交变电流课件-高二下学期物理人教版选择性4

§1交变电流高二物理（人教版2019）第三章交变电流选择性必修第二册新课引入选择性必修第二册电池直流供电时电压的波形学生电源交流挡供电时电压的波形1.恒定电流：大小方向都不随时间变化的电流2.直流电：方向不随时间变化的电流DC大小可以改变3.交流电：方向随时间做周期性变化的电流AC新课讲授选择性必修第二册1.交流发电机的基本构造新课讲授KLEF

选择性必修第二册定子转子电刷新课讲授2.交变电流的产生选择性必修第二册

立体图

平面图

新课讲授2.交变电流的产生选择性必修第二册

新课讲授选择性必修第二册2.交变电流的产生

如果匝数为N，那么

三、交变电流的变化规律1.中性面(1)中性面：与磁感线

的平面.(2)当线圈平面位于中性面时，线圈中的磁通量

，线圈中的电流

.2.从中性面开始计时，线圈中产生的电动势的瞬时值表达式：e＝

，Em叫作电动势的

，Em＝

.3.正弦式交变电流：按

规律变化的交变电流叫作正弦式交变电流，简称

.垂直最大为零Emsinωt峰值NωBS正弦正弦式电流4.正弦式交变电流和电压电流表达式i＝

，电压表达式u＝

.其中Im、Um分别是电流和电压的

，也叫

.ImsinωtUmsinωt最大值峰值四、交流发电机1.主要构造：

和

.2.分类(1)旋转电枢式发电机：

转动，

不动.(2)旋转磁极式发电机：

转动，

不动.电枢磁体电枢磁极磁极电枢判断下列说法的正误.(1)只要线圈在磁场中转动，就可以产生交变电流.(

)(2)线圈在通过中性面时磁通量最大，电流也最大.(

)(3)线圈在通过中性面时电流的方向发生改变.(

)(4)从线圈平面经中性面时开始计时，在线圈转动90°角的时间内，电流的瞬时值一直增大.(

)(5)从线圈平面与中性面垂直开始计时，在线圈转动2圈的过程中电流方向改变4次.(

)即学即用××√√√返回探究重点提升素养Part

2一、交变电流与直流1.交变电流大小和方向随时间做周期性变化的电流叫作交变电流，简称交流.2.常见的交变电流的波形图实际应用中，交变电流有着不同的变化规律，常见的有以下几种，如图所示.3.直流方向不随时间变化的电流叫作直流，大小和方向都不随时间变化的电流叫作恒定电流.(多选)(2021·三明市高二期中)下列图像描述的电流属于交变电流的是例1√√大小和方向随时间做周期性变化的电流叫作交变电流，电流的方向没有发生变化，不属于交变电流，故选项B、C错误，选项A、D正确.二、交变电流的产生假定线圈绕OO′轴沿逆时针方向匀速转动，如图所示，则：导学探究(1)线圈转动一周的过程中，线圈中的电流方向如何变化？甲乙丙丁电流沿ABCD方向电流沿DCBA方向电流沿ABCD方向电流沿DCBA方向甲乙丙丁中性面中性面A(B)D(C)A(B)D(C)A(B)D(C)A(B)D(C)甲乙丙丁Φ最大，E=0，i=0Φ=0，E最大，i最大Φ最大，E=0，i=0Φ=0，E最大，i最大甲ω设

t＝0时线圈刚好转到中性面（如甲图）位置，此时导线AB的速度方向刚好与磁感线平行，因此感应电动势为0。设线圈旋转的角速度为ω，AB和CD的长度为l，AD和BC的长度为d，则经过时间t，线框转过的角度

θ＝ωt，如图所示。线框旋转过程中AB和CD的速度

v＝ω

，与磁感线垂直的速度为

vsinθ，即

sinωt。根据法拉第电磁感应定律，线框上产生的感应电动势e＝2Blvsinθ＝Bldωsinωt＝BSωsinωt

其中，S

表示线框的面积·×ωtθAD中性面设

Em＝BSω，可知线框的电动势是随时间按正弦函数规律变化的，为

e

＝

Emsinωt

（1）式中

Em

是常数，表示电动势可能达到的最大值。对于单匝线圈，Em＝BSω；如果线圈匝数为

N，则

Em＝NBSω。乙A(B)D(C)甲乙丙丁甲线圈经过中性面时，线圈中电流的方向发生改变．在一个周期内，电流方向改变2次发电机的电动势按正弦规律变化，所以当负载为电灯等纯电阻用电器时，负载两端的电压u、流过的电流i，也按正弦规律变化，即

e＝NBSωsinωt=Emsinωt(1)

i＝sinωt

=Imsinωt(2)

u＝iR=

ImRsinωt=Umsinωt(3)式中

Um

和

Im

分别是电压和电流的最大值，也叫峰值（peakvalue），而e、u、i则是相应的物理量的瞬时值。这种按正弦规律变化的交变电流叫作正弦式交变电流，简称正弦式电流(sinusoidalcurrent)。如图是正弦式交变电流电动势e、电流i和电压u

随时间变化的图像。e=Emsinωti=Imsinωtu=Umsinωt知识深化两个特殊位置1.中性面位置(S⊥B，如图中的甲、丙)线圈平面与磁场垂直的位置，此时Φ最大，

为0，e为0，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(S∥B，如图中的乙、丁)此时Φ为0，

最大，e最大，i最大.(2022·汪清第六中学高二期末)如图所示线圈匀速转动或匀速直线运动，能产生交变电流的是例2√A图中，转轴与磁场平行，线圈中磁通量不会发生变化，故没有感应电流产生，故A错误；B图中，根据E＝BLv，可知产生的是恒定电流，不会产生交变电流，故B错误；C图中，穿过闭合回路的磁通量不变，没有感应电流产生，故C错误；D图中，线圈沿垂直磁场的转轴转动，可以产生交变电流，故D正确.在水平向右的匀强磁场中，一线框绕垂直于磁感线的轴匀速转动，线框通过电刷、圆环、导线等与定值电阻组成闭合回路.t1、t2时刻线框分别转到如图甲、乙所示的位置，图甲中线框与磁感线平行，图乙中线框与磁感线垂直，下列说法正确的是A.t1时刻穿过线框的磁通量最大B.t1时刻通过电阻的电流最大，方向从右向左C.t2时刻穿过线框的磁通量变化最快D.t2时刻通过电阻的电流最大，方向从右向左针对训练1√t1时刻，穿过线框的磁通量为零，线框产生的感应电动势最大，通过电阻的电流最大，根据楞次定律判断知通过电阻的电流方向从右向左，A错误，B正确；t2时刻，穿过线框的磁通量最大，磁通量的变化率为零，线框产生的感应电动势为零，通过电阻的电流为零，C、D错误.三、正弦式交变电流的变化规律如图所示，线圈平面绕bc边的中点从中性面开始转动，角速度为ω.经过时间t，线圈转过的角度是ωt，ab边的线速度v的方向跟磁感线方向间的夹角也等于ωt.设ab边长为L1，bc边长为L2，线圈面积S＝L1L2，磁感应强度为B，则：导学探究导学探究(1)ab边产生的感应电动势为多大？(2)整个线圈中的感应电动势为多大？答案整个线圈中的感应电动势由ab和cd两边产生的感应电动势组成，且eab＝ecd，所以e总＝eab＋ecd＝BSωsinωt.导学探究(3)若线圈有N匝，则整个线圈的感应电动势为多大？答案若线圈有N匝，则相当于N个完全相同的电源串联，所以e＝NBSωsinωt.知识深化1.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e＝Emsinωt，i＝Imsinωt，u＝Umsinωt(2)从与中性面垂直的位置开始计时e＝Emcosωt，i＝Imcosωt，u＝Umcosωt.2.交变电流的峰值知识深化说明电动势峰值Em＝NωBS由线圈匝数N、磁感应强度B、转动角速度ω和线圈面积S决定，与线圈的形状无关，与转轴的位置无关.如图所示的几种情况中，如果N、B、ω、S均相同，则感应电动势的峰值均相同.课本P532.图3.1-3中，设磁感应强度为0.01T，单匝线圈边长AB为20cm，宽BC为10cm，转速

n＝50r/s，求线圈转动时感应电动势的最大值。甲乙丙丁Em＝BSω=BS·2πn=0.01×0.2×0.1×2×3.14×50V=0.06V3.一台发电机产生正弦式电流。如果发电机电动势的峰值

Em＝400V，线圈匀速转动的角速度

ω＝314rad/s，试写出电动势瞬时值的表达式（设0时刻电动势瞬时值为0）。如果这个发电机的外电路只有电阻元件，总电阻为2kΩ，电路中电流的峰值为多少？写出电流瞬时值的表达式。电动势瞬时值的表达式:e＝Emsinωt=400sin(314t)电路中电流的峰值:A=0.2A电流瞬时值的表达式:i＝Imsinωt=0.2sin(314t)4.如图3.1-9所示，KLMN是一个竖直的矩形导线框，全部处于磁感应强度为B的水平方向的匀强磁场中，线框面积为S，MN边水平，线框绕某一竖直固定轴以角速度ω匀速转动。在MN边与磁场方向的夹角到达30°的时刻（图示位置），导线框中产生的瞬时电动势e的大小是多少？标出线框此时的电流方向。已知线框按俯视的逆时针方向转动。图3.1-9MN边与磁场方向的夹角到达30°时,线圈平面与中性面夹角为60°Em＝BSωe＝Emsinωt=BSωsin60°=BSω

如图所示，匀强磁场的磁感应强度B＝

，边长L＝10cm的正方形线圈abcd共100匝，线圈总电阻r＝1Ω，线圈绕垂直于磁感线的轴OO′匀速转动，角速度ω＝2πrad/s，外电路电阻R＝4Ω.求：(1)转动过程中线圈中感应电动势的最大值.例3(2)从图示位置(线圈平面与磁感线平行)开始计时，感应电动势的瞬时值表达式.从题图所示位置开始计时，感应电动势的瞬时值表达式为e＝Emcosωt＝cos2πt(V).(3)由图示位置转过30°角时电路中电流的瞬时值.从题图所示位置转过30°角时感应电动势的瞬时值(4)线圈从开始计时经s时线圈中的感应电流的瞬时值.(5)电阻R两端电压的瞬时值表达式.确定正弦式交变电流的电动势瞬时值表达式的基本方法1.确定线圈转动从哪个位置开始计时，以确定瞬时值表达式是按正弦规律变化还是按余弦规律变化.2.确定线圈转动的角速度.3.确定感应电动势的峰值Em＝NωBS.4.写出瞬时值表达式e＝Emsinωt或e＝Emcosωt.规律总结四、交变电流的图像如图甲、乙所示，从图像中可以得到以下信息：(1)交变电流的峰值Em、Im.(2)两个特殊值对应的位置：(3)e、i大小和方向随时间的变化规律.(2021·福建师大二附中高二期中)一闭合矩形线圈abcd绕垂直于磁感线的固定轴OO′匀速转动，线圈平面位于如图甲所示的匀强磁场中.通过线圈的磁通量Φ随时间t的变化规律图像如图乙所示，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.t2、t4时刻线圈中感应电流方向改变C.t2、t4时刻线圈中通过的磁通量最大D.t1、t3时刻线圈中感应电动势最小例4√由题图乙知t2、t4时刻通过线圈的磁通量最小，线圈与中性面垂直，线圈中感应电流方向不发生改变，B、C错误；t1、t3时刻通过线圈的磁通量最大，而线圈中磁通量的变化率为零，感应电动势最小，A错误，D正确.(2022·长春市第二中学高二期末)如图所示为交流发电机模型的示意图.位于磁场中的矩形导线框abcd可绕过其对称轴的轴线(图中虚线)转动.已知在t＝0时刻，线框的平面与磁场方向垂直(图示位置)，并从此位置开始以恒定的角速度绕转轴沿逆时针方向转动.若规定通过电阻的电流方向为由e到f为正，则下列i－t图像正确的是针对训练2√在t＝0时刻，线框处于中性面位置，此时产生的感应电动势为零，感应电流为零，故A、D错误；根据楞次定律和安培定则可知在前

时间内，产生的感应电流方向为由a到b，故流过电阻的电流方向为由f到e，与规定的正方向相反，故C正确，B错误.返回考点一交变电流的理解与产生1.(多选)下列图像中属于交变电流的有基础对点练√√√选项D中，电流大小随时间变化，但因其方向不变，所以是直流.选项A、B、C中i的大小和方向均做周期性变化，故它们属于交变电流.12345678910112.(多选)下图中，哪些情况线圈中产生了交变电流1234567891011√√√3.交流发电机发电示意图如图所示，线圈转动过程中，下列说法正确的是A.转到图甲位置时，通过线圈的磁通量变化率最大B.转到图乙位置时，线圈中产生的感应电动势为零C.转到图丙位置时，线圈中产生的感应电流最大D.转到图丁位置时，AB边中感应电流方向为A→B√12345678910111234567891011转到题图甲位置时，线圈平面与磁感线垂直，穿过线圈的磁通量最大，但磁通量变化率最小，为零，选项A错误；转到题图乙位置时，线圈平面与磁感线平行，线圈中产生的感应电动势最大，选项B错误；1234567891011转到题图丙位置时，线圈位于中性面位置，此时线圈中产生的感应电流最小，选项C错误；转到题图丁位置时，线圈平面与磁感线平行，切割速度与磁感线垂直，根据右手定则可知，AB边中感应电流方向为A→B，选项D正确.考点二正弦式交变电流的变化规律4.交流发电机工作时电动势为e＝Emsinωt，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e′变为1234567891011√感应电动势的瞬时值表达式e＝Emsinωt，而Em＝NBωS，ω＝2πn，当n提高一倍时，ω加倍；当ω加倍而S减半时，Em不变，故C正确.5.(多选)如图所示，单匝矩形线圈abcd放在匀强磁场中，磁感应强度为B，ad＝bc＝l1，ab＝cd＝l2.从图示位置起该线圈以角速度ω绕不同转轴匀速转动，则A.以OO′为转轴时，感应电动势e＝Bl1l2ωsinωtB.以O1O1′为转轴时，感应电动势e＝Bl1l2ωsinωtC.以OO′为转轴时，感应电动势e＝Bl1l2ωcosωtD.以OO′为转轴跟以ab为转轴一样，感应电动势e＝Bl1l2ωcosωt1234567891011√√1234567891011以O1O1′为轴转动时，磁通量不变，不产生交变电流，故B错误；无论以OO′为轴还是以ab为轴转动，感应电动势的最大值都是Bl1l2ω，由于是从与磁场平行的面开始计时，产生的是余弦式交变电流，故C、D正确，A错误.6.(2021·娄底市高二检测)如图所示，KLMN是一个竖直的矩形导线框，全部处于磁感应强度为B的水平方向的匀强磁场中，线框面积为S，MN边水平，线框绕某竖直固定轴以角速度ω匀速转动.在MN边与磁场方向的夹角达到30°的时刻(图示位置)，导线框中产生的瞬时电动势e的大小和线框中感应电流的方向分别为(已知线框按俯视的逆时针方向转动)√12345678910111234567891011MN边与磁场方向成30°夹角时，线框中产生的感应电动势大小为e＝Emcosωt＝BSωcos30°＝

BSω，由右手定则可知线框中感应电流方向为KNMLK，选项B正确.1234567891011考点三交变电流的图像7.(多选)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匀速转动，线圈中的感应电动势e随时间t变化的规律如图所示，则下列说法正确的是A.图中曲线是从线圈平面与磁场方向平行时开始

计时的B.t1和t3时刻穿过线圈的磁通量为零C.t1和t3时刻穿过线圈的磁通量的变化率为零D.感应电动势e的方向变化时，穿过线圈的磁通量最大√√√1234567891011由题图可知，当t＝0时，感应电动势最大，说明穿过线圈的磁通量的变化率最大，磁通量为零，即题图中曲线是从线圈平面与磁场方向平行时开始计时的，选项A正确；t1、t3时刻感应电动势为零，穿过线圈的磁通量的变化率为零，磁通量最大，选项B错误，C正确；感应电动势e的方向变化时，线圈通过中性面，此时穿过线圈的磁通量最大，选项D正确.8.(多选)如图甲所示，一个矩形线圈abcd在匀强磁场中绕垂直于磁场方向且与线圈共面的轴OO′匀速转动，从某个时刻开始计时，穿过线圈的磁通量Φ随时间t的变化如图乙所示，则下列说法中正确的是A.t＝0时刻线圈处于中性面位置B.t1、t3时刻线圈中的感应电流最大且

方向相同C.t2、t4时刻穿过矩形线圈的磁通量最

大，但感应电流却为零D.t5时刻穿过线圈的磁通量为零，磁通量的变化率也为零√√12345678910111234567891011t＝0时刻穿过线圈的磁通量最大，所以线圈处在中性面位置，故A正确；t1、t3时刻穿过线圈的磁通量为零，线圈平面与磁场平行，磁通量的变化率最大，感应电流最大，但方向相反，故B错误；t2、t4时刻穿过矩形线圈的磁通量最大，磁通量的变化率为零，所以感应电流为零，故C正确；t5时刻穿过线圈的磁通量为零，磁通量的变化率最大，故D错误.9.如图所示，一矩形线圈abcd放置在匀强磁场中，并绕过ab、cd中点的轴OO′以角速度ω逆时针匀速转动.若以线圈平面与磁场夹角θ＝45°时为计时起点，并规定当电流自a流向b时电流方向为正，则下列四幅图像中可能正确的是能力综合练√12345678910111234567891011以线圈平面与磁场夹角θ＝45°时为计时起点，由楞次定律结合安培定则可判断，初始时刻电流方向为b到a，为负值，且线圈远离中性面，磁通量Φ减小，电流增大，故选项C正确.10.如图所示，单匝矩形线圈的一半放在具有理想边界的匀强