2018版高中物理 第3章 交變電流 習題課 交變電流的產(chǎn)生及描述學案 魯科版選修3-2.docx
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第3講 習題課 交變電流的產(chǎn)生及描述 [目標定位] 1.進一步熟悉交變電流的產(chǎn)生過程,能夠求解交變電流的瞬時值.2.進一步理解交變電流圖象的物理意義.3.知道交變電流“四值”的區(qū)別,應用“四值”求解相關問題. 1.線圈在勻強磁場中繞垂直于磁感線的軸勻速轉動時產(chǎn)生正弦式交變電流,感應電動勢的瞬時值表達式e=Emsin_ωt(從中性面開始計時). 2.交變電流感應電動勢的最大值Em=nBSω,即最大值由線圈匝數(shù)n、磁感應強度B、轉動角速度ω及線圈面積S決定,與線圈的形狀、轉軸的位置無關(填“有關”或“無關”). 3.線圈在轉動過程中的平均感應電動勢,要用法拉第電磁感應定律計算,即=n. 4.正弦交流電的有效值U=,I=.其他非正弦交流電的有效值根據(jù)有效值的定義求解. 一、交變電流的瞬時值及圖象問題 1.求解感應電動勢瞬時值 (1)確定線圈轉動從哪個位置開始; (2)確定線圈轉動的角速度ω(以rad/s作單位); (3)確定感應電動勢瞬時值表達式. 2.正弦交流電的圖象是一條正弦曲線,從圖象中可以得到以下信息: (1)周期(T)和角速度(ω):線圈轉動的角速度ω=. (2)峰值(Em,Im):圖象上的最大值,可計算出有效值E=,I=. (3)瞬時值:每個“點”表示某一時刻的瞬時值. (4)可確定線圈位于中性面的時刻,也可確定線圈平行于磁感線的時刻. (5)判斷線圈中磁通量Φ及磁通量變化率的變化情況. 例1 一個匝數(shù)N=100 匝的平面線圈所包圍的面積S=0.02 m2,在磁感應強度B=0.5 T的勻強磁場中繞垂直于磁感線的軸以角速度ω=100π rad/s勻速轉動時,在線圈中產(chǎn)生交流電,若自線圈通過中性面時開始計時,那么選項中能夠反映線圈中感應電動勢隨時間變化的圖象是( ) 答案 BD 解析 線圈產(chǎn)生的電動勢的最大值為Em=NBSω=100π V,所以電動勢瞬時值表達式為e=Emsin ωt=100π sin 100πt V,電流的正方向可以選順時針為正,也可以選逆時針為正,故電動勢隨時間變化的圖象為B或D,A、C錯誤,B、D正確. 二、平均值及電荷量的求解 1.感應電動勢的平均值=n. 2.求電荷量要用平均感應電流:=,q=Δt=n. 例2 發(fā)電機的轉子是匝數(shù)為100匝、邊長為20cm的正方形線圈,將它置于磁感應強度B=0.05T的勻強磁場中,繞垂直于磁場方向的軸以ω=100πrad/s的角速度轉動,當線圈平面跟磁場方向垂直時開始計時.線圈和外電路的總電阻R=10Ω. (1)寫出交變電流瞬時值表達式; (2)線圈從計時開始,轉過過程中通過線圈某一截面的電荷量為多少? 答案 (1)i=2πsin (100πt) A (2)110-2C 解析 (1)感應電動勢最大值為Em=nBSω=1000.050.20.2100πV=20πV, Im==2πA,所以i=Imsinωt=2πsin (100πt) A. (2)線圈從計時開始,轉過過程中通過線圈某一截面的電荷量q=t=.從中性面開始計時,轉過,如圖所示.ΔΦ=BΔS=BS(1-sin30)=BS, q==C=110-2C. 三、有效值的計算 對于交變電流有效值的計算一般有以下兩種情況: 1.對于按正(余)弦規(guī)律變化的電流,可先根據(jù)Em=nBSω求出其最大值,然后根據(jù)E=求出其有效值.有關電功、電功率的計算,各種交流儀表讀數(shù)都要用有效值. 2.當電流按非正(余)弦規(guī)律變化時,必須根據(jù)有效值的定義求解,在計算有效值時要注意三同:相同電阻、相同時間(一般要取一個周期)、產(chǎn)生相等熱量.. 例3 圖1中兩交變電流分別通過相同電阻R. 圖1 (1)分別寫出它們的有效值、周期、頻率; (2)計算它在R上產(chǎn)生的功率之比. 答案 (1)3.54 A,0.4 s,2.5 Hz 5 A,0.3 s, Hz (2)1∶2 解析 (1)題圖甲為正弦式交變電流,其有效值I1== A≈3.54 A 周期T1=0.4 s,頻率f1=2.5 Hz 題圖乙為方波交流電,電流的大小不變,方向作周期性變化,由于熱效應與電流方向無關,因而它的有效值I2=5 A 周期T2=0.3 s,頻率f2= Hz (2)由公式P=I2R得P甲∶P乙=I∶1=1∶2 例4 如圖2所示的區(qū)域內有垂直于紙面的勻強磁場,磁感應強度為B.電阻為R、半徑為L、圓心角為45的扇形閉合導線框繞垂直于紙面的O軸以角速度ω勻速轉動(O軸位于磁場邊界).則線框內產(chǎn)生的感應電流的有效值為( ) 圖2 A.B. C.D. 答案 D 解析 扇形閉合導線框切割磁感線的有效長度始終是半徑L,各點的平均速度v=,導線框進磁場(用時周期)和出磁場(用時周期)有感應電流產(chǎn)生,由法拉第電磁感應定律和有效值的定義有:E=,=I2RT,可得I=,故D正確,A、B、C錯誤. 四、交變電流的“四值”的綜合應用 最大值、有效值、瞬時值、平均值,在不同情況下的使用: 1.在研究電容器的耐壓值時,只能用最大值. 2.在研究交變電流做功、電功率及產(chǎn)生的熱量時,只能用有效值W=EIt,Q=I2Rt;交流電表指示的也是有效值. 3.在研究交變電流通過導體橫截面的電荷量時,只能用平均值. 4.在研究某一時刻線圈受到的安培力時,只能用瞬時值. 例5 如圖3所示,在勻強磁場中有一個內阻r=3Ω、面積S=0.02m2的半圓形導線框可繞OO′軸旋轉.已知勻強磁場的磁感應強度B=T.若線框以ω=100πrad/s的角速度勻速轉動,且通過電刷給“6V,12W”的小燈泡供電,則: 圖3 (1)若從圖示位置開始計時,求線框中感應電動勢的瞬時值表達式; (2)從圖示位置開始,線框轉過90的過程中,通過導線橫截面的電荷量是多少?該電荷量與線框轉動的快慢是否有關? (3)由題目所給已知條件,外電路所接小燈泡能否正常發(fā)光?如不能,則小燈泡的實際功率為多大? 答案 (1)e=10cos (100πt) V (2)C 無關 (3)不能 W 解析 (1)線框轉動時產(chǎn)生感應電動勢的最大值Em=BSω=0.02100πV=10V 因線框轉動從平行于磁感線位置開始計時,則感應電動勢的瞬時值表達式 e=Emcosωt=10cos (100πt) V. (2)線框轉過90過程中,產(chǎn)生的平均電動勢==,流過的電荷量q=T=, 燈泡電阻R==Ω=3Ω. 故q==C=C,與線框轉動的快慢無關. (3)線框產(chǎn)生的電動勢的有效值E==10V,燈泡兩端電壓U=R=5V.因U<6V,故燈泡不能正常發(fā)光,其實際功率P==W=W. 圖象信息分析 1.某正弦式交流電的電流i隨時間t變化的圖象如圖4所示.由圖可知( ) 圖4 A.電流的最大值為10A B.電流的有效值為10A C.該交流電的周期為0.03s D.該交流電的頻率為0.02Hz 答案 B 解析 由題圖知此交流電的最大值為10A,則有效值為I=A=10A;周期為0.02s,則頻率為f==50Hz. 有效值的理解和計算 2.如圖5所示,一正弦交流電通過一電子元件后的波形圖,則下列說法正確的是( ) 圖5 A.這也是一種交流電 B.電流的變化周期是0.01s C.電流的有效值是1A D.電流通過100Ω的電阻時,1s內產(chǎn)生的熱量為200J 答案 C 解析 因電流方向不變故不是交流電,A錯;其周期為0.02s,B錯;由電流的熱效應可知2R=I2RT,解得:I=1A,故C對;由Q=I2Rt可知Q=11001J=100J,D錯. 交變電流“四值”的應用 3.一個矩形線框的面積為S,在磁感應強度為B的勻強磁場中,從線圈平面與磁場垂直的位置開始計時,轉速為n轉/秒,則( ) A.線框產(chǎn)生交變電動勢的最大值為nπBS B.線框產(chǎn)生交變電動勢的有效值為nπBS C.從開始轉動經(jīng)過周期,線框中的平均感應電動勢為2nBS D.感應電動勢瞬時值表達式為e=2nπBSsin 2nπt 答案 BD 解析 轉速為n轉/秒,則角速度為2πn,根據(jù)感應電動勢的最大值公式Em=NBSω可以知道,電動勢的最大值為2nπBS.有效值為最大值的,B對,A錯;從線圈平面與磁場垂直的位置開始計時,感應電動勢瞬時值表達式為e=BSωsin ωt=2nπBSsin 2nπt,D對;由E=N得平均電動勢為4nBS,C錯.- 配套講稿:
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