2019高中物理 第二章 交变电流 1 交变电流学案 教科版选修3-2.doc

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1、11 1交变电流交变电流学 习 目 标知 识 脉 络1了解恒定电流和交变电流的概念2知道交变电流的产生过程和电动势与电流方向的变化规律(重点)3理解正弦交变电流的变化规律及表达式，知道中性面、瞬时值的概念(重点、难点)自 主 预 习探 新 知知识梳理一、交变电流1恒定电流大小和方向都不随时间变化的电流，称为恒定电流2交变电流(1)定义：大小和方向随时间做周期性变化的电流，称为交变电流，简称交流电(2)正弦交变电流：电流随时间按正弦函数规律变化的交变电流，简称正弦交流电二、正弦交流电的产生和表述1产生：闭合矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时，线圈中产生的感应电流就是正弦交流电2描

2、述函数图像瞬时电动势：eEmsin t瞬时电压：uUmsin_t瞬时电流：iImsin_t最大值表达式：EmNBS.3中性面：线圈平面与磁场垂直的位置基础自测1思考判断2(1)交变电流指的是正弦交流电()(2)教室的照明电路中所用的是正弦式交流电()(3)电流方向做周期性变化的电流就是交变电流()(4)只要闭合线圈在匀强磁场里匀速转动就一定产生正弦交变电流()(5)正弦交变电流的函数形式与计时起点有关()(6)当线圈中的磁通量为零时，产生的电流也为零()2下列四个图像中不属于交流电的是( )D D A、B、C 中e的方向均做周期性变化，故它们属于交流电，D 中e的大小变化而方向不变，属直流电3

3、如图 211 所示，一线圈在匀强磁场中匀速转动，经过图示位置时( ) 【导学号：24622053】图 211A穿过线圈的磁通量最小，磁通量的变化率最大B穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率最大C穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率最小D穿过线圈的磁通量最小，磁通量的变化率最小A A 由图可知线圈平面与磁感线平行，应处于垂直于中性面的平面，此时穿过线圈的磁通量最小，磁通量的变化率最大，所以 A 选项正确合 作 探 究攻 重 难交变电流的产生1产生在匀强磁场中，绕垂直磁场方向的轴匀速转动的线圈中产生的是交变电流，实验装置3如图 212 所示图 2122过程分析(如图 213 所示)图 213线圈由

4、甲位置转到乙位置过程中，电流方向为badc.线圈由乙位置转到丙位置过程中，电流方向为badc.线圈由丙位置转到丁位置过程中，电流方向为abcd.线圈由丁位置转到甲位置过程中，电流方向为abcd.3两个特殊位置对比位置中性面中性面的垂面磁通量最大零磁通量变化率零最大感应电动势零最大线圈边缘切割磁感线的有效速度零最大感应电流零最大电流方向改变不变(多选)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( ) 【导学号：24622054】A当线框位于中性面时，线框中感应电动势最大4B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

5、势或感应电流的方向就改变一次D线框经过中性面时，各边切割磁感线的速度为零CDCD 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，原来切割磁感线的两边此时与磁感线平行，即不切割磁感线，所以感应电动势等于零，此时穿过线框的磁通量的变化率也等于零，感应电动势或感应电流的方向也就在此时发生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磁感线，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 选项正确针对训练1(多选)下列各图中，线圈中能产生交变电流的有( )A BC DBCDBCD B、C、D 中当线圈在磁场中转动时，

6、穿过线圈的磁通量变化，会产生感应电流，而 A 中线圈转动时，穿过线圈的磁通量始终为零，无感应电流产生，故 B、C、D 正确2(多选)如图 214 甲所示，一矩形闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴OO以恒定的角速度转动从线圈平面与磁场方向平行时开始计时，线圈中产生的交变电流按照如图 214 乙所示的余弦规律变化，则在t时刻 ( ) 2甲 乙图 214A线圈中的电流最大B穿过线圈的磁通量为零C线圈所受的安培力为零D线圈中的电流为零5CDCD 线圈转动的角速度为，则转过一圈用时，当t时说明转过了 圈，此2 21 4时线圈位于中性面位置，所以穿过线圈的磁通量最大，B 错误；由于此时感应电动势为零

7、，所以线圈中电流为零，线圈所受的安培力为零，A 错误，C、D 正确正弦交流电的瞬时值和最大值1瞬时值表达式的推导图 215若线圈平面从中性面开始转动，如图 215 所示，则经时间t：ab边的线速度跟磁感线方向的夹角：tab边转动的线速度大小：vRLad2ab边的感应电动势：eabBLabvsin BS2sin t整个一匝线圈产生的电动势：e2eabBSsin tN匝线圈的总电动势：eNBSsin tEmsin t纯电阻电路电流的瞬时值：isin tImsin te RrEm Rr某个电阻R电压的瞬时值：uiRImRsin tUmsin t2峰值表达式(1)EmNBSNm.(2)Im.Em Rr

8、(3)UmImR.3正弦交变电流的瞬时值表达式(1)eNBSsin tEmsin t.6(2)isin tImsin t.e RrEm Rr(3)uiRImRsin tUmsin t.上面各式中的e、i、u仅限于从中性面开始计时的情况若从垂直于中性面(即从线圈平面与磁场平行时)开始计时，则上述表达式应为eEmcos t，iImcos t，uUmcos t.一矩形线圈，面积是 0.05 m2，共 100 匝，线圈电阻r2 ，外接电阻R8 ，线圈在磁感应强度B T 的匀强磁场中以n300 r/min 的转速绕垂直于磁感1 线的轴匀速转动，如图 216 所示，若从中性面开始计时，求：图 216(1)

9、线圈中感应电动势的瞬时值表达式；(2)线圈从开始计时经 s 时线圈中由此得到的感应电流的瞬时值；1 30(3)外电路R两端电压瞬时值的表达式思路点拨：线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动时电动势的最大值EmNBS.感应电动势瞬时值表达式与开始计时的位置有关，若从中性面开始计时，则eEmsin t.【解析】 (1)线圈转速n300 r/min5 r/s角速度2n10 rad/s线圈产生的感应电动势最大值EmNBS50 V由此得到的感应电动势瞬时值表达式为eEmsin t50sin 10t V.(2)将t s 代入感应电动势瞬时值表达式中，1 30得e50sin(10)V25 V1 303对应

10、的感应电流i A.e Rr5 32(3)由欧姆定律得uR40sin 10t V.e Rr7【答案】 (1)e50sin 10t V (2) A 5 32(3)u40sin 10t V(1)求交变电流瞬时值的方法确定线圈转动从哪个位置开始计时；确定表达式是正弦函数还是余弦函数；确定转动的角速度2n(n的单位为 r/s)、EmNBS；写出表达式，代入角速度求瞬时值(2)线圈在匀强磁场中匀速转动产生正弦式交变电流，产生的交变电流与线圈的形状无关如图所示，若线圈的面积与例 2 中题图所示线圈面积相同，则答案完全相同针对训练3某线圈在匀强磁场中转动所产生的电动势变化规律为eEmsin t，保持其他条件不

11、变，使该线圈的转速和匝数同时增加一倍，则此时所产生的电动势的瞬时值表达式为( ) 【导学号：24622055】Ae2Emsin 2t Be2Emsin tCe4Emsin 2t De4Emsin tC C 因2n，故转速加倍时，角速度也加倍，根据EmNBS，转速和匝数均加倍时，电动势的峰值将变为原来的 4 倍，所以选项 C 正确4.一矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时，产生的感应电动势最大值为 50 V，那么该线圈从如图 217 所示位置转过 30时，线圈中的感应电动势大小为( )图 217A50 V B25 V38C25 V D10 VB B 矩形线圈从图示位置开始计时转动产生的感应电动势e50

12、cos t V，所以当线圈转过 30时，线圈中的感应电动势大小为 50cos 30 V25 V，选项 B 正确3交变电流的图像问题交变电流随时间t的变化规律不再是简单的正比例关系，所以借助图像来分析研究比单纯用代数的方法更简捷、直观1从如图 218 所示的交变电流定以下量：图 218(1)可以读出电动势的最大值Em.(2)可根据线圈转至中性面时电动势为零的特点，确定线圈处于中性面的时刻，确定了该时刻，也就确定了磁通量最大的时刻和磁通量变化率最小的时刻(3)可根据线圈转至与磁场平行时感应电动势最大的特点，确定线圈与中性面垂直的时刻，此时刻也就是磁通量为零的时刻和磁通量变化率最大的时刻(4)可以确

13、定某一时刻电动势大小以及某一时刻电动势的变化趋势2交变电流的电压或电流变化的快慢(变化率)，在图线上等于某瞬间切线的斜率，它与电压或电流瞬时值的大小是两回事瞬时值最大时，变化率最小(等于零)；瞬时值为零时，变化率恰好最大在具体问题中，必须弄清楚哪些量与瞬时值有关，哪些量与变化率有关(多选)一矩形线圈，绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定轴匀速转动线圈中的感应电动势e随时间t变化的规律如图 219 所示，则下列说法正确的是( )图 219A图中是从线圈平面与磁场方向平行时开始计时的Bt1和t3时刻穿过线圈的磁通量为零Ct1和t3时刻穿过线圈的磁通量的变化率为零D感应电动势e的方向变化时，穿过线

14、圈的磁通量最大思路点拨：解答本题时应弄清以下两点：线圈转动过程中几个特殊位置的特点磁通量、磁通量的变化率、感应电动势、9感应电流之间的关系ACDACD 由题图可知，当t0 时，感应电动势最大，说明穿过线圈的磁通量的变化率最大，磁通量为零，即是从线圈平面与磁场方向平行时开始计时的，选项 A 正确；t1、t3时刻感应电动势为零，穿过线圈的磁通量的变化率为零，磁通量最大，选项 B 错误，C 正确；感应电动势e的方向变化时，线圈通过中性面，穿过线圈的磁通量最大，选项 D 正确交变电流图像问题的分析方法(1)看清两轴物理量的物理意义，分清是何种图像(2)分析“斜率” “截距” “点”表示的物理意义(3)

15、掌握“图与图” “图与式”和“图与物”间的对应关系针对训练5. (多选)一矩形线圈的匝数为 50 匝，在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时，穿过线圈的磁通量随时间的变化规律如图 2110 所示下列结论正确的是( )图 2110A在t0.1 s 和t0.3 s 时，电动势最大B在t0.2 s 和t0.4 s 时，电动势方向发生改变C电动势的最大值是 157 VD在t0.4 s 时，磁通量的变化率最大，为 3.14 Wb/sCDCD 在t0.1 s 和t0.3 s 时，穿过线圈的磁通量最大，但其变化率为零，电动势为零，选项 A 错误；在t0.2 s 和t0.4 s 时，穿过线圈的磁通量为零，

16、但磁通量的变化率最大，电动势最大，电动势方向不变，选项 B 错误；根据电动势的最大值EmnBS，mBS，可得Em500.2 V157 V，选项 C 正确；2 T2 3.14 0.4在t0.4 s 时，磁通量的变化率最大，为3.14 Wb/s，选项 D 正确Em n6如图 2111 甲所示，一矩形线圈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 2111乙)为计时起点，并规定当电流自a流向b时电流方向为正下列四个选项中正确的是( )10图 2111B B 当从题图乙所示位置转过时刻，线圈处在中性面位置，感应电流为零，且在此 4段转

17、动时间内电流方向为从b流向a，故选项 B 正确当 堂 达 标固 双 基1(多选)关于交变电流和直流电的说法中，正确的是( ) 【导学号：24622056】A如果电流大小做周期性变化，则一定是交变电流B直流电的大小可以变化，但方向一定不变C交变电流一定是按正弦或余弦规律变化的D交变电流的最大特征就是电流的方向发生周期性的变化BDBD 直流电的特征是电流方向不变，交流电的特征是电流方向周期性改变另外交变电流不一定都是正弦交流电或余弦交流电故选 B、D.2(多选)矩形线圈在匀强磁场中绕垂直磁场的轴匀速转动，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

18、最大D线圈中感应电流的方向改变BDBD 在线圈平面垂直于磁感线时，各边都不切割磁感线，线圈中没有感应电流，这样的位置叫做中性面根据这一定义，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，此时，感应电流的方向发生改变，所以选项 B、D 正确3如图 2112 所示为演示交变电流产生的装置图，关于这个实验，正确的说法是( ) 11【导学号：24622057】图 2112A线圈每转动一周，指针左右摆动两次B图示位置为中性面，线圈中无感应电流C图示位置ab边的感应电流方向为abD线圈平面与磁场方向平行时，磁通量变化率为零C C 线圈在磁场中匀速转动时，在电路中产生呈周期性变化的交

19、变电流，图示位置为垂直中性面，线圈中感应电流最大，故 B 错误；线圈经过中性面时电流改变方向，线圈每转动一周，有两次通过中性面，电流方向改变两次，指针左右摆动一次；线圈处于图示位置时，ab边向右运动，由右手定则知，ab边的感应电流方向为ab；线圈平面与磁场方向平行时，ab、cd边垂直切割磁感线，线圈产生的电动势最大，也可以这样认为，线圈处于竖直位置时，磁通量为零，但磁通量的变化率最大4有一 10 匝正方形线框，边长为 20 cm，线框总电阻为 1 ，线框绕OO轴以 10 rad/s 的角速度匀速转动，如图 2113，垂直于线框平面向里的匀强磁场的磁感应强度为0.5 T问：图 2113(1)该线框产生的交变电流电动势最大值、电流最大值分别是多少？(2)线框从图示位置转过 60时，感应电动势的瞬时值是多大？(3)写出感应电动势随时间变化的表达式【解析】 (1)交变电流电动势最大值为EmNBS100.50.2210 V6.28 V电流的最大值为Im A6.28 A.Em R6.28 1(2)线框转过 60时，感应电动势EEmsin 605.44 V.12(3)由于线框转动是从中性面开始计时的，所以瞬时值表达式为eEmsin t6.28sin 10t V.【答案】 (1)6.28 V 6.28 A (2)5.44 V(3)e6.28sin 10t V