高中物理(新教材)选修二课件3：3-1-交变电流 人教版

第三章交变电流1交变电流用示波器或电压传感器先观察电池供给的电压的波形，再观察家用电源供给的电压的波形。这两种波形各有什么特点?新课导入一、交变电流1.交变电流：大小和方向随时间做周期性变化的电流,简称交流。2.直流：方向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。课堂探究下列五个图，哪些是描述交变电流的?判断依据是什么?C和E是交变电流,判断依据是大小和方向随时间周期性变化。

探究二、交变电流的产生1.产生条件:在匀强磁场中,矩形线圈绕垂直于磁场方向的轴匀速转动。2.中性面:线圈在磁场中转动的过程中,线圈平面与磁场垂直时所在的平面。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?由B到A由A到B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。探究(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。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

探究总结例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典例精析例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典例精析解析

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,选项D正确。答案

BD规律方法

(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。三、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=Emsinωte=Emcosωt电压u=Umsinωtu=Umcosωt电流i=Imsinωti=Imcosωt2.正弦式交变电流:按正弦规律变化的交变电流,简称正弦式电流。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。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:探究图a图b(1)甲、乙、丙中AB边产生的感应电动势各为多大?甲:eAB=0

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:探究图a图b(1)甲、乙、丙中AB边产生的感应电动势各为多大?甲:eAB=0

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:探究图a图b(2)甲、乙、丙中整个线圈中的感应电动势各为多大?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=BSω·sin

ωt

丙:e=BSω。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:探究图a图b(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?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=NBSωsin

ωt

丙:e=NBSω。1.正弦式交变电流的表达式e=Emsinωt,u=Umsinωt,i=Imsinωt,其中Em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。探究总结(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

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,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。典例精析解析

(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)答案

(1)314V

(2)e=314sin100πt(V)

(3)157V规律方法求解交变电流的瞬时值问题的答题步骤

探究如图所示,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(a)中各图与图(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,感应电动势随时间变化的关系图像。图(a)图(b)1.用图像描述交变电流的变化规律(在中性面时t=0)探究总结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。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典例精析规律方法

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。备用工具&资料例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典例精析一、交变电流1.交变电流：大小和方向随时间做周期性变化的电流,简称交流。2.直流：方向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。课堂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?由B到A由A到B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。探究(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