高中物理第五章交变电流第1课时交变电流学案新人教版.docx

第1课时交变电流研究选考把握考情知识内容交变电流考试要求加试c教学要求1.知道交变电流，能区分直流和交变电流2.知道交流发电机的基本结构与工作原理，了解中性面的概念3.知道正弦式交变电流的图象描述4.知道正弦式交变电动势、电压、电流的瞬时值表达式，理解峰值的意义5.区分特殊位置的磁通量与磁通量变化率，理解磁通量变化率与电动势之间的关系说明1.不要求知道交流发电机各部分的名称2.不要求推导交流电动势的瞬时值表达式3.不要求计算线圈在磁场中转动时的电动势知识点一交变电流基 础 梳 理1.交变电流：大小和方向随时间做周期性变化的电流，简称交流。2.直流：方向不随时间变化的电流。3.图象特点：(1)恒定电流的图象是一条与时间轴平行的直线。(2)交变电流的图象随时间做周期性变化，如正弦交变电流的图象：即 学 即 练如图所示的各电流中不是交变电流的是_。解析由于交变电流的大小和方向随时间做周期性的变化，故B、C为交变电流的图象，A、D不是。答案AD知识点二交变电流的产生基 础 梳 理1.正弦式交变电流的产生：将闭合矩形线圈置于匀强磁场中，并绕垂直磁场方向的轴匀速转动。2.中性面线圈平面与磁感线垂直时的位置。(1)线圈处于中性面位置时，穿过线圈的最大，但线圈中的电流为零。(2)线圈每次经过中性面时，线圈中感应电流方向都要改变。线圈转动一周，感应电流方向改变两次。要 点 精 讲1.正弦式交变电流的产生过程分析如图1所示为线圈ABCD在磁场中绕轴OO转动时的截面图，AB和CD两个边切割磁感线，产生电动势，线圈中就有了电流(或者说穿过线圈的磁通量发生变化而产生了感应电流)。具体分析如图2所示，当线圈转动到图甲位置时，导体不切割磁感线，线圈中无电流；当线圈转动到图乙位置时，导体垂直切割磁感线，线圈中有电流，且电流从A端流入；线圈在图丙位置同线圈在图甲位置；线圈在图丁位置时，电流从A端流出，这说明电流方向发生了改变；线圈在图戊位置同在图甲位置。线圈这样转动下去，就在线圈中产生了交变电流。图1图22.交变电流产生过程中的两个特殊位置图示概念中性面位置与中性面垂直的位置特点BSBSBS，最大0，最小en0，最小ennBS，最大感应电流为零，方向改变感应电流最大，方向不变【例1】 下列各图中哪些情况线圈中产生了交变电流()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别要求。故选项B、C、D正确。答案BCD知识点三交变电流的变化规律基 础 梳 理1.正弦式交变电流瞬时值表达式：(1)当从中性面开始计时：eEmsin_t。(2)当从与中性面垂直的位置开始计时：eEmcos_t。2.正弦式交变电流的峰值表达式：EmnBS与线圈的形状及转动轴的位置无关。(填“有关”或“无关”)要 点 精 讲1.交变电动势的峰值和交变电流的峰值交变电动势最大值，由线圈匝数n、磁感应强度B、转动角速度及线圈面积S决定，与线圈的形状无关，与转轴的位置无关，因此如图3所示的几种情况，若n、B、S、相同，则电动势的最大值相同。图3由欧姆定律得交变电流的峰值可表示为Im。2.交变电流的瞬时值变化规律若线圈给外电阻R供电，设线圈本身的电阻为r，由闭合电路的欧姆定律得isin t，可写成iImsin t。即线圈中的交变电流按正弦函数规律变化，这种交变电流叫正弦式交变电流。【例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，问：图4(1)该线圈产生的交变电流电动势的峰值、电流的峰值分别是多少？(2)若从中性面位置开始计时，写出感应电动势随时间变化的表达式；(3)线圈从中性面位置开始转过30时，感应电动势的瞬时值是多大？解析(1)交变电流电动势的峰值为EmnBS100.50.2210 V6.28 V电流的峰值为Im6.28 A。(2)从中性面位置开始计时，感应电动势的瞬时值表达式为eEmsint6.28sin 10t(V)。(3)线圈从中性面位置开始转过30，感应电动势的瞬时值eEmsin303.14 V。答案(1)6.28 V6.28 A(2)e6.28sin10 t(V)(3)3.14 V名师点睛交变电流瞬时值表达式的书写技巧(1)确定正弦交变电流的峰值，根据已知图象读出或由公式EmnBS求出相应峰值。(2)明确线圈的初始位置，找出对应的函数关系式。线圈从中性面位置开始转动，则it图象为正弦函数图象，函数式为iImsin t。线圈从垂直中性面位置开始转动，则it图象为余弦函数图象，函数式为iImcos t。(3)线圈在匀强磁场中匀速转动产生正弦式交变电流，产生的交变电流与线圈的形状无关。如图5所示，若线圈的面积与例2中的图所示的线圈面积相同，则答案完全相同。图5知识点四正弦交变电流的图象基 础 梳 理正弦交变电流随时间的变化情况可以从图象上表示出来，图象描述的是交变电流随时间变化的规律，它是一条正弦曲线，如图6所示，分别是交变电流的et图象(如图甲)、ut图象(如图乙)、it图象(如图丙)。甲图6要 点 精 讲由图6甲可以确定出以下信息：(1)可以读出正弦交变电流的峰值Em。(2)可根据线圈转至中性面时电动势为零的特点，确定线圈处于中性面的时刻，确定了该时刻，也就确定了磁通量最大的时刻和磁通量变化率最小的时刻，如tt2，tt4时刻。(3)可根据线圈转至与磁场平行时感应电动势最大的特点，确定线圈与中性面垂直的位置，此位置也就是磁通量为零的时刻和磁通量变化率最大的时刻，如tt1，tt3时刻。(4)可以确定某一时刻电动势大小以及某一时刻电动势的变化趋势，如tt1，tt2时刻。【例3】 矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，所产生的交变电流的波形如图7所示，可知()图7A.在t1时刻穿过线圈的磁通量达到峰值B.在t2时刻穿过线圈的磁通量达到峰值C.在t3时刻穿过线圈的磁通量的变化率达到峰值D.在t4时刻穿过线圈的磁通量的变化率达到峰值解析由题图可知，t1和t3时刻，i最大，所以这两个时刻磁通量的变化率最大，线圈处于垂直中性面的位置，穿过线圈的磁通量为0。t2和t4两时刻i0，即0，线圈处于中性面位置，此时穿过线圈的磁通量最大。答案 BC1.矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，在线圈平面经过中性面瞬间()A.线圈平面与磁感线平行B.穿过线圈的磁通量最大C.线圈中的感应电动势最大D.线圈中感应电动势的方向突变解析在线圈平面垂直于磁感线时，各边都不切割磁感线，线圈中没有感应电流，这样的位置叫做中性面。线圈平面经过中性面瞬间，穿过线圈的磁通量最大，线圈中的感应电动势为零，此后，感应电动势方向(即感应电流方向)将与原方向相反。所以选项B、D正确，A、C错误。答案BD2.关于矩形线圈在匀强磁场中转动时产生的正弦交变电流，正确的说法是()A.线圈每转动一周，感应电流方向改变一次B.线圈每转动一周，感应电动势方向改变一次C.线圈每转动一周，感应电流方向改变两次，感应电动势方向改变一次D.线圈每转动一周，感应电流方向和感应电动势方向都改变两次解析感应电动势和感应电流的方向，每经过中性面时改变一次，每个周期内方向改变两次，故选项D正确。答案D3.交流发电机在工作时电动势为eEmsin t，若将发电机的角速度提高一倍，同时将线框所围面积减小一半，其他条件不变，则其电动势变为()A.eEmsin B.e2Emsin C.eEmsin 2t D.esin 2t解析交变电流的瞬时值表达式eEmsin t，其中EmnBS，当加倍而S减半时，Em不变，故选项C正确。答案C4.一矩形线圈，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的变化如图8所示。下列说法正确的是()图8A.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最大C.t3时刻通过线圈的磁通量的变化率的绝对值最大D.每当e转换方向时，通过线圈的磁通量均最大解析t1时刻e0，故线圈位于中性面，磁通量最大，选项A错误；t2时刻e最大，故线圈位于中性面之垂面，磁通量为0，选项B错误；t3时刻e0，故磁通量变化率为0，选项C错误；e转换方向时，线圈位于中性面，故磁通量均最大，选项D正确。答案 D一、选择题(在每小题给出的四个备选项中至少有一个是符合题目要求的。)1.(2017台州市高二期中)如图所示，属于交变电流的是()解析交变电流是指电流的大小和方向均随时间做周期性变化的电流；由图可知，符合条件的只有C。答案C2.要使处于磁场中的闭合线圈产生正弦式交变电流，则需同时满足()A.线圈处于匀强磁场中B.线圈的轴与匀强磁场的磁感线平行C.线圈的轴与匀强磁场的磁感线垂直D.线圈绕轴匀速转动解析磁场中的闭合线圈产生正弦式交变电流，则磁场需是匀强磁场、线圈的轴与磁感线垂直、线圈在磁场中绕轴匀速转动，故选项A、C、D正确，B错误。答案ACD3.矩形线框绕垂直于匀强磁场且在线框平面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方向就改变一次D.线框经过中性面时，各边不切割磁感线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方向与磁感线平行，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等于零，感应电动势或感应电流的方向在此时刻变化；垂直于中性面时，穿过线框的磁通量为零，切割磁感线的两边的速度方向与磁感线垂直，有效切割磁感线速度最大，所以感应电动势最大，此时穿过线框的磁通量的变化率最大，故选项C、D正确，A、B错误。答案CD4.(2017长郡中学)如图1所示，一正方形线圈abcd在匀强磁场中绕垂直于磁感线的对称轴OO匀速转动，沿着OO观察，线圈沿逆时针方向转动。已知匀强磁场的磁感应强度为B，线圈匝数为n，边长为l，电阻为R，转动的角速度为。则当线圈转至与中性面垂直位置时()图1A.线圈中感应电流的方向为abcdaB.线圈中的感应电流为C.穿过线圈的磁通量为零D.穿过线圈磁通量的变化率为零解析ad向里运动，根据右手定则可知，线圈中的电流方向为adcba，选项A错误；EmnBl2，电流Im，故Im，选项B正确；因线圈平面平行于磁感线，故穿过线圈的磁通量为零，选项C正确；因电动势最大，故穿过线圈的磁通量的变化率最大，选项D错误。答案BC5.(2017金陵中学)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，线圈平面与纸面重合(如图2)，线圈的cd边离开纸面向外运动。若规定由abcda方向的感应电流为正，则能反映线圈中感应电流I随时间t变化的图象是()图2解析因t0时，线圈平面与纸面重合，故t0时电流最大；又因t0时线圈的cd边离开纸面向外运动，故线圈中的电流方向为abcda，与规定的正方向相同，所以选项C正确。答案C6.线圈在匀强磁场中匀速转动，产生交变电流的图象如图3所示，由图可知()图3A.在A、C时刻线圈处于中性面位置B.在B、D时刻穿过线圈的磁通量为零C.从A时刻到D时刻线圈转过的角度为D.若从0时刻到D时刻用了0.02 s，则在1 s内交变电流的方向改变100次解析在A、C时刻，电流最大，线圈平面与中性面垂直，选项A错误；在B、D时刻，电流为0，线圈平面处于中性面位置，磁通量最大，选项B错误；从A时刻到D时刻，线圈转动了T，故转过，选项C错误；从0时刻到D时刻用了0.02 s，故T0.02 s，而一个周期内交变电流的方向改变2次，所以在1 s内交变电流的方向改变100次，选项D正确。答案D7.一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4所示。则下列说法正确的是()图4A.t0时，线圈平面与中性面垂直B.t0.01 s时，的变化率为0C.t0.02 s时，感应电动势达到最大D.从t0.01 s至t0.04 s线圈转过的角度是解析t0时，最大，故线圈平面位于中性面，选项A错误；t0.01 s时，图线斜率的绝对值最大，故的变化率最大，选项B错误；t0.02 s时，图线的斜率为0，故感应电动势达到最小，选项C错误；从t0.01 s至t0.04 s线圈经历了四分之三个周期，故转过的角度是，选项D正确。答案D8.如图5所示，、两个并排放置的共轴线圈，中通有如图所示的交流电，则下列判断错误的是()图5A.在t1到t2时间内，相吸B.在t2到t3时间内，相斥C.t1时刻两线圈间作用力为零D.t2时刻两线圈间吸引力最大解析t1到t2时间内线圈中电流正向减小，在线圈中产生感应电流也为正向，故两线圈相互吸引，故A选项说法正确；t2到t3时间内，线圈中电流负向增大，在中产生正向的感应电流，相互排斥，B选项说法正确；t1时刻电流最大，但变化率为零，在中不产生感应电流，两线圈作用力为零，C选项说法正确；t2时刻中电流为零，但变化率最大，中感应电流最大，作用力为零，故D选项说法错误。答案D9.矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，产生的感应电动势的最大值为Em，转动的角速度为。设t0时线圈平面与磁场平行，当线圈的匝数增加一倍，角速度也增大一倍，其他条件不变时，交变电流的感应电动势瞬时值表达式为()A.e2Emsin 2t B.e4Emsin 2tC.eEmcos 2t D.e