【同步】高中物理教科版(2019)選擇性必修2：第3章1.交變電流課件

第三章1.交變電流基礎(chǔ)落實(shí)·必備知識(shí)全過(guò)關(guān)重難探究·能力素養(yǎng)全提升目錄索引

學(xué)以致用·隨堂檢測(cè)全達(dá)標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解交變電流、中性面的概念。(物理觀念)2.能利用圖像法表示交變電流,獲得結(jié)論。(科學(xué)思維)3.能根據(jù)教材探究交變電流的表達(dá)式并進(jìn)行分析整理,能解決交變電流的瞬時(shí)值、峰值的有關(guān)問(wèn)題。(科學(xué)思維)基礎(chǔ)落實(shí)·必備知識(shí)全過(guò)關(guān)一、認(rèn)識(shí)交變電流1.交變電流(1)交變電流:大小和方向都隨時(shí)間做

變化的電流,簡(jiǎn)稱交流電。

主要判斷方向是否變化(2)恒定電流:

不隨時(shí)間變化的電流。大小和方向都不隨時(shí)間變化的電流,稱為恒定電流。

(3)正弦交流電:電流的大小和方向都隨時(shí)間按

規(guī)律變化的交變電流,是最簡(jiǎn)單、最基本的交變電流。

周期性方向正弦函數(shù)2.幾種不同類型的交變電流

二、正弦交流電的產(chǎn)生和變化規(guī)律1.產(chǎn)生條件在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,矩形線圈繞

方向的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.中性面

磁通量最大,感應(yīng)電流為零線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中,線圈平面與磁場(chǎng)

時(shí)所在的平面。線圈在中性面時(shí),線圈的磁通量最大,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零。

垂直于磁場(chǎng)垂直3.交變電流的變化規(guī)律

線圈從中性面開(kāi)始計(jì)時(shí)(1)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e=

=

。

(2)感應(yīng)電流。(3)i、e分別為電流和電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值;Em、Im分別是電動(dòng)勢(shì)、電流的最大值,也叫峰值。Emsinωt

NBSωsinωt三、發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)中的能量轉(zhuǎn)化(1)發(fā)電機(jī)——把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。(2)電動(dòng)機(jī)——將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置。情境鏈接如圖所示,線圈沿逆時(shí)針?lè)较騽蛩俎D(zhuǎn)動(dòng),在線圈由甲圖轉(zhuǎn)到乙圖所示位置的過(guò)程中,AB邊中電流向哪個(gè)方向流動(dòng)?在線圈由丙圖轉(zhuǎn)到丁圖所示位置的過(guò)程中,AB邊中電流向哪個(gè)方向流動(dòng)?提示

線圈由甲到乙,電流方向D→C→B→A。線圈由丙到丁,電流方向A→B→C→D。教材拓展閱讀教材P61“發(fā)展空間”——《發(fā)電設(shè)備》,對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō),其發(fā)電原理相同嗎?發(fā)電機(jī)的主體結(jié)構(gòu)是什么?提示

發(fā)電原理是相同的,都是利用電磁感應(yīng);發(fā)電機(jī)的主體結(jié)構(gòu)分為定子和轉(zhuǎn)子。易錯(cuò)辨析(1)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)一周有兩次經(jīng)過(guò)中性面,每轉(zhuǎn)一周電流方向改變一次。(

)(2)當(dāng)線圈中的磁通量最大時(shí),產(chǎn)生的感應(yīng)電流也最大。(

)(3)線圈繞垂直于磁場(chǎng)的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電流是交變電流。(

)(4)交變電流的瞬時(shí)值表達(dá)式與開(kāi)始計(jì)時(shí)的位置無(wú)關(guān)。(

)(5)矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),一定會(huì)產(chǎn)生正弦式交變電流。(

)××√××重難探究·能力素養(yǎng)全提升探究點(diǎn)一正弦交變電流的產(chǎn)生導(dǎo)學(xué)探究如圖所示,此位置是什么位置?磁通量是最大還是最小?是否有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)?從該位置開(kāi)始再轉(zhuǎn)90°,磁通量最大還是最小?是否有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)?提示

中性面,磁通量最大,無(wú)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。與中性面垂直的位置,磁通量為零,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大。知識(shí)歸納1.交變電流的產(chǎn)生過(guò)程分析

2.線圈平面與磁場(chǎng)不同位置的特點(diǎn)比較

位置線圈平面與磁場(chǎng)垂直(中性面)線圈平面與磁場(chǎng)平行線圈平面與磁場(chǎng)夾角變小線圈平面與磁場(chǎng)夾角變大磁通量最大零變小變大磁通量變化率零最大變大變小感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)零最大變大變小線圈邊緣線速度與磁場(chǎng)方向夾角零90°變大變小感應(yīng)電流零最大變大變小電流方向改變不變不變不變應(yīng)用體驗(yàn)【例1】

(多選)矩形線框繞垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)的軸(軸在線框平面內(nèi))勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了交變電流,下列說(shuō)法正確的是(

)A.當(dāng)線框位于中性面時(shí),線框中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大B.當(dāng)穿過(guò)線框的磁通量為零時(shí),線框中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也為零C.每當(dāng)線框經(jīng)過(guò)中性面時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或感應(yīng)電流的方向就改變一次D.線框經(jīng)過(guò)中性面時(shí),各邊切割磁感線的速度為零CD解析

線框位于中性面時(shí),線框平面與磁感線垂直,穿過(guò)線框的磁通量最大,但此時(shí)切割磁感線的兩條邊的速度方向與磁感線平行,各邊切割磁感線的有效速度為零,即不切割磁感線,所以電動(dòng)勢(shì)等于零,此時(shí)穿過(guò)線框的磁通量的變化率等于零,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或感應(yīng)電流的方向也就在此位置改變。線框垂直于中性面時(shí),穿過(guò)線框的磁通量為零,但切割磁感線的兩邊都垂直切割,有效切割速度最大,所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大,此時(shí)穿過(guò)線框的磁通量的變化率最大。故C、D正確。對(duì)點(diǎn)演練1一矩形線圈ABCD在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞其中心軸OO'勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),就會(huì)在線圈中形成交變電流。下列說(shuō)法正確的是(

)A.線圈經(jīng)過(guò)圖甲位置時(shí),穿過(guò)線圈的磁通量最大,產(chǎn)生的電流也最大B.線圈經(jīng)過(guò)圖乙位置時(shí),穿過(guò)線圈的磁通量為零,產(chǎn)生的電流最大C.線圈經(jīng)過(guò)圖丙位置時(shí),穿過(guò)線圈的磁通量最大,磁通量變化率也最大D.線圈從圖丙位置轉(zhuǎn)到圖丁位置的過(guò)程中,穿過(guò)線圈的磁通量減小,產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)減小B解析

線圈經(jīng)過(guò)圖甲或圖丙位置(中性面)時(shí),穿過(guò)線圈的磁通量最大,產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零,感應(yīng)電流為零,結(jié)合法拉第電磁感應(yīng)定律可知,磁通量變化率為零,A、C錯(cuò)誤;線圈經(jīng)過(guò)圖乙位置(與中性面垂直)時(shí),穿過(guò)線圈的磁通量為零,產(chǎn)生的電流最大,B正確;線圈從圖丙位置(中性面)轉(zhuǎn)到題圖丁位置(與中性面垂直)的過(guò)程中,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知,穿過(guò)線圈的磁通量減小,產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)增大,D錯(cuò)誤。探究點(diǎn)二對(duì)交變電流的變化規(guī)律的理解導(dǎo)學(xué)探究如圖所示,矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直磁場(chǎng)的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。(1)導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與哪些因素有關(guān)?(2)多匝線圈不垂直切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)如何表達(dá)?提示

(1)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與線圈的匝數(shù)N、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、線圈的面積S、線圈的角速度ω和線圈平面與中性面的夾角有關(guān)。(2)E=NBSωsin

ωt。知識(shí)歸納(1)正弦式交變電流的瞬時(shí)值表達(dá)式。①?gòu)闹行悦骈_(kāi)始計(jì)時(shí):e=NBSωsinωt=Emsinωt。u=iR=ImRsinωt=Umsinωt。②從垂直于中性面(即從線圈平面與磁場(chǎng)平行時(shí))開(kāi)始計(jì)時(shí):e=Emcosωt。i=Imcosωt。u=Umcosωt。(2)交變電流的感應(yīng)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共同決定,與線圈的形狀無(wú)關(guān),與轉(zhuǎn)軸的位置無(wú)關(guān)。如圖所示的幾種情況,若幾個(gè)線圈的N、B、S、ω相同,則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值相同。(3)從如圖所示的交變電流的e-t圖像上可以確定以下量

①可以確定電動(dòng)勢(shì)的最大值Em。②可根據(jù)線圈轉(zhuǎn)至中性面時(shí)電動(dòng)勢(shì)為零的特點(diǎn),確定線圈處于中性面的時(shí)刻,確定了該時(shí)刻,也就確定了磁通量最大的時(shí)刻和磁通量變化率最小的時(shí)刻。③可根據(jù)線圈轉(zhuǎn)至與磁場(chǎng)平行時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大的特點(diǎn),確定線圈與中性面垂直的時(shí)刻,此時(shí)刻也就是磁通量為零的時(shí)刻和磁通量變化率最大的時(shí)刻。④可以確定某一時(shí)刻電動(dòng)勢(shì)大小以及某一時(shí)刻電動(dòng)勢(shì)的變化趨勢(shì)。(4)交變電流的電壓或電流變化的快慢(變化率),在圖線上等于某瞬間切線的斜率,它與電壓或電流瞬時(shí)值的大小是兩回事。瞬時(shí)值最大時(shí),變化率最小(等于零);瞬時(shí)值為零時(shí),變化率恰好最大。在具體問(wèn)題中,必須弄清楚哪些量與瞬時(shí)值有關(guān),哪些量與變化率有關(guān)。特別提示

求解交變電流的瞬時(shí)值問(wèn)題的答題步驟

應(yīng)用體驗(yàn)【例2】

一個(gè)正方形線圈的匝數(shù)為10,邊長(zhǎng)為20cm,線圈總電阻為1Ω,線圈繞OO'軸以10πrad/s的角速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng),如圖所示,勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.5T。(π取3.14)(1)該線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的最大值、電流的最大值分別是多少?(2)寫出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化的表達(dá)式。(3)線圈從圖示位置轉(zhuǎn)過(guò)60°時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值是多大?答案

(1)6.28V

6.28A(2)e=6.28cos10πt(V)(3)3.14V解析

先根據(jù)Em=NBSω計(jì)算電動(dòng)勢(shì)的最大值,再根據(jù)計(jì)時(shí)起點(diǎn)確定瞬時(shí)值表達(dá)式是e=Emsin

ωt還是e=Emcos

ωt。(1)電動(dòng)勢(shì)的最大值Em=NBSω=10×0.5×0.22×10π

V=6.28

V電流的最大值Im==6.28

A。(2)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化的表達(dá)式e=Emcos

ωt=6.28cos

10πt(V)。(3)線圈轉(zhuǎn)過(guò)60°時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值e=Emcos

60°=3.14

V。對(duì)點(diǎn)演練2如圖所示,下列圖中從圖示位置開(kāi)始計(jì)時(shí),面積為S的單匝線圈均繞其對(duì)稱軸或中心軸在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動(dòng),能產(chǎn)生正弦式交變電動(dòng)勢(shì)e=BSωsinωt的是(

)B解析

由A、D兩圖可知,線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)磁通量始終等于零,線圈不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),A、D錯(cuò)誤;由B圖可知,線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)方向的軸從中性面開(kāi)始勻速轉(zhuǎn)動(dòng),產(chǎn)生的正弦式交變電動(dòng)勢(shì)為e=BSωsin

ωt,B正確;由C圖可知,線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)方向的軸從垂直于中性面位置開(kāi)始勻速轉(zhuǎn)動(dòng),產(chǎn)生的正弦式交變電動(dòng)勢(shì)為e=BSωcos

ωt,C錯(cuò)誤。學(xué)以致用·隨堂檢測(cè)全達(dá)標(biāo)12341.(交變電流的理解)下列關(guān)于交變電流和直流電的說(shuō)法正確的是(

)A.若電流大小做周期性變化,則一定是交變電流B.直流電的大小可以變化,但方向不一定變化C.交變電流一定是按正弦或余弦規(guī)律變化的D.交變電流的最大特征就是電流的方向發(fā)生周期性的變化D解析

若電流大小做周期性變化,則不一定為交變電流,因?yàn)闆](méi)有提及電流方向隨時(shí)間做周期性變化,A錯(cuò)誤;直流電的大小可以變化,但直流電的方向一定不變,B錯(cuò)誤;交變電流的方向發(fā)生周期性的變化,但不一定是按正弦或余弦規(guī)律變化的,C錯(cuò)誤;交變電流的最大特征就是電流的方向發(fā)生周期性的變化,D正確。12342.(交變電流的產(chǎn)生)(2023河北邢臺(tái)高二期末)線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生交變電流,下列說(shuō)法正確的是(

)A.線圈每轉(zhuǎn)動(dòng)一周,感應(yīng)電流的方向就改變一次B.線圈每轉(zhuǎn)動(dòng)一周,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)出現(xiàn)一次最大值C.線圈平面經(jīng)過(guò)中性面時(shí),穿過(guò)線圈的磁通量變化最快D.線圈平面經(jīng)過(guò)中性面時(shí),穿過(guò)線圈的磁通量達(dá)到最大值D解析

線圈每轉(zhuǎn)動(dòng)一周,感應(yīng)電流的方向就改變兩次,故A錯(cuò)誤;線圈每轉(zhuǎn)動(dòng)一周,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)出現(xiàn)兩次最大值,故B錯(cuò)誤;線圈平面每經(jīng)過(guò)中性面時(shí),穿過(guò)線圈的磁通量變化最慢,故C錯(cuò)誤;線圈平面每經(jīng)過(guò)中性面時(shí),穿過(guò)線圈的磁通量達(dá)到最大值,故D正確。12343.(交變電流的變化規(guī)律的理解)一矩形線圈abcd如圖所示,已知ab邊長(zhǎng)為l1,bc邊長(zhǎng)為l2,在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞OO'軸以角速度ω從圖示位置開(kāi)始勻速轉(zhuǎn)動(dòng),則t時(shí)刻線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為(

)A.0.5Bl1l2ωsinωtB.0.5Bl1l2ωcosωtC.Bl1l2ωsinωtD.Bl1l2ωcosωtD解析

因?yàn)殚_(kāi)始時(shí)刻線圈平面與磁感線平行,即線圈從垂直于中性面的位置開(kāi)始運(yùn)動(dòng),所以開(kāi)始時(shí)刻線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大,為Em=Bl1l2ω,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)形式應(yīng)為余弦函數(shù)形式。因此在t時(shí)刻線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為Bl1l