202X届高中物理第五章交变电流5.1交变电流课件新人教版选修3_2

1、1交变电流交变电流读一读思一思辨一辨议一议一、交变电流阅读教材第31页“交变电流”,掌握交变电流和直流的概念。1.什么是交变电流?答案:大小和方向都随时间做周期性变化的电流。2.什么是直流?答案:方向不随时间变化的电流。读一读思一思辨一辨议一议二、交变电流的产生阅读教材第32页“交变电流的产生”,初步掌握交流发电机结构的示意图,知道产生交变电流的原因。1.下图是交流发电机的示意图,K、L和E、F分别起什么作用?答案:K、L是滑环,E、F是电刷,AB边与滑环K相连接,CD边与滑环L相连接,在线圈转动时可以通过滑环与电刷保持与外电路的连接。读一读思一思辨一辨议一议2.在上图交流发电机的示意图中,哪

2、两个边切割磁感线产生电动势?答案:AB边和CD边切割磁感线。3.当线圈在磁场中的位置如何时,线圈中电流最大或电流为零?答案:当线圈与磁场垂直时,电流为零;当线圈与磁场平行时,电流最大。读一读思一思辨一辨议一议三、交变电流的变化规律阅读教材第3233页“交变电流的变化规律”,知道交变电流的表达式,知道峰值的概念,知道正弦式交变电流的概念。1.什么是电动势的峰值?答案:电动势可能达到的最大值。2.什么是正弦式交变电流?答案:按正弦规律变化的交变电流叫正弦式交变电流,也叫正弦式电流。3.写出正弦式交变电流的电动势、电压和电流的表达式?答案:e=Emsin t,u=Umsin t,i=Imsin t。

3、读一读思一思辨一辨议一议1.思考辨析。(1)只要线圈在磁场中转动,就可以产生交变电流。 ()解析:如果线圈绕与磁场平行的轴转动,则不会产生感应电流。答案:(2)当线圈中的磁通量最大时,产生的电流也最大。 ()解析:线圈与磁场平行时,电动势最大,此时磁通量为零。答案:(3)当线圈平面与磁场垂直时,线圈中没有电流。 ()解析:线圈与磁场垂直时,线圈中电流为零。答案:读一读思一思辨一辨议一议 (4)表达式为e=Emsin t的交变电流为正弦式交变电流,表达式为 的交变电流也是正弦式交变电流。 ()解析:按正弦函数变化规律变化的交变电流都是正弦式交变电流。答案:读一读思一思辨一辨议一议2.探究讨论。(

4、1)交变电流的大小一定是变化的吗?答案:交变电流的大小不一定变化,如方波式交变电流,其大小是不变的。(2)交变电流与直流的最大区别是什么?答案:交变电流与直流的最大区别在于交变电流的方向发生周期性变化,而直流的方向不变。(3)正弦式交变电流的表达式i=Imsin t,思考式中瞬时值i和最大值Im有什么区别?答案:瞬时值是某一时刻的电流,它是不断变化的;最大值是一个变化周期中的最大值,是不变的。探究一探究二探究三当堂检测问题导引名师精讲典例剖析交变电流的产生交变电流的产生假定线圈沿逆时针方向匀速转动,如图甲至丁所示。请分析判断:探究一探究二探究三当堂检测问题导引名师精讲典例剖析(1)图中,在线圈

5、由甲转到乙的过程中,AB边中电流向哪个方向流动?(2)在线圈由丙转到丁的过程中,AB边中电流向哪个方向流动?(3)当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?(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。探究一探究二探究三当堂检测问题导引名师精讲典例剖析要点提示:(1)由B到A(2)由A到B(3)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)探究一探究二探究三当堂检测问题导引名师精讲典例剖析1.中性面(SB位置;如问题导引图

6、中的甲、丙)线圈平面与磁场垂直的位置,此时最大, 为0,e为0,i为0。线圈经过中性面时,电流方向发生改变,线圈转一圈,电流方向改变两次。2.垂直于中性面位置(SB位置,如问题导引图中的乙、丁),此时为0, 最大,e最大,i最大。 穿过线圈平面的磁通量最大,感应电动势为零;穿过线圈平面的磁通量为零,感应电动势最大。探究一探究二探究三当堂检测问题导引名师精讲典例剖析【例题1】 (多选)如图所示,线圈在匀强磁场中绕垂直于匀强磁场且在线圈平面内的轴匀速转动时产生交变电流,则下列说法中正确的是()A.当线圈位于中性面时,线圈中感应电流最大B.当穿过线圈的磁通量为零时,线圈中感应电动势最大C.线圈在磁场

7、中每转一周,产生的感应电流方向改变一次D.每当线圈经过中性面时,感应电流的方向就改变一次探究一探究二探究三当堂检测问题导引名师精讲典例剖析解析:线圈位于中性面时,线圈平面与磁场垂直,此时磁通量最大,但是各边都不切割磁感线,或者说磁通量的变化率为零,所以感应电动势为零。而穿过线圈的磁通量为零时,切割磁感线的有效速度最大,磁通量的变化率最大,所以感应电动势最大,故选项A错误,B正确;线圈在磁场中每转一周,产生的感应电流方向改变两次,选项C错误;很明显选项D正确。答案:BD探究一探究二探究三当堂检测问题导引名师精讲典例剖析归纳总结(1)对于交变电流产生过程中各物理量的变化情况分析,应抓住中性面这个关

8、键位置,特别注意的是此时穿过线圈平面的磁通量虽最大,但磁通量的变化率却最小,等于零,电动势等于零,电流等于零。因此磁通量的变化规律与感应电动势(感应电流)的变化规律恰好相反,一方增大时另一方恰好减小。(2)交变电流变化的周期等于线圈转动的周期。线圈每经过中性面一次,电流方向就改变一次,线圈每转一周,经过中性面两次,因此线圈每转一周,电流方向改变两次。探究一探究二探究三当堂检测问题导引名师精讲典例剖析变式训练变式训练1(多选)如图所示,矩形线圈在匀强磁场中匀速转动,在线圈平面经过中性面瞬间()A.线圈平面与磁感线平行B.通过线圈的磁通量最大C.线圈中的感应电动势最大D.线圈中感应电动势的方向突变

9、解析:根据中性面的定义,线圈平面经过中性面瞬间,通过线圈的磁通量最大,线圈中的感应电动势为零,此后,感应电动势方向(即感应电流方向)将与原方向相反。答案:BD探究一探究二探究三当堂检测问题导引名师精讲典例剖析正弦式交变电流的变化规律正弦式交变电流的变化规律图b是图a中线圈ABCD在磁场中绕轴OO转动时三个不同时刻的截面图。线圈平面从中性面开始转动,角速度为,经过时间t,线圈转过的角度是t,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:探究一探究二探究三当堂检测问题导引名师精讲典例剖析(1)甲、乙、丙中AB边产生的感应电动势各为多大?(2)甲、乙、丙中整个线圈中的感

10、应电动势各为多大?(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?探究一探究二探究三当堂检测问题导引名师精讲典例剖析要点提示:(1)甲: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,所以甲:e=0乙:e=eAB+eCD=BSsin t丙:e=BS。(3)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=NBSsin t丙:e=NBS。探究一探究二探究三当堂检测问题导引名师精讲典例剖析1.正弦式交变电流的表达式e=Emsin t,u=Umsin t,i=Imsin t,其中Em为最大值,也叫峰值。2.正弦式交变电流的峰值(1)

11、转轴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=nBS。(2)决定因素:由线圈匝数n、磁感应强度B、转动角速度和线圈面积S决定,与线圈的形状无关,与转轴的位置无关。(3)如图所示的几种情况中,如果n、B、S均相同,则感应电动势的峰值均为Em=nBS。探究一探究二探究三当堂检测问题导引名师精讲典例剖析【例题2】 如图所示,匀强磁场磁感应强度B=0.1 T,所用矩形线圈的匝数n=100,边长lab=0.2 m,lbc=0.5 m,以角速度=100 rad/s绕OO轴匀速转动。试求:(1)感应电动势的峰值。(2)若从线圈平面垂直磁感线时开始计时,线圈

12、中瞬时感应电动势的表达式。(3)若从线圈平面平行磁感线时开始计时,求线圈在 时刻的感应电动势大小。探究一探究二探究三当堂检测问题导引名师精讲典例剖析解析:(1)由题可知,S=lablbc=0.20.5 m2=0.1 m2,感应电动势的峰值Em=nBS=1000.10.1100 V=100 V=314 V。(2)若从线圈平面垂直磁感线时开始计时,感应电动势的瞬时值e=Emsin t所以e=314sin(100t) V。(3)若从线圈平面平行磁感线时开始计时,感应电动势的瞬时值表达式为e=Emcos t,代入数据得e=314cos(100t) V答案:(1)314 V(2)e=314sin(100

13、t) V(3)157 V探究一探究二探究三当堂检测问题导引名师精讲典例剖析归纳总结写瞬时值时必须明确是从中性面开始计时,还是从与中性面垂直的位置开始计时。(1)从中性面开始计时,e=Emsin t;(2)从与中性面垂直的位置开始计时,e=Emcos t。探究一探究二探究三当堂检测问题导引名师精讲典例剖析变式训练变式训练2 (多选)如图所示,形状或转轴位置不同,但面积均为S的单匝线圈处在同一个磁感应强度为B的匀强磁场中,以相同的角速度匀速转动,从图示的位置开始计时,则下列说法正确的是() A.感应电动势最大值相同B.感应电动势瞬时值不同C.感应电动势最大值、瞬时值都不同D.感应电动势最大值、瞬时

14、值都相同探究一探究二探究三当堂检测问题导引名师精讲典例剖析解析:感应电动势的最大值为Em=BS,A正确;感应电动势的瞬时值e=Emsin t与转轴位置无关,图中都以中性面位置计时,故瞬时值相同,D正确,B、C错误。答案:AD探究一探究二探究三当堂检测问题导引名师精讲典例剖析正弦式交变电流的图象正弦式交变电流的图象如图所示,线圈ABCD在匀强磁场中绕OO匀速转动。若线圈平面从中性面开始转动为计时起点,角速度为。设线圈面积为S,磁感应强度为B,图(a)中各图与(b)时间轴上各时刻对应,在图(b)中作出线圈在磁场中转动一周的过程中,感应电流随时间的变化关系图象。探究一探究二探究三当堂检测问题导引名师

15、精讲典例剖析要点提示:如图所示。 探究一探究二探究三当堂检测问题导引名师精讲典例剖析探究一探究二探究三当堂检测问题导引名师精讲典例剖析2.从图象中可以解读到以下信息(1)交变电流的最大值Im、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。(3)可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)分析判断i、e随时间的变化规律。探究一探究二探究三当堂检测问题导引名师精讲典例剖析【例题3】 线圈在匀强磁场中匀速转动,产生交变电流的图象如图所示,由图可知()A.在A、C时刻线圈处于中性面位置B.在B、D时刻穿过线圈的磁通量为零C.

16、从A时刻到D时刻线圈转过的角度为D.若从0时刻到D时刻经过0.02 s,则在1 s内交变电流的方向改变100次解析:A、C时刻感应电流最大,线圈位置与中性面垂直,B、D时刻感应电流为零,线圈在中性面,此时磁通量最大。从A时刻到D时刻线圈转过角度为 。若从0时刻到D时刻经过0.02 s,则T=0.02 s,则在1 s内交变电流的方向改变 2=100次,故D正确。答案:D探究一探究二探究三当堂检测问题导引名师精讲典例剖析归纳总结解决图象问题的基本方法一看:看“轴”、看“线”、看“斜率”、看“点”。二变:掌握“图与图”“图与式”和“图与物”之间的变通能力。三判断:结合图象和公式进行正确分析和判断。探

17、究一探究二探究三当堂检测问题导引名师精讲典例剖析变式训练变式训练3一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甲所示。则下列说法正确的是 () A.t=0时刻,线圈平面与中性面垂直B.t=0.01 s时刻,的变化率最大C.t=0.02 s时刻,交流电动势达到最大D.该线圈相应产生的交流电动势的图象如图乙所示解析:由题图甲可知,t=0和t=0.02 s时刻,值最大,线圈平面恰在中性面位置,感应电动势为零,而-t图象在t=0.01 s和t=0.03 s时刻切线的斜率最大,即的变化率最大,交流电动势达到最大值。答案:B探究三当堂检测探究一探究二1231.(

18、交变电流的产生)如图所示,一矩形线圈绕与匀强磁场垂直的中心轴OO沿顺时针方向转动,引出线的两端分别与相互绝缘的两个半圆形铜环M和N相连。M和N又通过固定的电刷P和Q与电阻R相连。在线圈转动过程中,通过电阻R的电流()A.大小和方向都随时间做周期性变化B.大小和方向都不随时间做周期性变化C.大小不断变化,方向总是PRQD.大小不断变化,方向总是QRP解析:半圆环交替接触电刷,从而使输出电流方向不变,这是一个直流发电机模型,由右手定则知,外电路中电流方向是PRQ。答案:C探究三当堂检测探究一探究二1232.(交变电流的图象)如图甲所示,一单匝矩形线圈abcd放置在匀强磁场中,并绕过ab、cd中点的轴OO以角速度逆时针匀速转动。若以线圈平面与磁场夹角=45时(如图乙所示)为计时起点,并规定当电流自a流向b时,方向为正。则下列四幅图中正确的是()探究三当堂检测探究一探究二123解析:由题图乙看出,此时感应电动势不是最大值,也不是0,所以A、B项错;从图示位置转至中性面的过程中,e减小,故C错,D正确。答案:D探究三当堂检测探究一探究二1233.(交变电流的变化规律)如图甲所示,矩形线圈匝数N=100,ab=30 cm,ad=20 cm,匀强磁场的磁感应强