2018-2019學度高中創(chuàng)新設計物理教科版3-2學案：第二章1交變電流

1、2018-2019學度高中創(chuàng)新設計物理教科版 3-2學案:第二章1交變電流一、交變電流1 .交變電流：大小和方向都隨時間做周期性變化的電流叫做交變電流,簡稱交流2 .直流：方向不隨時間變化的電流稱為直流,大小和方向都不隨時間變化的電流稱為恒定電流.3 .正弦式交變電流：電流隨時間按正弦函數(shù)規(guī)律變化的交變電流.這是一種最簡單、最基本的交變電流.深度思考(1)交變電流的大小一定是變化的嗎？(2)交變電流與直流電的最大區(qū)別是什么?而直流電的方向不變(2)交變電流與直流電的最大區(qū)別在于交變電流的方向發(fā)生周期性變化,1如圖所示的圖像中屬于交變電流的有()解析 選項A、B、C中e的方向均發(fā)生了變化， 故它

2、們屬于交變電流， 但不是正弦式交變電流；選項D中e的方向未變化，故是直流.判斷電流是交變電流還是直流應看方向是否變化，只有方向發(fā)生周期性變化的電流才是交流電.二、正弦式交變電流的產(chǎn)生1 .產(chǎn)生：如圖1所示，在勻強磁場中的線圈繞垂直于磁感線的軸勻速轉動時，產(chǎn)生交變電流圖12 .兩個特殊位置：（1）中性面（S，B位置，如圖1中的甲、丙）線圈平面與磁場垂直的位置，此時最大，竽為0, e為0, i為0.（填“最大”或“ 0”）At線圈經(jīng)過中性面時，電流方向發(fā)生改變，線圈轉一圈電流方向改變兩次_ .（2）垂直中性面位置（S/ B位置，如圖1中的乙、?。┐藭r為0,當最大，e最大，i最大.（填“最大”或“

3、0”） At 如果將圖1中的線圈ABCD換為三角形，軸 OO'也不在中心位置，其他條件不變，還能產(chǎn)生交變電流嗎?例2如圖中哪些情況線圈中產(chǎn)生了交變電流()解析 由交變電流的產(chǎn)生條件可知，軸必須垂直于磁感線，但對線圈的形狀及轉軸的位置沒有特別要求.故選項B、C、D正確.【例3】 關于矩形線圈在勻強磁場中轉動時產(chǎn)生的正弦式電流，正確的說法是()A.線圈每轉動一周，感應電流方向改變一次B .線圈每轉動一周，感應電動勢方向改變一次C.線圈每轉動一周，感應電流方向改變兩次，感應電動勢方向改變一次D,線圈每轉動一周，感應電流方向和感應電動勢方向都改變兩次解析 感應電動勢和感應電流的方向，每經(jīng)過中性

4、面時改變一次， 每個周期內(nèi)方向改變兩次, 故選D.三、正弦式交變電流的描述1 .交變電流的瞬時值表達式推導線圈平面從中性面開始轉動，如圖2所示，則經(jīng)過時間t:圖2(1)線圈轉過的角度為CO t(2)ab邊的線速度跟磁感線方向的夾角0=t(3)ab邊轉動的線速度大?。篖ad v co *2 .(4)ab邊產(chǎn)生的感應電動勢(設線圈面積為S)BSw eab= BLabvsin 0= -2-sin c t(5)整個線圈產(chǎn)生的感應電動勢：e= 2eab= BS cosin 竺若線圈為n匝，則e= nBSco sin j t由上式可以看出，其感應電動勢的大小和方向都隨時間t做周期性變化，即線圈中的交變電流

5、按正弦函數(shù)規(guī)律變化,這種交變電流叫做正弦式交變電流2 .對瞬時值表達式的理解寫瞬時值表達式時必須明確是從中性面計時，還是從與中性面垂直(B/ S)位置計時.(1)從中性面計時：e= Emsin_ co t(2)從與中性面垂直位置計時：e= EmCOS co t3 .正弦式交變電流的峰值(1)轉軸在線圈所在平面內(nèi)且與磁場垂直.當線圈平面與磁場平行時，線圈中的感應電動勢達到峰值，且滿足 Em= nBS(Dt(2)決定因素：由線圈匝數(shù) n、磁感應強度B、轉動角速度 3和線圈面積S決定，與線圈的形 狀無關，與轉軸的位置無關 .如圖3所示的幾種情況中，如果 n、B、s S均相同，則感應電動勢的峰值均為E

6、m=nBSw.圖34 .正弦式交變電流的圖像如圖4所示，從圖像中可以解讀到以下信息：圖4(1)交變電流的峰值 Em、Im和周期Tt (2)兩個特殊值對應的位置：e=0(或i = 0)時：線圈位于中性面上；e最大(或i最大)時：線圈平行于磁感線.e=0(或i = 0)時： w=。，最大；一. . 一 . A 一 一口，e取大(或i取大)時：一五=°，取大.(3)分析判斷e、i的大小和方向隨時間的變化規(guī)律(1)若從垂直中性面的位置(或B/S位置)開始計時，電動勢的表達式還是按正弦規(guī)律變化嗎?(2)為什么線圈轉到中性面時磁通量最大而感應電動勢和感應電流為零？(2)因為線圈轉到中性面時，雖然

7、通過線圈的磁通量最大，但線圈各邊速度的方向都與磁感線平行，不切割磁感線，磁通量的變化率為零，故感應電動勢和感應電流為零例如圖5所示，勻強磁場的磁感應強度B =0.1 T,所用矩形線圈的匝數(shù) n=100,邊長lab=0.2 m, lbc=0.5 m,以角速度 «= 100 % rad/s 繞OO'軸勻速轉動.試求：(1)感應電動勢的峰值；(2)若從線圈平面垂直磁感線時開始計時，線圈中瞬時感應電動勢的表達式；(3)若從線圈平面平行磁感線時開始計時，求線圈在t=T時刻的感應電動勢大小.解析由題可知：S=lablbc=0.2X 0.5m2= 0.1m2,感應電動勢的峰值Em=nBSc

8、o = 100X 0.1X 0.1 X 100 71 V= 100 兀 V314 V.e= Emsin w t(2)若從線圈平面垂直磁感線時開始計時，感應電動勢的瞬時值所以 e= 314sin (100 t) V.兀(3)若從線圈平面平行磁感線時開始計時，感應電動勢的瞬時值表達式為e= Emcostw t,代入數(shù)據(jù)得 e= 314cos (100 t) Vt T-兀當 t = 6時，e= 314cos 3 V= 157 V.寫瞬時值時必須明確是從中性面開始計時，還是從與中性面垂直的位置開始計時1從中性面開始計時，e= Emsin co 2從與中性面垂直的位置開始計時，e= Emcosw t5流

9、的圖像如圖6所示，由圖可知()線圈在勻強磁場中勻速轉動，產(chǎn)生交變電A.在A和C時刻線圈處于中性面位置B.在B和D時刻穿過線圈的磁通量為零C.從A時刻到D時刻線圈轉過的角度為兀弧度D.在A和C時刻磁通量變化率的絕對值最大解析 當線圈在勻強磁場中處于中性面位置時，磁通量最大，感應電動勢為零，感應電流為零，B、D兩時刻線圈位于中性面位置 .當線圈平面與磁感線平行時，磁通量為零，磁通量的變化率最大，感應電動勢最大，感應電流最大，A、C時刻線圈平面與磁感線平行，D正確.從A時刻到D時刻線圈轉過的角度為 叁瑜度.故選D.根據(jù)圖像找出線圈位于中性面位置時對應的時刻，然后根據(jù)中性面的性質(zhì)進行判斷1.（交變電流

10、的產(chǎn)生及規(guī)律）（多選）如圖7所示，一矩形閉合線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的轉軸OO'以恒定的角速度 3轉動，從線圈平面與磁場方向平行時開始計時，則在0J2 w這段時間內(nèi)（）圖7A.線圈中的感應電流一直在減小B.線圈中的感應電流先增大后減小C.穿過線圈的磁通量一直在減小D.穿過線圈的磁通量的變化率一直在減小解析 題圖位置，線圈平面與磁場平行，感應電流最大，因為 = T,在0盧時間內(nèi)線圈2 co 42 co轉過四分之一個周期，感應電流從最大減小為零，穿過線圈的磁通量逐漸增大，穿過線圈的磁通量的變化率一直在減小 .2.（正弦式交變電流的圖像）一個矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁感線的軸勻速

11、轉動，穿過線圈的磁通量隨時間變化的圖像如圖8甲所示，則下列說法中正確的是（）圖8A.t=0時刻，線圈平面與中性面垂直B.t= 0.01 s時刻，的變化率最大C.t= 0.02 s時刻，感應電動勢達到最大D.該線圈產(chǎn)生的相應感應電動勢的圖像如圖乙所示解析 由題圖甲可知t=0時刻，線圈的磁通量最大，線圈處于中性面， t= 0.01 s時刻，磁通量為零，但變化率最大，所以A項錯誤，B項正確.t=0.02 s時，感應電動勢應為零，C、D項均錯誤.3.（交變電流的規(guī)律）交流發(fā)電機工作時電動勢為e= Emsincot,若將發(fā)電機的轉速提高一倍，同時將電樞所圍面積減小一半，其他條件不變，則其電動勢變?yōu)?（）

12、,w tA.e = Emsin_2,w tB.e = 2EmsinyC.e = Emsin 2 co tEm . _D.e = sin 2 w t4.（正弦式交變電流的描述）有一 10匝正方形線框，邊長為20 cm,線框總電阻為1 0線框繞OO'軸以10兀rad/s的角速度勻速轉動，如圖 9所示，垂直于線框平面向里的勻強磁場的磁 感應強度為0.5 T.求：圖9（1）該線框產(chǎn)生的交變電流電動勢最大值、電流最大值分別是多少； （2）線框從圖示位置轉過 60。時，感應電動勢的瞬時值是多大.解析（1）交變電流電動勢最大值為Em= nBSco= 10X 0.5X 0.22X 10兀V= 6.28

13、 V ,電流最大值Em為 Im=R6.28A= 6.28 A.（2）線框從圖示位置轉過60 °時，感應電動勢 e= Emsin 60江5.44 V.題組一交變電流的特點、產(chǎn)生及規(guī)律1 .如圖所示，屬于交流電的是（）解析 方向隨時間做周期性變化是交變電流最重要的特征.A、B、D三項所示的電流大小隨時間做周期性變化，但其方向不變，不是交變電流，它們是直流電.C選項中電流的大小和方向都隨時間做周期性變化，故選 C.2 .如圖1所示為演示交變電流產(chǎn)生的裝置圖，關于這個實驗，正確的說法是（）圖1A.線圈每轉動一周，指針左右擺動兩次B.圖示位置為中性面，線圈中無感應電流C.圖示位置ab邊的感應電

14、流方向為 a-bD.線圈平面與磁場方向平行時，磁通量的變化率為零解析 線圈在磁場中勻速轉動時，在電路中產(chǎn)生呈周期性變化的交變電流，線圈經(jīng)過中性面 時電流改變方向，線圈每轉動一周，有兩次經(jīng)過中性面，電流方向改變兩次,指針左右擺動一次，故 A錯；線圈處于圖示位置時，ab邊向右運動，由右手定則， ab邊的感應電流方向為 a一 b,故C對；線圈平面與磁場方向平行時，ab、cd邊垂直切割磁感線，線圈產(chǎn)生的電動勢最大，也可以認為，線圈平面與磁場方向平行時，磁通量為零，但磁通量的變化率最大，B、D錯誤.3.如圖2所示，矩形線圈 abcd在勻強磁場中可以分別繞垂直于磁場方向的軸Pi和P2以相同的角速度勻速轉動

15、，當線圈平面轉到與磁場方向平行時（）圖2A.線圈繞Pi轉動時的電流等于繞 P2轉動時的電流B.線圈繞Pi轉動時的電動勢小于繞 P2轉動時的電動勢C.線圈繞Pi和P2轉動時電流的方向相同，都是a-b-c-d-aD.線圈繞Pi轉動時dc邊受到的安培力大于繞 P2轉動時dc邊受到的安培力解析 線圈繞垂直于磁場方向的軸轉動產(chǎn)生交變電流，產(chǎn)生的電流、電動勢及線圈各邊所受安培力大小與轉軸所在位置無關，故選項 A正確，選項B、D錯誤；圖示時刻產(chǎn)生電流的方向為ad一c-ba,故選項C錯誤.題組二正弦式交變電流的圖像4.一個矩形線圈繞垂直于勻強磁場的固定于線圈平面內(nèi)的軸轉動.線圈中感應電動勢 e隨時間t的變化圖

16、像如圖3所示，下列說法中正確的是 （）圖3A.ti時刻通過線圈的磁通量為零B.t2時刻通過線圈的磁通量最大C.t3時刻通過線圈的磁通量的變化率最大D.每當e變換方向時通過線圈的磁通量最大解析 由題圖可知，t2、t4時刻感應電動勢最大，即線圈平面此時與磁場方向平行；在ti、t3時刻感應電動勢為零，此時線圈平面與磁場方向垂直.故選D.5.矩形線圈的匝數(shù)為 50匝，在勻強磁場中繞垂直于磁場的軸勻速轉動時，穿過線圈的磁通量隨時間的變化規(guī)律如圖4所示，下列結論正確的是 （）圖4A.在t=0.i s和t=0.3 s時，電動勢最大B.在t=0.2 s和t=0.4 s時，電動勢改變方向C.電動勢的最大值是i5

17、7 VD.在t= 0.4 s時，磁通量的變化率為零解析 由一t圖像可知 m=BS= 0.2 Wb,T=0.4 s,又因為n = 50,所以Em= nBSco= nm= 157 V , C 正確；t=0.1 s 和 t=0.3 s 時，最大，e=0,變向，t=0.2 s 和 t= 0.4 s 時，=0, e= Em最大，故A、B錯誤；根據(jù)線圈在磁場中轉動時產(chǎn)生感應電動勢的特點知，t= 0.4一， A一，s時，At取大,D專日證.6 .如圖5甲所示，一單匝矩形線圈 abcd放置在勻強磁場中， 并繞過ab、cd中點的軸OO '以 角速度3逆時針勻速轉動.若以線圈平面與磁場夾角 0= 45&#

18、176;時（如圖乙所示）為計時起點，并規(guī) 定當電流自a流向b時，電流方向為正.則如圖所示的四幅圖中正確的是 （）圖5解析 由乙圖看出，此時感應電動勢不是最大值，也不是0,所以A、B項錯；從圖示位置轉至中性面的過程中，e減小，故C錯，D正確.7 .處在勻強磁場中的矩形線圈abcd,以恒定的角速度繞 ab邊轉動，磁場方向平行于紙面并與ab垂直，在t=0時刻，線圈平面與紙面重合 （如圖6所示），線圈的cd邊離開紙面向外運 動，若規(guī)定由a-bc d-a方向的感應電流方向為正，則能反映線圈中感應電流I隨時間t變化的圖像是下圖中的（）圖6解析分析交變電流的圖像問題應注意圖線上某一時刻對應線圈在磁場中的位置

19、，將圖線描述的變化過程對應到線圈所處的具體位置是分析本題的關鍵，線圈在圖示位置時磁通量為零，但感應電流為最大值；再由楞次定律可判斷線圈在轉過90的過程中，感應電流方向為正，故選項C正確.8 .如圖7所示，單匝矩形線圈的一半放在具有理想邊界的勻強磁場中，線圈軸線OO'與磁場邊界重合，線圈按圖示方向勻速轉動（ab向紙外，cd向紙內(nèi)）.若從圖示位置開始計時，并規(guī)定電流方向沿a-bc-d-a為正方向，則線圈內(nèi)感應電流隨時間變化的圖像是下圖中的（）圖7解析 由題意知線圈總有一半在磁場中做切割磁感線的勻速圓周運動，所以產(chǎn)生的仍然是正弦交變電流，只是感應電動勢最大值為全部線圈在磁場中勻速轉動情況下產(chǎn)

20、生的感應電動勢最大值的一半，所以選項 B、C錯誤，再由右手定則可以判斷出A選項符合題意.題組三交變電流的規(guī)律9 .有一單匝閉合線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的軸勻速轉動，在轉動過程中，線圈中 的最大磁通量為 m,最大感應電動勢為 Em,下列說法中正確的是（）A.當磁通量為零時，感應電動勢也為零B.當磁通量減小時，感應電動勢也減小C.當磁通量等于0.5m時，感應電動勢為 0.5EmEmD.角速度3=帚 m解析 由交變電流的產(chǎn)生原理可知，感應電動勢與磁通量的變化率有關，與磁通量的大小無關.磁通量最大時，感應電動勢為零；而磁通量為零時，感應電動勢最大且Em=BSco= m3,故選項D正確.10 .

21、如圖所示，面積均為S的線圈均繞其對稱軸或中心軸在勻強磁場B中以角速度 3勻速轉動,能產(chǎn)生正弦交變電動勢e= BSwsince t的圖是（）解析 線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的軸（軸在線圈所在平面內(nèi)）勻速轉動，產(chǎn)生的正弦交變電動勢為 e=BSwsincoi；由這一原則判斷，A圖中感應電動勢為 e=BSwsincot B圖中的轉動軸不在線圈所在平面內(nèi)；C、D圖轉動軸與磁場方向平行，而不是垂直.11 .（多選）如圖8所示，一單匝閉合線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的軸勻速轉動，轉動過程中線框中產(chǎn)生的感應電動勢的瞬時值表達式為e= 0.5sin （201） V ,由該表達式可推知以下哪些物理量（）圖8A.勻強磁場的磁感應強度B.線框的面積C.穿過線框的磁通量的最大值D.線框轉動的角速度解析 根據(jù)正弦式交變電流的感應電動勢的瞬時值表達式：e= BSw sin w t,可得3=20 rad/s,而磁通量的最大值為m= BS,所以可以根據(jù) BS