2020版高中物理 第五章 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.会观察电流(或电压)的波形图,理解交变电流和直流的概念.2.理解交变电流的产生过程,会分析电动势和电流方向的变化规律.3.知道交变电流的变化规律及表示方法,知道交变电流的瞬时值、峰值的物理含义.知道中性面的物理特点.课前预习掌握新知知识梳理一、交变电流1.交变电流:和随时间做周期性变化的电流叫交变电流,简称.2.直流:不随时间变化的电流称为直流.都不随时间变化的电流叫恒定电流.二、交变电流的产生1.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.大小方向交流电方向大小和方向2.中性面:线圈在匀强磁场中旋转,当线圈平面于磁感线时,各边都不切割磁感线,线圈中没有,这个位置叫做中性面.垂直三、交变电流的变化规律1.正弦式交变电流:按规律变化的交变电流叫做正弦式交变电流,线圈从磁场方向计时产生电动势的瞬时值表达式为e=.2.当正弦式交变电流的负载为灯泡等纯电阻用电器时,负载两端的电压u、流过的电流i也按规律变化,即u=,i=.3.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,叫做峰值.感应电流正弦垂直Emsinωt正弦UmsinωtImsinωt4.正弦式交变电流的图象5.几种不同类型的交变电流科学思维1.思考判断(1)只要线圈在磁场中转动,就可以产生交变电流.()×(2)线圈在通过中性面时磁通量最大,电流也最大.()(3)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.()(4)交变电流的瞬时值表达式与开始计时的位置无关.()(5)交流电源没有正负极之分.()×××√2.思维探究(1)如图所示,当线圈在磁场中绕OO′轴转动时,哪些边切割磁感线?线圈转到哪些位置时没有感应电流?答案:当线圈在磁场中绕OO′轴转动时,AB,CD边切割磁感线产生感应电流.线圈转到(甲)和(丙)位置时没有感应电流,我们称之为中性面.(2)正弦式交变电流的图象一定是正弦函数曲线吗?答案:不一定,根据计时起点不同,也可能是余弦函数曲线.课堂探究突破要点要点一交变电流的产生[探究导学](1)图(甲)中,观察到两个发光二极管发光现象有什么特点?其原因是为什么?(2)图(乙)中,线圈匀速转动一周电流表的指针如何摆动?为什么?(3)线圈在如图(乙)所示的位置时,磁通量和感应电动势各有什么特点?答案:(1)两个发光二极管交替发光,原因是发电机产生与直流不同的电流,两个发光二极管一会儿接通这一个,一会儿再接通另外一个,电流方向不停地改变.(2)电流表的指针左右摆动.这是因为线圈中产生了大小和方向周期性变化的感应电流.(3)磁通量为零,感应电动势最大.[要点归纳]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[例1](2018河南郑州期中)(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.每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核心点拨:线框位于中性面时,穿过线框的磁通量最大,但此时感应电动势等于零,磁通量的变化率也等于零,感应电动势和感应电流的方向在此时刻发生改变.解析: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,此时穿过线框的磁通量的变化率也等于零,感应电动势或感应电流的方向也就在此时刻发生变化.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垂直切割,有效切割速度最大,所以感应电动势最大,也可以说此时穿过线框的磁通量的变化率最大,故C,D选项正确.学霸笔记搞清两个特殊位置的特点(1)线框平面与磁场垂直时:e为0,i为0,Φ为最大,t为0.(2)线框平面与磁场平行时:e为最大,i为最大,Φ为0,t为最大.(教师备用)例1-1:(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～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ADπ2解析:计时开始时线圈平面与磁场平行,感应电流最大,在0～π2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.[针对训练1-1]如图所示,面积均为S的线圈均绕其对称轴或中心轴在匀强磁场B中以角速度ω匀速运动,能产生正弦交流电动势e=BSωsinωt的图是()A解析:线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴(轴在线圈所在平面内)匀速转动,产生的正弦交流电动势为e=BSωsinωt,由这一原则判断,A图中感应电动势为e=BSωsinωt;B图中的转动轴不在线圈所在平面内;C,D图转动轴与磁场方向平行,而不是垂直,只有选项A正确.要点二交变电流的变化规律[探究导学]如图是线圈ABCD在磁场中绕轴OO′转动时的截面图.线圈平面从中性面开始转动,角速度为ω.经过时间t,线圈转过的角度是ωt,AB边的线速度v的方向跟磁感线方向间的夹角也等于ωt.设AB边长为L1,BC边长为L2,线圈面积S=L1L2,磁感应强度为B,则:(1)线圈通过甲位置时AB边产生的感应电动势为多大?(2)线圈通过乙位置时整个线圈中的感应电动势为多大?(3)若线圈有N匝,则线圈通过丙位置时整个线圈的感应电动势为多大?答案:(1)eAB=0.(2)整个线圈中的感应电动势由AB和CD两部分组成,且eAB=eCD=BL1vsinωt=12BL1L2ωsinωt=12BSω·sinωt.整个线圈中的感应电动势e=eAB+eCD=BSωsinωt.(3)AB,CD边产生的感应电动势eAB=eCD=BL1v=BL1·22L=12BL1L2ω=12BSω,整个线圈的感应电动势相当于N个完全相同的电源串联,所以e=N(eAB+eCD)=NBSω.[要点归纳]1.峰值表达式Em=nBSω,Im=mERr=nBSRr,Um=ImR=nBSRRr.2.峰值决定因素: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,与转轴的位置无关.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.3.正弦式交变电流的瞬时值表达式(1)从中性面位置开始计时e=Emsinωt,i=Imsinωt,u=Umsinωt.(2)从与中性面垂直的位置开始计时e=Emcosωt,i=Imcosωt,u=Umcosωt.[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.(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)求线圈转过110s时电动势的瞬时值.思维导图(2)当t=110s时,电动势的瞬时值e=375sin(5π×110)V=375V.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=375sin(5πt)V.答案:(1)e=375sin(5πt)V(2)375V学霸笔记(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=eRr=mERrsinωt=ImsinωtR两端的电压可记为u=Umsinωt.(教师备用)例2-1:有一匝数为10匝的正方形线圈,边长为20cm,线圈总电阻为1Ω,线圈绕OO′轴以10πrad/s的角速度匀速转动,如图所示,垂直于线圈平面向里的匀强磁场的磁感应强度为0.5T.(1)求该线圈产生的交变电流的电动势最大值、电流最大值分别为多少?解析:(1)交变电流电动势最大值为Em=2NBlv=2NBlω2l=NBSω=10×0.5×0.22×10πV≈6.28V,电流的最大值为Im=mER=6.281A=6.28A.答案:(1)6.28V6.28A(2)线圈从图示位置转过60°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.解析:(2)线圈转过60°时,感应电动势e=Emsin60°≈5.44V.(3)由于线圈转动是从中性面开始计时的,所以瞬时值表达式为e=Emsinωt=6.28sin(10πt)V.答案:(2)5.44V(3)e=6.28sin(10πt)V[针对训练2-1](2019·广东清远检测)交流发电机工作时电动势为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()CA.e′=Emsin2tB.e′=2Emsin2tC.e′=Emsin2ωtD.e′=m2Esin2ωt解析:感应电动势的瞬时值表达式e=Emsinωt,而Em=nBωS,当ω加倍而S减半时,Em不变,故正确答案为C.要点三交变电流的图象[探究导学]如图(甲)、(乙)所示,则(1)交变电流的电动势、电流的最大值是多大?(2)在哪些时刻线圈位于中性面上?(3)在哪些时刻线圈平行于磁感线?答案:(1)Em,Im(2)0,t2,t4(3)t1,t3(2)e=0(或i=0)时:t=0,Φ最大,e最大(或i最大)时:t最大,Φ=0.[要点归纳]从交变电流图象中获得的信息1.交变电流的峰值Em,Im和周期T.2.两个特殊值对应的位置(1)e=0(或i=0)时:线圈位于中性面上;e最大(或i最大)时:线圈平行于磁感线.3.判断线圈中磁能量的变化情况.4.分析判断e,i大小和方向随时间的变化规律.[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BD.t=32πs时,e=-10V最小,磁通量变化率最小审题指导思维方向获取信息交流电的峰值Em10V交流电的周期T2πs线圈位于中性面的时刻0,πs,2πs线圈平行于磁感线的时刻12πs,32πs解析: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,t最大,“-”号表示方向,D错误.学霸笔记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.(教师备用)例3-1:一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解析: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,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.[针对训练3-1](2019·浙江温州检测)矩形线圈abcd在匀强磁场中逆时针匀速转动时,线圈中产生如下图所示的交变电流,设沿a→b→c→d→a方向为电流正方向,则对应t1