高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册1 交变电流教学演示ppt课件

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册1 交变电流教学演示ppt课件，共52页。PPT课件主要包含了必备知识·素养奠基，周期性变化，与时间轴平行，垂直于，产生过程示意图，正弦式电流，Emsinωt，Umsinωt，Imsinωt，瞬时值等内容，欢迎下载使用。
一、交变电流1.交变电流:大小和方向随时间___________的电流,简称交流(AC)。如图所示。其中甲图是正弦式交变电流。 2.直流:_____不随时间变化的电流,称为直流(DC)。3.恒定电流:_____和_____不随时间变化的电流。
4.图像特点:(1)恒定电流的图像是一条_____________的直线。(2)交变电流的图像随______做周期性变化,如正弦交变电流的图像:
二、交变电流的产生1.产生:闭合线圈在匀强磁场中绕_______磁场的轴_____转动,线圈中就产生正弦式交变电流。
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Φ_____,但线圈中的电流为___。(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。
三、交变电流的变化规律1.定义:按_____规律变化的交变电流,简称___________。
2.函数表达式和图像:
注:表达式中Em、Um、Im分别是电动势、电压、电流的_____,而e、u、i则是这几个量的_______。3.峰值决定因素:关于它的数值的解释符合科学实际的有:_______。① 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。②与线圈的形状无关。③与转轴的位置无关
一　交变电流的产生过程1.正弦式交变电流的产生过程分析:
如图1所示为线圈ABCD在磁场中绕轴OO′转动时的截面图,AB和CD两个边切割磁感线,产生电动势,线圈中就有了电流(或者说穿过线圈的磁通量发生变化而产生了感应电流)。具体分析如图2所示,
2.两个特殊位置的对比:
【思考·讨论】　按图连接电路,当开关闭合时,观察小灯泡的发光情况。电路中的电流方向从哪里流向哪里?电流方向是否随时间改变?电路中的电流大小是否随时间改变?(科学思维)
提示:电路中的电流从电源的正极经小灯泡流向负极,电流的方向、大小不随时间改变。此电路的大致i-t图像:
【典例示范】　(多选)如图所示为演示交变电流产生的装置图,关于这个实验,下列说法正确的是(　　)A.线圈每转动一周,指针左右摆动一次B.图示位置为中性面,线圈中无感应电流C.线圈逆时针转动到图示位置ab边的感应电流方向为a→bD.线圈平面与磁场方向平行时,磁通量变化率为零
【解析】选A、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变电流,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,故选项A正确;图示位置为与中性面垂直的位置,线圈处于图示位置时,ab边向右运动,由右手定则,ab边的感应电流方向为a→b,故选项B错误、C正确;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,线圈平面与磁场方向平行时,磁通量为零,磁通量的变化率最大,故选项D错误。
【规律方法】交变电流的变化特点(1)线圈转至与磁感线平行时,磁通量的变化率最大,感应电动势最大,故线圈每转一周,电动势最大值出现两次。(2)线圈每经过中性面一次,感应电流和感应电动势的方向都要改变一次。线圈转动一周,两次经过中性面,感应电动势和感应电流的方向都改变两次。
【素养训练】1.(多选)某发电机的原理简图如图所示,线圈按图示方向匀速转动。以下说法正确的是(　　)A.线圈经过图示位置时穿过线圈的磁通量为零,磁通量的变化率为零B.线圈从图示位置转过90°后,小灯泡中的电流方向发生变化C.线圈转动两周,电流的方向改变2次D.线圈转动两周,电流的方向改变4次
【解析】选B、D。线圈位于图示位置时,与中性面垂直,穿过线圈的磁通量为0,磁通量的变化率最大,故A错误;线圈垂直于图示位置时,处于中性面,电流的方向要发生改变,故B正确;线圈转动两圈,电流的方向改变4次,故C错误,D正确。
2.在匀强磁场中,一个100匝的闭合矩形金属线圈,绕与磁感线垂直的固定轴匀速转动,如图所示,穿过该线圈的磁通量随时间按正弦规律变化。则(　　)A.t=0时,线圈位于中性面位置B.t=0.5 s时,线圈中的磁通量变化率为零C.t=0.8 s时,线圈产生的感应电动势处于减小的过程中D.t=1.0 s时,线圈产生的感应电动势为零
【解析】选B。t=0时,线圈位于和中性面垂直的位置,故A错误;t=0.5 s时,线圈中的磁通量变化率为零,故B正确;t=0.8 s时,线圈产生的感应电动势处于增大的过程中,故C错误;t=1.0 s时,线圈产生的感应电动势最大,故D错误。
【补偿训练】　　(多选)下列各图中哪些情况线圈中产生了交变电流(　　) 【解析】选B、C、D。A项中线圈磁通量始终为零,没有感应电流。由交变电流的产生条件可知,轴不能平行于磁感线,但对线圈的形状及转轴的位置没有特别要求。故选项B、C、D正确。
二　交变电流的变化规律1.交变电流的瞬时值表达式推导:线圈平面从中性面开始转动,如图所示,则经过时间t:
(1)线圈转过的角度为ωt。(2)ab边的线速度跟磁感线方向的夹角θ=ωt。(3)ab边转动的线速度大小v=ω 。(4)ab边产生的感应电动势(设线圈面积为S)eab=BLabvsin θ= sin ωt。(5)整个线圈产生的感应电动势e=2eab=BSωsin ωt,若线圈为n匝,则e=nBSωsin ωt。
2.峰值表达式:Em=nBSω,Im= Um=ImR= 。3.正弦交变电流的瞬时值表达式:(1)从中性面位置开始计时e=Emsin ωt,i=Imsinωt,u=Umsin ωt。(2)从与中性面垂直的位置开始计时e=Emcsωt,i=Imcsωt,u=Umcs ωt。
4.交变电流的图像:(从中性面开始计时)
【典例示范】一矩形线圈,面积是0.05 m2,共100匝,线圈电阻r=2 Ω,外接电阻R=8 Ω,线圈在磁感应强度B= T的匀强磁场中以n=300 r/min 的转速绕垂直于磁感线的轴匀速转动,如图所示,若从中性面开始计时,求:(1)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。(3)外电路R两端电压瞬时值的表达式。
【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,由此得到的感应电动势瞬时值表达式为e=Emsin ωt=50sin 10πt (V)。(2)将t= s代入感应电动势瞬时值表达式得e′=50 sin 对应的感应电流i′=
(3)由欧姆定律得u= R=40sin 10πt (V)。答案:(1)e=50 sin 10πt (V)　(2) A(3)u=40 sin 10πt(V)
【素养训练】1.如图所示,图线a是线圈在匀强磁场中匀速转动时产生的正弦交流电的图像,当调整线圈转速后,所产生的正弦交流电的图像如图线b所示。以下关于这两个正弦交流电的说法中正确的是(　　)A.线圈先后两次转速之比为1∶2B.交流电b电压的最大值为 VC.交流电a的电压瞬时值u=10sin0.4πt VD.在图中t=0时刻穿过线圈的磁通量为零
【解析】选B。由图可知,周期Ta=0.4 s,Tb=0.6 s,则线圈先后两次转速之比na∶nb=Tb∶Ta=3∶2,故A错误;由电动势的最大值Em=NBSω,知两个电压最大值之比Uma∶Umb=ωa∶ωb=3∶2,则交流电b电压的最大值为 V,故B正确;由图得电压最大值Uma=10 V,周期Ta=0.4 s,ωa= =5π rad/s,交流电a电压的瞬时值表达式为u=Umasinωt=10sin5πt V,故C错误;t=0时刻u=0,根据法拉第电磁感应定律,磁通量变化率为零,而磁通量最大,故D错误。
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ω=100π 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t= 时刻的感应电动势大小。
【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=Emcs ωt,代入数据得e=314cs 100πt (V)当t= 时,e=314cs V=157 V。答案:(1)314 V　(2)e=314sin 100πt (V)　(3)157 V
【拓展例题】考查内容:交变电流图像的应用【典例】如图甲所示,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ω逆时针匀速转动。若以线圈平面与磁场夹角θ=45°时为计时起点,如图乙所示,并规定当电流自a流向b时电流方向为正。则下列所示的四幅图中正确的是(　　)
【解析】选D。由楞次定律知,t=0时,感应电流方向为负,线圈平面与中性面的夹角为 ,线圈再转过 到达中性面,所以,在线圈转过 的过程中电流在减小,θ= 时,i=0,因而只有D项正确。
1.下列各图像中不属于交流电的有(　　)
【解析】选A。A图电流的方向不变,是直流电,B、C、D选项中电流的大小、方向都做周期性变化,是交流电,所以B、C、D错误;A正确。
2.如图所示,一单匝正方形线圈abcd在匀强磁场中绕垂直于磁感线的对称轴OO′匀速转动,沿着OO′观察,线圈沿逆时针方向转动。已知匀强磁场的磁感应强度为B,线圈边长为L,电阻为R,转动的角速度为ω。当线圈转至图示位置时(　　)A.线圈中感应电流的方向为abcdaB.线圈中感应电流的大小为 C.穿过线圈的磁通量为BL2D.穿过线圈磁通量的变化率为BL2ω
【解析】选D。图示时刻,ad速度方向向里,bc速度方向向外,根据右手定则判断知ad中感应电流方向为a→d,bc中感应电流方向为c→b,则线圈中感应电流的方向为adcba,故A错误;线圈中的感应电动势为 E=BSω=BL2ω,线圈中的感应电流为 I= ,故B错误;图示时刻线圈与磁场平行,穿过线圈磁通量为0,故C错误;由法拉第电磁感应定律知:穿过线圈磁通量的变化率 =E=BL2ω,故D正确。
3.如图所示是一多匝线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动所产生的感应电动势的图像,根据图像可知(　　)A.此感应电动势的瞬时表达式为e=200sin0.02t VB.此感应电动势的瞬时表达式为e=200sin100πt VC.t=0.01 s时,穿过线圈的磁通量为零D.t=0.02 s时,穿过线圈的磁通量的变化率最大
【解析】选B。由图像知周期T=0.02 s,所以频率f=50 Hz,由图像知电动势最大值为200 V,角速度为 rad/s=100π rad/s,所以感应电动势的瞬时表达式为e=200sin100πt V,A错误,B正确;t=0.01 s时,感应电动势为零,则穿过线圈的磁通量最大,故C错误;t=0.02 s时,感应电动势为零,则穿过线圈的磁通量的变化率也为零,故D错误。
4.如图所示,匀强磁场的磁感应强度B= T,边长L=10 cm的正方形线圈abcd共100匝,线圈总电阻r=1 Ω,线圈绕垂直于磁感线的轴OO′匀速转动,角速度ω=2π rad/s,外电路电阻R=4 Ω。求:(1)转动过程中线圈中感应电动势的最大值。(2)从图示位置开始感应电动势的瞬时值表达式。(3)由图示位置(线圈平面与磁感线平行)转过30°角电路中电流的瞬时值。
【解析】(1)设转动过程中感应电动势的最大值为Em,则Em=NBL2ω=100× ×0.12×2π V=2 V。(2)从图示位置开始感应电动势的瞬时值表达式为e=Emcs ωt=2 cs 2πt (V)(3)从图示位置开始转过30°角时感应电动势的瞬时值e′=2 cs 30° V= V,i= 答案:(1)2 V　(2)e=2 cs 2πt (V)　(3) A
【新思维·新考向】情境:如图所示,矩形线圈100匝,ab=30 cm,ad=20 cm,匀强磁场磁感应强度B=0.8 T。
问题:若绕轴OO′从图示位置开始匀速转动,角速度ω=100π rad/s,试求:(1)穿过线圈的磁通量最大值Φm是多少,线圈转到什么位置时取得此值?(2)线圈产生的感应电动势最大值Em是多少,线圈转到什么位置时取得此值?(3)写出感应电动势e随时间变化的表达式。