高中物理教科版 (2019)选择性必修 第二册1 交变电流授课课件ppt

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一、认识交变电流1.交变电流(1)交变电流:大小和方向都随时间做　　　　　　　变化的电流,简称交流电。 主要判断方向是否变化(2)恒定电流:　　　　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。 (3)正弦交流电:电流的大小和方向都随时间按　　　　　　规律变化的交变电流,是最简单、最基本的交变电流。 
2.几种不同类型的交变电流
二、正弦交流电的产生和变化规律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 磁通量最大,感应电流为零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。线圈在中性面时,线圈的磁通量最大,感应电动势为零。 
3.交变电流的变化规律 线圈从中性面开始计时(1)感应电动势e=　　　　　=　　　 　　。 (2)感应电流。(3)i、e分别为电流和电动势的瞬时值;Em、Im分别是电动势、电流的最大值,也叫峰值。
三、发电机与电动机中的能量转化(1)发电机——把机械能转化为电能的装置。(2)电动机——将电能转化为机械能的装置。
情境链接如图所示,线圈沿逆时针方向匀速转动,在线圈由甲图转到乙图所示位置的过程中,AB边中电流向哪个方向流动?在线圈由丙图转到丁图所示位置的过程中,AB边中电流向哪个方向流动?
提示 线圈由甲到乙,电流方向D→C→B→A。线圈由丙到丁,电流方向A→B→C→D。
教材拓展阅读教材P61“发展空间”——《发电设备》,对于发动机来说,其发电原理相同吗?发电机的主体结构是什么?
提示 发电原理是相同的,都是利用电磁感应;发电机的主体结构分为定子和转子。
易错辨析(1)线圈转动一周有两次经过中性面,每转一周电流方向改变一次。(　　)(2)当线圈中的磁通量最大时,产生的感应电流也最大。(　　)(3)线圈绕垂直于磁场的轴匀速转动时产生的电流是交变电流。(　　)(4)交变电流的瞬时值表达式与开始计时的位置无关。(　　)(5)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。(　)
探究点一　正弦交变电流的产生
如图所示,此位置是什么位置?磁通量是最大还是最小?是否有感应电动势?从该位置开始再转90°,磁通量最大还是最小?是否有感应电动势?
提示 中性面,磁通量最大,无感应电动势。与中性面垂直的位置,磁通量为零,感应电动势最大。
1.交变电流的产生过程分析
2.线圈平面与磁场不同位置的特点比较
【例1】 (多选)矩形线框绕垂直于匀强磁场的轴(轴在线框平面内)匀速转动时产生了交变电流,下列说法正确的是(　　)A.当线框位于中性面时,线框中的感应电动势最大B.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
解析 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,但此时切割磁感线的两条边的速度方向与磁感线平行,各边切割磁感线的有效速度为零,即不切割磁感线,所以电动势等于零,此时穿过线框的磁通量的变化率等于零,感应电动势或感应电流的方向也就在此位置改变。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,有效切割速度最大,所以感应电动势最大,此时穿过线框的磁通量的变化率最大。故C、D正确。
对点演练1 一矩形线圈ABCD在匀强磁场中绕其中心轴OO'匀速转动时,就会在线圈中形成交变电流。下列说法正确的是(　　)
A.线圈经过图甲位置时,穿过线圈的磁通量最大,产生的电流也最大B.线圈经过图乙位置时,穿过线圈的磁通量为零,产生的电流最大C.线圈经过图丙位置时,穿过线圈的磁通量最大,磁通量变化率也最大D.线圈从图丙位置转到图丁位置的过程中,穿过线圈的磁通量减小,产生的电动势减小
解析 线圈经过图甲或图丙位置(中性面)时,穿过线圈的磁通量最大,产生的感应电动势为零,感应电流为零,结合法拉第电磁感应定律可知,磁通量变化率为零,A、C错误;线圈经过图乙位置(与中性面垂直)时,穿过线圈的磁通量为零,产生的电流最大,B正确;线圈从图丙位置(中性面)转到题图丁位置(与中性面垂直)的过程中,根据法拉第电磁感应定律可知,穿过线圈的磁通量减小,产生的电动势增大,D错误。
探究点二　对交变电流的变化规律的理解
如图所示,矩形线圈在匀强磁场中绕垂直磁场的轴匀速转动。(1)导体切割磁感线产生的感应电动势与哪些因素有关?(2)多匝线圈不垂直切割磁感线产生的感应电动势如何表达?
提示 (1)感应电动势与线圈的匝数N、磁感应强度B、线圈的面积S、线圈的角速度ω和线圈平面与中性面的夹角有关。(2)E=NBSωsin ωt。
(1)正弦式交变电流的瞬时值表达式。①从中性面开始计时:e=NBSωsin ωt=Emsin ωt。u=iR=ImRsin ωt=Umsin ωt。②从垂直于中性面(即从线圈平面与磁场平行时)开始计时:e=Emcs ωt。i=Imcs ωt。u=Umcs ωt。
(2)交变电流的感应电动势的最大值由线圈匝数N、磁感应强度B、转动角速度ω及线圈面积S共同决定,与线圈的形状无关,与转轴的位置无关。如图所示的几种情况,若几个线圈的N、B、S、ω相同,则感应电动势的最大值相同。
(3)从如图所示的交变电流的e-t图像上可以确定以下量
①可以确定电动势的最大值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可以确定某一时刻电动势大小以及某一时刻电动势的变化趋势。
(4)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。
特别提示　求解交变电流的瞬时值问题的答题步骤
【例2】 一个正方形线圈的匝数为10,边长为20 cm,线圈总电阻为1 Ω,线圈绕OO'轴以10π rad/s的角速度匀速转动,如图所示,匀强磁场的磁感应强度为0.5 T。(π取3.14)(1)该线圈产生的电动势的最大值、电流的最大值分别是多少?(2)写出感应电动势随时间变化的表达式。(3)线圈从图示位置转过60°时,感应电动势的瞬时值是多大?
答案 (1)6.28 V　6.28 A (2)e=6.28cs 10πt(V) (3)3.14 V解析 先根据Em=NBSω计算电动势的最大值,再根据计时起点确定瞬时值表达式是e=Emsin ωt还是e=Emcs ωt。(1)电动势的最大值Em=NBSω=10×0.5×0.22×10π V=6.28 V电流的最大值Im= =6.28 A。(2)感应电动势随时间变化的表达式e=Emcs ωt=6.28cs 10πt(V)。(3)线圈转过60°时,感应电动势的瞬时值e=Emcs 60°=3.14 V。
对点演练2如图所示,下列图中从图示位置开始计时,面积为S的单匝线圈均绕其对称轴或中心轴在磁感应强度为B的匀强磁场中以角速度ω匀速转动,能产生正弦式交变电动势e=BSωsin ωt的是(　　)
解析 由A、D两图可知,线圈转动时磁通量始终等于零,线圈不会产生感应电动势,A、D错误;由B图可知,线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴从中性面开始匀速转动,产生的正弦式交变电动势为e=BSωsin ωt,B正确;由C图可知,线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴从垂直于中性面位置开始匀速转动,产生的正弦式交变电动势为e=BSωcs ωt,C错误。
1.(交变电流的理解)下列关于交变电流和直流电的说法正确的是(　　)A.若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,但方向不一定变化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
解析 若电流大小做周期性变化,则不一定为交变电流,因为没有提及电流方向随时间做周期性变化,A错误;直流电的大小可以变化,但直流电的方向一定不变,B错误;交变电流的方向发生周期性的变化,但不一定是按正弦或余弦规律变化的,C错误;交变电流的最大特征就是电流的方向发生周期性的变化,D正确。
2.(交变电流的产生)(2023河北邢台高二期末)线圈在匀强磁场中转动时产生交变电流,下列说法正确的是(　　)A.线圈每转动一周,感应电流的方向就改变一次B.线圈每转动一周,感应电动势出现一次最大值C.线圈平面经过中性面时,穿过线圈的磁通量变化最快D.线圈平面经过中性面时,穿过线圈的磁通量达到最大值
解析 线圈每转动一周,感应电流的方向就改变两次,故A错误;线圈每转动一周,感应电动势出现两次最大值,故B错误;线圈平面每经过中性面时,穿过线圈的磁通量变化最慢,故C错误;线圈平面每经过中性面时,穿过线圈的磁通量达到最大值,故D正确。
3.(交变电流的变化规律的理解)一矩形线圈abcd如图所示,已知ab边长为l1,bc边长为l2,在磁感应强度为B的匀强磁场中绕OO'轴以角速度ω从图示位置开始匀速转动,则t时刻线圈中的感应电动势为(　　)ωsin ωωcs ωtC.Bl1l2ωsin ωtD.Bl1l2ωcs ωt
解析 因为开始时刻线圈平面与磁感线平行,即线圈从垂直于中性面的位置开始运动,所以开始时刻线圈中感应电动势最大,为Em=Bl1l2ω,感应电动势的表达形式应为余弦函数形式。因此在t时刻线圈中的感应电动势为Bl1l2ωcs ωt,故正确选项为D。
4.(交变电流的变化规律的理解)(2023天津新华中学高二期末)如图所示,一正方形线圈abcd在匀强磁场中绕垂直于磁感线的对称轴OO'匀速转动,沿OO'观察,线圈逆时针转动,已知匀强磁场的磁感应强度为B,线圈匝数为n,边长为l,总电阻为R,转动的角速度为ω,则当线圈转至图示位置时(　　)A.线圈中感应电流方向为abcdaB.线圈中感应电流为C.穿过线圈的磁通量的变化率为0D.此时线圈中电流正在改变方向