em=BSω=B2πn=π2Bnr2。 (2)在線圈從圖示位置轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)的時(shí)間內(nèi),電動(dòng)勢(shì)的有效值為E== 電阻R上產(chǎn)生的熱量為 Q=R=。 (3)在線圈從圖示位置轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)的時(shí)間內(nèi),電動(dòng)勢(shì)的平均值為= 通過R的電荷量 q=Δt=Δt==。 (4)設(shè)此交變電動(dòng)勢(shì)在一個(gè)周期內(nèi)的有效值為E′,由有效值的定義得=T, 解得E′= 故電流表的示數(shù)為I==。 答案:(1)π2Bnr2　(2)　(3) (4) 【能力拔高題組】 1.(8分)(xx武漢模擬)在如圖甲所示的電路中,電阻R2=6R1,D1、D2為理想二極管,當(dāng)輸入如圖乙所示的正弦交流電時(shí),電壓表的示數(shù)為 (　　) A.U0　　B.U0　　C.U0　　D.U0 【解析】選C。由題意可知,0～時(shí)間內(nèi)兩電阻串聯(lián),則電路總電阻R=R1+R2,根據(jù)歐姆定律得出電壓表讀數(shù)U1=R1=,～T時(shí)間內(nèi)電壓反向,回路中只有電阻R1,則電路總電阻R′=R1,根據(jù)歐姆定律得出電壓表讀數(shù)U2==U0,根據(jù)交流 電的有效值定義得+=T,解得U=U0。 2.(17分)圖1是交流發(fā)電機(jī)模型示意圖。在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,有一矩形線圈abcd可繞線圈平面內(nèi)垂直于磁感線的軸OO′轉(zhuǎn)動(dòng),由線圈引出的導(dǎo)線ae和df分別與兩個(gè)跟線圈一起繞OO′轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬圓環(huán)相連接,金屬圓環(huán)又分別與兩個(gè)固定的電刷保持滑動(dòng)接觸,這樣矩形線圈在轉(zhuǎn)動(dòng)中就可以保持和外電路電阻R形成閉合電路。圖2是線圈的主視圖,導(dǎo)線ab和cd分別用它們的橫截面來表示。已知ab長(zhǎng)度為L(zhǎng)1,bc長(zhǎng)度為L(zhǎng)2,線圈以恒定角速度ω逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。(只考慮單匝線圈) (1)線圈平面處于中性面位置時(shí)開始計(jì)時(shí),試推導(dǎo)t時(shí)刻整個(gè)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1的表達(dá)式。 (2)線圈平面處于與中性面成φ0夾角位置時(shí)開始計(jì)時(shí),如圖3所示,試寫出t時(shí)刻整個(gè)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2的表達(dá)式。 (3)若線圈電阻為r,求從中性面開始的內(nèi)通過電阻的電量q的大小。(其他電阻均不計(jì)) (4)若線圈電阻為r,求線圈每轉(zhuǎn)動(dòng)一周外力需做的功。(其他電阻均不計(jì)) 【解析】(1)矩形線圈abcd轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,只有ab和cd切割磁感線,設(shè)ab和cd的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為v,則 v=ω 在t時(shí)刻,導(dǎo)線ab和cd因切割磁感線而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)均為E1=BL1vy 由圖可知vy=vsinωt 則整個(gè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 e1=2E1=BL1L2ωsinωt (2)若從轉(zhuǎn)過中性面φ0開始計(jì)時(shí),則相當(dāng)于,t=0時(shí) e=BL1L2ωsin(φ0) 故線圈經(jīng)過圖示位置時(shí)開始計(jì)時(shí),則交變電流的瞬時(shí)值表達(dá)式 e2=BL1L2ωsin(ωt+φ0) (3)在從中性面開始的四分之一的周期內(nèi)由 q=Δt = = ΔΦ=Φ2-Φ1=0-BL1L2 解得:q= (4)由閉合電路歐姆定律可知I= E== 則線圈轉(zhuǎn)動(dòng)一周回路產(chǎn)生的焦耳熱為 Q=I2(R+r)T 其中T= 于是Q= 根據(jù)能量守恒定律可得外力需做的功 W=Q= 答案:(1)e1=BL1L2ωsinωt (2)e2=BL1L2ωsin(ωt+φ0) (3)　(4)