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  • 2021年高考物理模拟题精练专题5.1,交变电流产生和描述(基础篇)(解析版)

    时间:2021-01-19 20:11:51 来源:蒲公英阅读网 本文已影响 蒲公英阅读网手机站

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      2021 年高考物理 100 考点最新模拟题千题精练(选修 3-2 )

     第五部分

     交变电流 题 专题 5.1 交变电流的产生和描述(基础篇)

     一.选择题 1. (2020 北京海淀三模)如图所示,( a )→( b )→( c )→( d )过程是交流发电机发电的示意图,下列说法正确的是

     ( a )

      (b)

      ( c )

      ( d )

     A.当线圈转到图( a )位置时,线圈平面与磁感线垂直,磁通量变化率最大 B.从图(b)开始计时,线圈中电流 i 随时间 t 变化的关系是 i  I m sin  t C.当线圈转到图( c )位置时,感应电流最小,且感应电流方向将要改变 D.当线圈转到图( d )位置时,感应电动势最小, ab 边感应电流方向为 b→a 【参考答案】C 【名师解析】当线圈转到图( a )位置时,线圈平面与磁感线垂直,线圈中磁通量最大,磁通量变化率为零,选项 A 错误;图(b)位置,线圈平面与磁感线平行,线圈中磁通量为零,磁通量变化率最大,产生的感应电动势和感应电流最大,从图(b)位置开始计时,线圈中电流 i 随时间 t 变化的关系是i  I m sin(  t+π/2),选项 B 错误; 当线圈转到图( c )位置时,线圈平面与磁感线垂直,线圈中磁通量最大,磁通量变化率为零,感应电流最小为零,且感应电流方向将要改变,选项 C 正确;当线圈转到图( d )位置时,线圈平面与磁感线平行,线圈中磁通量为零,磁通量变化率最大,产生的感应

      电动势和感应电流最大,选项 D 错误。

     2.(2020 江苏模拟 2)

     如图所示是某线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴转动产生的正弦式交流电压的波形图,由图可确定(

     )

     A. 该交流电压的频率是 50

     Hz B. t=1 s 时,穿过线圈平面的磁通量变化率最大 C. 该交流电压的有效值是 311 V D. 该电压瞬时值的表达式为 u=220cos (πt) V 【参考答案】B

     【名师解析】

     由图可知该交流电压的周期为 2 s,所以频率为 0.5 Hz,A 错误;t=1 s 时,电压最大,此时感应电动势最大,根据法拉第电磁感应定律,磁通量的瞬时变化率最大,B 正确;电压的有效值 U= 3112

      V≈220 V,C 错误;由图可知 t=0 时刻,线圈是从最大值面(与中性面垂直的平面)开始转动的,故电压的瞬时值表达式 u=Umcos 2πTt =311cos (πt) V,D 错误. 3.(多选)(2019·太原一模)图 1 中,单匝矩形线圈 abcd 在匀强磁场中绕垂直磁场的轴转动.改变线圈的转速,穿过该线圈的磁通量随时间分别按图 2 中图线甲、乙的规律变化.设线圈的电阻为 1.0 Ω,则(

     )

     A.图线甲对应线圈在 t=0 时产生的感应电动势最大 B.图线甲、乙对应的线圈在 t=2.0 s 时,线圈平面均平行于磁感线 C.图线甲、乙对应的线圈转速之比为 5∶4 D.图线甲对应的线圈中交变电流的峰值为 2.5π A 【参考答案】B C 【名师解析】:在 t=0 时,Φ 甲 最大,则产生的感应电动势最小,故 A 错误;因为在 t=0.2 s×10=2.0 s 时,Φ 甲 =Φ 乙 =0,所以线圈平面均平行于磁感线,故 B 正确;由图(b)可知甲、乙图线对应的周期之比为

      4∶5,而线圈的转速 n= 1T ,所以图线甲、乙对应的线圈转速之比为 5∶4,故 C 正确;甲图线对应的线圈中交流电压的峰值 E m =BSω=Φ m ω=0.4×2π0.16

     V=5π V.电流的峰值 I m =E mR=5π A,故 D 项错误. 4.(2019·珠海模拟)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,A 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.交流电的频率是 100 Hz B.电流表的示数为 20 A C.0.02 s 时穿过线圈的磁通量最大 D.0.01 s 时线圈平面与磁场方向平行 【参考答案】D

     【名师解析】由乙图知周期 T=0.02 s,则频率 f= 1T =10.02

     Hz=50 Hz,故 A 错误;电流表的示数为有效值 I=I m2 =10 22 A=10 A,故 B 错误;由乙图知 0.02 s 时线框中感应电流最大,说明线框与磁场平行,磁通量为零,故 C 错误;0.01 s 时线圈产生的感应电动势最大,说明线框与磁场平行,磁通量为零,故 D正确. 5.(2019·惠州六校联盟)图甲为风力发电的简易模型.在风力作用下,风叶带动与杆固连的永磁铁转动,磁铁下方的线圈与电压传感器相连.在某一风速时,传感器显示如图乙所示,以下正确的是(

     )

     A.磁铁的转速为 2.5 r/s B.线圈两端电压的有效值为 6 V C.交变电流的电压表达式为 u=12sin 10πt(V) D.该交变电流可以直接加在击穿电压为 10 V 的电容器上 【参考答案】A

     【名师解析】:电流的周期为 T=0.4 s,故磁体的转速为 n= 1T =2.5 r/s,故 A 正确;通过乙图可知电压

      的最大值为 12 V,故有效值 U= U m2 =6 2 V,故 B 错误;周期 T=0.4 s,故 ω=2πT=5π rad/s,故电压的表达式为 u′=12sin 5πt(A),故 C 错误;电容器的击穿电压为交流电的最大值,而交流电的最大值大于电容器的击穿电压,故不能,故 D 错误.

      6.(6 分)(2019 广西桂林、崇左二模)图甲是小型交流发电机的示意图,线圈绕垂直于匀强磁场的水平轴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.交流电的频率是 100Hz

     B.0.02s 时线圈平面与磁场方向平行

     C.0.02s 时穿过线圈的磁通量最大

     D.电流表的示数为 20A 【参考答案】B 【命题意图】本题考查交变电流的产生、对交变电流图像的理解及其相关知识点。

     【解题思路】根据图乙,交变电流周期 T=0.02s,频率 f=1/T= Hz=50Hz,选项 A 错误;0.02s 时,电流最大,线圈平面与磁场方向平行,穿过线圈的磁通量为零,磁通量变化率最大,选项 B 正确,C 错误;根据图乙,I m =10 A,电流的有效值 I= = A=10A,选项 D 错误。

     7.(2019·北京市顺义区高三第二次统练)如图所示,边长为 L、匝数为 N,电阻不计的正方形线圈 abcd 在磁感应强度为 B 的匀强磁场中以角速度 ω 绕转轴 OO′匀速转动,轴 OO′垂直于磁感线且位于线圈平面内,在线圈外接一含有理想变压器的电路,变压器原、副线圈的匝数分别为 n 1 和 n 2 ,保持线圈以恒定角速度

      ω 转动,下列判断正确的是(

      )

     A.交流电压表 V 1 的示数等于 NBωL 2

     B.变压器的输入功率与输出功率之比为 n 1 : n 2

     C.交流电压表 V 2 的示数为副线圈两端电压的有效值 D.在图示位置时线圈中磁通量为零,感应电动势最小 【参考答案】C 【名师解析】交流电压的最大值等于 NBωL 2 ,电压表 V 1 示数为有效值22NB L ,A 错误;理想变压器的输入与输出功率之比为 1:1,故 B 错误;交流电压表 V 2 的示数为副线圈两端电压的有效值,选项 C 正确;在图示位置时线圈平面与磁场平行,线圈中磁通量为零,感应电动势最大,故 D 错误。

     8.(2018·河北省衡水金卷模拟一)如图所示,线圈 ABCD 匝数 n=10,面积 S=0.4 m 2 ,边界 MN(与线圈的 AB边重合)右侧存在磁感应强度 B= 2π

     T 的匀强磁场,若线圈从图示位置开始绕 AB 边以 ω=10π rad/s 的角速度匀速转动.则以下说法正确的是(

     )

     A.线圈产生的是正弦交流电 B.线圈在转动过程中产生的最大感应电动势为 80 V C.线圈转动160

     s 时瞬时感应电动势为 40 3 V D.线圈产生的感应电动势的有效值为 40 V 【参考答案】

     BD 【名师解析】

     线圈在有界匀强磁场中将产生正弦半波脉动电流,故 A 错误;电动势最大值 E m =nBSω=80 V,故 B 正确;线圈转动160

     s、转过角度π6 ,瞬时感应电动势为 e=E m sin π6 =40 V,故 C 错误;在一个周期时间内,只有半个周期产生感应电动势,根据有效值的定义有(E m2R )2 R·T2 =(ER )2 RT,可得电动势有效值 E= E m2

      =40 V,故 D 正确. 9.(2018·安徽省宣城市第二次调研)图甲为小型旋转电枢式交流发电机的原理图,其矩形线圈在磁感应强度为 B 的匀强磁场中,绕垂直于磁场方向的固定轴 OO′(OO′沿水平方向)匀速转动,线圈的两端经集流环和电刷与电阻 R=10 Ω 连接,与电阻 R 并联的交流电压表为理想电压表,示数是 10 V.图乙是矩形线圈中磁通量随时间 t 变化的图象.线圈内阻不计,则(

     )

     A.此交流发电机的电动势平均值为 10 2 V B.t=0.02 s 时 R 两端的电压瞬时值为零 C.R 两端的电压 u 随时间 t 变化的规律是 u=10 2cos (100πt) V D.当 ab 边速度方向向上时,它所受安培力的方向也向上 【参考答案】

     C 【名师解析】

     矩形线圈绕垂直于磁场的转轴匀速转动,产生正弦交流电,外电阻 R=10 Ω,电压表示数为10 V,说明 E m2 =10 V,即电动势最大值为 E m =10 2 V,所以平均值一定比 E m =10 2 V 小,选项 A 错.根据题图乙知 t=0 时磁通量等于 0,可判断 t=0 时电动势最大,所以电动势随时间变化的规律为 u=E m cos ωt=10 2cos(100πt) V,选项 C 对.将 t=0.02 s 代入电动势瞬时值表达式,得 U=10 2 V,选项 B 错.根据楞次定律,感应电流总是阻碍线圈的转动,所以当 ab 边速度方向向上时,它所受安培力的方向向下,选项 D 错. 10.(多选)(2018·河北省张家口市上学期期末)如图所示,处在垂直纸面向外、磁感应强度大小为 B 的匀强磁场中的矩形线框 MNPQ,以恒定的角速度 ω 绕对角线 NQ 转动.已知 MN 长为 l 1 ,NP 长为 l 2 ,线框电阻为R.t=0 时刻线框平面与纸面重合,下列说法正确的是(

     )

     A.矩形线框产生的感应电动势有效值为22Bl 1 l 2 ω B.矩形线框转过 π 时的电流强度为零 C.矩形线框转动一周,通过线框任意横截面的电荷量为 Bl 1 l 2R D.矩形线框转过 π 过程中产生的热量为 πB2 l 1 2 l 2 2 ω2R 【参考答案】

     ABD

      【名师解析】

     产生正弦式交变电流,最大值为 E m =Bl 1 l 2 ω,所以有效值为:E=2Bl 1 l 2 ω2,故 A 正确;转过 π 时,线圈平面与磁场垂直,磁通量最大,感应电动势为零,电流为零,故 B 正确;线框转过一周通过横截面的电荷量为零,故 C 错误;根据焦耳定律可得转过 π 过程中产生的热量为:Q=I 2 Rt= E2R ×πω =πB 2 l 2 1 l 2 2 ω2R,故 D 正确. 11.(多选)如图所示,边长为 L 的正方形单匝线圈 abcd,电阻为 r,外电路的电阻为 R,ab 的中点和 cd 的中点的连线 OO′恰好位于匀强磁场的边界线上,磁场的磁感应强度为 B,若线圈从图示位置开始,以角速度 ω绕 OO′轴匀速转动,则以下判断正确的是(

     )

     A.图示位置线圈中的感应电动势最大为 E m =BL 2 ω B.从图示位置开始计时,闭合电路中感应电动势的瞬时值表达式为 e= 12 BL2 ωsin ωt C.线圈从图示位置转过 180°的过程中,流过电阻 R 的电荷量为 q= 2BL2R+r

     D.线圈转动一周的过程中,电阻 R 上产生的热量为 Q= πB2 ωL 4 R4R+r 2

     【参考答案】

     BD 【名师解析】

     题图位置线圈中的感应电动势最小,为零,A 错误.若线圈从题图位置开始转动,闭合电路中感应电动势的瞬时值表达式 e= 12 BL2 ωsin ωt,B 正确.线圈从题图位置转过 180°的过程中,流过电阻 R 的电荷量为 q= I ·Δt= ΔΦR 总 =BL 2R+r ,C 错误.E m =12 BL2 ω,线圈转动一周的过程中,电阻 R 上产生的热量为 Q=E m2R+r2 ·R·2πω =πB 2 ωL 4 R4R+r 2 ,D 正确. 12.(2016·山东师大附中模拟)如图所示,一交流发电机的矩形线圈匝数为 n=10,其电阻 r=2 Ω,面积 S=0.2 m 2 ,在磁感应强度 B= 2π

     T 的匀强磁场中,若线圈从中性面位置开始绕垂直于磁场方向的对称轴 OO′以ω=10 π rad/s 的角速度匀速转动,向 R=18 Ω 的电阻供电。则以下说法中正确的是(

     )

     A.该线圈产生的是余弦式交变电流 B.线圈在转动过程中产生的最大感应电动势为 40 V C.线圈开始转动160

     s 时流过电阻 R 的瞬时电流大小为22 A D.电阻 R 上消耗的电功率为 9 W 【参考答案】D

     【名师解析】若线圈从中性面开始运动,则穿过线圈的磁通量按照余弦规律变化,由法拉第电磁感应定律可知,其产生的感应电动势(感应电流)将按照正弦规律变化,选项 A 错误;由于 OO′为线圈的对称轴,所以线圈产生的感应电动势的最大值应为 E m = 12 nBSω=20 V,选项 B 错误;线圈在转动过程中产生的感应电动势的瞬时值表达式为 e=20 sin 10πt(V),所以其感应电流的瞬时值表达式为 i=sin 10πt(A),故当 t=160

     s时,流经电阻 R 的瞬时电流大小为 i=sin 10π×160

     A=12

     A,选项 C 错误;流经 R 的电流的有效值为 I=22 A,所以电阻 R 上消耗的电功率为 P=I 2 R=9 W,选项 D 正确。

     13.小型交流发电机的矩形金属线圈在匀强磁场中匀速转动,产生的感应电动势与时间的关系是正弦函数.将发电机与一个标有“6 V、6 W”的小灯泡连接形成闭合回路,不计电路的其他电阻.当线圈的转速为 n=5 r/s 时,小灯泡恰好正常发光,则电路中电流的瞬时值表达式为(

     ) A.i=sin 5t(A)

      B.i=sin 10πt(A) C.i=1.41sin 5t(A)

      D.i=1.41sin 10πt(A) 【参考答案】D

     【名师解析】因为小灯泡正常发光,所以电路中电流的有效值为 I= PU =1 A,则电流的最大值为 I m = 2 A≈1.41 A.因为转速 n=5 r/s,且 ω=2nπ,所以 ω=10π rad/s,故电路中电流的瞬时值表达式为 i=1.41sin 10πt(A),选项 D 正确. 14 、( 多选)如图所示的正方形线框 abcd 边长为 L,每个边的电阻均为 r,在磁感应强度为 B 的匀强磁场中绕cd 轴以角速度 ω 匀速转动,c、d 两点与外电路相连,外电路电阻也为 r。电流表和电压表内阻的影响忽略不计。则下列说法中正确的是

     A.S 断开时,电压表读数为22BωL 2

     B.S 断开时,电压表读数为28BωL 2

     C.S 闭合时,电流表读数为210r BωL2

     D.S 闭合时,线框从图示位置转过 π/2 过程中流过电流表的电量为 BL 2 /7r 【参考答案】BD 【名师解析】

     在正方形线框 abcd 中,ab 边相当于电源,其电动势的有效值 E= BL2 ω2,当 S 断开时,等效电路图如图甲所示,电压表的示数 U V1 =E4r ·r=28BωL 2 ,B 正确,A 错误;当 S 闭合时,等效电路图如图乙所示,流过 ab 的电流的有效值为 I=E3r+ r2,因此电流表的示数为 I2 =E7r =2BωL 214r,故 C 错误;Q=ΔΦ3r+ r2·12 =BL 27r,D 正确。

     二.计算题 1.如图甲所示,矩形线圈匝数 N=100 匝,ab=30 cm,ad=20 cm,在匀强磁场中绕轴 OO"从图示位置开始匀速转动,已知穿过线圈的磁通量最大值 Φ m 为 0.048 Wb,角速度 ω=100π rad/s,试求:

     (1)匀强磁场的磁感应强度多大? (2)线圈产生的感应电动势最大值 E m 为多大?线圈转到什么位置时取得此值? (3)写出感应电动势 e 随时间变化的表达式,并在图乙中作出图象. 【名师解析】

      .(1)当线圈转至与磁感线垂直时,磁通量有最大值.Φ m =BS 解得 B=0.8 T (2)线圈与磁感线平行时,感应电动势有最大值 E m =NBSω=480π V. (3)表达式 e=E m cos ωt=480πcos(100πt) V. 图象如图所示.

     2.如图所示,匀强磁场的磁感应强度 B=0.5 T,边长 L=10 cm 的正方形线圈共 100 匝,线圈总电阻 r=1 Ω,线圈绕垂直于磁感线的对称轴 OO"匀速转动,角速度 ω=2π rad/s,外电路中的电阻 R=4 Ω,求:

     (1)从线圈平面与磁感线垂直开始转过 30°时的瞬时感应电动势; (2)线圈转动一周产生的总热量; (3)在 周期内通过电阻 R 的电荷量. 【名师解析】

     .(1)感应电动势的最大值为 E m =NBSω=100×0.5×0.1 2 ×2π V=3.14 V 当线圈平面与磁感线垂直开始转过 30°时的瞬时感应电动势为 e=E m sin 30°=3.14×0.5 V=1.57 V (2)线圈转动一周产生的总热量为 Q= T≈0.99 J (3)在 周期内通过电阻 R 的电荷量为 q= × = × = × C≈0.173 C.

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