2019-2020学年高中物理 第二章 交变电流 第1节 交变电流课件 教科版选修3-2

第二章交变电流第1节交变电流第二章交变电流1.知道什么是交变电流．2.理解交变电流的产生及变化规律．(重点)3.了解正弦式交变电流的图像和三角函数表达式．4．理解交变电流的瞬时值和最大值及中性面的准确含义．(重点＋难点)一、交变电流实验探究1：将手摇发电机模型与小灯泡连接成闭合电路，匀速转动手柄，可看到小灯泡__________．(见教材P32图2－1－1)实验探究2：将上述电路中的小灯泡换成零刻度居中的电流表，启用教材P32图2－1－2所示的电机原理说明器，缓慢、匀速转动手柄，可看到电流表的指针______摆动．忽明忽暗左右实验探究3：用示波器观察电压的图形．1．把直流和交变电流先后输入示波器，根据示波器屏幕上观察到的图像可以看出，直流电压的大小和方向不随时间发生变化，而交变电流的电压的大小和方向都随时间__________．2．在物理学中，把大小和方向都随时间做____________的电流，叫做交变电流，简称交流电，常用字母“AC”或符号“～”表示．大小和方向都不随时间变化的电流叫______电流，用字母“DC”或符号“－”表示．发生变化周期性变化恒定1．用一块蹄形磁铁慢慢地接近发光的白炽灯泡，可以看到灯丝在不停的颤抖，而移去磁铁后就不再有这种现象．想想看，是什么原因使灯丝颤抖起来的呢？提示：家庭电路中，由于流过灯丝中的电流大小方向随时间作周期性变化，所以处在磁场中的灯丝受到的安培力的大小、方向随时间作周期性变化，因而灯丝就会不停地颤抖．二、正弦交变电流的产生和表述1．产生：闭合矩形线圈在______磁场中绕________________的轴______转动时，线圈中就会产生正弦交流电．2．描述如下表函数图像瞬时电动势：e＝__________匀强垂直于磁场方向匀速Emsinωt函数图像瞬时电压：u＝____________瞬时电流：i＝____________上面表达式中Em、Um、Im分别是电动势、电压、电流的最大值，而e、u、i分别是这几个量的______值，此正弦交流电峰值(最大值)的表达式为Em＝__________，从表格中的图像来看是从线圈处于________开始计时的．UmsinωtImsinωt瞬时NBSω中性面2．某电路中电流随时间的变化图像如图所示，结合交变电流的概念想一下，这是交变电流吗？为什么？提示：不是，因为此电流的方向不随时间变化，它是直流电．磁场中的两个特殊位置图示概念中性面位置与中性面垂直的位置特点B⊥SB∥SΦ＝BS，最大Φ＝0，最小e＝nΔΦΔt＝0，最小e＝nΔΦΔt＝nBSω，最大感应电流为零，方向改变感应电流最大，方向不变一个周期两次经过中性面，电流方向改变两次一个周期电动势两次最大，两次最大值方向相反矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，仅是产生交变电流的一种方式但不是唯一方式．例如线圈不动，磁场按正弦规律变化也可以产生正弦式电流．命题视角1能否产生交变电流的判断(多选)如图中哪些情况线圈中产生了交变电流()[思路点拨]一看是否产生感应电流；二看电流方向是否改变．[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．故选项B、C、D正确．[答案]BCD命题视角2对中性面特点的理解一闭合矩形线圈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[解题探究](1)线圈转动过程中，哪两个边切割磁感线？(2)图中位置时Φ为多少？转过90°时，Φ又为多少？[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线圈在匀强磁场中转动问题的分析方法(1)分析线圈在不同时刻的位置及穿过它的磁通量、磁通量的变化率情况，利用右手定则或楞次定律确定感应电流的方向．(2)搞清两个特殊位置的特点①线圈平面与中性面重合时，S⊥B，Φ最大，ΔΦΔt＝0，e＝0，i＝0，电流方向将发生改变．②线圈平面与中性面垂直时，S∥B，Φ＝0，ΔΦΔt最大，e最大，i最大，电流方向不改变．1.(多选)交流发电机的线圈转到线圈平面与中性面垂直时，下列说法正确的是()A．电流将改变方向B．磁场方向和线圈平面平行C．穿过线圈的磁通量最大D．线圈中产生的感应电动势最大解析：选BD.当线圈平面与中性面垂直时，此时线圈平面与磁场平行，穿过线圈的磁通量为0，但此时线圈两边均垂直切割磁感线，故线圈中产生的感应电动势最大；线圈转至此位置前，穿过线圈的磁通量若看成正向减少，转过此位置后则为反向增加，由楞次定律知感应电流的方向不变．综上所述可知选项B、D正确．交变电流的变化规律1．正弦交变电流的瞬时值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电动势e＝Emsinωte＝Emcosωt电流i＝Imsinωti＝Imcosωt电压u＝Umsinωtu＝Umcosωt2.峰值表达式Em＝NBSω＝NΦmωIm＝EmR＋r＝NBSωR＋rUm＝Im·R＝NBSωRR＋r.其中N表示线圈匝数，ω表示线圈转动的角速度，r表示线圈电阻，R表示外电路的总电阻．命题视角1正弦交变电流的瞬时值和最大值有一个正方形线圈的匝数为10匝，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，匀强磁场的磁感应强度为0.5T，问：(1)该线圈产生的交变电流电动势的最大值、电流的最大值分别是多少？(2)写出感应电动势随时间变化的表达式．(3)线圈从图示位置转过60°时，感应电动势的瞬时值是多大？[思路点拨]先根据Em＝NBSω计算电动势的最大值，再根据计时起点确定瞬时值表达式是e＝Emsinωt还是e＝Emcosωt.[解析](1)交变电流电动势的最大值为Em＝2nBLv＝nBSω＝10×0.5×0.22×10πV＝6.28V电流的最大值为Im＝EmR＝6.28A.(2)感应电动势的瞬时值表达式为e＝Emcosωt＝6.28cos10πtV.(3)线圈转过60°，感应电动势e＝Emcos60°＝3.14V.[答案](1)6.28V6.28A(2)e＝6.28cos10πtV(3)3.14V确定正弦式交变电流瞬时值表达式的方法(1)明确线圈在什么位置时开始计时，以确定瞬时值表达式正弦函数的初相位(零时刻的角度)．(2)确定线圈的匝数、线圈的面积、角速度等物理量．(3)由Em＝nBSω求出感应电动势的最大值．(4)根据e＝Emsinωt写出正弦式交变电流的表达式．命题视角2平均感应电动势的求法如图所示，匀强磁场B＝0.1T，所用矩形线圈的匝数n＝100，边长ab＝0.2m，bc＝0.5m，以角速度ω＝100πrad/s绕OO′轴匀速转动．当线圈平面通过中性面时开始计时，试求：(1)线圈中感应电动势大小的瞬时值表达式．(2)由t＝0至t＝T4过程中的电动势平均值．[思路点拨]求电动势平均值时，必须由法拉第电磁感应定律求解．[解析](1)感应电动势的瞬时值e＝nBSωsinωt，由题可知，S＝ab－·bc－＝0.2×0.5m2＝0.1m2Em＝nBSω＝100×0.1×0.1×100πV＝314V所以e＝314sin100πtV.(2)用E－＝nΔΦΔt计算t＝0至t＝T4过程中的平均电动势E－＝n|Φπ2－Φ0|T4－0＝n|BS－0|T4＝4nBS2πω即E－＝2πnBSω.代入数值得E－＝200V.[答案](1)e＝314sin100πtV(2)200V平均电动势既不是最大感应电动势的一半，也不等于历时一半时间的瞬时电动势，必须由法拉第电磁感应定律求解．2.交流发电机在工作时电动势e＝Emsinωt，若将发电机的转速提高一倍，同时将线圈面积减小一半，其他条件不变，则其电动势变为()A．e′＝Emsinωt2B．e′＝2Emsinωt2C．e′＝Emsin2ωtD．e′＝Em2sin2ωt解析：选C.由Em＝NBSω和ω＝2πf可得，当发电机的转速提高一倍时，角速度加倍，即ω′＝2ω，而线圈的面积减小了一半，所以交变电动势的最大值Em不变，选项C正确．正弦式交变电流的图像从正弦式交变电流的图像中可以解读到以下信息来求解问题1．交变电流的最大值Im、Em、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．一矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，穿过线圈的磁通量随时间变化的图像如图甲所示，则下列说法中正确的是()A．t＝0时刻线圈平面与中性面垂直B．t＝0.01s时刻Φ的变化率达到最大C．t＝0.02s时刻感应电动势达到最大D．该线圈相应的感应电动势图像如题图乙所示[解析]t＝0时Φ最大，线圈应在中性面位置，A错误；t＝0.01s时，Φ－t图像的斜率最大，故ΔΦΔt最大，B正确；t＝0.02s时，Φ最大，故e＝0，C错误；因Φ－t图像为余弦图像，故e－t图像应为正弦图像，D错误．[答案]B3.如图甲所示，矩形线圈abcd在匀强磁场中逆时针匀速转动时，线圈中产生的交变电流如图乙所示，设沿abcda方向为电流正方向，则下列说法正确的是()A．乙图中ab时间段对应甲图中A至B图的过程B．乙图中bc时间段对应甲图中C至D图的过程C．乙图中d时刻对应甲图中的D图D．若乙图中d处是0.02s，则1s内电流的方向改变50次解析：选B.A图中，穿过线圈的磁通量最大，但变化率为零，此时线圈产生的电动势为零，故A错；C图中，穿过线圈的磁通量最大，变化率为零，此时产生的电动势也为零，线圈沿轴逆时针转动，由C转到D的过程中，穿过线圈的磁通量减小，感应电流形成的磁场与原磁场相同，故感应电流的方向为adcba，与规定方向相反，电流为负，B对；乙图中的d时刻电流为零，线圈应处于中性面位置，知C错；若乙图中d处是0.02s，即周期为0.02s，一个周期内电流方向改变两次，故1s改变100次，D错．