知識點1:交變電流
【情境導(dǎo)入】
用示波器觀察于電池電流的波形是一條平行于t軸的直線;而交流電的波形是一條正弦(或余弦)曲線,如圖所示。想一想,這兩種波形代表的電流有何區(qū)別?
【答案】直流電方向不變,而交流電方向在做周期性變化。
1.交變電流
大小和方向隨時間做周期性變化的電流叫作交變電流,簡稱交流.
2.常見的交變電流的波形圖
實際應(yīng)用中,交變電流有著不同的變化規(guī)律,常見的有以下幾種,如圖所示.
3.直流電
方向不隨時間變化的電流叫作直流,大小和方向都不隨時間變化的電流叫作恒定電流,下圖均表示直流電。
知識點2:交變電流的產(chǎn)生
【情境導(dǎo)入】
假定線圈繞OO′軸沿逆時針方向勻速轉(zhuǎn)動,如圖所示,則:

(1)線圈轉(zhuǎn)動一周的過程中,線圈中的電流方向如何變化?
(2)線圈轉(zhuǎn)動過程中,當(dāng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流有最小值和最大值時線圈分別在什么位置?
答案 (1)
(2)線圈轉(zhuǎn)到甲或丙位置時線圈中感應(yīng)電流最小,為零,此時線圈所處的平面稱為中性面.線圈轉(zhuǎn)到乙或丁位置時線圈中的感應(yīng)電流最大,此時線圈處在垂直中性面的位置.
1.中性面位置(S⊥B,如圖中的甲、丙)
線圈平面與磁場垂直的位置,此時Φ最大,eq \f(ΔΦ,Δt)為0,e為0,i為0。線圈經(jīng)過中性面時,電流方向發(fā)生改變,線圈轉(zhuǎn)一圈電流方向改變兩次。
2.垂直中性面位置(S∥B,如圖中的乙、丁)
此時Φ為0,eq \f(ΔΦ,Δt)最大,e最大,i最大.
知識點3:正弦式交變電流的變化規(guī)律
【情境導(dǎo)入】
如圖所示,線圈平面繞bc邊的中點從中性面開始轉(zhuǎn)動,角速度為ω.經(jīng)過時間t,線圈轉(zhuǎn)過的角度是ωt,ab邊的線速度v的方向跟磁感線方向間的夾角也等于ωt.設(shè)ab邊長為L1,bc邊長為L2,線圈面積S=L1L2,磁感應(yīng)強度為B,則:
(1)ab邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為多大?
(2)整個線圈中的感應(yīng)電動勢為多大?
(3)若線圈有N匝,則整個線圈的感應(yīng)電動勢為多大?
答案 (1)eab=BL1vsin ωt=BL1eq \f(L2ω,2)sin ωt=eq \f(1,2)BL1L2ωsin ωt=eq \f(1,2)BSωsin ωt.
(2)整個線圈中的感應(yīng)電動勢由ab和cd兩邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢組成,且eab=ecd,所以e總=eab+ecd=BSωsin ωt.
(3)若線圈有N匝,則相當(dāng)于N個完全相同的電源串聯(lián),所以e=NBSωsin ωt.
1.從中性面開始計時
線圈中產(chǎn)生的電動勢的瞬時值表達式:e=Emsin ωt,Em叫作電動勢的峰值,Em=NωBS.
2.正弦式交變電流
按正弦規(guī)律變化的交變電流叫作正弦式交變電流,簡稱正弦式電流.
3.正弦式交變電流的瞬時值表達式
(1)從中性面位置開始計時
e=Emsin ωt,i=Imsin ωt,u=Umsin ωt
(2)從與中性面垂直的位置開始計時
e=Emcs ωt,i=Imcs ωt,u=Umcs ωt.
4. 交變電流的峰值
Em=NωBS,Im=eq \f(NωBS,R+r),Um=eq \f(NωBSR,R+r).
電動勢峰值Em=NωBS由線圈匝數(shù)N、磁感應(yīng)強度B、轉(zhuǎn)動角速度ω和線圈面積S決定,與線圈的形狀無關(guān),與轉(zhuǎn)軸的位置無關(guān).
如圖所示的幾種情況中,如果N、B、ω、S均相同,則感應(yīng)電動勢的峰值均相同.
考點1:交流發(fā)電機原理和示意圖
【典例1】(23-24高二下·江蘇常州·期末)如圖所示,線圈abcd在水平勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生交變電流。當(dāng)線圈逆時針轉(zhuǎn)動到圖示水平位置時( )
A.線圈處于中性面位置B.線圈中瞬時感應(yīng)電動勢為零
C.穿過線圈平面的磁通量最大D.線圈中電流方向為
【變式1-1】(23-24高二下·廣東肇慶·階段練習(xí))如圖所示為演示交變電流產(chǎn)生的裝置圖,關(guān)于這個實驗,下列說法正確的是( )
A.圖示位置,ab邊的感應(yīng)電流方向為由a→b
B.圖示位置為中性面,線圈中無感應(yīng)電流
C.線圈每轉(zhuǎn)動一周,電流方向改變一次
D.圖示位置線圈平面與磁場方向平行,磁通量變化率為零
【變式1-2】(多選)(23-24高二下·廣東深圳·期中)如圖所示,下列線圈勻速轉(zhuǎn)動或勻速直線運動,能產(chǎn)生交變電流的是( )
A.B.C.D.
考點2:判斷線圈轉(zhuǎn)到不同位置的電流方向
【典例2】(23-24高二下·北京·期中)如圖(a)→(b)→(c)→(d)→(e)過程是交流發(fā)電機發(fā)電的示意圖。線圈的ab邊連在金屬滑環(huán)K上,cd邊連在金屬滑環(huán)L上,用導(dǎo)體制成的兩個電刷分別壓在兩個滑環(huán)上,線圈在轉(zhuǎn)動時可以通過滑環(huán)和電刷保持與外電路連接。下列說法正確的是( )
A.圖(a)中,線圈平面與磁感線垂直,磁通量變化率最大
B.從圖(b)開始計時,線圈中電流i隨時間t變化的關(guān)系是
C.當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到圖(c)位置時,感應(yīng)電流最小,且感應(yīng)電流方向改變
D.當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到圖(d)位置時,感應(yīng)電動勢最大,cd邊感應(yīng)電流方向為c→d
【變式2-1】(23-24高二下·北京房山·期中)某些共享單車的內(nèi)部有一個小型發(fā)電機,通過騎行者的騎行踩踏,可以不斷地給單車?yán)锏男铍姵爻潆?,蓄電池再給智能鎖供電。小型發(fā)電機的發(fā)電原理可簡化為圖甲所示,矩形線圈abcd處于勻強磁場中,通過交流電流表與阻值為R的電阻相連。某段時間在騎行者的踩踏下,線圈繞垂直磁場方向的軸勻速轉(zhuǎn)動,圖乙是線圈轉(zhuǎn)動過程中穿過線圈的磁通量隨時間t變化的圖像,則( )
A.t=0時刻,線圈處于中性面位置
B.t1時刻,電流表示數(shù)最大
C.t2時刻,線圈中電流方向發(fā)生改變
D.t3時刻,穿過線圈的磁通量變化率為零
【變式2-2】(23-24高二下·四川成都·階段練習(xí))如圖所示,單匝矩形線圈的一半放在有界勻強磁場中,中心軸線與磁場邊界重合,線圈繞中心軸線按圖示方向(從上向下看逆時針方向)勻速轉(zhuǎn)動,時線圈平面與磁場方向垂直,規(guī)定電流方向沿為正方向,則圖中能表示線圈內(nèi)感應(yīng)電流隨時間變化規(guī)律的是( )
A.B.C.D.
考點3:中性面及其性質(zhì)
【典例3】(23-24高二下·內(nèi)蒙古赤峰·期末)圖甲是交流發(fā)電機的示意圖,兩磁極之間的磁場可視為勻強磁場,金屬線圈ABCD繞轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動,A為電流傳感器(與計算機相連),為定值電阻,線圈電阻為,其余電阻不計。圖乙為計算機上顯示的電流數(shù)據(jù)隨時間變化的圖像。下列說法中正確的是( )
A.金屬線圈恰好處于圖甲所示的位置時感應(yīng)電動勢為0,對應(yīng)圖乙中或時刻
B.金屬線圈恰好處于圖甲所示的位置時感應(yīng)電動勢最大,對應(yīng)圖乙中或時刻
C.、時刻穿過線圈的磁通量的絕對值最小,磁通量的變化率最大
D.、時刻穿過線圈的磁通量的絕對值最小,磁通量的變化率最大
【變式3-1】如圖甲所示,由交流發(fā)電機、定值電阻、交流電流表A組成的閉合回路,線圈沿逆時針方向轉(zhuǎn)動,圖甲所示位置磁感線與線圈平面平行,從此刻開始計時,穿過線圈的磁通量隨時間變化的圖像如圖乙所示,則( )
A.時刻線圈中感應(yīng)電動勢最小
B.時刻線圈中感應(yīng)電流的方向改變
C.線圈轉(zhuǎn)到圖甲所示位置時,線圈中磁通量變化率為零
D.線圈轉(zhuǎn)動到圖甲所示位置時,線圈中感應(yīng)電流方向為
【變式3-2】(多選)如圖甲所示,矩形線圈在勻強磁場中逆時針勻速轉(zhuǎn)動時,線圈中產(chǎn)生的交變電流如圖乙所示,設(shè)方向為電流正方向,則下列說法正確的是( )
A.圖乙中時間段對應(yīng)圖甲中至的過程
B.圖乙中時刻對應(yīng)圖甲中的
C.圖乙中時刻為時,則內(nèi)電流的方向改變100次
D.圖乙中時刻為時,則交變電流的頻率為
考點4:交流電在示波器上的顯示
【典例4】示波器面板如圖所示,圖甲圖為一信號源。
(1)若要觀測此信號源發(fā)出的正弦交流信號的波形(正弦交流信號的電流i隨時間t做周期性變化的圖像如圖乙所示),應(yīng)將信號源的a端與示波器面板上的 接線柱相連,b端與 接線柱相連。
(2)若示波器所顯示的輸入波形如圖丙所示,要將波形上移,應(yīng)調(diào)節(jié)面板上的 旋鈕;要使此波形橫向展寬,應(yīng)調(diào)節(jié) 旋鈕。
【變式4-1】①在使用示波器時,如果屏幕上出現(xiàn)如圖1所示的波形時,應(yīng)調(diào)節(jié)圖2中的 旋鈕使之顯示在屏幕中央?yún)^(qū)域(如圖3所示),如果外接Y輸入正弦交流電源,觀察到正弦波的豎直方向的正、負半周均超出了屏幕的范圍,應(yīng)調(diào)節(jié) 旋鈕或 旋鈕(填旋鈕旁邊的數(shù)字或名稱),或這兩個鈕配合使用,以使正弦波的整個波形出現(xiàn)在屏幕內(nèi).
②如果使該信號顯示從一個波形變成兩個完整的波形,如圖4所示,則應(yīng)調(diào)節(jié) 旋鈕或 旋鈕(填旋鈕旁邊的數(shù)字或名稱),這兩個旋鈕配合使用;波形橫向變窄,應(yīng)調(diào)節(jié) 旋鈕.
【變式4-2】利用示波器可以顯示輸入信號的波形,單匝正方形金屬線框abed處在勻強磁場中,當(dāng)以線圈平面內(nèi)某虛線為軸勻速轉(zhuǎn)動時,線圈內(nèi)產(chǎn)生的電流隨時間的變化關(guān)系如圖甲所示。則在四個選項所示的情景中,無論從線圈平面處于哪個位置開始計時,都不可能產(chǎn)生該電流的是( )
A. B. C. D.
一、單選題
1.(23-24高二下·廣東梅州·期末)如圖甲所示,2023年6月14日,我國自主研發(fā)的首臺兆瓦級漂浮式波浪能發(fā)電裝置“南鯤號”在廣東珠海投入試運行,南鯤號發(fā)電原理可作如下簡化:海浪帶動浪板上下擺動,驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,其中浪板和轉(zhuǎn)子的鏈接裝置使轉(zhuǎn)子只能單方向轉(zhuǎn)動,如圖乙所示,若轉(zhuǎn)子帶動線圈沿逆時針方向轉(zhuǎn)動,并向外輸出電流,下列說法正確的是( )
A.圖乙中線圈所處位置是中性面
B.在圖乙所示位置時,穿過線圈的磁通量變化率最大
C.在圖乙所示位置時,線圈b端電勢高于a端電勢
D.在圖乙所示位置時,線圈靠近S極的導(dǎo)線受到的安培力方向向上
2.(23-24高二下·江蘇連云港·期末)如圖所示,兩圓弧形磁極之間放置一矩形線圈,其中A、B為線圈引出的兩個接線端,線圈可繞軸轉(zhuǎn)動。下列說法正確的是( )
A.線圈處于非勻強磁場中B.圖示位置穿過線圈的磁通量不為零
C.通電后線圈左右兩邊受安培力相同D.若線圈在外力作用下轉(zhuǎn)動,則A端電勢始終低于B端
3.(23-24高二下·陜西西安·期中)如圖甲所示為交流發(fā)電機、定值電阻R、交流電流表A組成的閉合回路,線圈ABCD逆時針方向轉(zhuǎn)動,圖示位置磁感線與線圈平面平行,圖乙所示為通過線圈的磁通量隨時間t的變化關(guān)系圖像,下列說法正確的是( )
A.、時刻線圈中感應(yīng)電動勢最小
B.、時刻電阻R兩端的電壓為零
C.線圈轉(zhuǎn)動到圖示位置時,線圈中磁通量變化率為零
D.線圈轉(zhuǎn)動到圖示位置時,感應(yīng)電流方向為
4.(23-24高二下·江西·階段練習(xí))汽車上的發(fā)電機多采用旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機。如圖甲,轉(zhuǎn)子在外力帶動下旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生磁場,定子線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢?,F(xiàn)簡化為如圖乙模型,一連有電阻的線圈軸線與條形磁鐵中心線在同一平面,條形磁鐵(轉(zhuǎn)子)繞其中心在該平面內(nèi)勻速轉(zhuǎn)動的過程中,下列說法正確的是( )
A.條形磁鐵在圖示位置,線圈中磁通量最大
B.條形磁鐵在圖示位置,電阻中電流為零
C.條形磁鐵從圖示位置轉(zhuǎn)動過程中,電阻中電流方向由指向
D.增大條形磁鐵的轉(zhuǎn)速,可以增大中的電流
5.(23-24高二下·江蘇連云港·期中)一矩形線圈的匝數(shù)為50,在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的軸勻速轉(zhuǎn)動時,穿過線圈的磁通量隨時間的變化規(guī)律如圖所示。下列結(jié)論正確的是( )
A.在t=0.1s和t=0.3s時,電動勢最大B.在t=0.2s和t=0.4s時,電動勢方向發(fā)生改變
C.電動勢的最大值是50VD.在t=0.4s時,磁通量的變化率最大,為3.14Wb/s
6.(23-24高二下·湖北孝感·期中)如圖所示為發(fā)電機簡化模型,內(nèi)部是匝數(shù)為N的矩形銅質(zhì)線圈在水平勻強磁場中,以角速度繞垂直于磁場的水平轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生交流電。已知N匝線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的最大值為。下列說法正確的是( )
A.當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到圖示位置時處于中性面B.當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到豎直位置時電流表的示數(shù)為零
C.當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到圖示位置時磁通量的變化率最大D.穿過線圈的最大磁通量為
7.(23-24高二下·江蘇常州·期中)利用示波器可以顯示輸入信號的波形,單匝正方形金屬線框abcd處在勻強磁場中,當(dāng)以線圈平面內(nèi)某虛線為軸勻速轉(zhuǎn)動時,線圈內(nèi)產(chǎn)生的電流隨時間的變化關(guān)系如圖甲所示。則在四個選項所示的情景中,無論從線圈平面處于哪個位置開始計時,都不可能產(chǎn)生該電流的是( )
A. B. C.D.
8.(2024·重慶·模擬預(yù)測)如圖所示,從左往右看,各線圈在勻強磁場中繞軸勻速順時針轉(zhuǎn)動,從圖示位置開始計時,設(shè)電流從2流出線圈為正方向,能產(chǎn)生圖甲所示交變電流的是( )

A.線圈平面與磁場垂直 B.線圈平面與磁場平行C.線圈平而與磁場垂直 D.線圈平面與磁場平行
二、多選題
9.(22-23高二上·河北邯鄲·期末)一只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變化的圖象如圖所示.則下列說法中正確的是( )
A.時刻,線圈處在中性面B.時刻,的變化率為0
C.時刻,感應(yīng)電動勢為0D.從時間內(nèi),線圈轉(zhuǎn)過的角度是
10.(23-24高二下·廣東茂名·期末)如圖所示是物理實驗室常見的手搖交流發(fā)電機,快速搖動發(fā)電機手柄,能看到燈泡可以發(fā)光,下列說法正確的是( )
A.手柄搖得越快,發(fā)電機產(chǎn)生的交流電峰值越大B.手柄搖得越快,發(fā)電機產(chǎn)生的交流電頻率越高
C.手柄每轉(zhuǎn)動一周,感應(yīng)電流方向都會改變一次D.把磁鐵N、S極位置互換,發(fā)電機將不能發(fā)電
三、實驗題
11.(23-24高二下·黑龍江齊齊哈爾·期中)如圖所示,(a)→(b)→(c)→(d)→(e)過程是交流發(fā)電機發(fā)電的示意圖,線圈的ab邊連在金屬滑環(huán)K上,cd邊連在金屬滑環(huán)L上,用導(dǎo)體制成的兩個電刷分別壓在兩個滑環(huán)上,線圈在轉(zhuǎn)動時可以通過滑環(huán)和電刷保持與外電路連接。
(1)圖(a)中,線圈平面與磁感線垂直,磁通量 ,磁通量變化率 。(均填“最大”或“為零”)
(2)從圖(b)開始計時,線圈中電流i隨時間t變化的關(guān)系是 。(填“”或“”)
(3)當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到圖(c)位置時,感應(yīng)電流 。(填“最小”或“最大”)
(4)當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到圖(d)位置時,感應(yīng)電動勢 。(填“最小”或“最大”)
(5)當(dāng)線圈由圖(d)轉(zhuǎn)到圖(e)過程中,ab邊感應(yīng)電流方向為 。(填“a→b”或“b→a”)
四、解答題
12.(22-23高二·上?!るS堂練習(xí))如圖是一手搖發(fā)電機,其原理可簡化為矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的中心軸OO'勻速轉(zhuǎn)動,產(chǎn)生隨時間變化的感應(yīng)電動勢。已知矩形線圈abcd的匝數(shù)為N,邊長,。線圈所在處磁感應(yīng)強度為B。線圈的角速度為。當(dāng)線圈轉(zhuǎn)動到如圖所示位置時,其平面與磁場方向平行。
(1)求線圈轉(zhuǎn)動到如圖位置時ab邊切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小并判斷ab兩端電勢的高低;
(2)從線圈處于如圖位置開始計時,t時刻線圈轉(zhuǎn)至截面圖中虛線所示位置,推導(dǎo)t時刻線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小為;
13.(23-24高二下·全國)閉合線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場的軸轉(zhuǎn)動時,線圈中產(chǎn)生正弦式交變電流。若在如圖甲所示N、S極間放置一圓柱形鐵芯O,受鐵芯影響,兩極間的磁場如圖乙所示,縫隙中的磁感線沿圓柱的半徑分布,且只在圖中所示的左、右各的圓心角范圍內(nèi)存在。一邊長為l的正方形平面線框abcd,其中ab、cd兩邊與鐵芯軸線平行,bc、da兩邊與鐵芯的軸線OO′垂直。線圈由圖示位置以恒定的角速度ω繞OO′逆時針旋轉(zhuǎn),試分析線圈中感應(yīng)電動勢隨時間的變化規(guī)律。(圖中ab、cd所在位置磁感應(yīng)強度大小均為B)
模塊一 思維導(dǎo)圖串知識
模塊二 基礎(chǔ)知識全梳理(吃透教材)
模塊三 教材習(xí)題學(xué)解題
模塊四 核心考點精準(zhǔn)練(4大考點)
模塊五 小試牛刀過關(guān)測
1.通過實驗觀察交變電流的方向.會區(qū)分交流電和直流電。
2. 會分析交變電流的產(chǎn)生過程,會推導(dǎo)交變電流電動勢的表達式。
3. 知道什么是正弦式交變電流,知道正弦式交變電流的瞬時值表達式。
4. 了解交流發(fā)電機的構(gòu)造及工作原理。
轉(zhuǎn)動過程
磁通量變化
電流方向
甲→乙
變小
B→A→D→C
乙→丙
變大
B→A→D→C
丙→丁
變小
A→B→C→D
丁→甲
變大
A→B→C→D
教材習(xí)題02
下列電流隨時間變化的圖像中,屬于交變電流的是( )

解題方法
【詳解】交變電流是大小和方向隨時間周期性變化,ABD不屬于交變電流,C屬于交流電。
【答案】C。
教材習(xí)題02
下列各情況中,線圈都以角速度繞圖中的轉(zhuǎn)動軸勻速轉(zhuǎn)動,能產(chǎn)生交變電流的是哪些?請簡述理由。

解題方法
【詳解】產(chǎn)生交變電流的條件是線圈繞垂直于勻強磁場的轉(zhuǎn)軸做勻速圓周運動。甲圖,轉(zhuǎn)軸與磁場平行,線圈在轉(zhuǎn)動的過程中,線圈里始終沒有磁通量,沒有感應(yīng)電流;乙圖,線圈中磁通量隨線圈的轉(zhuǎn)動呈周期性的變化,能產(chǎn)生交變電流;丙圖,線圈中磁通量隨線圈的轉(zhuǎn)動呈周期性的變化,能產(chǎn)生交變電流,丁圖,線圈中磁通量隨線圈的轉(zhuǎn)動呈周期性的變化,能產(chǎn)生交變電流。
【答案】丙和丁。
教材習(xí)題03
如圖所示,矩形線圈abcd在勻強磁場中繞OO′軸順時針(沿OO′方向看)勻速轉(zhuǎn)動時,線圈中產(chǎn)生正弦交流電。從線圈轉(zhuǎn)過圖示位置開始計時,設(shè)沿abcda方向為電流正方向,則線圈中產(chǎn)生的交流電圖像是圖中的哪一個?說明判斷的理由。
解題方法
【詳解】在圖示位置,穿過線圈的磁通量達到最大,線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流為零,即
,
當(dāng)線圈繞OO′軸順時針(沿OO′方向看)勻速轉(zhuǎn)動時,穿過線圈的磁通量減小,且原磁場方向向上,根據(jù)楞次定律可知感應(yīng)電流的磁場方向和原磁場方向相同,故線圈中的感應(yīng)電流的方向沿abcda,電流為正方向,故選a。
【答案】A。

相關(guān)試卷

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