新教材2023-2024学年高中物理第3章交变电流1交变电流课件新人教版选择性必修第二册

第三章1交变电流学习目标1.了解交变电流、中性面的概念。(物理观念)2.能利用图像法表示交变电流。(科学思维)3.知道正弦式交变电流的变化规律及表达式,能解决交变电流的瞬时值、峰值的有关问题。(科学思维)基础落实·必备知识全过关重难探究·能力素养全提升目录索引

学以致用·随堂检测全达标基础落实·必备知识全过关一、交变电流及其产生1.交变电流(1)交变电流:大小和方向随时间做

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。

主要判断依据为方向是否变化

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。

(2)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。

磁通量最大,感应电流为0垂直于磁场垂直二、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

开始计时位置从中性面位置开始计时从与中性面垂直的位置开始计时感应电动势e=

e=

电压u=

u=

电流i=

i=

Em、Um、Im分别是电动势、电压、电流的最大值,也叫峰值。

EmsinωtEmcosωtUmsinωtUmcosωtImsinωtImcosωt2.正弦式交变电流:按

规律变化的交变电流,简称

。

3.几种不同类型的交变电流在实际应用中,交变电流有不同的变化规律,常见的有以下几种,如图所示。正弦正弦式电流情境链接在物理实验室做电学实验时,经常会用到学生电源,学生电源的主要功能是什么?提示

给学生提供安全的交变电压、电流以及安全的直流电压、电流。

教材拓展发电机线圈面积为S,匝数为n,处在磁感应强度大小为B的匀强磁场中,沿垂直于磁场的轴OO'匀速转动,角速度为ω,线圈从如图所示位置开始转动,则感应电动势的表达式是什么?提示

e=nBSωsin

ωt易错辨析(1)电流的大小和方向随时间周期性变化的电流是交变电流。(

)(2)矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时,一定会产生正弦式交变电流。(

)(3)日常使用的各种充电器能把交变电流变成低压直流。(

)(4)矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动经过中性面时,线圈中的感应电动势为零,电流方向发生改变。(

)(5)线圈在中性面位置时磁通量最大,线圈中的电流也最大。(

)√×提示

当转轴平行于磁场时,线圈中没有感应电流。

√√×提示

线圈在中性面位置时磁通量最大,线圈中的电流为零。

重难探究·能力素养全提升探究点一交变电流的产生导学探究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:(1)图中,在线圈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?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,该位置称为中性面。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。要点提示

知识归纳1.交变电流的产生过程分析

2.中性面(S⊥B位置,如上图中的甲、丙)——线圈平面与磁场垂直的位置,此时Ф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,线圈转动一圈,电流方向改变两次。3.垂直于中性面位置(S∥B位置,如上图中的乙、丁),此时Ф为0,最大,e最大,i最大。4.几种不同类型的交变电流

特别提示

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。应用体验【例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BD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,选项D正确。方法技巧

(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。对点演练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,在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解析

计时开始时线圈平面与磁场平行,感应电流最大,在0~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。探究点二正弦式交变电流的变化规律导学探究图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ω,经过时间t,线圈转过的角度是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:图a图b(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应电动势各为多大?要点提示

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:e1=0乙:e2=eAB2+eCD2=BSωsin

ωt丙:e3=BSω。(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?要点提示

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甲=0乙:e乙=NBSωsin

ωt丙:e丙=NBSω。知识归纳1.正弦式交变电流的表达式e=Emsinωt,u=Umsinωt,i=Imsinωt,其中Em、Um、Im为最大值,也叫峰值。2.正弦式交变电流的峰值(1)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=nBSω。(2)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。(3)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。

与转轴位置无关

应用体验【例2】

如图所示,匀强磁场磁感应强度B=0.1T,所用矩形线圈的匝数n=100,边长lab=0.2m,lbc=0.5m,线圈以角速度ω=100πrad/s绕OO'轴匀速转动。(1)求感应电动势的峰值。

(2)若从线圈平面垂直磁感线时开始计时,写出线圈中瞬时感应电动势的表达式。答案

(1)314V

(2)e=314sin100πt(V)(3)157V解析

(1)由题可知,S=lab·lbc=0.2×0.5

m2=0.1

m2,感应电动势的峰值Em=nBSω=100×0.1×0.1×100π

V=100π

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

ωt,所以e=314sin

100πt(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

ωt,代入数据得e=314cos

100πt(V)方法技巧

求解交变电流的瞬时值问题的答题步骤

对点演练2.如图所示,一矩形线圈,面积是0.05m2,共100匝,线圈总电阻r=2Ω,外接电阻R=8Ω,线圈在磁感应强度B=

T的匀强磁场中以n=300r/min的转速绕垂直于磁感线的轴匀速转动,若从线圈处于中性面时开始计时,求:(1)线圈中感应电动势的瞬时值表达式;(2)经s时线圈中的感应电流的瞬时值;(3)外电路R两端电压瞬时值的表达式。答案

(1)e=50sin10πt(V)(3)u=40sin10πt(V)解析

(1)线圈转速n=300

r/min=5

r/s角速度ω=2πn=10π

rad/s线圈产生的感应电动势最大值Em=NBSω=50

V则感应电动势瞬时值表达式为e=Emsin

ωt=50sin

10πt(V)。(3)由闭合电路欧姆定律得

探究点三正弦式交变电流的图像导学探究如图甲所示,线圈ABCD在匀强磁场中绕OO'匀速转动。以线圈平面从中性面开始转动为计时起点,角速度为ω。设线圈面积为S,磁感应强度为B,图乙中各图与图丙时间轴上各时刻对应,在图丙中作出线圈在磁场中转动一周的过程中,感应电动势随时间变化的关系图像。甲

要点提示

如图所示。

知识归纳1.用图像描述交变电流的变化规律(在中性面时t=0)2.从图像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)可找出线圈平行于磁感线的时刻。(4)可判断线圈中磁通量的变化情况。(5)可分析判断i、e随时间的变化规律。应用体验【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像如图所示,则(

)A.当t=0时,穿过线圈的磁通量为0B.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B解析

从图像可知t=0时,e最小,线圈平面与磁感线垂直,Φ最大,A错误,B正方法技巧

正弦式交变电流图像的分析方法一看: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。对点演练3.一个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所示,则下列说法正确的是(

)A.t=0时,线圈平面与中性面垂直B.t=0.01s时,Φ的变化率为0C.t=0.02s时,感应电动势达到最大D解析

t=0时,Φ最大,故线圈平面位于中性面,选项A错误;t=0.01

s时,图线斜率的绝对值最大,故Φ的变化率最大,选项B错误;t=0.02

s时,图线的斜率为0,故感应电动势达到最小,为0,选项C错误;从t=0.01

s至t=0.04

s线圈转了四分之三圈,故转过的角度是

π,选项D正确。学以致用·随堂检测全达标12341.(交变电流的产生)(多选)如图所示,矩形线圈abcd在匀强磁场中可以分别绕垂直于磁场方向的轴P1和P2以相同的角速度匀速转动,当线圈平面转到图示与磁场方向平行时(

)A.线圈绕P1转动时的电流等于绕P2转动时的电流B.线圈绕P1转动时的电动势小于绕P2转动时的电动势C.线圈分别绕P1和P2转动时的电流方向相同,都是a→d→c→bD.线圈绕P1转动时dc边受到的安培力大于绕P2转动时dc边受到的安培力AC1234解析

产生正弦式交变电流的条件是轴和磁感线垂直且匀速转动,与轴的位置和线圈形状无关,线圈abcd分别绕轴P1、P2转动,转到图示位置时产生的电动势E=nBSω,由I=可知此时I相等,故选项A正确,B错误;由右手定则可知,线圈平面转到图示位置时,电流方向都为a→d→c→b,故选项C正确;dc边受到的安培力F=BldcI,故线圈分别绕P1和P2转动时F一样大,选项D错误。12342.(正弦式交变电流的图像)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ω逆时针匀速转动。若以线圈平面与磁场夹角θ=45°时(如图乙所示)为计时起点,并规定当电流沿abcda时,方向为正。则下列四幅图正确的是(

)D1234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项错误;从图示位置转至中性面的过程中,e减小,即i减小,故C错误,D正确。12343.(正弦式交变电流的变化规律)(多选)一单匝闭合线框在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的转轴匀速转动。在转动过程中,线框中的最大磁通量为Φm,最大感应电动势为Em,下列说法正确的是(

)A.当线框磁通量为零时,感应电动势也为零C.当