2019_20学年高中物理第二章交变电流第一节_第二节认识交变电流交变电流的描述课件粤教版.pptx

第二章 交变电流,第一节 认识交变电流 第二节 交变电流的描述,学科素养与目标要求,物理观念： 1.会观察电流(或电压)的波形图，理解交变电流和正弦式交变电流的概念. 2.知道交变电流的变化规律及表示方法，知道交变电流的瞬时值、峰值的物理含义. 科学思维： 1.从法拉第电磁感应定律和楞次定律分析感应电流的产生过程，会推导正弦式电流的电动势和电流随时间的变化规律. 2.认识交变电流的图象，并根据图象解决具体问题.,NEIRONGSUOYIN,内容索引,自主预习,达标检测,课时对点练,预习新知 夯实基础,检测评价 达标过关,注重双基 强化落实,重点探究,启迪思维 探究重点,自主预习,(2)观察方法：用示波器进行观察. 4.日常生活和生产中所使用的交变电流：它是按_变化的交变电流.,1.恒定电流：_都不随时间改变的电流，简称直流. 2.交变电流：_都随时间做周期性变化的电流，简称交流. 3.波形图 (1)定义：电流或电压随_变化的图象(如图1所示).,一、交变电流,图1,强弱和方向,强弱和方向,时间,正弦规律,二、交变电流的产生,1.闭合线圈置于_磁场中，并绕_方向的轴_转动. 2.中性面：线圈平面与磁感线_时的位置. (1)线圈处于中性面位置时，穿过线圈的磁通量_，但线圈中的电流为_. (2)线圈每次经过中性面时，线圈中感应电流的方向都要改变.线圈转动一周，感应电流的方向改变_次.,匀强,垂直于磁场,匀速,垂直,最大,零,两,三、交变电流的变化规律,1.正弦式交变电流 (1)定义：按_规律变化的交变电流，简称_. (2)函数表达式和图象.,正弦,正弦式电流,注：表达式中Em、Um、Im分别是电动势、电压、电流的_，而e、u、i则是这几个量的_.,峰值,瞬时值,2.几种常见的交变电流的波形,尖脉冲,正弦,式,扫描,形脉冲,矩,1.判断下列说法的正误. (1)如图2所示的电流为交变电流.( ),即学即用,图2,(2)如图3所示的电流为交变电流.( ),图3,(3)线圈在磁场中转动，通过中性面时磁通量最大，电流也最大.( ) (4)线圈在磁场中转动，通过中性面时电流的方向发生改变.( ) (5)当线圈在匀强磁场中绕垂直磁场的轴做匀速圆周运动，线圈中的电流就是正(或余)弦式电流.( ),2.有一个正方形线圈的匝数为10匝，边长为20 cm，线圈总电阻为1 ，线圈绕OO轴以10 rad/s的角速度匀速转动，如图4所示，匀强磁场的磁感应强度为0.5 T，该线圈产生的感应电动势的峰值为_，感应电流的峰值为_，若从中性面位置开始计时，感应电动势的瞬时值表达式为_.,图4,6.28 V,6.28 A,e6.28sin 10t (V),解析 电动势的峰值为EmnBS100.50.2210 V6.28 V,感应电动势瞬时值表达式为eEmsin t6.28sin 10t (V).,重点探究,一、交变电流的产生,1.交变电流的产生过程分析 假定线圈绕OO轴沿逆时针方向匀速转动，如图5甲至丁所示，在四个过程中线圈中的电流方向如下表所示.,图5,2.两个特殊位置 (1)中性面(SB位置，如图中的甲、丙) 线圈平面与磁场垂直的位置，此时通过线圈的磁通量最大，磁通量变化率 为0，电动势e为0，电流i为0. 线圈经过中性面时，电流方向发生改变，线圈转一圈电流方向改变两次. (2)垂直中性面位置(SB位置，如图中的乙、丁) 此时通过线圈的磁通量为0，磁通量变化率 最大，电动势e最大，电流i 最大.,例1 (多选)矩形线框绕垂直于匀强磁场且在线框平面内的轴匀速转动时产生了交变电流，下列说法正确的是 A.当线框位于中性面时，线框中感应电动势最大 B.当穿过线框的磁通量为零时，线框中的感应电动势也为零 C.每当线框经过中性面时，感应电动势或感应电流的方向就改变一次 D.线框经过中性面时，各边切割磁感线的速度为零,解析 线框位于中性面时，线框平面与磁感线垂直，穿过线框的磁通量最大，但此时切割磁感线的两边的速度与磁感线平行，即不切割磁感线，所以感应电动势等于零，此时穿过线框的磁通量的变化率也等于零，感应电动势或感应电流的方向也就在此时刻发生变化.线框垂直于中性面时，穿过线框的磁通量为零，但切割磁感线的两边都垂直切割，有效切割速度最大，所以感应电动势最大，也可以说此时穿过线框的磁通量的变化率最大，故选项C、D正确.,二、交变电流的变化规律,1.感应电动势随时间的变化规律 如图6所示，线圈平面绕OO(O为bc边的中点，O为ad边的中点)所在直线从中性面开始转动，角速度为.设ab边长为L1，bc边长为L2，线圈面积为SL1L2，磁感应强度为B.,图6,(1)设经过时间t，线圈转过的角度是t，ab边的线速度v的方向跟磁感线方向间的夹角为t，则ab边切割磁感线产生的感应电动势eabBL1vsin t cd边切割磁感线产生的感应电动势ecdeab 整个线圈中的感应电动势eeabecdBSsin t. (2)若线圈的匝数为N，则整个线圈产生的感应电动势eNBSsin t.,2.峰值,说明：峰值由线圈匝数N、磁感应强度B、转动角速度和线圈面积S决定，与线圈的形状无关，与转轴的位置无关. 如图7所示的几种情况中，如果N、B、S均相同，则感应电动势的峰值均为EmNBS.,图7,3.正弦式交变电流的瞬时值表达式 (1)从中性面位置开始计时 eEmsin t，iImsin t，uUmsin t. (2)从与中性面垂直的位置开始计时 eEmcos t，iImcos t，uUmcos t.,解析 线圈转速n300 r/min5 r/s， 角速度2n10 rad/s， 线圈产生的感应电动势最大值EmNBS50 V， 由此得到的感应电动势瞬时值表达式为 eEmsin t50sin 10t (V).,(1)线圈中感应电动势的瞬时值表达式；,例2 一矩形线圈，面积是0.05 m2，共100匝，线圈电阻r2 ，外接电阻R 8 ，线圈在磁感应强度 的匀强磁场中以n300 r/min的转速绕垂直于 磁感线的轴匀速转动，如图8所示，若从中性面开始计时，求：,图8,答案 e50sin 10t (V),(3)外电路R两端电压瞬时值的表达式.,答案 u40sin 10t (V),提示 注意确定线圈转动从哪个位置开始计时，从而确定表达式是正弦函数还是余弦函数.,三、交变电流的图象,如图9甲、乙所示，从图象中可以解读到以下信息：,图9,(1)交变电流的峰值Em、Im；,(2)两个特殊值对应的位置：,(3)分析判断e、i大小和方向随时间的变化规律.,例3 (2017海安高级中学高二上学期期中)处在匀强磁场中的矩形线圈abcd以恒定的角速度绕ab边转动，磁场方向平行于纸面并与ab边垂直.在t0时刻，线圈平面与纸面重合，如图10所示，线圈的cd边离开纸面向外运动.若规定沿abcda方向的感应电流为正，则图中能反映线圈中感应电流i随时间t变化的图象是,图10,解析 线圈在磁场中从题图位置开始匀速转动时可以产生按余弦规律变化的交变电流.对于题图起始时刻，线圈的cd边离开纸面向纸外运动，速度方向和磁场方向垂直，产生的电动势的瞬时值最大；用右手定则判断出电流方向为abcda，与规定的正方向相同，所以C正确.,例4 (多选)矩形线框在匀强磁场内绕垂直磁场方向的轴匀速转动的过程中，线框输出的交流电压随时间变化的图象如图11所示，下列说法正确的是,图11,A.第1 s末线圈平面垂直于磁场，通过线圈的磁通量变化率最大 B.第1 s末线圈平面平行于磁场，通过线圈的磁通量变化率最大 C.第2 s末线圈平面平行于磁场，通过线圈的磁通量最小 D.第2 s末线圈平面垂直于磁场，通过线圈的磁通量最大,学科素养 通过以上四个例题，使学生进一步熟悉：1.中性面是线圈平面与磁场垂直的位置.2.当线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动，且从中性面位置开始计时时，线圈中产生的感应电流是正弦式电流，满足表达式eEmsin t，iImsin t，uUmsin t，也可用正弦图象表示et、it、ut的变化规律.通过这样的提炼和升华，较好地体现了“物理观念”和“科学思维”的学科素养.,达标检测,1.(交变电流的产生)(多选)如图中哪些情况线圈中产生了交变电流,1,2,3,4,解析 由交变电流的产生条件可知，轴必须垂直于磁感线，但对线圈的形状及转轴的位置没有特殊要求，故选项B、C、D正确.,2.(交变电流的产生和变化规律)(2018北京市丰台区下学期综合练习)如图12所示，(a)(b)(c)(d)(e)过程是交流发电机发电的示意图，线圈的ab边连在金属滑环K上，cd边连在金属滑环L上，用导体制成的两个电刷分别压在两个滑环上，线圈在转动时可以通过滑环和电刷保持与外电路连接.下列说法正确的是,1,2,3,4,图12,A.图(a)中，线圈平面与磁感线垂直，磁通量变化率最大 B.从图(b)开始计时，线圈中电流i随时间t变化的关系是iImsin t C.当线圈转到图(c)位置时，感应电流最小，且感应电流方向改变 D.当线圈转到图(d)位置时，感应电动势最小，ab边感应电流方向为ba,1,2,3,4,解析 题图(a)中，线圈在中性面位置，故穿过线圈的磁通量最大，磁通量变化率为0，故A错误； 从线圈在中性面位置开始计时的表达式才是iImsin t，故B错误； 当线圈转到题图(c)位置时，线圈在中性面位置，故穿过线圈的磁通量最大，产生的感应电流最小，为零，电流方向将改变，故C正确； 当线圈转到题图(d)位置时，穿过线圈的磁通量最小，磁通量的变化率最大，故感应电动势最大，ab边感应电流方向为ba，故D错误.,1,2,3,4,A.t0时刻，线圈平面与中性面垂直 B.t0.01 s时刻，的变化率最大 C.t0.02 s时刻，感应电动势达到最大 D.该线圈产生的相应感应电动势的图象如图乙所示,3.(交变电流的图象)一个矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，穿过线圈的磁通量随时间变化的图象如图13甲所示，则下列说法中正确的是,1,2,3,4,图13,解析 由题图甲可知t0时刻，穿过线圈的磁通量最大，线圈处于中性面位置；t0.01 s时刻，穿过线圈的磁通量为零，但变化率最大，故A项错误，B项正确. t0.02 s时刻，感应电动势应为零，故C、D项错误.,1,2,3,4,(1)转动过程中线圈中感应电动势的最大值；,4.(交变电流的变化规律)如图14所示，匀强磁场的磁感应强度 ，边长L 10 cm的正方形线圈abcd共100匝，线圈总电阻r1 ，线圈绕垂直于磁感线的轴OO匀速转动，角速度2 rad/s，外电路电阻R4 .求：,1,2,3,4,图14,解析 设转动过程中线圈中感应电动势的最大值为Em，,(2)从图示位置(线圈平面与磁感线平行)开始感应电动势的瞬时值表达式；,1,2,3,4,(3)由图示位置转过30角电路中电流的瞬时值.,1,2,3,4,课时对点练,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,一、选择题 考点一 交变电流的产生 1.如图所示，属于交变电流的是,13,解析 方向随时间做周期性变化是交变电流最重要的特征. A、B、D三项所示的电流大小随时间做周期性变化，但其方向不变，不是交变电流，它们是直流电，故A、B、D错误； C选项中电流符合交变电流的特征，故C正确.,2.关于线圈在匀强磁场中绕垂直磁场方向的轴匀速转动产生的交变电流，以下说法中正确的是 A.线圈平面每经过中性面一次，感应电流的方向就改变一次，感应电动势的 方向不变 B.线圈每转动一周，感应电流的方向就改变一次 C.线圈平面每经过中性面一次，感应电动势和感应电流的方向都要改变一次 D.线圈转动一周，感应电动势和感应电流的方向都要改变一次,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,解析 根据正弦式交变电流的变化规律可得，如果从中性面开始计时有eEmsin t和iImsin t；如果从垂直于中性面的位置开始计时有eEmcos t和iImcos t，不难看出：线圈平面每经过中性面一次，感应电流的方向就改变一次，感应电动势的方向也改变一次；线圈每转动一周，感应电流和感应电动势的方向都改变两次，故C正确.,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,A.磁通量最大，磁通量变化率最大，感应电动势最大 B.磁通量最小，磁通量变化率最大，感应电动势最大 C.磁通量最大，磁通量变化率最小，感应电动势最小 D.磁通量最小，磁通量变化率最小，感应电动势最小,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,3.一个矩形线圈，在匀强磁场中绕一个垂直磁场方向的固定轴匀速转动，当线圈处于如图1所示位置时(线圈平面与磁感线平行)，它的,13,图1,解析 线圈处于题图所示位置时，它与磁感线平行，磁通量为零，磁通量变化率最大，感应电动势最大，选项A、C、D错误，B正确.,A.大小和方向都随时间做周期性变化 B.大小和方向都不随时间做周期性变化 C.大小不断变化，方向总是PRQ D.大小不断变化，方向总是QRP,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,4.如图2所示，一矩形线圈绕与匀强磁场垂直的中心轴OO沿顺时针方向转动，引出线的两端分别与相互绝缘的两个半圆形铜环M和N相连.M和N又通过固定的电刷P和Q与电阻R相连.在线圈转动过程中，通过电阻R的电流,13,图2,解析 半圆环交替接触电刷，从而使输出电流方向不变，这是一个直流发电机模型，由右手定则知，外电路中电流方向是PRQ，故C正确.,解析 由图知，只有A、B图在切割磁感线，导致磁通量在变化，从而产生感应电流，但B中在t0时产生的感应电动势最大，不按正弦规律变化，故只有A中产生正弦交变电动势eBSsin t，A正确.,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,考点二 交变电流的变化规律 5.(2018聊城市高二下学期期末)如图所示，面积均为S的单匝线圈绕轴在磁感应强度为B的匀强磁场中以角速度匀速转动，从图中所示位置开始计时，下图中能产生正弦交变电动势eBSsin t的是,13,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,6.交流发电机工作时电动势为eEmsin t，若将发电机的转速提高一倍，同时将电枢所围面积减小一半，其他条件不变，则其电动势变为,13,解析 感应电动势的瞬时值表达式eEmsin t，而EmnBS，当加倍而S减半时，Em不变，故正确答案为C.,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,7.(多选)如图3所示，一单匝闭合线框在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴OO匀速转动，转动过程中线框中产生的感应电动势的瞬时值表达式为e0.5sin (20t) V，由该表达式可推知以下哪些物理量,13,图3,A.匀强磁场的磁感应强度 B.线框的面积 C.穿过线框的磁通量的最大值 D.线框转动的角速度,解析 根据正弦式交变电流的感应电动势的瞬时值表达式：eBSsin t，可得20 rad/s，而穿过线框的磁通量的最大值为mBS，所以可以根据BS0.5 V求出磁通量的最大值m0.025 Wb，无法求出匀强磁场的磁感应强度和线框的面积，故C、D正确.,A.线圈中的感应电流一直在减小 B.线圈中的感应电流先增大后减小 C.穿过线圈的磁通量一直在减小 D.穿过线圈的磁通量的变化率一直在减小,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,8.(多选)如图4所示，一矩形闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的转轴OO以恒定的角速度转动，从线圈平面与磁场方向平行时开始计时，则在 这段时间内,13,图4,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,A.t1时刻通过线圈的磁通量最大 B.t2时刻通过线圈的磁通量为0 C.t3时刻通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大 D.每当电流方向变化时，线圈平面就会与中性面垂直,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,考点三 交变电流的图象 9.(2018烟台市高二下学期期末)一矩形线圈绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定转轴匀速转动，线圈中产生的感应电动势e随时间t的变化规律如图5所示.下列说法中正确的是,13,图5,解析 t1时刻，感应电动势为最大值，通过线圈的磁通量为零，故A错误； t2时刻感应电动势为零，线圈处于中性面位置，通过线圈的磁通量最大，故B错误； t3时刻感应电动势最大，由法拉第电磁感应定律知感应电动势 ，可知此 时通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大，故C正确； 每当电流转换方向时，线圈平面与磁场方向垂直，处于中性面位置，故D错误.,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,10.一闭合矩形线圈abcd绕垂直于磁感线的固定轴OO匀速转动，线圈平面位于如图6甲所示的匀强磁场中，通过线圈的磁通量随时间t的变化规律如图乙所示，下列说法正确的是,A.t1、t3时刻通过线圈的磁通量变化率最大 B.t1、t3时刻线圈中感应电流方向改变 C.t2、t4时刻线圈中磁通量最大 D.t2、t4时刻线圈中感应电动势最小,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,图6,解析 由题图乙可知，t1、t3时刻通过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率最小，选项A错误； t1、t3时刻线圈处于中性面位置，故此时刻的感应电流方向改变，选项B正确； t2、t4时刻线圈中磁通量最小，磁通量的变化率最大，感应电动势最大，选项C、D错误.,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,11.在垂直纸面向里的有界匀强磁场中放置了矩形线圈abcd.线圈cd边沿竖直方向且与磁场的右边界重合.线圈平面与磁场方向垂直.从t0时刻起，线圈以