2019-2020学年高中物理 第五章 交变电流 1 交变电流课件 新人教版选修3-2

1交变电流学习目标素养提炼1.了解交变电流和直流电的概念．2.了解交变电流的产生过程及其变化规律．3.明确正弦交变电流的变化规律及表达式，知道中性面、瞬时值、峰值等概念，知道中性面的物理特性.物理观念：直流电、交流电、中性面、峰值、瞬时值．科学思维：区别直流电和交流电，利用正弦电流的规律和图象分析相关问题．科学探究：探究线圈转动一周电动势和电流的变化规律.01课前自主梳理02课堂合作探究03随堂演练达标04课后达标检测一、交变电流1．交变电流方向随时间做变化的电流，简称．2．直流不随时间变化的电流．3．图象特点(1)恒定电流的图象是一条与时间轴．(2)交变电流的图象有时会在时间轴的上方，有时会在时间轴的下方，即随做周期性变化．周期性交流方向平行的直线时间[思考]在物理实验室做电学实验时，经常会用到学生电源，学生电源的主要功能是什么？提示：给学生提供安全的交变电压、电流以及安全的直流电压、电流．二、交变电流的产生1．产生过程(示意图)2．中性面：线圈平面与磁场的位置．甲丙乙丁垂直[判断辨析](1)只要线圈在磁场中转动，就可以产生交变电流．()(2)当线圈中的磁通量最大时，产生的电流也最大．()(3)当线圈平面与磁场垂直时，线圈中没有电流．()××√三、交变电流的变化规律1．正弦式交变电流(1)定义：按规律变化的交变电流，简称．(2)函数和图象函数图象瞬时电动势：e＝正弦正弦式电流Emsinωt函数图象瞬时电压：u＝瞬时电流：i＝注：表达式中Em、Um、Im分别为电动势、电压、电流的，而e、u、i则是这几个量的．UmsinωtImsinωt峰值瞬时值2．几种常见的交变电流的波形[判断辨析](1)教室的照明电路中所用的是正弦式电流．()(2)电子技术中所用到的交变电流全都是正弦式电流．()(3)正弦式电流的瞬时值是时刻变化的．()×√√要点一交变电流的产生过程[探究导入]假定线圈绕OO′轴沿逆时针方向匀速转动，如图甲至丁所示．请分析判断：(1)线圈转动一周的过程中，线圈中的电流方向的变化情况．(2)线圈转动过程中，当产生的感应电流有最大值和最小值时线圈分别在什么位置？提示：(1)转动过程电流方向甲→乙B→A→D→C乙→丙B→A→D→C丙→丁A→B→C→D丁→甲A→B→C→D(2)线圈转到乙或丁位置时线圈中的电流最大．线圈转到甲或丙位置时线圈中电流最小，为零，此时线圈所处的平面称为中性面．1．中性面(1)中性面——线圈平面与磁感线垂直的位置．(2)线圈处于中性面位置时，穿过线圈Φ最大，但ΔΦΔt＝0，e＝0，i＝0.(3)线圈越过中性面，线圈中I感方向要改变．线圈转一周，感应电流方向改变两次．2．两个特殊位置的对比分析名称中性面中性面的垂面位置线圈平面与磁场垂直线圈平面与磁场平行磁通量最大零磁通量的变化率零最大感应电动势零最大电流方向改变不变[特别提醒](1)线圈中的磁通量最大时，交流电电流并不是最大，这时磁通量的变化率为零，电流为零．(2)线圈转动一周，交变电流的方向并不是改变一次，而是改变两次．[典例1]一闭合矩形线圈abcd绕垂直于磁感线的固定轴OO′匀速转动，线圈平面位于如图甲所示的匀强磁场中．通过线圈的磁通量Φ随时间t的变化规律如图乙所示，下列说法正确的是()A．t1、t3时刻通过线圈的磁通量变化率最大B．t1、t3时刻线圈中感应电流方向改变C．t2、t4时刻线圈中磁通量最大D．t2、t4时刻线圈中感应电动势最小[思路点拨](1)明确中性面的概念以及中性面的位置．(2)明确线圈在中性面位置时，各物理量有什么特点．(3)明确线圈在与中性面垂直位置时，各物理量有什么特点．[解析]从题图乙可以看出，t1、t3时刻通过线圈的磁通量最大，线圈经过中性面位置时线圈中感应电流方向改变，A错误，B正确；t2、t4时刻通过线圈的磁通量为零，线圈处于与中性面垂直的位置，此时感应电动势和感应电流均为最大，故C、D均错误．[答案]B[总结提升](1)中性面是一个假想的参考平面，实际不存在．(2)确定正弦式交变电流的瞬时值表达式需要解决两个问题，一是交变电流的最大值，二是线圈的计时位置．(3)线圈转动一周两次经过中性面，因此一个周期内交变电流方向改变两次．1．(多选)图中，线圈中能产生交变电流的是()解析：由交变电流的产生条件可知，轴必须垂直于磁感线，但对线圈的形状及转轴的位置没有特别要求．故选B、C、D.答案：BCD2．如图所示，在水平向右的匀强磁场中，一线框绕垂直于磁感线的轴匀速转动，线框通过电刷、圆环、导线等与定值电阻组成闭合回路．t1、t2时刻线框分别转到图甲、乙所示的位置，下列说法正确的是()A．t1时刻穿过线框的磁通量最大B．t1时刻电阻中的电流最大，方向从右向左C．t2时刻穿过线框的磁通量变化最快D．t2时刻电阻中的电流最大，方向从右向左解析：t1时刻，穿过线框的磁通量为零，线框产生的感应电动势最大，电阻中的电流最大，根据楞次定律，通过电阻的电流方向从右向左，A错误，B正确；t2时刻，穿过线框的磁通量最大，线框产生的感应电动势为零，电阻中的电流为零，C、D错误．答案：B要点二交变电流的变化规律[探究导入]如图所示，矩形线圈在匀强磁场中绕垂直磁场的轴匀速转动．(1)导体切割磁感线产生的感应电动势与什么因素有关？(2)多匝线圈不垂直切割磁感线产生的感应电动势如何表达？提示：(1)感应电动势与线圈的匝数n、磁感应强度B、线圈的面积S和线圈平面与中性面的夹角有关．(2)E＝nBSωsinωt.1．导体切割磁感线分析的过程若线圈平面从中性面开始转动，则经过时间t：线圈转过的角度为ωt⇓ab边的线速度跟磁感线方向的夹角θ＝ωt⇓ab边转动的线速度大小：v＝ωR＝ωLad2⇓ab边产生的感应电动势：eab＝BLabvsinθ＝BSω2sinωt⇓一匝线圈产生的电动势：e＝2eab＝BSωsinωt⇓N匝线圈产生的总电动势：e＝NBSωsinωt2．正弦交变电流的瞬时值表达式(1)从中性面开始计时．①e＝nBSωsinωt＝Emsinωt.②i＝eR＋r＝EmR＋rsinωt＝Imsinωt.③u＝iR＝ImRsinωt＝Umsinωt.(2)从垂直于中性面(即线圈平面与磁场平行时)开始计时．①e＝Emcosωt.②i＝Imcosωt.③u＝Umcosωt.[特别提醒](1)从不同的位置开始计时，得到的交变电流的表达式不同．(2)感应电动势的峰值与线圈的形状和转轴的位置没有关系．[典例2]如图所示，N＝50匝的矩形线圈abcd，边长ab＝20cm，ad＝25cm，放在磁感应强度B＝0.4T的匀强磁场中，外力使线圈绕垂直于磁感线且通过线圈中线的OO′轴以n＝3000r/min的转速匀速转动，线圈电阻r＝1Ω，外电路电阻R＝9Ω，t＝0时，线圈平面与磁感线平行，ab边正转出纸外、cd边转入纸里．(1)判断t＝0时感应电流的方向．(2)写出线圈感应电动势的瞬时表达式．(3)从图示位置转过90°过程中流过电阻R的电荷量是多大？[思路点拨](1)明确切割磁感线的方向，由右手定则确定感应电流的方向．(2)感应电动势的瞬时表达式与N、B、S、ω及计时起点有关．(3)求电荷量应用平均电流求解．[解析](1)根据ab、cd切割磁感线，由右手定则可得线圈中感应电流方向a→d→c→b→a.(2)线圈的角速度ω＝2πn＝2×π×300060rad/s＝100πrad/s.设ab边在t＝0时刻速度为vab，图示位置的感应电动势最大，其大小为Em＝2NBab·vab＝NBab·ad·ω＝50×0.4×0.20×0.25×100πV＝314V，电动势的瞬时表达式为e＝314cos100πtV.(3)从t＝0起转过90°的过程中，Δt时间内流过R的电荷量q＝IΔt＝NΔΦΔtR＋rΔt＝NBSR＋r＝50×0.4×0.20×0.259＋1C＝0.1C.[答案](1)a→d→c→b→a(2)e＝314cos100πtV(3)0.1C[总结提升]确定正弦式交变电流瞬时值表达式的基本方法(1)明确线圈从什么位置开始计时以确定瞬时值表达式正弦函数零时刻的角度．(2)确定线圈转动的角速度、线圈的面积、匝数，从而确定感应电动势的最大值．(3)根据e＝Emsinωt写出正弦式交变电流的表达式．3.(多选)一矩形线圈绕与匀强磁场垂直的中心轴旋转，切割磁感线的两边通过导体圆环外接电阻R，自图示位置开始以角速度ω匀速转动，则通过R的电流()A．大小和方向都不断变化B．方向不变，大小不断变化C．变化的规律i＝ImsinωtD．变化的规律i＝Imcosωt解析：线圈在匀强磁场中匀速转动时产生正弦交变电流，和电阻R构成闭合回路，电流的大小、方向均发生变化，故选项A正确，B错误．由于线圈开始时位于垂直于中性面的平面，所以i＝Imcosωt，故选项D正确，C错误．答案：AD4．(多选)如图所示，矩形线圈abcd在匀强磁场中可以分别绕垂直于磁场方向的轴P1和P2以相同的角速度匀速转动，当线圈平面转到图示与磁场方向平行时()A．线圈绕P1转动时的电流等于绕P2转动时的电流B．线圈绕P1转动时的电动势小于绕P2转动时的电动势C．线圈分别绕P1和P2转动时的电流的方向相同，都是a→d→c→bD．线圈绕P1转动时dc边受到的安培力大于绕P2转动时dc边受到的安培力解析：产生正弦交变电流的条件是轴和磁感线垂直，与轴的位置和线圈形状无关，线圈abcd分别绕轴P1、P2转动，转到图示位置时产生的电动势E＝nBSω，由I＝ER总可知此时I相等，故选项A正确，选项B错误；由右手定则可知电流方向为a→d→c→b，故选项C正确；dc边受到的安培力F＝BLdcI，故F一样大，选项D错误．答案：AC正弦式交变电流图象的应用1．用图象描述交变电流的变化规律(在中性面时t＝0)函数图象说明磁通量Φ＝Φmcosωt＝BScosωt电动势e＝Emsinωt＝NBSωsinωtS为线圈的面积，n为线圈的匝数，r为线圈的电阻(内阻)，R为外电阻函数图象说明电压u＝Umsinωt＝REmR＋rsinωt电流i＝Imsinωt＝EmR＋rsinωtS为线圈的面积，n为线圈的匝数，r为线圈的电阻(内阻)，R为外电阻2.从图象中可以读到的信息(1)交变电流的最大值Im、Um、Em.(2)因线圈在中性面时感应电动势、感应电流均为零，磁通量最大，所以可确定线圈位于中性面的时刻．(3)可找出线圈平行磁感线的时刻．(4)判断线圈中磁通量的变化情况．(5)分析判断i、u、e随时间的变化规律．3．解决图象问题的基本方法一看：看“轴”、看“线”、看“斜率”、看“点”．二变：掌握“图与图”“图与式”和“图与物”之间的对应情况．三判断：结合图象和公式进行正确分析和判断．5.线圈在匀强磁场中匀速转动，产生交变电流的图象如图所示，由图可知()A．在A、C时刻线圈处于中性面位置B．在B、D时刻穿过线圈的磁通量为零C．从A时刻到D时刻线圈转过的角度为πD．若从0时刻到D时刻经过0.02s，则在1s内交变电流的方向改变100次解析：A、C时刻感应电流最大，线圈位置与中性面垂直，B、D时刻感应电流为零，线圈在中性面，此时磁通量最大．从A时刻到D时刻线圈转过角度为3π2.若从0时刻到D时刻经过0.02s，则T＝0.02s，则在1s内交变电流的方向改变10.02×2＝100次，故D正确．答案：D1．(多选)下列各图中，表示交变电流的是()解析：方向随时间做周期性变化是交变电流的重要特征，选项A、B中，电流的大小变化，但方向不变，不是交变电流，故A、B项错误，C、D项正确．答案：CD2．旋转电枢式交流发电机的感应电动势e＝Emsinωt，如将电枢的线圈匝数增加一倍，电枢的转速也增加一倍，其他条件不变，感应电动势的表达式将变为()A．e＝2Emsin2ωtB．e＝2Emsin4ωtC．e＝4Emsin2ωtD．e＝4Emsin4ωt解析：e＝Emsinωt＝NBSωsinωt，N′＝2N，ω′＝2ω，所以Em′＝4Em，e′＝4Emsin2ωt.故选C.答案：C3．一矩形线圈