高二物理（人教版）教学课件 选择性必修二 第三章 第1节　交变电流

第三章交变电流交变电流(强基课—逐点理清物理观念)第1节课标要求学习目标1.通过实验,认识交变电流。2.能用公式和图像描述正弦式交变电流。1.理解中性面、交变电流的峰值和瞬时值的准确含义。2.结合发电机示意图,用法拉第电磁感应定律推导正弦式交变电流电动势的表达式。3.利用交流发电机模型及示意图,分析交变电流的产生原理。1逐点清(一)交变电流2逐点清(二)交变电流的产生和变化规律3逐点清(三)交流发电机4课时跟踪检测CONTENTS目录逐点清(一)交变电流1.波形图:在显示屏上显示的电压(或电流)随_____变化的图像。2.交变电流:随时间做________变化的电流,简称交流。3.直流:____不随时间变化的电流,如电池供给的电流、日常使用的各种充电器输出的电流等。多维度理解时间周期性方向交变电流的电动势、电压、电流都随时间做周期性变化,不仅方向做周期性变化,其大小也可能做周期性变化。1.判断下列说法是否正确。(1)如果电流大小随时间做周期性变化,则一定是交变电流。

()(2)直流电的大小和方向一定不变。

()(3)交变电流一定是按正弦规律变化的。

()(4)交变电流的最大特征就是电流方向随时间做周期性变化。

()全方位练明×××√2.下列所示图像中属于交变电流的是

(

)解析:交变电流是指电流、电压的方向随时间做周期性变化的电流,故选A。√3.下列属于交变电流的是

,属于直流的是

。交变电流与直流的本质区别是

。

(1)(2)(6)(3)(4)(5)电流方向是否改变逐点清(二)交变电流的产生

和变化规律1.交变电流的产生(1)产生条件:在匀强磁场中,闭合线圈绕垂直于磁场方向的轴转动。(2)线圈转动时产生的感应电流随时间变化的曲线:多维度理解

3.正弦式交变电流的变化规律(1)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____________。(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=__________,其中Em=________为交变电流电动势的峰值。

正弦正弦式电流EmsinωtNBSω说明:①若从与中性面垂直的位置开始计时,e=Emcosωt。②电动势峰值Em=NBSω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。

1.正弦式交变电流的产生条件(1)匀强磁场。(2)线圈匀速转动。(3)线圈的转轴垂直于磁场方向。2.两个特殊位置的对比

中性面中性面的垂直位置图示位置线圈平面与磁场垂直线圈平面与磁场平行磁通量最大0磁通量的变化率0最大感应电动势0最大感应电流0最大电流方向改变情况改变不变续表

(3)写出感应电动势随时间变化的表达式。[答案]

e=2πsin10πt(V)[解析]

由于是从线圈转动到中性面开始计时的,所以感应电动势瞬时值表达式为e=Emsin

ωt=2πsin

10πt(V)。

[变式拓展]

对应[典例]中的情境,如果从线圈与中性面垂直的位置开始计时,交变电流的感应电动势瞬时值的表达式是什么?提示:e=NBSωcos

ωt=2πcos

10πt(V)。

(3)明确线圈的初始位置,找出对应的函数关系式:①线圈从中性面位置开始转动,则e-t、i-t、u-t图像为正弦函数图像,函数式为正弦函数。②线圈从垂直中性面位置开始转动,则e-t、i-t、u-t图像为余弦函数图像,函数式为余弦函数。1.(2024·山东济宁期中)关于线圈在匀强磁场中转动时产生的交变电流,以下说法正确的是

(

)A.线圈平面每经过中性面一次,感应电流方向就改变一次,感应电动势方向不变B.线圈每转动一周,感应电流方向就改变一次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.线圈每转动一周,感应电动势和感应电流方向都要改变一次全方位练明√解析:线圈转至中性面时,线圈平面垂直于磁感线,穿过线圈的磁通量最大,但磁通量的变化率、感应电动势、感应电流均为零,电流方向恰好发生变化。因此,线圈在匀强磁场中转动产生交变电流时,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。线圈每转动一周,经过中性面两次,感应电动势和感应电流的方向都改变两次。故选C。2.(2024·河北邢台期末)交流发电机模型如图所示,矩形线圈ABCD在匀强磁场中绕其中心轴OO'匀速转动,从线圈平面与磁场垂直时开始计时,已知线圈转动的角速度ω=2πrad/s,下列说法正确的是

(

)A.线圈中产生按余弦规律变化的交变电流B.t=0.25s时,线圈位于中性面C.t=0.5s时,穿过线圈的磁通量变化率最大D.t=0.75s时,线圈的感应电动势最大√

3.(2024·山东高考)如图甲所示,在-d≤x≤d、-d≤y≤d的区域中存在垂直Oxy平面向里、磁感应强度大小为B的匀强磁场(用阴影表示磁场的区域),边长为2d的正方形线圈与磁场边界重合。线圈以y轴为转轴匀速转动时,线圈中产生的交变电动势如图乙所示。若仅磁场的区域发生了变化,线圈中产生的电动势变为图丙所示实线部分,则变化后磁场的区域可能为

(

)√

逐点清(三)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。多维度理解电枢磁体电枢磁极磁极电枢1.关于交流发电机和直流电动机,下列说法正确的是

(

)A.电动机是利用电磁感应现象制成的,工作时把机械能转化为电能B.电动机是利用磁场对电流的作用制成的,工作时把电能转化为机械能C.发电机是利用电磁感应现象制成的,工作时把电能转化为机械能D.发电机是利用磁场对电流的作用制成的,工作时把机械能转化为电能全方位练明√解析:电动机是利用磁场对电流作用的现象制成的,工作时把电能转化为机械能,故A错误,B正确;发电机是利用电磁感应现象制成的,工作时把机械能转化为电能,故C、D错误。2.(多选)交流发电机的示意图如图所示,线圈的AB边连在金属滑环K上,CD边连在金属滑环L上,两个电刷E、F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的连接。关于其工作原理,下列分析正确的是

(

)A.当线圈平面转到中性面的瞬间,穿过线圈的磁通量最大B.当线圈平面转到中性面的瞬间,线圈中的感应电流最大C.当线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间,穿过线圈的磁通量最小D.当线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间,线圈中的感应电流最小√√解析:当线圈平面转到中性面的瞬间,穿过线圈的磁通量最大,磁通量的变化率为零,所以感应电动势为零,线圈中的感应电流为零,故A正确,B错误;当线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间,线圈平面与磁场方向平行,所以此时穿过线圈的磁通量为零,磁通量的变化率最大,所以感应电动势最大,线圈中的感应电流最大,故C正确,D错误。课时跟踪检测A级——基础达标1.下列各图像中不属于交流电的是(

)解析:题图A中电流的方向不变,是直流电,题图B、C、D中电流的大小、方向都做周期性变化,是交流电,B、C、D错误,A正确。123456789101112√1567891011122.(2024·江苏苏州期中)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的轴匀速转动,线圈内的磁通量随时间t变化的图像如图乙所示。则下列说法中正确的是

(

)234156789101112A.t1时刻线圈中的感应电动势最大B.t2时刻ab边的运动方向与磁场方向平行C.t3时刻线圈平面与中性面垂直D.t2和t4时刻线圈中感应电流的方向相反234√156789101112解析:t1时刻通过线圈的磁通量最大,此时磁通量的变化率等于零,故感应电动势为零,故A错误;t2时刻磁通量为零,线圈与磁场平行,故ab边的运动方向跟磁场方向垂直,故B错误;t3时刻通过线圈的磁通量最大,故此时线圈平面与中性面重合,故C错误;由题图乙可知,t2和t4时刻Φ-t图线切线的斜率相反,由法拉第电磁感应定律可知,t2和t4时刻产生的感应电动势方向相反,t2和t4时刻线圈中感应电流方向相反,故D正确。2341567891011123.(2024·江苏南京期末)一矩形线圈绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定轴转动,线圈中的感应电动势e随时间t的变化规律如图所示,下列说法中正确的是

(

)A.每当e转换方向时,通过线圈的磁通量变化率刚好为零B.t1时刻通过线圈的磁通量绝对值最小C.t2时刻通过线圈的磁通量绝对值最大D.t3时刻通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大234√156789101112

2341567891011124.(多选)如图所示为演示交变电流产生的装置图,关于这个实验,下列说法正确的是

(

)A.线圈每转动一周,指针左右摆动一次B.图示位置为中性面,线圈中无感应电流C.线圈逆时针转动到图示位置时,ab边的感应电流方向为a→b

D.线圈平面与磁场方向平行时,磁通量变化率为0234√√156789101112解析:线圈在磁场中匀速转动时,在电路中产生呈周期性变化的交变电流,线圈经过中性面时电流改变方向,线圈每转动一周,有两次通过中性面,电流方向改变两次,指针左右摆动一次,A正确;题图示位置为与中性面垂直的位置,线圈处于题图示位置时,ab边向右运动,由右手定则可知,ab边的感应电流方向为a→b,B错误,C正确;线圈平面与磁场方向平行时,穿过线圈的磁通量为0,磁通量的变化率最大,D错误。2341567891011125.(2024·贵州铜仁期末)(多选)如图为交流发电机示意图,线圈沿逆时针方向匀速转动,下列说法正确的是

(

)234156789101112A.甲→乙过程中,AB边中的电流由A→BB.丙→丁过程中,AB边中的电流由A→BC.图甲位置线圈中感应电动势最大D.图乙位置线圈中感应电流最大234√√156789101112解析:甲→乙过程中,根据右手定则可知,AB边中的电流由B→A,故A错误;丙→丁过程中,根据右手定则可知,AB边中的电流由A→B,故B正确;题图甲位置,线圈中磁通量最大,磁通量变化率为零,线圈中感应电动势最小,故C错误;题图乙位置,线圈中磁通量为零,磁通量变化率最大,线圈中感应电动势最大,感应电流最大,故D正确。2341567891011126.(2024·河南郑州期中)如图所示,一个竖直放置、匝数为n的矩形线圈abcd在水平向右的匀强磁场中以角速度ω匀速转动,转轴OO'与磁场方向垂直,线圈面积为S,磁感应强度大小为B,下列说法正确的是

(

)A.线圈平面与磁场垂直时,磁通量为零B.线圈平面与磁场垂直时,磁通量变化最快C.线圈平面与磁场平行时,磁通量变化率最大D.感应电动势最大值为BSω234√156789101112解析:线圈平面与磁场垂直时,磁通量最大,感应电动势为零,磁通量的变化率为零,磁通量变化最慢,故A、B错误;线圈平面与磁场平行时,磁通量为零,磁通量的变化率最大,感应电动势最大值为Em=nBSω,故C正确,D错误。2341567891011127.(2024·河南南阳期末)如图所示,空间有一匀强磁场水平向右,一正方形导线框abcd平行于磁场方向放置,已知导线粗细均匀,若该线框分别绕不同轴线以相同大小的角速度转动,以下说法正确的是

(

)A.线框绕ac轴转动,线框中不会产生交流电B.线框分别绕AB轴和CD轴从图示位置开始转动时产生的交流电相同C.若以ab为轴转动,不会产生周期性电流,但a、d两点间会有电势差D.沿AB方向观察,从图示位置开始线框分别绕ad轴和bc轴顺时针转动,线框中瞬间产生的感应电流方向相反234√156789101112解析:绕ac轴转动时,线框磁通量变化,线框中有交流电产生,A错误;绕AB轴转动时,在线框中产生正弦式交流电,绕CD轴转动时,线框磁通量不变,无交流电产生,B错误;若以ab为轴转动,线框无磁通量变化,不会产生交流电,但会在cb、da两端产生电动势,C正确;以ad或bc为轴顺时针转动,根据楞次定律可知,电流方向均为abcd,D错误。2341567891011128.线圈的匝数为100匝,在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动时,穿过线圈的磁通量随时间的变化规律如图所示。下列结论正确的是

(

)A.在t=0和t=0.2s时,线圈平面和磁场垂直,感应电动势最大B.在t=0.1s和t=0.3s时,线圈平面和磁场垂直,感应电动势为0C.在t=0.2s和t=0.4s时,电流改变方向D.在t=0.1s和t=0.3s时,线圈切割磁感线的有效速率最大234√156789101112解析:在t=0、t=0.2

s、t=0.4

s时,磁通量最小,线圈位于和磁场平行的位置,感应电动势最大,电流方向没有发生改变,A、C错误;在t=0.1

s和t=0.3

s时,磁通量最大,线圈位于和磁场垂直的位置,感应电动势为0,磁通量变化率为0,线圈切割磁感线的有效速率最小,D错误,B正确。234156789101112

234156789101112解析:线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴线匀速转动时,线圈内产生正弦交流电动势,当线圈平面在中性面时开始计时,其表达式为e=Emsin

ωt,其中Em=NBSω(与线圈形状无关),ω=2πn=20π

rad/s,故e=100sin

20πt(V)。234156789101112

234156789101112B级——综合应用10.(2024·广西桂林期中)如图甲所示是市面上流行的手摇手机充电器,它体型小,携带方便,可以在紧急状态下给手机临时充电,其示意图如图乙所示。若某人摇动手柄给手机充电时,其内部线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动,下列说法正确的是(

)234156789101112A.线圈转动的快慢程度不会影响回路中的电流大小B.当线圈转到图乙所示位置时,电流方向将发生改变C.若从图乙位置开始计时,线圈中的电流瞬时值表达式为i=ImsinωtD.当线圈转到图乙所示位置时