专题22 交变电流的产生与描述-2017年高考物理冲刺专题卷 10页

第 I 卷 一、选择题（本题共 10 小题，在每小题给出的四个选项中，至少有一项符合题目要求） 1.如图所示，一边长为 L 的正方形均匀线圈，以 AB 边所在直线为轴在匀强磁场 B 中做匀速转 动，线圈转动的角速度为 ω，若以图示位置为零时刻，则下列选项反映四条边上的电势差随 时间的变化正确的有(　　) 【答案】AD 【题型】多选题 【难度】较易 2．在匀强磁场中，一矩形金属线圈绕与磁感线垂直的转轴匀速转动，如图甲所示，产生的交 变电动势的图象如图乙所示，则(　　) A．t＝0.005 s 时线圈平面与磁场方向平行 B．t＝0.010 s 时线圈的磁通量变化率最大 C．线圈产生的交变电动势频率为 50 Hz D．线圈产生的交变电动势有效值为 311 V 【答案】AC 【题型】多选题 【难度】较易 3. 用 220 V 的正弦交流电通过理想变压器对一负载供电，变压器输出电压是 110 V，通过负载 的电流图象如图所示，则 (　　) A．变压器输入功率约为 3.9 W B．输出电压的最大值是 110 V C．变压器原、副线圈匝数比是 1∶2 D．负载电流的函数表达式 i＝0.05sin(100πt＋ ) A 【答案】A 【解析】由负载电流图象知，负载电流 I2＝ A，变压器的输出功率 P2＝I2U2＝ ×110 W≈3.9 W，输入功率 P1＝P2＝3.9 W，A 正确；输出电压的最大值为 U2m＝110 V，B 错误； 变压器原、副线圈的匝数比是 ＝2∶1，C 错误；由图象知，负载电流的函数表达式 i ＝0.05sin 100πt(A)，D 错误． 【题型】选择题 【难度】一般 4.如图所示，M 为半圆形导线框，圆心为 OM；N 是圆心角为直角的扇形导线框，圆心为 ON；两 导线框在同一竖直面(纸面)内；两圆弧半径相等；过直线 OMON 的水平面上方有一匀强磁场， 磁场方向垂直于纸面．现使线框 M、N 在 t＝0 时从图示位置开始，分别绕垂直于纸面、且过 OM 2 π 0.05 2 0.05 2 2 1 1 2 2 n U n U = 和 ON 的轴，以相同的周期 T 逆时针匀速转动，则(　　) A．两导线框中均会产生正弦交流电 B．两导线框中感应电流的周期都等于 T C．在 t＝ 时，两导线框中产生的感应电动势相等 D．两导线框的电阻相等时，两导线框中感应电流的有效值也相等 【答案】BC 【题型】多选题 【难度】一般 5. 利用实验室的手摇发电机产生的正弦交流电给灯泡 L 供电，其电路如图所示。当线圈以角 速度 ω 匀速转动时，电压表示数为 U，灯泡正常发光。已知发电机线圈的电阻为 r，灯泡正 常发光时的电阻为 R，电表均为理想电表，导线电阻可忽略，则(　　) A.图中电流表示数为 B.灯泡的额定功率为 C.发电机的线圈中产生的电动势的最大值为 U(1＋ ) D.从线圈转到中性面开始计时，灯泡两端电压的瞬时值表达式为 u＝ Usin ωt 【答案】D 8 T U r 2U R r+ r R 2 【解析】由欧姆定律可知，图中电流表示数为 I＝ ，选项 A 错误；灯泡的额定功率为 P＝UI ＝ ，选项 B 错误；设发电机的线圈中产生的电动势的最大值为 Em，有效值为 E＝ ，由 闭合电路欧姆定律得 E＝U＋Ir，I＝ ，联立解得 Em＝ U(1＋ )，选项 C 错误；从线圈 转到中性面开始计时，发电机产生的正弦交变电流的电流表达式为 i＝ Isin ωt，灯泡两 端电压的瞬时值表达式为 u＝ Usin ωt，选项 D 正确。 【题型】选择题 【难度】一般 6.小型发电机线圈共 N 匝，每匝可简化为矩形线圈 abcd，bc 边长度为 L1，磁极间的磁场可视 为匀强磁场，方向垂直于线圈中心轴 OO′，线圈以角速度 ω 绕 OO′匀速转动，如图所示。 矩形线圈 ab 边和 cd 边产生的感应电动势的最大值都为 e0，不计线圈电阻，下列说法正确的 是(　　) A.ab 边长度为 L＝ B.产生的交变电流的周期是 2πω C.若从中性面开始计时，则发电机的感应电动势的瞬时值表达式为 e＝2Ne0sin ωt D.发电机线圈从垂直中性面位置转动 90°的过程中，产生的感应电动势的平均值是 【答案】AC 【题型】多选题 【难度】一般 7. 如图所示是某兴趣小组用实验室的手摇发电机给小灯泡供电的装置示意图.在某次匀速转 U R 2U R m 2 E U R 2 r R 2 2 0 1 2e B Lω 02Ne π 动手柄的过程中，他们发现小灯泡周期性的闪亮.以下判断正确的是(　　) A.图示位置线框中产生的感应电动势最大 B.若增大手摇发电机的转速，灯泡亮度将不变 C.若增大手摇发电机的转速，灯泡闪亮的频率将变大 D.小灯泡周期性闪亮的主要原因是电路接触不良 【答案】C 【题型】选择题 【难度】一般 8．如图甲是小型交流发电机的示意图，两磁极 N、S 间的磁场可视为水平方向的匀强磁场， 为交流电流表．线圈绕垂直于磁场的水平轴 OO′沿逆时针方向匀速转动，从图示位置开始计 时，产生的交变电流随时间变化的图象如图乙所示．以下判断正确的是(　　) A．电流表的示数为 10 A B．线圈转动的角速度为 50π rad/s C．0.01 s 时线圈平面与磁场方向平行 D．0.02 s 时电阻 R 中电流的方向自右向左 【答案】AC 【解析】由题图乙知 Im＝10 A，I＝ ＝10 A，A 正确．T＝2×10－2 s，ω＝ ＝100π rad/s，B 错误．t＝0.01s 时，i＝Im，此时线圈平面与磁场方向平行，C 正确．由右手定则判 定 0.02 s 时电阻 R 中电流方向自左向右，D 错误． 【题型】多选题 【难度】一般 9. 如图所示，图线 a 是线圈在匀强磁场中匀速转动时所产生正弦式电流的图象，当调整线圈 转速后，所产生正弦式电流的图象如图线 b 所示，以下关于这两个正弦式电流的说法正确的 2 m 2 I 2 T π 是(　　) A.在图中 t＝0 时刻穿过线圈的磁通量均为零 B.线圈先后两次转速之比为 3∶2 C.正弦式电流 a 的瞬时值为 u＝10sin 5πt V D.正弦式电流 b 的最大值为 V 【答案】BCD 【题型】多选题 【难度】一般 10. 如图所示是小型交流发电机的示意图，线圈绕垂直于磁场方向的水平轴 OO′沿逆时针方 向匀速转动，角速度为 ω，线圈匝数为 n、电阻为 r，外接电阻为 R，交流电流表 .线圈从 图示位置(线圈平面平行于磁场方向)开始转过 时的感应电流为 I.下列说法中正确的是 (　　) A.电流表的读数为 2I B.转动过程中穿过线圈的磁通量的最大值为 C.从图示位置开始转过 的过程中，通过电阻 R 的电荷量为 D.线圈转动一周的过程中，电阻 R 产生的热量为 2 3 0 3 π 2 ( )I R r nω ＋ 2 π 2I ω 24 RIπ ω 【答案】BCD 【题型】多选题 【难度】较难 第Ⅱ卷 二、非选择题（本题共 4 个小题。写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤，有数值 计算的题，答案中必须明确写出数值和单位） 11．如图甲所示，长、宽分别为 L1、L2 的矩形金属线框位于竖直平面内，其匝数为 n，总电阻 为 r，可绕其竖直中心轴 O1O2 转动．线框的两个末端分别与两个彼此绝缘的铜环 C、D(集流环) 焊接在一起，并通过电刷和定值电阻 R 相连．线框所在空间有水平向右均匀分布的磁场，磁 感应强度 B 的大小随时间 t 的变化关系如图乙所示，其中 B0、B1 和 t1 均为已知．在 0～t1 时 间内，线框保持静止，且线框平面和磁场垂直；t1 时刻后线框在外力的驱动下开始绕其竖直 中心轴以角速度 ω 匀速转动．求： (1)0～t1 时间内通过电阻 R 的电流大小； (2)线框匀速转动后，在转动一周的过程中电流通过电阻 R 产生的热量； (3)线框匀速转动后，从图甲所示位置转过 90°的过程中，通过电阻 R 的电荷量. 【答案】(1) (2) πRω( )2 (3) 【解析】(1)在 0～t1 时间内，金属线框中的感应电动势为 E1＝n ＝ 根据闭合电路欧姆定律，通过电阻 R 的电流 1 2 1 0 1( ) nL L B B R r t+ （ － ） 1 1 2nB L L R r+ 1 1 2 ( ) nB L L R r+ t Φ∆ ∆ 1 2 1 0 1 nL L B B t （ － ） I1＝ ＝ . (3)线框从图甲所示位置转过 90°的过程中 平均感应电动势 ＝n ＝ 平均感应电流 ＝ ＝ 通过电阻 R 的电荷量 q＝ Δt＝ . 【题型】计算题 【难度】一般 12．图 1 是交流发电机模型示意图。在磁感应强度为 B 的匀强磁场中，有一矩形线圈 abcd 可 绕线圈平面内垂直于磁感线的 OO˝轴转动，由线圈引起的导线 ae 和 df 分别与两个跟线圈一起 绕 OO˝转动的金属圈环相连接，金属圆环又分别与两个固定的电刷保持滑动接触，这样矩形线 圈在转动中就可以保持和外电路电阻 R 形成闭合电路。图 2 是线圈的主视图，导线 ab 和 cd 分别用它们的横截面来表示。已知 ab 长度为 L1，bc 长度为 L2，线圈以恒定角速度 ω 逆时针 转动。（只考虑单匝线圈） （1）线圈平面处于中性面位置时开始计时，试推导 t 时刻整个线圈中的感应电动势 e1的表达 式； 1E R r+ 1 2 1 0 1( ) nL L B B R r t+ （ － ） E t Φ∆ ∆ 1 1 2nB L L t∆ I E R r+ 1 1 2 ( ) nB L L t R r∆ + I 1 1 2 ( ) nB L L R r+ （2）线圈平面处于与中性面成 φ0 夹角位置时开始计时，如图 3 所示，试写出 t 时刻整个线 圈中的感应电动势 e2 的表达式； （3）若线圈电阻为 r，求线圈每转动一周电阻 R 上产生的焦耳热。（其他电阻均不计） 【答案】（1） （2） （3） 【解析】（1）矩形线圈 abcd 转动过程中，只有 ab 和 cd 切割磁感线，设 ab 和 cd 的转动速度 为 v， 则 在 t 时刻，导线 ab 和 cd 因切割磁感线而产生的感应电动势均为 E1= 由图可知 则整个线圈的感应电动势为 （2）当线圈由图 3 位置开始运动时，在 t 时刻整个线圈的感应电动势为 【题型】计算题 【难度】一般 1 1 2 sine BL L tω ω= 2 1 2 0sin( )e BL L tω ω ϕ= + 2 1 2BL LR R r π ω    +  2 2 Lv ω= 1BL v⊥ sinv v tω=⊥ 1 1 1 22 sine E BL L tω ω= = 2 1 2 0sin( )e BL L tω ω ϕ= +