高中物理 第五章 交变电流第一节 交变电流课件 新人教版选修32.ppt

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 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 又能广泛联系实际 对于开阔思路 提高思维能力是非常有益的 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的基础 本章可分为三个单元 第一单元 第1 2节 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 第二单元 第3节 讲授电感和电容对交变电流的影响 第三单元 第4 5节 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工作原理 难点是正弦交流电的描述及变压器的实际应用 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 考纲须知 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 如图所示是实验室手摇发电机 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电流 什么是交变电流 与直流电流有什么不同 它又是如何产生的呢 1 大小和方向都 这样的电流叫做交变电流 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 图中只画出了一匝线圈 它的ab边连在金属滑环k上 cd边连在滑环l上 两个滑环通过金属片做的电刷a b和外电路相连 线圈沿逆时针方向转动 我们观察ab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 电流 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 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 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e 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i 答案 1 随时间做周期性变化的电流 2 由a向b 由b向a 导线ab的运动方向和磁感线平行 不断改变 3 emsin t umsin t imsin t 1 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 ac 说明 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 如下图所示图象中属于交流电的有 答案 abc解析 图a b c中e的方向均发生了变化 故它们属于交流电 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变化 如d选项 尽管大小随时间变化的图象与a相似 但因其方向不变 仍是直流电 1 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 2 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 3 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 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 感应电流的方向改变两次 4 我国工农业生产及生活使用的交变电流 即市电 都是正弦式电流 特别提醒 1 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 2 感应电动势的大小由磁通量变化率决定 与磁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 答案 bcd解析 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 1 函数形式 电动势瞬时值e emsin t 电压的瞬时值u umsin t 电流的瞬时值i imsin t 2 图象形式 用正弦 或余弦 曲线表示交变电流随时间的变化规律 如下图所示 3 特点分析 线圈转动过程中的平均电动势如何求 答案 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 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 也必须用平均值 即 如图所示 虚线oo 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abcd的对称轴恰与磁场右边界重合 线圈平面与磁场垂直 线圈沿图示方向绕oo 轴以角速度 匀速转动 即ab边先向纸外 cd边先向纸里转动 规定沿a b c d a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确表示线圈内感应电流i随时间t变化规律的是 解析 ab一侧的线框在磁场中绕oo 转动产生正弦交变电流 由楞次定律得电流方向为d c b a且越来越大 ab一侧线框在磁场外 而dc一侧线框又进入磁场 产生交变电流 电流方向为d c b a且越来越小 以此类推 可知i t图象为b 答案 b 如图所示 一面积为s的单匝矩形线圈处于有界磁场中 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b 使线圈以oo 为轴匀速转动c 使线圈以ab为轴匀速转动d 磁场以b b0sin t规律变化答案 bcd解析 将线圈向右拉出磁场时 线圈中电流方向不变 a错 b c两种情况下产生交变电流 只是在c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 由法拉第电磁感应定律可知d种情况下产生按余弦规律变化的电流 b c d对 如下图 a 所示 匚 形金属导轨水平放置 导轨上跨接一金属棒ab 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ab平行放置的导线cd中通以下图 b 所示的交变电流 规定电流方向自c向d为正 则ab棒受到向左的安培力的时间是 a 0 t1b t1 t2c t2 t3d t3 t4解析 0 t1时间内 电流i由c d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向里 金属棒ab中的电流方向由a b 再由左手定则可判定 此时ab棒所受安培力向左 选项a正确 同理可判断出t1 t2时间内 t3 t4时间内ab棒所受安培力向右 t2 t3时间内ab棒所受安培力向左 答案 ac 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cd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 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 线圈中的感应电动势e随时间t变化如图所示 下面说法正确的是 a t1时刻通过线圈的磁通量为零b t2时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大c t3时刻通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大d 每当e变换方向时 通过线圈的磁通量绝对值都为最大 答案 d解析 t1 t3时刻线圈中的感应电动势e 0 故为线圈通过中性面的时刻 此时线圈的磁通量应为最大 磁通量的变化率为零 故a c不正确 t2时刻e em 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 b也不正确 每当e变换方向时 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 d正确 如图所示 匀强磁场b 0 1t 所用矩形线圈的匝数n 100 边长ab 0 2m bc 0 5m 以角速度 100 rad s绕oo 轴匀速转动 当线圈平面通过中性面时开始计时 试求 1 线圈中感应电动势的大小 解析 1 解法一 线圈经过时间t转过角度 t 这时bc和da边不切割磁感线 ab和cd边切割磁感线产生感应电动势eab ecd nbabvsin t 答案 1 e 314sin100 tv 2 200v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 1 问没有给出时间 即要求写出感应电动势随时间t变化的函数关系 第 2 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间的瞬时电动势 必须由法拉第电磁感应定律求解 有一10匝正方形线框 边长为20cm 线框总电阻为1 线框绕oo 轴以10 rad s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0 5t 问 1 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 2 线框从图示位置转过60 时 感应电动势的瞬时值是多大 3 写出感应电动势随时间变化的表达式 解析 1 交变电流电动势最大值为em nbs 10 0 5 0 22 10 v 6 28v 电流的最大值为im em r 6 28 1a 6 28a 2 线框转过60 时 感应电动势e emsin60 5 44v 3 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e emsin t 6 28sin10 tv 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n匝 线框长为l1 宽为l2 转子的转动角速度为 磁极间的磁感应强度为b 导出发电机的瞬时电动势e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 磁感应强度可增大到原来的k倍 如果保持发电机结构和尺寸 转子转动角速度 产生的电动势都不变 那么这时转子上的导线框需要多少匝 解析 设切割磁感线线圈边长是l1 线圈从中性面开始经过时间t转过的角度为 则 t 如图所示 由几何关系知 线圈绕轴转动的线速度v在t时刻与磁场b的夹角也为 当矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时 会产生正弦交变电流 让电流通过一小灯泡 小灯泡会亮 请同学们做以下实验 找一