201x年秋高中物理 5.1 交变电流 新人教版选修

1、知识导航知识导航本章研究的交变电流知识，有着广泛的应用，与生产本章研究的交变电流知识，有着广泛的应用，与生产和生活实际有着密切的联系交变电流的产生及其描述方和生活实际有着密切的联系交变电流的产生及其描述方法，交变电流的基本规律及其应用法，交变电流的基本规律及其应用变压器、电能的输变压器、电能的输送等知识是前面所学知识的具体应用，有综合性，又能广送等知识是前面所学知识的具体应用，有综合性，又能广泛联系实际，对于开阔思路、提高思维能力是非常有益泛联系实际，对于开阔思路、提高思维能力是非常有益的的交变电流的变化规律和描述交变电流特征的物理量是交变电流的变化规律和描述交变电流特征的物理量是交变电流的基

2、本知识，是这一部分的核心内容交变电流交变电流的基本知识，是这一部分的核心内容交变电流的产生是根据电磁感应知识引伸而来，起了承前启后的作的产生是根据电磁感应知识引伸而来，起了承前启后的作用变压器是对交变电流知识和前面知识的扩展和应用，用变压器是对交变电流知识和前面知识的扩展和应用，又为后续将要学习的电磁振荡和电磁波等知识奠定了重要又为后续将要学习的电磁振荡和电磁波等知识奠定了重要的基础的基础本章可分为三个单元：第一单元本章可分为三个单元：第一单元(第第1、2节节)讲授交流讲授交流电的产生和变化规律；讲授表征交变电流的物理量第二电的产生和变化规律；讲授表征交变电流的物理量第二单元单元(第第3节节)

3、讲授电感和电容对交变电流的影响第三单元讲授电感和电容对交变电流的影响第三单元(第第4、5节节)讲授变压器的工作原理和远距离输电讲授变压器的工作原理和远距离输电本章的重点是交变电流的产生、变化规律和变压器的本章的重点是交变电流的产生、变化规律和变压器的工作原理，难点是正弦交流电的描述及变压器的实际应工作原理，难点是正弦交流电的描述及变压器的实际应用用学法指导学法指导为了学好本章知识，首先要联系前面所学的电磁感应为了学好本章知识，首先要联系前面所学的电磁感应的有关知识，理解交流电的产生和变化规律的有关知识，理解交流电的产生和变化规律其次要比较交流电与直流电通过电阻、电感、电容器其次要比较交流电与直

4、流电通过电阻、电感、电容器等元件所表现出来的性质和特点等元件所表现出来的性质和特点最后要联系生产生活实际，联系现代科技成果，输电最后要联系生产生活实际，联系现代科技成果，输电工程属于知识密集型工程，在学习的过程中，要注意理论工程属于知识密集型工程，在学习的过程中，要注意理论联系实际，要善于知识的迁移、综合和应用联系实际，要善于知识的迁移、综合和应用考纲须知考纲须知考点内容考点内容要求要求1.交变电流、交变电流的图象交变电流、交变电流的图象2.正弦交变电流的函数表达式、峰值正弦交变电流的函数表达式、峰值和有效值和有效值3.理想变压器理想变压器4.远距离输电远距离输电知道什么是交变电流知道什么是交

5、变电流掌握交变电流的产生及变化规律掌握交变电流的产生及变化规律理解正弦交流电的图象及表达式理解正弦交流电的图象及表达式我们的日常生活离不开电，城市的灯火辉煌、工厂里我们的日常生活离不开电，城市的灯火辉煌、工厂里的机器轰鸣，一切都离不开电的机器轰鸣，一切都离不开电(如图所示是实验室手摇发如图所示是实验室手摇发电机电机)长江三峡水力发电站已投入生产，各地火力发电厂比长江三峡水力发电站已投入生产，各地火力发电厂比比皆是，它们的共同之处就是生产和输送的大多都是交变比皆是，它们的共同之处就是生产和输送的大多都是交变电流什么是交变电流？与直流电流有什么不同？它又是电流什么是交变电流？与直流电流有什么不同？

6、它又是如何产生的呢？如何产生的呢？1大小和方向都大小和方向都_，这样的电流叫做交变电流，这样的电流叫做交变电流，例如家庭电路中的电流例如家庭电路中的电流2下图是交流发电机的示意图为了观察清楚，图下图是交流发电机的示意图为了观察清楚，图中只画出了一匝线圈，它的中只画出了一匝线圈，它的ab边连在金属滑环边连在金属滑环K上，上，cd边边连在滑环连在滑环L上；两个滑环通过金属片做的电刷上；两个滑环通过金属片做的电刷A、B和外电和外电路相连线圈沿逆时针方向转动我们观察路相连线圈沿逆时针方向转动我们观察ab这段导这段导线根据右手定则可以判断，当线圈转到图乙的位置时，线根据右手定则可以判断，当线圈转到图乙的

7、位置时，电流电流_流动，而当线圈转到图丁的位置时，则流动，而当线圈转到图丁的位置时，则_流动；在图丙和图戊的位置，因为流动；在图丙和图戊的位置，因为_，电路中没有感应电流线圈在不断转动，电路中电流的方电路中没有感应电流线圈在不断转动，电路中电流的方向也就向也就_交变电流就是这样产生的交变电流就是这样产生的3对正弦式交变电流，线圈的电动势瞬时值表达式对正弦式交变电流，线圈的电动势瞬时值表达式e_；用电器两端的电压瞬时值表达式；用电器两端的电压瞬时值表达式u_；流过用电器的电流瞬时值表达式流过用电器的电流瞬时值表达式i_.答案答案：1.随时间做周期性变化的电流随时间做周期性变化的电流2由由a向向b

8、；由；由b向向a；导线；导线ab的运动方向和磁感线平的运动方向和磁感线平行；不断改变行；不断改变3Emsint；Umsint；Imsint(1)交变电流：大小和方向都随时间做周期性变化的电交变电流：大小和方向都随时间做周期性变化的电流，叫做交变电流，简称交流流，叫做交变电流，简称交流(AC)说明：说明：方向不变的电流叫直流电方向不变的电流叫直流电(DC)大小不变方向改变的电流也是交变电流大小不变方向改变的电流也是交变电流如下图所示图象中属于交流电的有如下图所示图象中属于交流电的有 ( () )答案答案：ABC解析解析：图：图A、B、C中中e的方向均发生了变化，故它们的方向均发生了变化，故它们属

9、于交流电正确答案为属于交流电正确答案为A、B、C.点评：判断电流为交变电流还是直流电就看方向是否点评：判断电流为交变电流还是直流电就看方向是否变化如变化如D选项，尽管大小随时间变化的图象与选项，尽管大小随时间变化的图象与A相似，但相似，但因其方向不变，仍是直流电因其方向不变，仍是直流电.(1)(1)按正弦规律变化的交变电流叫做正弦式交变电流，按正弦规律变化的交变电流叫做正弦式交变电流，简称正弦式电流，是一种最简单又是最基本的交变电流简称正弦式电流，是一种最简单又是最基本的交变电流(2)(2)产生原理：线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向产生原理：线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时，线圈

10、中就会产生大小和方向均随时间作的轴匀速转动时，线圈中就会产生大小和方向均随时间作周期性变化的电动势，即交变电动势，如图所示周期性变化的电动势，即交变电动势，如图所示(3)(3)中性面：当线圈转动到其平面与磁感线垂直的位中性面：当线圈转动到其平面与磁感线垂直的位置时，线圈所在的平面叫做中性面置时，线圈所在的平面叫做中性面线圈位于中性面时，线圈中的各个边均不切割磁感线圈位于中性面时，线圈中的各个边均不切割磁感线，穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率为零，感应线，穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率为零，感应电动势、感应电流的瞬时值均为零电动势、感应电流的瞬时值均为零线圈每次通过中性面时，其内部的电

11、流方向就要发线圈每次通过中性面时，其内部的电流方向就要发生改变线圈转动一周经过中性面两次，感应电流的方向生改变线圈转动一周经过中性面两次，感应电流的方向改变两次改变两次(4)(4)我国工农业生产及生活使用的交变电流我国工农业生产及生活使用的交变电流( (即市电即市电) )都是正弦式电流都是正弦式电流特别提醒：特别提醒：（1）在线圈转动过程中，磁通量最大时，磁通量变）在线圈转动过程中，磁通量最大时，磁通量变化率恰好为零；磁通量为零时，磁通量变化率恰好最大化率恰好为零；磁通量为零时，磁通量变化率恰好最大.（2）感应电动势的大小由磁通量变化率决定，与磁）感应电动势的大小由磁通量变化率决定，与磁通量的

12、大小没有直接关系通量的大小没有直接关系.下图中哪些情况线圈中产生了交流电下图中哪些情况线圈中产生了交流电 ()答案答案：BCD解析解析：紧扣正弦交流电产生的条件可知，轴必须垂直：紧扣正弦交流电产生的条件可知，轴必须垂直于磁感线，但对线圈的形状没有特别要求于磁感线，但对线圈的形状没有特别要求.(1)(1)函数形式：电动势瞬时值函数形式：电动势瞬时值e eE Em msinsintt；电压的瞬；电压的瞬时值时值u uU Um msinsintt；电流的瞬时值；电流的瞬时值i iI Im msinsintt；(2)(2)图象形式：用正弦图象形式：用正弦( (或余弦或余弦) )曲线表示交变电流随曲线表

13、示交变电流随时间的变化规律，如下图所示时间的变化规律，如下图所示(3)特点分析：特点分析：线圈转动过程中的平均电动势如何求？线圈转动过程中的平均电动势如何求？答案答案：线圈在转动过程中某一段时间内或从一个位置：线圈在转动过程中某一段时间内或从一个位置到另一个位置的过程中所产生的电动势，称为平均电动势，到另一个位置的过程中所产生的电动势，称为平均电动势，它不等于始、末两时刻瞬时值的平均值，必须用法拉第电它不等于始、末两时刻瞬时值的平均值，必须用法拉第电磁感应定律计算，即磁感应定律计算，即 同理，计算交变电流在某段时间内通过导体横截面的同理，计算交变电流在某段时间内通过导体横截面的电荷量，也必须用

14、平均值，即电荷量，也必须用平均值，即 如图所示，虚线如图所示，虚线OO的左边存在着方向垂直于纸面向的左边存在着方向垂直于纸面向里的匀强磁场，右边没有磁场单匝矩形线圈里的匀强磁场，右边没有磁场单匝矩形线圈abcd的对称的对称轴恰与磁场右边界重合，线圈平面与磁场垂直线圈沿图轴恰与磁场右边界重合，线圈平面与磁场垂直线圈沿图示方向绕示方向绕OO轴以角速度轴以角速度匀速转动匀速转动(即即ab边先向纸外、边先向纸外、cd边先向纸里转动边先向纸里转动)，规定沿，规定沿abcda方向为感应电流方向为感应电流的正方向若从图示位置开始计时，下列四个图象中能正的正方向若从图示位置开始计时，下列四个图象中能正确表示线

15、圈内感应电流确表示线圈内感应电流i随时间随时间t变化规律的是变化规律的是()解析解析： ab一侧的线框在磁场中绕一侧的线框在磁场中绕OO转动转动产生正弦交变电流，由楞次定律得电流方向为产生正弦交变电流，由楞次定律得电流方向为dcba且越来越大；且越来越大； ，ab一侧线框在磁场外，而一侧线框在磁场外，而dc一侧一侧线框又进入磁场，产生交变电流，电流方向为线框又进入磁场，产生交变电流，电流方向为dcba且越来越小，以此类推，可知且越来越小，以此类推，可知it图象为图象为B.答案答案：B 如图所示，一面积为如图所示，一面积为S的单匝矩形线圈处于有界磁场的单匝矩形线圈处于有界磁场中，能使线圈中产生交

16、变电流的是中，能使线圈中产生交变电流的是 ()A将线圈水平向右匀速拉出磁场将线圈水平向右匀速拉出磁场B使线圈以使线圈以OO为轴匀速转动为轴匀速转动C使线圈以使线圈以ab为轴匀速转动为轴匀速转动D磁场以磁场以BB0sint规律变化规律变化答案答案：BCD解析解析：将线圈向右拉出磁场时，线圈中电流方向不变，：将线圈向右拉出磁场时，线圈中电流方向不变，A错，错，B、C两种情况下产生交变电流，只是在两种情况下产生交变电流，只是在C情况下当情况下当线圈全部位于磁场外的一段时间内线圈内没有电流，由法线圈全部位于磁场外的一段时间内线圈内没有电流，由法拉第电磁感应定律可知拉第电磁感应定律可知D种情况下产生按余

17、弦规律变化的种情况下产生按余弦规律变化的电流，电流，B、C、D对对. 如下图如下图(a)所示，所示，“匚匚”形金属导轨水平放置，导轨形金属导轨水平放置，导轨上跨接一金属棒上跨接一金属棒ab，与导轨构成闭合回路，并能在导轨上，与导轨构成闭合回路，并能在导轨上自由滑动在导轨左侧与自由滑动在导轨左侧与ab平行放置的导线平行放置的导线cd中通以下图中通以下图(b)所示的交变电流，规定电流方向自所示的交变电流，规定电流方向自c向向d为正，则为正，则ab棒受棒受到向左的安培力的时间是到向左的安培力的时间是 ()A0t1Bt1t2Ct2t3 Dt3t4解析解析：0t1时间内，电流时间内，电流i由由cd且逐渐

18、增大，由安培且逐渐增大，由安培定则及楞次定律可判定：闭合回路中的磁场方向垂直纸面定则及楞次定律可判定：闭合回路中的磁场方向垂直纸面向里，金属棒向里，金属棒ab中的电流方向由中的电流方向由ab，再由左手定则可判，再由左手定则可判定，此时定，此时ab棒所受安培力向左选项棒所受安培力向左选项A正确同理可判断正确同理可判断出出t1t2时间内，时间内，t3t4时间内时间内ab棒所受安培力向右，棒所受安培力向右，t2t3时间内时间内ab棒所受安培力向左棒所受安培力向左答案答案：AC点评：本题是安培定则、楞次定律及左手定则与交流点评：本题是安培定则、楞次定律及左手定则与交流电变化规律的综合判断题分析时从电变

19、化规律的综合判断题分析时从cd中电流的变化规律中电流的变化规律出发，对各时间段内的电流变化引起的磁通量变化、感应出发，对各时间段内的电流变化引起的磁通量变化、感应电流的产生、电流在磁场中的受力方向逐一做出判断电流的产生、电流在磁场中的受力方向逐一做出判断(2010南京六中高二期中南京六中高二期中)一矩形线圈，绕垂直于匀强一矩形线圈，绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定轴转动，线圈中的感应电动磁场并位于线圈平面内的固定轴转动，线圈中的感应电动势势e随时间随时间t变化如图所示，下面说法正确的是变化如图所示，下面说法正确的是 ()At1时刻通过线圈的磁通量为零时刻通过线圈的磁通量为零Bt2时刻通过

20、线圈的磁通量的绝对值最大时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大Ct3时刻通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大时刻通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大D每当每当e变换方向时，通过线圈的磁通量绝对值都为变换方向时，通过线圈的磁通量绝对值都为最大最大答案答案：D解析解析：t1、t3时刻线圈中的感应电动势时刻线圈中的感应电动势e0，故为线圈，故为线圈通过中性面的时刻，此时线圈的磁通量应为最大，磁通量通过中性面的时刻，此时线圈的磁通量应为最大，磁通量的变化率为零故的变化率为零故A、C不正确不正确t2时刻时刻eEm，应为线圈平面转至与磁感线平行时刻，应为线圈平面转至与磁感线平行时刻，磁通量为零，磁通量的变化率最大，

21、磁通量为零，磁通量的变化率最大，B也不正确每当也不正确每当e变变换方向时，也就是线圈通过中性面的时刻，通过线圈的磁换方向时，也就是线圈通过中性面的时刻，通过线圈的磁通量绝对值最大，通量绝对值最大，D正确正确.如图所示，匀强磁场如图所示，匀强磁场B0.1T，所用矩形线圈的匝数，所用矩形线圈的匝数N100，边长，边长ab0.2m，bc0.5m，以角速度，以角速度100rad/s绕绕OO轴匀速转动当线圈平面通过中性面时开始计时，轴匀速转动当线圈平面通过中性面时开始计时，试求：试求：(1)线圈中感应电动势的大小线圈中感应电动势的大小解析解析：(1)解法一：线圈经过时间解法一：线圈经过时间t转过角度转过

22、角度t，这，这时时bc和和da边不切割磁感线，边不切割磁感线，ab和和cd边切割磁感线产生感应边切割磁感线产生感应电动势电动势eabecdNBabvsint答案答案：(1)e314sin100tV(2)200V点评：解决此类题目首先要搞清正弦式电流产生的原点评：解决此类题目首先要搞清正弦式电流产生的原理，其次要搞清题意：第理，其次要搞清题意：第(1)问没有给出时间，即要求写出问没有给出时间，即要求写出感应电动势随时间感应电动势随时间t变化的函数关系；第变化的函数关系；第(2)问要理解平均电问要理解平均电动势既不是最大电动势值的一半，也不是等于历时一半时动势既不是最大电动势值的一半，也不是等于历

23、时一半时间的瞬时电动势，必须由法拉第电磁感应定律求解间的瞬时电动势，必须由法拉第电磁感应定律求解有一有一10匝正方形线框，边长为匝正方形线框，边长为20cm，线框总电阻为，线框总电阻为1，线框绕，线框绕OO轴以轴以10rad/s的角速度匀速转动，如图所的角速度匀速转动，如图所示垂直于线框平面向里的匀强磁场的磁感应强度为示垂直于线框平面向里的匀强磁场的磁感应强度为0.5T.问：问：(1)该线框产生的交变电流电动势最大值、电流最大值该线框产生的交变电流电动势最大值、电流最大值分别是多少？分别是多少？(2)线框从图示位置转过线框从图示位置转过60时，感应电动势的瞬时值时，感应电动势的瞬时值是多大？是

24、多大？(3)写出感应电动势随时间变化的表达式写出感应电动势随时间变化的表达式解析解析：(1)交变电流电动势最大值为交变电流电动势最大值为EmnBS10210V6.28V，电流的最大值为，电流的最大值为ImEm/R6.28/1A6.28A.(2)线框转过线框转过60时，感应电动势时，感应电动势EEmsin605.44V.(3)由于线框转动是从中性面开始计时的，所以瞬时值由于线框转动是从中性面开始计时的，所以瞬时值表达式为表达式为eEmsinttV.磁铁在电器中有广泛的应用，如发电机，如图所示，磁铁在电器中有广泛的应用，如发电机，如图所示，已知一台单相发电机转子导线框共有已知一台单相发电机转子导线框共有N匝，线框长为匝，线框长为L1，宽为宽为L2，转子的转动角速度为，转子的转动角速度为，磁极间的磁感应强度为，磁极间的磁感应强度为B.导出发电机的瞬时电动势导出发电机的瞬时电动势E的表达式现在知道有一种强的表达式现在知道有一种强永磁材料钕铁硼，用它制成发电机的磁极时，磁感应强度永磁材料钕铁硼，用它制成发电