
基礎(chǔ)達(dá)標(biāo)練
1(多選)下圖中,哪些情況線圈中產(chǎn)生了交變電流( BCD )
解析:由交變電流的產(chǎn)生條件可知,軸必須垂直于磁感線,但對(duì)線圈的形狀及轉(zhuǎn)軸的位置沒(méi)有特別要求。
2.交流發(fā)電機(jī)正常工作時(shí),電動(dòng)勢(shì)的變化規(guī)律為e=Emsinωt。如果把發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速減小一半,并且把電樞線圈的匝數(shù)增加一倍,其他條件不變,則電動(dòng)勢(shì)e′的變化規(guī)律為( B )
A.e′=2Emsin ωtB.e′=Emsineq \f(ω,2)t
C.e′=2Emsineq \f(ω,2)tD.e′=Emsin 2ωt
解析:把發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速減小一半,則根據(jù)ω=2πn可知角速度ω變?yōu)閑q \f(1,2)ω;再把電樞線圈的匝數(shù)增加一倍,根據(jù)Em=NBSω可知最大值Em不變,則電動(dòng)勢(shì)e′的變化規(guī)律為e′=Emsineq \f(ω,2)t。
3.一單匝閉合線框在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)方向的轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng),在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,線框中的最大磁通量為Φm。最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為Em,下列說(shuō)法中正確的是( D )
A.當(dāng)磁通量為零時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也為零
B.當(dāng)磁通量減小時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也減小
C.當(dāng)磁通量等于0.5Φm時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于0.5Em
D.角速度ω等于eq \f(Em,Φm)
解析:當(dāng)磁通量為零時(shí),磁通量變化率最大,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大,A錯(cuò)誤;當(dāng)穿過(guò)線框的磁通量減小時(shí),線框與磁場(chǎng)方向的夾角減小,線框有效的切割速度增大,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增大,B錯(cuò)誤;設(shè)線框與磁場(chǎng)方向的夾角為θ,則穿過(guò)線框的磁通量Φ=Φmsin θ,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=Emcs θ,則當(dāng)Φ=0.5Φm時(shí),θ=30°,E=Emcs θ=eq \f(\r(3),2)Em,C錯(cuò)誤;最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為Em=BSω,最大磁通量Φm=BS,所以Em=Φmω,解得ω=eq \f(Em,Φm),D正確。
4.(2023·遼寧丹東市高二期末)某交流發(fā)電機(jī)的線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),磁通量Φ隨時(shí)間t變化的規(guī)律如圖所示,則下列說(shuō)法正確的是( C )
A.1 s內(nèi)線圈中電流方向改變50次
B.t=0時(shí),線圈平面與中性面重合
C.t=0.01 s時(shí),磁通量變化率的絕對(duì)值為40π Wb/s
D.t=0.015 s時(shí),線圈中的感應(yīng)電流最大
解析:交變電流的周期為0.02 s,頻率為50 Hz,每個(gè)周期電流方向變化兩次,1 s內(nèi)線圈中電流方向改變100次,A錯(cuò)誤;t=0時(shí),磁通量等于零,線圈平面與磁感線平行,與中性面垂直,B錯(cuò)誤;根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律E=neq \f(ΔΦ,Δt),又因?yàn)镋=nBSω,ω=eq \f(2π,T),Φm=BS,解得eq \f(ΔΦ,Δt)=40π Wb/s,C正確;t=0.015 s時(shí),磁通量最大,線圈與磁感線垂直,線圈中的感應(yīng)電流等于零,D錯(cuò)誤。
5.(2023·四川高二期中)一矩形線圈繞垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)并位于線圈平面內(nèi)的固定軸轉(zhuǎn)動(dòng),線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間的變化如圖所示,則下列說(shuō)法正確的是( D )
A.t1時(shí)刻通過(guò)線圈的磁通量為零
B.t2時(shí)刻通過(guò)線圈的磁通量最大
C.t3時(shí)刻通過(guò)線圈的磁通量的變化率的絕對(duì)值最大
D.每當(dāng)電流方向變化時(shí),通過(guò)線圈的磁通量的絕對(duì)值最大
解析:由圖可知,t1時(shí)刻線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最小為零,則磁通量的變化率為零,此時(shí)線圈平面處于中性面,所以通過(guò)線圈的磁通量最大,A錯(cuò)誤;由圖可知,t2時(shí)刻線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大,則線圈平面與中性面垂直,則磁通量最小為零,B錯(cuò)誤;由圖可知,t3時(shí)刻線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最小為零,則磁通量的變化率最小為零,C錯(cuò)誤;每當(dāng)電動(dòng)勢(shì)變化方向時(shí),電流方向也隨之變化,此時(shí)線圈與磁場(chǎng)垂直,線圈平面處于中性面,磁通量最大,D正確。
6.(2022·黑龍江高二開(kāi)學(xué)考試)如圖所示,在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,有一個(gè)匝數(shù)為N的矩形線圈abcd,線圈面積為S,ab邊與磁場(chǎng)垂直,ab邊始終與金屬滑環(huán)K相連,cd邊始終與金屬滑環(huán)L相連,電阻R接在K、L之間?,F(xiàn)使矩形線圈以恒定角速度ω,從圖示位置繞過(guò)ad、bc中點(diǎn)的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng),下列說(shuō)法中正確的是( C )
A.線圈每轉(zhuǎn)過(guò)一圈,線圈所受安培力做功為零
B.線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度越大,通過(guò)電阻R的電流越小
C.線圈平面與磁場(chǎng)平行時(shí),瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大值Em=NBSω
D.線圈平面與磁場(chǎng)平行時(shí),穿過(guò)線圈平面的磁通量最大
解析:線圈轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,安培力做負(fù)功使線圈的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能,A錯(cuò)誤;根據(jù)Em=NBSω可知,線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度越大,產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)峰值越大,則有效值越大,通過(guò)電阻R的電流越大,B錯(cuò)誤;題圖所示位置,線圈平面與磁場(chǎng)平行,產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大,最大值為Em=NBSω,C正確;線圈平面與磁場(chǎng)平行時(shí),穿過(guò)線圈平面的磁通量為零,線圈平面與磁場(chǎng)方向垂直時(shí),穿過(guò)線圈平面的磁通量最大,D錯(cuò)誤。
7.(多選)(2023·吉林梅河口市高二期中)兩人在赤道上站立。各自手握金屬繩OPO′的一端,繞東西方向的水平軸沿順時(shí)針?lè)较騽蛩贀u動(dòng),周期為T,將金屬繩連入電路,閉合回路如圖所示,取金屬繩在圖示的最高位置時(shí)為t=0時(shí)刻,則下列說(shuō)法正確的是( AD )
A.電路中存在周期為T的變化電流
B.t=0時(shí)刻,回路磁通量最大,電路中電流最大
C.t=eq \f(T,4)時(shí)刻,電流向左通過(guò)靈敏電流計(jì)
D.t=eq \f(T,2)時(shí)刻,電路中電流為零
解析:用類比法,如線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),產(chǎn)生周期性變化的交變電流,所以這個(gè)電路中存在周期為T的變化電流,A正確;由于地磁場(chǎng)方向等效為由南指向北,則t=0時(shí)刻,回路磁通量最大,電路中電流最小為0,B錯(cuò)誤;t=eq \f(T,4)時(shí)刻,第一次經(jīng)過(guò)水平位置,這個(gè)過(guò)程磁通量減小,由楞次定律可知,感應(yīng)電流方向向右通過(guò)靈敏電流計(jì),C錯(cuò)誤;t=eq \f(T,2)時(shí)刻,導(dǎo)線速度方向與磁場(chǎng)方向平行,磁通量變化率為零,則電路中電流為零,D正確。
8.(多選)(2023·湖南高二期末)圖甲是交流發(fā)電機(jī)的示意圖,兩磁極之間的磁場(chǎng)可視為勻強(qiáng)磁場(chǎng),金屬線圈ABCD繞轉(zhuǎn)軸OO′勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。A為電流傳感器(與計(jì)算機(jī)相連),R為定值電阻,線圈電阻為r,其余電阻不計(jì)。圖乙為計(jì)算機(jī)上顯示的電流數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的圖像,下列說(shuō)法中正確的是( AD )
A.金屬線圈恰好處于圖甲所示的位置時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為0,對(duì)應(yīng)圖乙中t1或t3時(shí)刻
B.金屬線圈恰好處于圖甲所示的位置時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大,對(duì)應(yīng)圖乙中t2或t4時(shí)刻
C.t1、t3時(shí)刻穿過(guò)線圈的磁通量的絕對(duì)值最小,磁通量變化率最大
D.t2、t4時(shí)刻穿過(guò)線圈的磁通量的絕對(duì)值最小,磁通量變化率最大
解析:金屬線圈恰好處于圖甲所示的位置時(shí),磁通量最大,AB、CD邊均不切割磁感線,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為0,電流為0,對(duì)應(yīng)圖乙中t1或t3時(shí)刻,由法拉第電磁感應(yīng)定律知,磁通量變化率為0,B、C錯(cuò)誤,A正確;t2、t4時(shí)刻感應(yīng)電流最大,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大,由法拉第電磁感應(yīng)定律知,磁通量變化率也最大,AB、CD邊垂直切割磁感線,線圈平面與磁感線平行,磁通量最小,D正確。
能力提升練
9.如圖所示為小型旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)的示意圖,一矩形金屬線框在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,繞與磁場(chǎng)垂直的軸沿如圖所示方向勻速轉(zhuǎn)動(dòng),下列關(guān)于交變電流產(chǎn)生過(guò)程的說(shuō)法,正確的是( D )
A.線框經(jīng)過(guò)圖示位置時(shí),穿過(guò)線框的磁通量為零,磁通量的變化率為零
B.若轉(zhuǎn)動(dòng)周期減小一半,線框中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值也減小一半
C.線框經(jīng)過(guò)圖示位置時(shí),電流方向由f點(diǎn)經(jīng)電阻R流向e點(diǎn)
D.線框轉(zhuǎn)過(guò)90°到中性面時(shí)磁通量最大,電流方向發(fā)生改變
解析:線框經(jīng)過(guò)圖示位置時(shí),穿過(guò)線框的磁通量為零,但ab、cd邊剛好垂直切割磁感線,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大,則磁通量的變化率最大,A錯(cuò)誤;若轉(zhuǎn)動(dòng)周期減小一半,角速度變?yōu)樵瓉?lái)的2倍,則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值NBSω增大為原來(lái)的2倍,B錯(cuò)誤;線框經(jīng)過(guò)圖示位置時(shí),根據(jù)楞次定律可知,線框中的電流方向由c到d,所以電流方向由e點(diǎn)經(jīng)電阻R流向f點(diǎn),C錯(cuò)誤;線框轉(zhuǎn)過(guò)90°到中性面時(shí)磁通量最大,磁通量變化率最小為0,感應(yīng)電流為0,感應(yīng)電流方向發(fā)生改變,D正確。
10. 如圖甲所示,單匝矩形線圈的一半放在具有理想邊界的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,線圈軸線OO′與磁場(chǎng)邊界重合。線圈按圖示方向勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。若從圖示位置開(kāi)始計(jì)時(shí),并規(guī)定電流方向沿a→b→c→d→a為正方向,則線圈內(nèi)感應(yīng)電流隨時(shí)間變化的圖像是圖乙中的( A )
解析:若從圖示位置開(kāi)始計(jì)時(shí),在線圈轉(zhuǎn)動(dòng)90°的過(guò)程中,只有ab邊切割磁感線,相當(dāng)于向右切割,故感應(yīng)電流的方向?yàn)閍→d→c→b→a,為負(fù)方向,大小相當(dāng)于半個(gè)線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng),但還是正弦的形式,這一部分A、B的表示都是正確的;在線圈轉(zhuǎn)動(dòng)90°到180°的過(guò)程中,只有cd邊切割磁感線,相當(dāng)于向左切割,故感應(yīng)電流的方向?yàn)閍→d→c→b→a,為負(fù)方向,大小相當(dāng)于半個(gè)線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng),但還是正弦的形式,這一部分B項(xiàng)表示的方向是不正確的;再按同樣的方法繼續(xù)分析可以得到A項(xiàng)是正確的。
11. 如圖所示,單匝直角三角形導(dǎo)線框OMN在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中以O(shè)N所在的直線為軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng),角速度為ω,已知OM邊長(zhǎng)為l,∠MON=θ,勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直于ON向右,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B,則下列說(shuō)法正確的是( D )
A.導(dǎo)線框OMN內(nèi)產(chǎn)生大小恒定的電流
B.截掉導(dǎo)線MN,則電動(dòng)勢(shì)最大值變小
C.導(dǎo)線框OMN產(chǎn)生的電流方向?yàn)镺MNO
D.導(dǎo)線框OMN內(nèi)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)最大值為eq \f(1,2)Bl2ωsin θcs θ
解析:當(dāng)導(dǎo)線框OMN以O(shè)N所在的直線為軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),線圈內(nèi)產(chǎn)生正弦交變電流,選項(xiàng) A錯(cuò)誤;導(dǎo)線MN不切割磁感線,則截掉導(dǎo)線MN,則電動(dòng)勢(shì)最大值不變,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;導(dǎo)線框OMN產(chǎn)生的電流方向不斷變化,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;導(dǎo)線框OMN內(nèi)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)最大值為Em=BωS=eq \f(1,2)Bl2ωsin θcs θ,選項(xiàng)D正確。
12.一個(gè)矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁感線的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng),穿過(guò)線圈的磁通量隨時(shí)間變化的圖像如圖甲所示,則下列說(shuō)法中正確的是( B )
A.t=0時(shí),線圈平面與中性面垂直
B.t=0.01 s時(shí),Φ的變化率最大
C.t=0.02 s時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)達(dá)到最大
D.該線圈相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)如圖乙所示
解析:由題圖甲可知,0、0.02 s、0.04 s時(shí)刻Φ最大,即線圈平面處于中性面位置,eq \f(ΔΦ,Δt)=0,E=0,A、C、D錯(cuò)誤;由題圖甲可知,0.01 s、0.03 s時(shí)刻Φ最小,即線圈平面與磁感線平行,此時(shí)eq \f(ΔΦ,Δt)最大,E最大,B正確。
13.在圖甲所示區(qū)域(圖中直角坐標(biāo)系xOy的一、三象限)內(nèi)有勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直于紙面向里,大小為B。半徑為l,圓心角為60°的扇形導(dǎo)線框OPQ以角速度ω繞O點(diǎn)在紙面內(nèi)沿逆時(shí)針?lè)较騽蛩俎D(zhuǎn)動(dòng),其中ω=2π rad/s,導(dǎo)線框回路的電阻為R。
(1)求導(dǎo)線框中感應(yīng)電流的最大值I0和感應(yīng)電流的頻率f。
(2)在圖乙中畫出導(dǎo)線框在轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)間內(nèi)的感應(yīng)電流i隨時(shí)間t變化的圖像(規(guī)定與圖甲中線框的位置相對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為t=0)。
答案:(1)eq \f(π,R)Bl2 2 Hz (2)見(jiàn)解析
解析:(1)從題圖所示位置開(kāi)始(t=0)轉(zhuǎn)過(guò)60°的過(guò)程中,經(jīng)Δt時(shí)間的轉(zhuǎn)角Δθ=ωΔt
回路的磁通量的變化量ΔΦ=eq \f(1,2)Δθl2B
由法拉第電磁感應(yīng)定律得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=eq \f(ΔΦ,Δt)=eq \f(Bl2ω,2),或由E=Blv,v=eq \f(ω,2)l得E=eq \f(Bl2,2)ω
因?yàn)閯蛩俎D(zhuǎn)動(dòng),所以這就是最大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),
由歐姆定律可求得感應(yīng)電流的最大值I0=eq \f(1,2R)ωBl2,將ω=2π rad/s代入得I0=eq \f(π,R)Bl2
前半圈和后半圈的i(t)相同,故感應(yīng)電流的頻率等于旋轉(zhuǎn)頻率的2倍,
f=2×eq \f(ω,2π)=eq \f(ω,π)=2 Hz。
(2)i-t圖像如圖所示。
14.如圖所示,一半徑為r=10 cm的圓形線圈共100匝,在磁感應(yīng)強(qiáng)度B=eq \f(5,π2) T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,繞垂直于磁場(chǎng)方向的中心軸線OO′以n=600 r/min的轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)線圈轉(zhuǎn)至中性面位置(圖中位置)時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)。
(1)寫出線圈內(nèi)所產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式;
(2)求線圈從圖示位置開(kāi)始在eq \f(1,60) s時(shí)的電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值;
(3)求線圈從圖示位置開(kāi)始在eq \f(1,60) s時(shí)間內(nèi)的電動(dòng)勢(shì)的平均值。
答案:(1)e=100sin 20πt(V) (2)86.6 V
(3)eq \f(150,π) V
解析:(1)交變電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值E=Emsin ωt,Em=NBSω,ω=2πn
解得e=100sin 20πt(V)。
(2)線圈從圖示位置開(kāi)始在eq \f(1,60) s時(shí)的電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值e=100sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(20π×\f(1,60)))V=86.6 V。
(3)在eq \f(1,60) s內(nèi)線圈轉(zhuǎn)過(guò)的角度θ=ωt=eq \f(π,3)
由Φ=BScs ωt知ΔΦ=eq \f(1,2)B·πr2
線圈從圖示位置開(kāi)始在eq \f(1,60) s時(shí)間內(nèi)的電動(dòng)勢(shì)的平均值eq \x\t(E)=Neq \f(ΔΦ,Δt)=eq \f(150,π) V。
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