高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册第三章 交变电流1 交变电流学案

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[学习目标] 1.通过实验观察交变电流的方向。2.会分析交变电流的产生过程，会推导交变电流电动势的表达式。3.知道什么是正弦式交变电流，知道正弦式交变电流的瞬时值表达式(重点)。4.了解交流发电机的构造及工作原理。
一、交变电流
1．交变电流：大小和方向随时间做__________变化的电流叫作交变电流，简称________。
2．直流：________不随时间变化的电流称为直流。大小和方向都不随时间变化的电流叫作恒定电流。
下列属于交变电流的是________；属于直流的是________。交变电流与直流的本质区别是________________________________。
二、交变电流的产生
交变电流的产生过程分析
1．如图甲，线圈平面____________磁感线，AB、CD边的速度方向与磁感线________，线圈________________感应电动势；
2．如图乙，线圈逆时针转过90°，线圈平面与磁感线________、AB、CD边都垂直切割磁感线，这时感应电动势________，线圈中的感应电流也________，感应电流方向为______________；
3．如图丙，当线圈再逆时针转过90°时线圈平面又________于磁感线，线圈____________感应电动势；
4．如图丁，当线圈再逆时针转过90°时，AB、CD边的瞬时速度方向跟线圈经过乙图位置时的速度方向相反，产生的感应电动势方向也跟在乙图位置时相反，感应电流方向为____________________。
1．交流发电机的线圈在磁场中转动时，转轴与磁场方向________。
2．中性面：与磁场方向________的平面。
3．两个特殊位置
(1)中性面位置(S⊥B，如图中的甲、丙)
此时Φ________，eq \f(ΔΦ,Δt)为________，e为0，i为0(均选填“最大”“最小”或“0”)；
线圈经过____________时，电流方向发生改变，线圈转一圈电流方向改变________。
(2)垂直中性面位置(S∥B，如图中的乙、丁)
此时Φ为________，eq \f(ΔΦ,Δt)________，e最大，i最大。
为研究问题方便，常用到正视图。请画出“交变电流的产生过程分析”中甲、乙、丙、丁4个位置的正视图。
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(1)只要线圈在磁场中转动，就可以产生交变电流。( )
(2)线圈在通过中性面时磁通量最大，电流也最大。( )
(3)线圈在垂直中性面位置时电流的方向发生改变。( )
(4)从线圈平面与中性面垂直开始计时，在线圈转动2圈的过程中电流方向改变4次。( )
例1 (2022·汪清第六中学高二期末)如图所示的线圈匀速转动或做匀速直线运动，能产生交变电流的是( )
三、交变电流的变化规律
如图所示，线圈平面绕bc边的中点从中性面开始转动，角速度为ω。经过时间t，线圈转过的角度是ωt，ab边的线速度v的方向跟磁感线方向间的夹角也等于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：
(1)ab边产生的感应电动势为多大？
(2)整个线圈中的感应电动势为多大？
(3)若线圈有N匝，则整个线圈的感应电动势为多大？
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1．正弦式交变电流：按________规律变化的电流叫作正弦式交变电流，简称______________________。
2．从中性面开始计时，线圈中产生的电动势的瞬时值表达式e＝__________________，其中Em＝____________为交变电流的峰值。
说明：(1)若从与中性面垂直的位置开始计时e＝Emcs ωt。
(2)电动势峰值Em＝NωBS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。
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相同。
3．正弦式交变电流和电压
电流表达式i＝Imsin ωt，电压表达式u＝Umsin ωt，其中Im＝eq \f(Em,R＋r)，Um＝eq \f(Em,R＋r)R。
4．正弦式交变电流的图像。
例2 如图所示，匀强磁场的磁感应强度大小B＝eq \f(\r(2),π) 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(线圈平面与磁感线平行)开始计时，感应电动势的瞬时值表达式；
(3)由图示位置转过30°角时电路中电流的瞬时值；
(4)线圈从题图位置开始计时经eq \f(1,6) s时线圈中的感应电流的瞬时值；
(5)电阻R两端电压的瞬时值表达式。
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确定正弦式交变电流的电动势瞬时值表达式的基本方法
1．确定线圈转动从哪个位置开始计时，以确定瞬时值表达式是按正弦规律变化还是按余弦规律变化。
2．确定线圈转动的角速度。
3．确定感应电动势的峰值Em＝NωBS。
4．写出瞬时值表达式e＝Emsin ωt或e＝Emcs ωt。
例3 (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变化的规律如图所示，则下列说法正确的是( )
A．图中曲线是从线圈平面与磁场方向平行时开始计时的
B．t1和t3时刻穿过线圈的磁通量为零
C．t1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，穿过线圈的磁通量最大
如图甲、乙所示，从图像中可以得到以下信息：
(1)交变电流的峰值Em、Im。
(2)两个特殊值对应的位置：
①e＝0(或i＝0)时：线圈位于中性面上，此时eq \f(ΔΦ,Δt)＝0，Φ最大。
②e最大(或i最大)时：线圈平面平行于磁感线，此时eq \f(ΔΦ,Δt)最大，Φ＝0。
(3)e、i大小和方向随时间的变化规律。
针对训练 (2022·安徽衡安学校阶段练习)一个矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动，穿过线圈的磁通量随时间变化的Φ－t图像如图所示。下列说法正确的是( )
A．t＝0时刻线圈在中性面位置，穿过线圈的磁通量为零，磁通量的变化率为零
B．t＝0.01 s时线圈产生的感应电动势最大
C．t＝0.02 s时穿过线圈的磁通量的变化率为零
D．t＝0.03 s时线圈中的电流方向发生改变
例4 (2022·长春市第二中学高二期末)如图所示为交流发电机模型的示意图。位于磁场中的矩形导线框abcd可绕过其对称轴的轴线(图中虚线)转动。已知在t＝0时刻，线框的平面与磁场方向垂直(图示位置)，并从此位置开始以恒定的角速度绕转轴沿逆时针方向转动。若规定通过电阻的电流方向为由e到f为正，则下列i－t图像正确的是( )
四、交流发电机
1．主要构造：________和________。
2．分类
(1)旋转电枢式发电机：________转动，________不动。
(2)旋转磁极式发电机：________转动，________不动。
例5 (2023·上海市延安中学高二期末)关于交流发电机和直流电动机，下列说法正确的是( )
A．电动机是利用电磁感应现象制成的，工作时把机械能转化为电能
B．电动机是利用磁场对电流的作用制成的，工作时把电能转化为机械能
C．发电机是利用电磁感应现象制成的，工作时把电能转化为机械能
D．发电机是利用磁场对电流的作用制成的，工作时把机械能转化为电能