2019-2020学年高中物理 第5章 交变电流 1 交变电流课件 新人教版选修3-2

第1节交变电流第五章交变电流1．了解交流电的概念，会观察交流电的波形图。2．掌握交流电产生的机理。3．知道交变电流的变化规律及表示方法。1．交变电流是指大小和方向都随时间做周期性变化的电流。2．线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动时可产生正弦式交变电流。3．正弦式交变电流的瞬时值表达式为e＝Emsinωt，u＝Umsinωt，i＝Imsinωt，式中的Em、Um、Im是指交变电流的最大值，也叫峰值。01课前自主学习一、交变电流1．交变电流大小和方向都随时间做变化的电流，简称。2．直流不随时间变化的电流。□1周期性□2交流□3方向3．图象特点(1)恒定电流的图象是一条与时间轴的直线。(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。□4平行□5时间想一想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流电压、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(在下面横线上填：“ABCD”或“DCBA”)2．中性面：线圈在磁场中转动的过程中，线圈平面与磁场时所在的平面。3．在、位置时线圈中没有电流，在、位置时线圈中电流最大。(选填“甲”“乙”“丙”或“丁”)4．结论：产生的电流大小和方向是(选填“不变”或“变化”)的。□5垂直□6甲□7丙□8乙□9丁□10变化判一判(1)只要线圈在磁场中转动，就可以产生交变电流。()×提示：闭合线圈在匀强磁场中转动且有磁通量的变化才能产生交变电流。(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。()×√提示：当线圈中的磁通量最大时产生的电流为零。提示：当线圈平面与磁场垂直时，磁通量的变化率为零，所以线圈中没有电流。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。□1正弦□2正弦式电流(2)函数和图象注：表达式中Em、Um、Im分别是电动势、电压、电流的，而e、u、i则是这几个量的。□6峰值□7瞬时值方向随时间变化是交流电最主要的特征，也是交流电与直流电的根本区别。2．几种常见的交变电流的波形实际应用中，交变电流有不同的变化规律，常见的有以下几种，如图所示。判一判(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。()提示：家庭和教室电路中所用的都是正弦式电流。√×提示：电子技术中也常用到其他形式的交流。(3)正弦式电流的瞬时值是时刻变化的。()提示：正弦式电流的瞬时值是按正弦规律变化的。√02课堂合作探究考点交变电流的产生过程1．交变电流(1)定义大小和方向都随时间做周期性变化的电流叫做交变电流，简称交流。(2)特点交变电流的主要特点是其方向随时间变化。大小不变、方向改变的电流也是交变电流；方向不随时间变化的电流称为直流；大小和方向均不改变的电流是前面我们学习的恒定电流。(3)优点在生产和生活中交变电流有广泛的应用，其最大的优点是便于远距离输送。2．交变电流的产生(1)产生原理由电磁感应理论可知，当闭合回路的部分导体做切割磁感线的运动或穿过闭合电路的磁通量发生变化时，闭合电路中就有感应电流产生。在匀强磁场中，绕垂直于磁场方向的轴匀速转动的线圈里产生的是交变电流，实验装置如图所示：(2)过程分析(如图所示)①如图甲所示：线圈由(a)位置转到(b)位置过程中，线圈中电流方向为a→b→c→d；线圈由(b)位置转到(c)位置过程中，线圈中电流方向为a→b→c→d；线圈由(c)位置转到(d)位置过程中，线圈中电流方向为d→c→b→a；线圈由(d)位置回到(a)位置过程中，线圈中电流方向为d→c→b→a。②如图乙所示：在(b)位置和(d)位置时，线圈垂直切割磁感线，产生的电动势和电流最大；在(a)位置和(c)位置时，线圈不切割磁感线，产生的电动势和电流均为零。(3)两个特殊位置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图示名称中性面中性面的垂面磁通量最大零磁通量的变化率零最大感应电动势零最大线圈边框切割磁感线的有效速度零最大感应电流零最大电流方向改变不变(1)线圈每经过中性面一次，线圈中感应电流就要改变一次方向。(2)线圈转一周，感应电流方向改变两次。例1一闭合矩形线圈abcd位于如图甲所示的匀强磁场中，绕垂直于磁感线的固定轴OO′匀速转动，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线圈在如题图甲位置时，磁通量为0，磁通量的变化率最大，感应电动势最大，感应电流最大。[解析]从题图乙可以看出，t1、t3时刻通过线圈的磁通量最大，线圈处于中性面位置，磁通量变化率最小且为零，线圈经过中性面位置时线圈中感应电流方向改变，故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。中性面的特点(1)线圈位于中性面时，磁通量最大，磁通量变化率最小且为零，感应电动势为零。(2)线圈每经过中性面一次，线圈中感应电流方向改变一次。[变式训练1]关于线圈在匀强磁场中转动时产生的交变电流，以下说法中正确的是()A．线圈平面每经过中性面一次，感应电流方向就改变一次，感应电动势方向不变B．线圈每转动一周，感应电流方向就改变一次C．线圈平面每经过中性面一次，感应电动势和感应电流的方向都要改变一次D．线圈转动一周，感应电动势和感应电流方向都要改变一次解析线圈转至中性面时，线圈平面垂直于磁感线，磁通量最大，但磁通量的变化率、感应电动势、感应电流均为零，电流方向恰好发生变化。因此，线圈在匀强磁场中转动产生交变电流时，每经过中性面一次，感应电动势和感应电流的方向都要改变一次，线圈每转动一周，两次经过中性面，感应电动势和感应电流的方向都要改变两次，所以C正确。考点交变电流的变化规律1．瞬时值表达式的推导若线圈平面从中性面开始转动，如图，则经过时间t：对于纯电阻电路，设闭合电路总电阻为R＋r，由欧姆定律得闭合回路的电流瞬时值为i＝eR＋r＝EmR＋rsinωt＝Imsinωt，此时加在电路上的路端电压的瞬时值为u＝iR＝ImRsinωt＝Umsinωt。2．正弦交变电流的瞬时值表达式(1)e＝NBSωsinωt＝Emsinωt。(2)i＝eR＋r＝EmR＋rsinωt＝Imsinωt。(3)u＝iR＝ImRsinωt＝Umsinωt。上面各式中的e、i、u仅限于从中性面开始计时的情况。若从垂直于中性面(即从线圈平面与磁场平行时)开始计时，则上述表达式应为e＝Emcosωt，i＝Imcosωt，u＝Umcosωt。3．感应电动势峰值Em＝NBSω的应用范围对转轴的要求：在线圈所在平面内且与磁场垂直，当线圈平面与磁场平行时，线圈中的感应电动势达到峰值，且满足Em＝NBSω，交变电动势峰值由线圈匝数N、磁感应强度B、转动角速度ω和线圈面积S决定，与线圈的形状无关，与轴的位置无关，如图所示的几种情况中，如果N、B、ω、S均相同，则感应电动势的峰值均为Em＝NBSω。(1)在物理学中，正弦交变电流和余弦交变电流都统称为正弦式交变电流，简称正弦交流电。(2)理解交变电流的瞬时值，要处理好两个关系：一是数、形、位的关系(即函数、图象、线圈位置三者之间的关系)；二是数、理关系(数学表达式、物理意义两者之间的关系)。例2如图所示，有一闭合的正方形线圈，匝数N＝100匝，边长为10cm，线圈总电阻为10Ω，线圈绕OO′轴在B＝0.5T的匀强磁场中匀速转动，每分钟转1500转，求：(1)该线圈产生的交变电动势最大值是多少？(2)从图示位置转过30°时，感应电动势的瞬时值是多大？(3)写出感应电动势随时间变化的表达式。1.线圈感应电动势的最大值Em＝NBSω成立的条件是什么？提示：线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动。与线圈的形状、转轴的位置无关。2．线圈从中性面开始计时时，产生交变电动势的瞬时值表达式为e＝NBSωsinωt，从与中性面垂直的平面开始计时时，交变电动势的瞬时值表达式为e＝NBSωcosωt。[答案](1)78.5V(2)39.25V(3)e＝78.5sin50πt(V)[解析]由题意，先求出角速度ω，f＝1500r/min＝25Hz，ω＝2πf＝50πrad/s。感应电动势的最大值为：Em＝NBSω≈100×0.5×0.01×50×3.14V＝78.5V。由题图可以看出，线圈是从中性面开始计时，产生交变电动势的瞬时值表达式应为e＝Emsinωt，所以e＝78.5sin50πt(V)，转过30°角时的电动势为e＝Emsin30°＝78.5×12V＝39.25V。求解交变电动势瞬时值表达式的基本方法(1)确定线圈转动从哪个位置开始计时，以确定瞬时值表达式是正弦规律变化还是余弦规律变化。(2)确定线圈转动的角速度。(3)确定感应电动势的峰值Em＝NBSω。(4)写出瞬时值表达式e＝Emsinωt或e＝Emcosωt。[变式训练2]如图所示，一半径为r＝10cm的圆形线圈共100匝，在磁感应强度B＝5π2T的匀强磁场中，绕垂直于磁场方向的中心轴线OO′以n＝600r/min的转速匀速转动，当线圈转至中性面位置(图中位置)时开始计时。(1)写出线圈内所产生的交变电动势的瞬时值表达式；(2)求线圈从图示位置开始在160s时的电动势的瞬时值。答案(1)e＝100sin20πt(V)(2)86.6V解析线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴线匀速转动时，线圈内产生正弦交变电动势，当线圈平面在中性面时开始计时，其表达式为e＝Emsinωt。(1)e＝Emsinωt，Em＝NBSω，S＝πr2＝π×0.12m2＝0.01πm2，f＝60060Hz＝10Hz。ω＝2πf＝20πrad/s，Em＝NBSω＝100×5π2×0.01π×20πV＝100V，故e＝100sin20πt(V)。(2)当t＝160s时，e＝100sin20π×160V＝503V≈86.6V。考点正弦式交变电流的图象如何理解正弦交变电流的图象正弦交变电流的图象描述的是交变电流随时间变化的规律，它是一条正弦曲线，如图所示。从图象中可以解读到以下信息：(1)交变电流的峰值Em、Im和周期T。(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)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)由E＝nΔΦΔt判断线圈中磁通量的变化率的变化情况。(6)分析判断i、e大小和方向随时间的变化规律。(1)对于图象一定的应先明确各个坐标轴所表示的物理量。(2)将图象中的特殊点与线圈的特殊位置对应起来。(3)将图象的变化与线圈在磁场中的运动情况结合起来进行分析，更好地理解图象的物理意义。例3一矩形线圈绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定轴转动，线圈中的感应电动势e随时间t的变化情况如图所示。下面说法中正确的是()A．t＝0时刻线圈处于中性面位置B．t2时刻到t4时刻线圈转过了1圈C．t3时刻通过线圈的电流最大D．每当e变换方向时，通过线圈的磁通量绝对值都最大1.从交变电流的e­t图中能读出哪些信息？提示：能从e­t图中读出交变电流的峰值、周期、计时位置等信息。2．交变电流的e­t图和线圈的位置关系是什么？提示：e＝0时线圈处于中性面位置；e取最大值时线圈处于与中性面垂直的位置，即线圈平面与磁场平行。[解析]可通过以下表格对选项逐一分析：选项过程分析结论At＝0时刻，产生的电动势最大，线圈处于与中性面垂直的位置×B从t2时刻到t4时刻，时间为半个周期，线圈转过0.5圈×Ct3时刻，产生的电动势为零，线圈中的电流为零×D线圈在中性面时，e变换方向，此时通过线圈的磁通量绝对值最大√解决交变电流图象问题的两点注意(1)只有当线圈从