新高中物理 第二章 1 认识交变电流 交变电流的描述课件 粤教版选修32.ppt

第二章 交变电流 目标定位 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 学案1认识交变电流交变电流的描述 知识探究 自我检测 一 交变电流的产生 问题设计 知识探究 假定线圈沿逆时针方向匀速转动 如图1甲至丁所示 请分析判断 1 在线圈由甲转到乙的过程中 ab边中电流沿哪个方向 答案由b到a 2 在线圈由丙转到丁的过程中 ab边中电流沿哪个方向 答案由a到b 3 线圈转到什么位置时线圈中没有电流 转到什么位置时线圈中的电流最大 答案线圈转到甲或丙位置时线圈中没有电流 称为中性面 线圈转到乙或丁位置时线圈中的电流最大 4 大致画出通过电流表的电流随时间变化的曲线 从e经过负载流向f的电流记为正 反之记为负 在横坐标上标出线圈到达甲 乙 丙 丁几个位置时对应的时刻 答案 要点提炼 1 和 都随时间作周期性变化的电流叫做交变电流 简称交流 和 都不随时间改变的电流叫恒定电流 注意 交流的特点是方向改变 2 正弦式交变电流的产生 将闭合矩形线圈置于 磁场中 并绕 方向的轴 转动 强弱 方向 强弱 方向 匀强 垂直磁场 匀速 3 中性面 线圈平面与磁感线 时的位置 1 线圈处于中性面位置时 穿过线圈的 但线圈中的电流 填 最大 或 为零 2 线圈每次经过中性面时 线圈中感应电流方向都要改变 线圈转动一周 感应电流方向改变 次 垂直 最大 为零 两 问题设计 图2 二 用函数表达式描述交变电流 如图2是图1中线圈abcd在磁场中绕轴oo 转动时的截面图 设ab边长为l1 bc边长为l2 线圈面积s l1l2 磁感应强度为b 线圈转动角速度为 则 1 甲 乙 丙位置ab边产生的感应电动势各为多大 答案 2 甲 乙 丙位置整个线圈中的感应电动势各为多大 答案整个线圈中的感应电动势由ab和cd两部分组成 且eab ecd 所以甲 e 0乙 e eab ecd bs sin t丙 e bs 3 若线圈有n匝 则甲 乙 丙中整个线圈的感应电动势各为多大 答案若线圈有n匝 则相当于n个完全相同的电源串联 所以甲 e 0乙 e nbs sin t丙 e nbs 要点提炼 1 正弦式交变电流瞬时值表达式 1 当从中性面开始计时 e 2 当从与中性面垂直的位置开始计时 e 2 正弦式交变电流的峰值表达式 em 与线圈的形状及转动轴的位置 填 有关 或 无关 emsin t emcos t nbs 无关 3 两个特殊位置 1 中性面 线圈平面与磁场 为 e为 i为 填 0 或 最大 线圈每次经过中性面时 线圈中感应电流的方向要改变 线圈转动一周 感应电流方向改变 2 垂直中性面 线圈平面与磁场 为 为 e为 i为 填 0 或 最大 垂直 最大 0 0 0 两次 平行 0 最大 最大 最大 三 用图象描述交变电流 要点提炼 1 正弦式交变电流的图象 如图3所示 图3 从中性面开始计时 2 从正弦式交变电流的图象可以解读到以下信息 1 交变电流的周期t 峰值im或者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 也可根据电流或者电压峰值找出线圈平行磁感线的时刻 3 判断线圈中磁通量 最小 最大的时刻及磁通量变化率最大 最小的时刻 4 分析判断i e大小和方向随时间的变化规律 典例精析 一 交变电流的判断 例1如图所示 下列选项中属于交流电的是 解析方向随时间作周期性变化是交变电流最重要的特征 a b d三项所示的电流大小随时间作周期性变化 但其方向不变 不是交变电流 它们所表示的是直流电 c选项中电流的方向随时间作周期性变化 故选c 答案c 例2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方向就改变一次d 线框经过中性面时 各边有效切割磁感线的速度为零 二 正弦式交变电流的产生 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 所以电动势等于零 也应该知道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也就在此时刻变化 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 答案cd 例3有一个正方形线圈的匝数为10匝 边长为20cm 线圈总电阻为1 线圈绕oo 轴以10 rad s的角速度匀速转动 如图4所示 匀强磁场的磁感应强度为0 5t 问 三 交变电流的规律 图4 1 该线圈产生的交变电流电动势的峰值 电流的峰值分别是多少 解析交变电流电动势的峰值为em 2nblv nbs 10 0 5 0 22 10 v 6 28v电流的峰值为im 6 28a 答案6 28v6 28a 2 若从中性面位置开始计时 写出感应电动势随时间变化的表达式 解析从中性面位置开始计时 感应电动势的瞬时值表达式为e emsin t 6 28sin 10 t v 答案e 6 28sin 10 t v 3 线圈从中性面位置开始 转过30 时 感应电动势的瞬时值是多大 解析线圈从中性面位置开始转过30 感应电动势e emsin30 3 14v 答案3 14v 四 交变电流的图象 例4线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的转轴匀速转动 产生交变电流的图象如图5所示 由图中信息可以判断 a 在a和c时刻线圈处于中性面位置b 在b和d时刻穿过线圈的磁通量为零c 从a d线圈转过的角度为2 d 若从o d时刻历时0 02s 则在1s内交变电流的方向改变100次 图5 解析根据题图 首先判断出交变电流的瞬时值表达式i imsin t 其中im是交变电流的最大值 是线圈旋转的角速度 另外 应该进一步认识到线圈是从中性面开始旋转 而且线圈每旋转一周 两次经过中性面 经过中性面的位置时电流改变方向 从题图可以看出 在o b d时刻电流为零 所以此时线圈恰好在中性面的位置 且穿过线圈的磁通量最大 在a c时刻电流最大 线圈处于和中性面垂直的位置 此时磁通量为零 如果从o到d历时0 02s 恰好为一个周期 所以1s内线圈转过50个周期 100次经过中性面 电流方向改变100次 综合以上分析可得 只有选项d正确 答案d 课堂要点小结 1 交变电流的产生 下列各图中 线圈中不能产生交变电流的有 1 2 3 4 自我检测 答案a 2 交变电流的规律 如图6所示 矩形线圈abcd放在匀强磁场中 ad bc l1 ab cd l2 从图示位置起该线圈以角速度 绕不同转轴匀速转动 则 a 以oo 为转轴时 感应电动势e bl1l2 sin tb 以o1o1 为转轴时 感应电动势e bl1l2 sin tc 以oo 为转轴时 感应电动势e bl1l2 cos td 以oo 为转轴跟以ab为转轴一样 感应电动势e bl1l2 sin t 1 2 3 4 图6 解析以o1o1 为轴转动时 磁通量不变 不产生交变电流 无论是以oo 为轴还是以ab为轴转动 感应电动势的最大值都是bl1l2 由于是从与磁场平行的面开始计时 产生的是余弦式交变电流 故c d正确 答案cd 1 2 3 4 3 交变电流的图象 一只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象如图7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 的变化率最大c t 0 02s时刻 感应电动势达到最大d 该线圈产生的相应感应电动势的图象如图乙所示 1 2 3 4 图7 解析由题图甲可知t 0时刻 线圈的磁通量最大 线圈处于中性面 t 0 01s时刻 磁通量为零 但变化率最大 所以a项错误 b项正确 t 0 02s时 感应电动势应为零 c d项均错误 答案b 1 2 3 4 4 交变电流的规律 如图8所示 线圈的面积是0 05m2 共100匝 匀强磁场的磁感应强度b t 当线圈以300r min