新教材同步系列2024春高中物理第3章交變電流第1節(jié)認(rèn)識(shí)交變電流學(xué)生用書粵教版選擇性必修第二冊(cè)

第一節(jié)認(rèn)識(shí)交變電流1．觀察交變電流的圖像，理解交變電流和直流的概念。2．理解交變電流的產(chǎn)生過程，會(huì)分析電動(dòng)勢(shì)和電流方向的變化規(guī)律。3．知道交變電流的變化規(guī)律及表示方法，知道交變電流的瞬時(shí)值、峰值的物理含義。4．知道交流發(fā)電機(jī)的構(gòu)造。知識(shí)點(diǎn)一交變電流1．恒定電流：____和____都不隨時(shí)間改變的電流，簡(jiǎn)稱__流(DC)。2．交變電流：____和____都隨時(shí)間做____性變化的電流，簡(jiǎn)稱__流(AC)。3．波形圖：____或____隨時(shí)間變化的圖像。4．日常生活和生產(chǎn)中所使用的交變電流是按____規(guī)律變化的交變電流。知識(shí)點(diǎn)二交變電流的產(chǎn)生1．交流發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)：____、磁極、滑環(huán)及____。2．過程分析3．中性面(1)定義：線圈平面與磁感線____時(shí)的位置。(2)特點(diǎn)：①穿過線圈的Φ____，但線圈中的感應(yīng)電流為__；②線圈平面每經(jīng)過一次中性面，感應(yīng)電流方向就________。知識(shí)點(diǎn)三交變電流的變化規(guī)律1．正弦式交變電流定義：按____規(guī)律變化的交變電流叫作正弦式交變電流，簡(jiǎn)稱正弦式交流電。2．瞬時(shí)值表達(dá)式從中性面開始計(jì)時(shí)，瞬時(shí)電動(dòng)勢(shì)：e＝________________瞬時(shí)電壓：u＝________________瞬時(shí)電流：i＝________________注：表達(dá)式中Em、Um、Im分別是電動(dòng)勢(shì)、電壓、電流的____，而e、u、i則是這幾個(gè)量的______。3．幾種不同類型的交變電流1．思考判斷(正確的畫“√”，錯(cuò)誤的畫“×”)(1)交變電流是方向隨時(shí)間作周期性變化的電流。 ()(2)只有按正弦規(guī)律變化的電流才是交變電流。 ()(3)交流電源沒有正、負(fù)極之分。 ()(4)只要閉合線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生交變電流。 ()(5)交變電流是矩形線圈繞平行于磁場(chǎng)方向的軸在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的電流。 ()2．(多選)如圖所示圖像中屬于交變電流的有()ABCD3．關(guān)于線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的交變電流，下列說法中正確的是()A．線圈每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，感應(yīng)電流方向就改變一次B．線圈平面每經(jīng)過中性面一次，感應(yīng)電流方向就改變一次，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向不變C．線圈平面每經(jīng)過中性面一次，感應(yīng)電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向都要改變一次D．線圈轉(zhuǎn)動(dòng)一周，感應(yīng)電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向都要改變一次(1)探究交變電流的特點(diǎn)如圖所示，把電流表接入到模型發(fā)電機(jī)的輸出端，搖動(dòng)發(fā)電機(jī)的手柄，觀察電流表的指針擺動(dòng)情況是怎樣的？電流表指針的擺動(dòng)情況說明什么問題？(2)如圖所示，此位置磁通量為多少？是否有感應(yīng)電流？如果有，判斷感應(yīng)電流的方向。交流與直流1．直流、交流、恒定電流的特點(diǎn)(1)電流分類：按電流的方向是否變化分直流和交流兩種，方向不變的電流稱為直流，方向變化的電流稱為交流。(2)直流分類：分為恒定電流和脈動(dòng)直流，其中大小、方向都不隨時(shí)間改變的電流叫恒定電流，方向不隨時(shí)間改變而大小隨時(shí)間改變的電流叫脈動(dòng)直流。(3)交流分類：按交流電圖像特點(diǎn)分正弦(或余弦)式交變電流、矩形波交變電流、鋸形波交變電流等。2．交流與直流的本質(zhì)區(qū)別(1)交變電流的大小不一定變化，如矩形波交變電流，其大小可以是不變的；直流的大小不一定不變。(2)交變電流與直流的最大區(qū)別在于交變電流的方向發(fā)生周期性變化，而直流的方向不變。【典例1】對(duì)于如圖所示的電流i隨時(shí)間t做周期性變化的圖像，下列描述正確的是()A．電流的大小變化，方向也變化，是交流電B．電流的大小變化，方向不變，不是交流電C．電流的大小不變，方向不變，是直流電D．以上說法都不正確[聽課記錄]識(shí)別交變電流的兩點(diǎn)技巧(1)只要電流的方向發(fā)生周期性變化即為交變電流。(2)在i-t或u-t圖中，正負(fù)表示方向，在讀圖時(shí)不僅要注意圖像中的坐標(biāo)原點(diǎn)是否為0，還要觀察i(u)的值有無正負(fù)變化。[跟進(jìn)訓(xùn)練]1．下列各圖中不屬于交變電流的是()ABCD交變電流的產(chǎn)生比較內(nèi)容中性面中性面的垂直面位置線圈平面與磁場(chǎng)垂直線圈平面與磁場(chǎng)平行圖示磁通量最大零磁通量變化率零最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)零最大感應(yīng)電流零最大電流方向改變不變【典例2】(多選)圖甲是交流發(fā)電機(jī)的示意圖，兩磁極之間的磁場(chǎng)可視為勻強(qiáng)磁場(chǎng)，金屬線圈ABCD繞轉(zhuǎn)軸OO′勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。G為電流傳感器(與計(jì)算機(jī)相連)，R為定值電阻，線圈電阻為r，其余電阻不計(jì)。圖乙為計(jì)算機(jī)上顯示的電流數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的圖像，下列說法中正確的是()A．金屬線圈恰好處于圖甲所示的位置時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為0，對(duì)應(yīng)圖乙中t1或t3時(shí)刻B．金屬線圈恰好處于圖甲所示的位置時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，對(duì)應(yīng)圖乙中t2或t4時(shí)刻C．t1、t3時(shí)刻穿過線圈的磁通量的絕對(duì)值最大，磁通量變化率最小D．t2、t4時(shí)刻穿過線圈的磁通量的絕對(duì)值最大，磁通量變化率最小[聽課記錄]線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)問題的三點(diǎn)注意(1)矩形線框在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，僅是產(chǎn)生交變電流的一種方式，但不是唯一方式。(2)線圈平面與中性面重合時(shí)，S⊥B，Φ最大，ΔΦΔt＝0，e＝0，i(3)線圈平面與中性面垂直時(shí)，S∥B，Φ＝0，ΔΦΔt最大，e[跟進(jìn)訓(xùn)練]2．交流發(fā)電機(jī)發(fā)電示意圖如圖所示，線圈轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，下列說法正確的是()A．轉(zhuǎn)到圖甲位置時(shí)，通過線圈的磁通量變化率最大B．轉(zhuǎn)到圖乙位置時(shí)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零C．轉(zhuǎn)到圖丙位置時(shí)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流最大D．轉(zhuǎn)到圖丁位置時(shí)，AB邊感應(yīng)電流方向?yàn)锳→B正弦交變電流的變化規(guī)律1．瞬時(shí)值的推導(dǎo)若線圈平面從中性面開始轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖所示。則經(jīng)時(shí)間t：(1)線圈轉(zhuǎn)過的角度為ωt。(2)ab邊的線速度跟磁感線方向的夾角θ＝ωt。(3)ab邊轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度為v＝ωLad(4)ab邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為eab＝BLabvsinθ＝BSω2sinωt(5)整個(gè)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為e＝2eab＝BSωsinωt，若線圈為N匝，e＝NBSωsinωt。(6)若線圈給外電阻R供電，設(shè)線圈本身電阻為r，由閉合電路歐姆定律得i＝eR+r＝EmR+rsinωt，即i＝Imsinωt，R兩端的電壓可記為u＝Um2．峰值(1)由e＝NBSωsinωt可知，電動(dòng)勢(shì)的峰值Em＝NBSω。(2)交變電動(dòng)勢(shì)的最大值，由線圈匝數(shù)N、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω及線圈面積S決定，與線圈的形狀無關(guān)，與轉(zhuǎn)軸的位置無關(guān)，但轉(zhuǎn)軸必須垂直于磁場(chǎng)，因此如圖所示幾種情況，若N、B、S、ω相同，則電動(dòng)勢(shì)的最大值相同。(3)電流的峰值可表示為Im＝NBSωR+r【典例3】如圖所示，一邊長(zhǎng)為l的正方形線圈abcd繞對(duì)稱軸OO′在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為n＝120轉(zhuǎn)/分，若已知邊長(zhǎng)l＝20cm，匝數(shù)N＝20匝，磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝0.2T，求：(1)轉(zhuǎn)動(dòng)中的最大電動(dòng)勢(shì)及位置；(2)從中性面開始計(jì)時(shí)的電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值表達(dá)式；(3)從圖示位置轉(zhuǎn)過90°過程中的平均電動(dòng)勢(shì)。[思路點(diǎn)撥](1)電動(dòng)勢(shì)峰值公式為Em＝NBSω，電流的最大值為Im＝Em(2)從中性面開始計(jì)時(shí)的電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式為e＝Emsinωt。(3)求某段時(shí)間內(nèi)的平均電動(dòng)勢(shì)可根據(jù)E＝NΔΦ[聽課記錄]求解交變電流的瞬時(shí)值問題的答題模型[跟進(jìn)訓(xùn)練]3．如圖所示，一半徑為r＝10cm的圓形線圈共100匝，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B＝5π2T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，繞垂直于磁場(chǎng)方向的中心軸線OO′以n＝600r/min的轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)線圈轉(zhuǎn)至中性面位置(圖中位置(1)寫出線圈內(nèi)所產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式；(2)求線圈從圖示位置開始在160s1．甲、乙兩電路中電流與時(shí)間關(guān)系如圖所示，屬于交變電流的是()A．甲、乙都是 B．甲是，乙不是C．乙是，甲不是 D．甲、乙都不是2．下列關(guān)于交變電流和直流的說法中，正確的是()A．如果電流大小隨時(shí)間做周期性變化，則一定是交變電流B．直流的大小和方向一定不變C．交變電流一定是按正弦規(guī)律變化的D．交變電流的最大特征就是電流方向隨時(shí)間做周期性的變化3．交流發(fā)電機(jī)發(fā)電過程示意圖如圖所示，線圈勻速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，下列說法正確的是()A．轉(zhuǎn)到圖甲位置時(shí)，線圈位于中性面位置B．轉(zhuǎn)到圖乙位置時(shí)，線圈中電流方向發(fā)生改變C．轉(zhuǎn)到圖丙位置時(shí)，CD邊感應(yīng)電流方向?yàn)镈→CD．轉(zhuǎn)到圖丁位置時(shí)，線圈中的磁通量變化率最大4．閉合矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)方向的某一固定軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，穿過線圈的磁通量Φ隨時(shí)間t的變化規(guī)律如圖所示，下列說法正確的是()A．t1時(shí)刻線圈中感應(yīng)電流為零B．t2時(shí)刻線圈通過中性面C．t3時(shí)刻穿過線圈的磁通量變化率最大D．t4時(shí)刻線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最小回歸本節(jié)內(nèi)容，自我完成以下問題：1．交流與直流的本質(zhì)區(qū)別是什么？2．正弦式交變電流的產(chǎn)生條件是什么？3．線圈轉(zhuǎn)至中性面位置的特點(diǎn)是什么？第三章交變電流第一節(jié)認(rèn)識(shí)交變電流[必備知識(shí)·自主預(yù)習(xí)儲(chǔ)備]知識(shí)梳理知識(shí)點(diǎn)一1．大小方向直2．大小方向周期交3．電流電壓4．正弦知識(shí)點(diǎn)二1．線圈電刷2．(a)(c)3．(1)垂直(2)最大零改變一次知識(shí)點(diǎn)三1．正弦2．EmsinωtUmsinωtImsinωt峰值瞬時(shí)值基礎(chǔ)自測(cè)1．(1)√(2)×(3)√(4)×(5)×2．ABC[交變電流是大小、方向都隨時(shí)間做周期性變化的電流，所以A、B、C正確；D僅是電流的大小發(fā)生變化而方向不變，故不屬于交變電流。]3．C[當(dāng)線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生交變電流時(shí)，線圈平面每經(jīng)過中性面一次，感應(yīng)電流與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向均改變一次，轉(zhuǎn)動(dòng)一周，感應(yīng)電流與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向改變兩次。故只有C正確。][關(guān)鍵能力·情境探究達(dá)成]情境探究(1)提示：隨著線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)，電流表的指針不停地在“0”刻度線兩側(cè)左右擺動(dòng)，說明手搖發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流大小、方向都處于變化中。(2)提示：此位置磁通量為0，有感應(yīng)電流，且感應(yīng)電流最大，方向?yàn)閍bcd。典例1B[由i-t圖像可知，電流的大小變化，但電流方向一直為正，故電流方向不變，根據(jù)交變電流、直流的定義可知，該電流是直流，B正確。]跟進(jìn)訓(xùn)練1．A[B、C、D中i的方向均做周期性變化，故它們屬于交流，A中i的大小變化而方向不變，屬于直流。]典例2AC[金屬線圈恰好處于題圖甲所示的位置時(shí)，為中性面，磁通量最大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為0，此時(shí)瞬時(shí)電流為0，對(duì)應(yīng)題圖乙中t1或t3時(shí)刻，A正確，B錯(cuò)誤；t1、t3時(shí)刻電流為0，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為0，此時(shí)線圈平面處于中性面，穿過線圈的磁通量的絕對(duì)值最大，磁通量變化率最小，C正確；t2、t4時(shí)刻電流最大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，此時(shí)線圈平面與磁感線平行，穿過線圈的磁通量為0，磁通量變化率最大，D錯(cuò)誤。]跟進(jìn)訓(xùn)練2．D[轉(zhuǎn)到圖甲位置時(shí)，線圈平面與磁感線垂直，磁通量最大，但磁通量變化率為零，A錯(cuò)誤；轉(zhuǎn)到圖乙位置時(shí)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，B錯(cuò)誤；轉(zhuǎn)到圖丙位置時(shí)，線圈位于中性面位置，此時(shí)感應(yīng)電流最小，C錯(cuò)誤；轉(zhuǎn)到圖丁位置時(shí)，根據(jù)楞次定律可知AB邊感應(yīng)電流方向?yàn)锳→B，D正確。]典例3解析：(1)當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)到與磁場(chǎng)平行時(shí)，ab、cd兩邊均垂直切割磁感線，這時(shí)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大Em＝NBSω＝20×0.2×0.22×2π×2V≈2.0V。(2)電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值表達(dá)式為e＝Emsinωt＝2sin4πt(V)。(3)E＝NΔΦΔt＝NBS＝4NBSf＝4×20×0.2×0.22×2V＝1.28V。答案：(1)2.0V線圈平面與磁場(chǎng)平行(2)e＝2sin4πt(V)(3)1.28V跟進(jìn)訓(xùn)練3．解析：線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)方向的軸線勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈內(nèi)產(chǎn)生正弦式交變電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)線圈平面在中性面時(shí)開始計(jì)時(shí)，其表達(dá)式為e＝Emsinωt，而在某段時(shí)間內(nèi)的平均電動(dòng)勢(shì)可根據(jù)E＝NΔΦ(1)e＝Emsinωt，ω＝20πrad/s，Em＝NBSω＝100×5π2×π×0.