高二物理（人教版）学案 选择性必修二 第三章 第1节　交变电流

7/7eq\a\vs4\al(第三章交变电流)第1节交变电流(强基课—逐点理清物理观念)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。逐点清(一)交变电流[多维度理解]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。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。[全方位练明]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。()2．下列所示图像中属于交变电流的是()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________________________________________________________________________。逐点清(二)交变电流的产生和变化规律[多维度理解]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：2．中性面(1)中性面：线圈平面与磁感线垂直的位置。(2)线圈处于中性面位置时，穿过线圈的磁通量Φ最大，但eq\f(ΔΦ,Δt)＝0，e＝0，i＝0。(3)线圈越过中性面，线圈中感应电流方向要改变。线圈转一周，两次经过中性面，感应电流方向改变两次。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。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。(3)正弦式交变电流和电压电流表达式i＝Imsinωt，电压表达式u＝Umsinωt，其中Im＝eq\f(Em,R＋r)，Um＝eq\f(Em,R＋r)R。(4)正弦式交变电流的图像(如图所示)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[典例]如图所示，有一匝数为10匝的正方形线圈，边长为20cm，线圈总电阻为1Ω，线圈绕OO′轴以10πrad/s的角速度匀速转动，垂直于线圈平面向里的匀强磁场的磁感应强度为0.5T。(线圈转动到中性面开始计时)(1)求该线圈产生的交变电流的电动势最大值、电流最大值分别为多少？(2)线圈从图示位置转过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。尝试解答：[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？/方法技巧/正弦式交变电流瞬时值表达式的书写技巧(1)确定正弦式交变电流的峰值：根据已知图像读出或由公式Em＝NBSω求出相应峰值。(2)确定线圈的角速度：可根据线圈的转速或周期由ω＝eq\f(2π,T)＝2πf求出，f表示线圈的频率也可表示每秒的转数。(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e­t、i­t、u­t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e­t、i­t、u­t图像为余弦函数图像，函数式为余弦函数。[全方位练明]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[多维度理解]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。[全方位练明]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第三章交变电流第1节交变电流逐点清(一)[多维度理解]1．时间2.周期性3.方向[全方位练明]1．(1)×(2)×(3)×(4)√2．选A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．(1)(2)(6)(3)(4)(5)电流方向是否改变逐点清(二)[多维度理解]3．(1)正弦正弦式电流(2)EmsinωtNBSω[典例]解析：(1)交变电流电动势最大值为Em＝NBSω＝10×0.5×0.22×10πV＝2πV，电流的最大值为Im＝eq\f(Em,R)＝eq\f(2π,1)A＝2πA。(2)线圈转过60°时，感应电动势e＝Emsin60°＝eq\r(3)πV。(3)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＝Emsinωt＝2πsin10πt(V)。答案：(1)2πV2πA(2)eq\r(3)πV(3)e＝2πsin10πt(V)[变式拓展]提示：e＝NBSωcosωt＝2πcos10πt(V)。[全方位练明]1．选C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．选D根据题意可知，从线圈平面与磁场垂直时开始计时，即线圈从中性面开始转动，产生按正弦规律变化的交变电流，故A错误；已知线圈转动的角速度ω＝2πrad/s，可得周期T＝eq\f(2π,ω)＝1s，当t＝0.25s＝eq\f(T,4)时，可知线圈从中性面转到与中性面垂直的位置；当t＝0.5s＝eq\f(T,2)时，可知线圈转到中性面位置，此时穿过线圈的磁通量变化率为0；当t＝0.75s＝eq\f(3T,4)时，可知线圈转到与中性面垂直的位置，此时线圈的感应电动势最大，故B、C错误，D正确。3．选C根据题意可知，磁场区域变化前线圈产生的感应电动势为e＝Esinωt，由题图丙可知，磁场区域变化后，当Esinωt＝eq\f(\r(3)E,2)时，线圈的侧边开始切割磁感线，即当线圈旋转eq\f(π,3)时开始切割磁感线，由几何关系可知磁场区域平行于x轴的边长变为d′＝2dcoseq\f(π,3)＝d，C正确。逐点清(三)[多维度理解]1．电枢磁体2.(1)电枢磁极(2)磁极电枢[全方位练明]1．选B电动机是利用磁场对电流作用的现象制成的，工作时