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

第五章交变电流1交变电流[学习目标]1.知道交变电流、直流的概念．2.掌握交变电流的产生和变化规律．(重点、难点)3.知道交变电流的峰值、瞬时值的含义．(重点)自主预习探新知一、交变电流及其产生1．交变电流(1)交变电流：大小和方向都随时间做变化的电流，简称交流．(2)直流：不随时间变化的电流．大小和方向都不随时间变化的电流称为恒定电流．周期性方向2．交变电流的产生(1)产生条件：在匀强磁场中，矩形线圈绕方向的轴匀速转动．垂直于磁场(2)过程分析(如图所示)：(3)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．垂直二、交变电流的变化规律1．从两个特殊位置开始计时瞬时值的表达式从中性面位置开始计时从与中性面垂直的位置开始计时磁通量Φ＝Φmcosωt＝BScosωtΦ＝Φmsinωt＝BSsinωt感应电动势e＝Emsinωt＝NBSωsinωte＝Emcosωt＝NBSωcosωt电压u＝Umsinωt＝RNBSωR＋rsinωtu＝Umcosωt＝RNBSωR＋rcosωt电流i＝Imsinωt＝NBSωR＋rsinωti＝Imcosωt＝NBSωR＋rcosωt2.峰值：表达式中的Em、Um、Im分别为电动势、电压和电流可能达到的最大值，叫作峰值．3．正弦式交变电流的图象4．几种不同类型的交变电流1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)线圈转一周有两次经过中性面，每转一周电流方向改变一次．()(2)当线圈中的磁通量最大时，产生的电流也最大．()(3)线圈绕垂直于磁场的轴匀速转动时产生的交流电是交变电流．()(4)交变电流的瞬时值表达式与开始计时的位置无关．()××√×2．(多选)下列各图中能产生交变电流的是()ABCDCD[A图中的转轴与磁场方向平行，B图中的转轴与纸面方向垂直，线圈中的磁通量始终为零，线圈中无感应电流产生，故A、B错误；根据交变电流产生的条件可知，线圈绕垂直于磁感线且通过线圈平面的轴线转动，就可以产生交变电流，对线圈的形状没有特别要求，故C、D正确．]3．交流发电机在工作时电动势为e＝Emsinωt，若将发电机的转速提高一倍，同时将电枢所围面积减小一半，其他条件不变，则其电动势变为()A．e′＝Emsinωt2B．e′＝2Emsinωt2C．e′＝Emsin2ωtD．e′＝Em2sin2ωtC[本题考查交变电压的瞬时值表达式e＝Emsinωt，而Em＝NBSω，当ω加倍而S减半时，Em不变，故正确答案为C.]合作探究攻重难正弦交变电流的产生1.两个特殊位置的特点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变化率零最大感应电动势零最大感应电流零最大电流方向改变不变2.正弦交变电流的产生条件(1)匀强磁场．(2)线圈匀速转动．(3)线圈的转轴垂直于磁场方向．【例1】(多选)如图所示，一矩形闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的转轴OO′以恒定的角速度ω转动，从线圈平面与磁场方向平行时开始计时，则在0～π2ω这段时间内()A．线圈中的感应电流一直在减小B．线圈中的感应电流先增大后减小C．穿过线圈的磁通量一直在减小D．穿过线圈的磁通量的变化率一直在减小AD[计时开始时线圈平面与磁场平行，感应电流最大，在0～π2ω时间内线圈转过四分之一个圆周，感应电流从最大减小为零，磁通量逐渐增大，其变化率一直减小，故A、D正确．]产生正弦式交变电流的条件是：线圈绕垂直于匀强磁场的轴匀速转动，与线圈的形状和转轴的位置无关.1．(多选)矩形线框绕垂直于匀强磁场且在线框平面内的轴匀速转动时产生了交变电流，下列说法正确的是()A．当线框位于中性面时，线框中感应电动势最大B．当穿过线框的磁通量为零时，线框中的感应电动势也为零C．当线框经过中性面时，感应电动势或感应电流的方向就改变一次D．线框经过中性面时，各边切割磁感线的速度为零CD[线框位于中性面时，线框平面与磁感线垂直，穿过线框的磁通量最大，但此时切割磁感线的两边的速度与磁感线平行，即不切割磁感线，所以感应电动势等于零，也即此时穿过线框的磁通量的变化率等于零，感应电动势或感应电流的方向在此时刻改变．线框垂直于中性面时，穿过线框的磁通量为零，但切割磁感线的两边都是垂直切割，有效切割速度最大，所以感应电动势最大，即此时穿过线框的磁通量的变化率最大，故C、D选项正确．]对交变电流的变化规律的理解1.推导正弦式交变电流瞬时值的表达式若线圈平面从中性面开始转动，如图所示，则经时间t：(1)线圈转过的角度为ωt.(2)ab边的线速度跟磁感线方向的夹角θ＝ωt.(3)ab边转动的线速度大小v＝ωLad2.(4)ab边产生的感应电动势eab＝BLabvsinθ＝BSω2sinωt.(5)整个线圈产生的感应电动势e＝2eab＝BSωsinωt，若线圈为N匝，e＝NBSωsinωt.(6)若线圈给外电阻R供电，设线圈本身电阻为r，由闭合电路欧姆定律得i＝eR＋r＝EmR＋rsinωt，即i＝Imsinωt，R两端的电压可记为u＝Umsinωt.2．峰值(1)由e＝NBSωsinωt可知，电动势的峰值Em＝NBSω.(2)交变电动势的最大值，由线圈匝数N、磁感应强度B、转动角速度ω及线圈面积S决定，与线圈的形状无关，与转轴的位置无关，但转轴必须垂直于磁场，因此如图所示几种情况，若N、B、S、ω相同，则电动势的最大值相同．(3)电流的峰值可表示为Im＝NBSωR＋r.【例2】如图所示，正方形线圈abcd的边长是0.5m，共150匝，匀强磁场的磁感应强度为B＝2πT，当线圈以150r/min的转速绕中心轴线OO′匀速旋转时，求：(1)若从线圈处于中性面开始计时，写出线圈中感应电动势的瞬时值表达式；(2)线圈转过110s时电动势的瞬时值．[解析]分别把Em、ω的数值推出，代入一般式e＝Emsinωt就得出了瞬时值表达式．求瞬时值时，只需把t的时刻代入表达式就可以了．(1)e＝Emsinωt＝NBS·2πnsin2πnt，代入数据可得e＝375sin5πt(V)．(2)当t＝110s时，电动势的瞬时值e＝375sin5π×110V＝375V.[答案](1)e＝375sin5πt(V)(2)375V上例中，若从线圈处于垂直于中性面的位置开始计时，其他条件不变，结果如何呢？提示：(1)e＝Emcosωt＝375cos5πt(V)．(2)e＝375cos(5π×110)V＝0.(1)求解交变电流的瞬时值问题的答题模型(2)若线圈给外电阻R供电，设线圈本身电阻为r，由闭合电路欧姆定律得i＝eR＋r＝EmR＋rsinωt＝Imsinωt，R两端的电压可记为u＝Umsinωt.2.(多选)如图所示，abcd为一边长为L、匝数为N的正方形闭合线圈，绕对称轴OO′匀速转动，角速度为ω.空间中只有OO′左侧存在垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B.若闭合线圈的总电阻为R，则()A．线圈中电动势的最大值为22NBL2ωB．线圈中电动势的最大值为12NBL2ωC．在线圈转动一圈的过程中，线圈中有一半时间没有电流D．当线圈转到图中所处的位置时，穿过线圈的磁通量为12BL2BD[最大值Em＝12NBL2ω，A错误，B正确；在线圈转动的过程中，线圈始终有一半在磁场中运动，不会有一半时间没有电流，C错误；题图中所示位置中，穿过线圈的磁通量为12BL2，D正确．]交变电流的图象1.对交变电流图象的认识如图所示，正弦交变电流随时间的变化情况可以从图象上表示出来，图象描述的是交变电流的电动势、电流、电压随时间变化的规律，它们是正弦曲线．2．交变电流图象的应用从图象中可以解读到以下信息：(1)交变电流的最大值Im、Em、Um、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)找出线圈平行于磁感线的时刻．(4)判断线圈中磁通量的变化情况．(5)分析判断e、i、u随时间的变化规律．【例3】一矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时，产生的交变电动势的图象如图所示，则()A．交流电的频率是4πHzB．当t＝0时，线圈平面与磁感线垂直，磁通量最大C．当t＝πs时，e有最大值D．t＝32πs时，e＝－10V最小，磁通量变化率最小B[从题图象可知交流电的周期为2πs，频率为12πHz，t＝πs时，e＝0最小，A、C错误；t＝0时，e最小，Φ最大，B正确；t＝32πs时，e＝－10V，e最大，ΔΦΔt最大，“－”号表示方向，D错误．]图象的分析方法一看：看“轴”、看“线”、看“斜率”、看“点”，并理解其物理意义．二变：掌握“图与图”“图与式”和“图与物”之间的变通关系．三判：在此基础上进行正确的分析和判断．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匀速转动，线圈中的感应电动势e随时间t变化的规律如图所示，则下列说法正确的是()A．图象是从线圈平面位于中性面开始计时的B．t2时刻穿过线圈的磁通量为零C．t2时刻穿过线圈的磁通量的变化率为零D．感应电动势e的方向变化时，穿过线圈的磁通量的方向也变化B[由题图可知，当t＝0时，感应电动势最大，说明穿过线圈的磁通量的变化率最大，磁通量为零，即是从线圈平面与磁场方向平行时开始计时的，选项A错误；t2时刻感应电动势最大，穿过线圈的磁通量的变化率最大，磁通量为零，选项B正确，C错误；感应电动势e的方向变化时，线圈通过中性面，穿过线圈的磁通量最大，但方向并不变化，选项D错误．]课堂小结1.交变电流是指大小和方向都随时间周期性变化的电流．2．线圈在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，与转轴的位置无关．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.知识脉络当堂达标固双基1．(多选)如图所示的图象中属于交变电流的是()ABCDABC[选项A、B、C中e的方向均发生了变化，故它们属于交变电流，但不是正弦式交变电流；选项D中e的方向未变化，故是直流．]2．(多选)下列方法中能够产生交变电流的是()ACD[B中的导体棒不切割磁感线，不产生感应电动势，C中的折线与矩形线圈的效果是相同的，D中能产生按余弦规律变化的交变电流．]3．一闭合矩形线圈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B[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错误．]