《浙江省2018-2019版高中物理 第五章 交變電流 第1課時 交變電流學案 新人教版選修3-2》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《浙江省2018-2019版高中物理 第五章 交變電流 第1課時 交變電流學案 新人教版選修3-2（12頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 第1課時　交變電流 [研究選考·把握考情] 知識內容 交變電流 考試要求 加試c 教學要求 1.知道交變電流，能區(qū)分直流和交變電流 2.知道交流發(fā)電機的基本結構與工作原理，了解中性面的概念 3.知道正弦式交變電流的圖象描述 4.知道正弦式交變電動勢、電壓、電流的瞬時值表達式，理解峰值的意義 5.區(qū)分特殊位置的磁通量與磁通量變化率，理解磁通量變化率與電動勢之間的關系 說明 1.不要求知道交流發(fā)電機各部分的名稱 2.不要求推導交流電動勢的瞬時值表達式 3.不要求計算線圈在磁場中轉動時的電動勢 知識點一　交變電流 [基 礎 梳 理] 1.交變電流：大小和方

2、向隨時間做周期性變化的電流，簡稱交流。 2.直流：方向不隨時間變化的電流。 3.圖象特點： (1)恒定電流的圖象是一條與時間軸平行的直線。 (2)交變電流的圖象隨時間做周期性變化，如正弦交變電流的圖象： [即 學 即 練] 如圖所示的各電流中不是交變電流的是________。 解析　由于交變電流的大小和方向隨時間做周期性的變化，故B、C為交變電流的圖象，A、D不是。 答案　AD 知識點二　交變電流的產生 [基 礎 梳 理] 1.正弦式交變電流的產生：將閉合矩形線圈置于勻強磁場中，并繞垂直磁場方向的軸勻速轉動。 2.中性面——線圈平面與磁感線垂直時的位置。 (1

3、)線圈處于中性面位置時，穿過線圈的Φ最大，但線圈中的電流為零。 (2)線圈每次經(jīng)過中性面時，線圈中感應電流方向都要改變。線圈轉動一周，感應電流方向改變兩次。 [要 點 精 講] 1.正弦式交變電流的產生過程分析 如圖1所示為線圈ABCD在磁場中繞軸OO′轉動時的截面圖，AB和CD兩個邊切割磁感線，產生電動勢，線圈中就有了電流(或者說穿過線圈的磁通量發(fā)生變化而產生了感應電流)。具體分析如圖2所示，當線圈轉動到圖甲位置時，導體不切割磁感線，線圈中無電流；當線圈轉動到圖乙位置時，導體垂直切割磁感線，線圈中有電流，且電流從A端流入；線圈在圖丙位置同線圈在圖甲位置；線圈在圖丁位置時，電流從A端流

4、出，這說明電流方向發(fā)生了改變；線圈在圖戊位置同在圖甲位置。線圈這樣轉動下去，就在線圈中產生了交變電流。 圖1 圖2 2.交變電流產生過程中的兩個特殊位置 圖示 概念 中性面位置 與中性面垂直的位置 特點 B⊥S B∥S Φ＝BS，最大 Φ＝0，最小 e＝n＝0，最小 e＝n＝nBSω，最大 感應電流為零，方向改變 感應電流最大，方向不變 【例1】 下列各圖中哪些情況線圈中產生了交變電流(　　) 解析　由交變電流的產生條件可知，軸必須垂直于磁感線，但對線圈的形狀及轉軸的位置沒有特別要求。故選項B、C、D正確。 答案　BCD 知識點三　交

5、變電流的變化規(guī)律 [基 礎 梳 理] 1.正弦式交變電流瞬時值表達式： (1)當從中性面開始計時：e＝Emsin__ωt。 (2)當從與中性面垂直的位置開始計時：e＝Emcos__ωt。 2.正弦式交變電流的峰值表達式： Em＝nBSω 與線圈的形狀及轉動軸的位置無關。(填“有關”或“無關”) [要 點 精 講] 1.交變電動勢的峰值和交變電流的峰值 交變電動勢最大值，由線圈匝數(shù)n、磁感應強度B、轉動角速度ω及線圈面積S決定，與線圈的形狀無關，與轉軸的位置無關，因此如圖3所示的幾種情況，若n、B、S、ω相同，則電動勢的最大值相同。 圖3 由歐姆定律得交變電流的峰值可

6、表示為Im＝。 2.交變電流的瞬時值變化規(guī)律 若線圈給外電阻R供電，設線圈本身的電阻為r，由閉合電路的歐姆定律得i＝＝sin ωt，可寫成i＝Imsin ωt。即線圈中的交變電流按正弦函數(shù)規(guī)律變化，這種交變電流叫正弦式交變電流。 【例2】 有一個正方形線圈的匝數(shù)為10 匝，邊長為20 cm，線圈總電阻為1 Ω，線圈繞OO′軸以10π rad/s的角速度勻速轉動，如圖4所示，勻強磁場的磁感應強度為0.5 T，問： 圖4 (1)該線圈產生的交變電流電動勢的峰值、電流的峰值分別是多少？ (2)若從中性面位置開始計時，寫出感應電動勢隨時間變化的表達式； (3)線圈從中性面位置開始轉過

7、30°時，感應電動勢的瞬時值是多大？ 解析　(1)交變電流電動勢的峰值為 Em＝nBSω＝10×0.5×0.22×10π V＝6.28 V 電流的峰值為Im＝＝6.28 A。 (2)從中性面位置開始計時，感應電動勢的瞬時值表達式為 e＝Emsinωt＝6.28sin 10πt(V)。 (3)線圈從中性面位置開始轉過30°，感應電動勢的瞬時值 e＝Emsin30°＝3.14 V。 答案　(1)6.28 V　6.28 A　(2)e＝6.28sin10 πt(V) (3)3.14 V 名師點睛　交變電流瞬時值表達式的書寫技巧 (1)確定正弦交變電流的峰值，根據(jù)已知圖象讀出或由公

8、式Em＝nBSω求出相應峰值。 (2)明確線圈的初始位置，找出對應的函數(shù)關系式。 ①線圈從中性面位置開始轉動，則i－t圖象為正弦函數(shù)圖象，函數(shù)式為i＝Imsin ωt。 ②線圈從垂直中性面位置開始轉動，則i－t圖象為余弦函數(shù)圖象，函數(shù)式為i＝Imcos ωt。 (3)線圈在勻強磁場中勻速轉動產生正弦式交變電流，產生的交變電流與線圈的形狀無關。如圖5所示，若線圈的面積與例2中的圖所示的線圈面積相同，則答案完全相同。 圖5 知識點四　正弦交變電流的圖象 [基 礎 梳 理] 正弦交變電流隨時間的變化情況可以從圖象上表示出來，圖象描述的是交變電流隨時間變化的規(guī)律，它是一條正弦曲線，

9、如圖6所示，分別是交變電流的e－t圖象(如圖甲)、u－t圖象(如圖乙)、i－t圖象(如圖丙)。 甲 圖6 [要 點 精 講] 由圖6甲可以確定出以下信息： (1)可以讀出正弦交變電流的峰值Em。 (2)可根據(jù)線圈轉至中性面時電動勢為零的特點，確定線圈處于中性面的時刻，確定了該時刻，也就確定了磁通量最大的時刻和磁通量變化率最小的時刻，如t＝t2，t＝t4時刻。 (3)可根據(jù)線圈轉至與磁場平行時感應電動勢最大的特點，確定線圈與中性面垂直的位置，此位置也就是磁通量為零的時刻和磁通量變化率最大的時刻，如t＝t1，t＝t3時刻。 (4)可以確定某一時刻電動勢大小以及某一時

10、刻電動勢的變化趨勢，如t＝t1，t＝t2時刻。 【例3】 矩形線圈在勻強磁場中勻速轉動，所產生的交變電流的波形如圖7所示，可知(　　) 圖7 A.在t1時刻穿過線圈的磁通量達到峰值 B.在t2時刻穿過線圈的磁通量達到峰值 C.在t3時刻穿過線圈的磁通量的變化率達到峰值 D.在t4時刻穿過線圈的磁通量的變化率達到峰值 解析　由題圖可知，t1和t3時刻，i最大，所以這兩個時刻磁通量的變化率最大，線圈處于垂直中性面的位置，穿過線圈的磁通量為0。t2和t4兩時刻i＝0，即＝0，線圈處于中性面位置，此時穿過線圈的磁通量最大。 答案 BC　 1.矩形線圈在勻強磁場中勻速轉動，在線圈

11、平面經(jīng)過中性面瞬間(　　) A.線圈平面與磁感線平行 B.穿過線圈的磁通量最大 C.線圈中的感應電動勢最大 D.線圈中感應電動勢的方向突變 解析　在線圈平面垂直于磁感線時，各邊都不切割磁感線，線圈中沒有感應電流，這樣的位置叫做中性面。線圈平面經(jīng)過中性面瞬間，穿過線圈的磁通量最大，線圈中的感應電動勢為零，此后，感應電動勢方向(即感應電流方向)將與原方向相反。所以選項B、D正確，A、C錯誤。 答案　BD 2.關于矩形線圈在勻強磁場中轉動時產生的正弦交變電流，正確的說法是(　　) A.線圈每轉動一周，感應電流方向改變一次 B.線圈每轉動一周，感應電動勢方向改變一次 C.線圈每轉動

12、一周，感應電流方向改變兩次，感應電動勢方向改變一次 D.線圈每轉動一周，感應電流方向和感應電動勢方向都改變兩次 解析　感應電動勢和感應電流的方向，每經(jīng)過中性面時改變一次，每個周期內方向改變兩次，故選項D正確。 答案　D 3.交流發(fā)電機在工作時電動勢為e＝Emsin ωt，若將發(fā)電機的角速度提高一倍，同時將線框所圍面積減小一半，其他條件不變，則其電動勢變?yōu)?　　) A.e′＝Emsin B.e′＝2Emsin C.e′＝Emsin 2ωt D.e′＝sin 2ωt 解析　交變電流的瞬時值表達式e＝Emsin ωt，其中Em＝nBSω，當ω加倍而S減半時，Em不變

13、，故選項C正確。 答案　C 4.一矩形線圈，繞垂直于勻強磁場并位于線圈平面內的固定軸轉動，線圈中的感應電動勢e隨時間t的變化如圖8所示。下列說法正確的是(　　) 圖8 A.t1時刻通過線圈的磁通量為零 B.t2時刻通過線圈的磁通量最大 C.t3時刻通過線圈的磁通量的變化率的絕對值最大 D.每當e轉換方向時，通過線圈的磁通量均最大 解析　t1時刻e＝0，故線圈位于中性面，磁通量最大，選項A錯誤；t2時刻e最大，故線圈位于中性面之垂面，磁通量為0，選項B錯誤；t3時刻e＝0，故磁通量變化率為0，選項C錯誤；e轉換方向時，線圈位于中性面，故磁通量均最大，選項D正確。 答案 D

14、　 一、選擇題(在每小題給出的四個備選項中至少有一個是符合題目要求的。) 1.(2017·臺州市高二期中)如圖所示，屬于交變電流的是(　　) 解析　交變電流是指電流的大小和方向均隨時間做周期性變化的電流；由圖可知，符合條件的只有C。 答案　C 2.要使處于磁場中的閉合線圈產生正弦式交變電流，則需同時滿足(　　) A.線圈處于勻強磁場中 B.線圈的軸與勻強磁場的磁感線平行 C.線圈的軸與勻強磁場的磁感線垂直 D.線圈繞軸勻速轉動 解析　磁場中的閉合線圈產生正弦式交變電流，則磁場需是勻強磁場、線圈的軸與磁感線垂直、線圈在磁場中繞軸勻速轉動，故選項A、C、D正確，B錯誤。

15、答案　ACD 3.矩形線框繞垂直于勻強磁場且在線框平面的軸勻速轉動時產生了交變電流，下列說法正確的是(　　) A.當線框位于中性面時，線框中感應電動勢最大 B.當穿過線框的磁通量為零時，線框中的感應電動勢也為零 C.每當線框經(jīng)過中性面時，感應電動勢或感應電流方向就改變一次 D.線框經(jīng)過中性面時，各邊不切割磁感線 解析　線框位于中性面時，線框平面與磁感線垂直，穿過線框的磁通量最大，但此時切割磁感線的兩邊的速度方向與磁感線平行，即不切割磁感線，所以感應電動勢等于零，此時穿過線框的磁通量的變化率等于零，感應電動勢或感應電流的方向在此時刻變化；垂直于中性面時，穿過線框的磁通量為零，切割磁感

16、線的兩邊的速度方向與磁感線垂直，有效切割磁感線速度最大，所以感應電動勢最大，此時穿過線框的磁通量的變化率最大，故選項C、D正確，A、B錯誤。 答案　CD 4.(2017·長郡中學)如圖1所示，一正方形線圈abcd在勻強磁場中繞垂直于磁感線的對稱軸OO′勻速轉動，沿著OO′觀察，線圈沿逆時針方向轉動。已知勻強磁場的磁感應強度為B，線圈匝數(shù)為n，邊長為l，電阻為R，轉動的角速度為ω。則當線圈轉至與中性面垂直位置時(　　) 圖1 A.線圈中感應電流的方向為abcda B.線圈中的感應電流為 C.穿過線圈的磁通量為零 D.穿過線圈磁通量的變化率為零 解析　ad向里運動，根據(jù)右手定則

17、可知，線圈中的電流方向為adcba，選項A錯誤；Em＝nBl2ω，電流Im＝，故Im＝，選項B正確；因線圈平面平行于磁感線，故穿過線圈的磁通量為零，選項C正確；因電動勢最大，故穿過線圈的磁通量的變化率最大，選項D錯誤。 答案　BC 5.(2017·金陵中學)處在勻強磁場中的矩形線圈abcd，以恒定的角速度繞ab邊轉動，磁場方向平行于紙面并與ab邊垂直。在t＝0時，線圈平面與紙面重合(如圖2)，線圈的cd邊離開紙面向外運動。若規(guī)定由a→b→c→d→a方向的感應電流為正，則能反映線圈中感應電流I隨時間t變化的圖象是(　　) 圖2 解析　因t＝0時，線圈平面與紙面重合，故t＝0時電流

18、最大；又因t＝0時線圈的cd邊離開紙面向外運動，故線圈中的電流方向為a→b→c→d→a，與規(guī)定的正方向相同，所以選項C正確。 答案　C 6.線圈在勻強磁場中勻速轉動，產生交變電流的圖象如圖3所示，由圖可知(　　) 圖3 A.在A、C時刻線圈處于中性面位置 B.在B、D時刻穿過線圈的磁通量為零 C.從A時刻到D時刻線圈轉過的角度為π D.若從0時刻到D時刻用了0.02 s，則在1 s內交變電流的方向改變100次 解析　在A、C時刻，電流最大，線圈平面與中性面垂直，選項A錯誤；在B、D時刻，電流為0，線圈平面處于中性面位置，磁通量最大，選項B錯誤；從A時刻到D時刻，線圈轉動了T

19、，故轉過π，選項C錯誤；從0時刻到D時刻用了0.02 s，故T＝0.02 s，而一個周期內交變電流的方向改變2次，所以在1 s內交變電流的方向改變100次，選項D正確。 答案　D 7.一個矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁感線的軸勻速轉動，穿過線圈的磁通量隨時間變化的圖象如圖4所示。則下列說法正確的是(　　) 圖4 A.t＝0時，線圈平面與中性面垂直 B.t＝0.01 s時，Φ的變化率為0 C.t＝0.02 s時，感應電動勢達到最大 D.從t＝0.01 s至t＝0.04 s線圈轉過的角度是π 解析　t＝0時，Φ最大，故線圈平面位于中性面，選項A錯誤；t＝0.01 s時，圖線斜率

20、的絕對值最大，故Φ的變化率最大，選項B錯誤；t＝0.02 s時，圖線的斜率為0，故感應電動勢達到最小，選項C錯誤；從t＝0.01 s至t＝0.04 s線圈經(jīng)歷了四分之三個周期，故轉過的角度是π，選項D正確。 答案　D 8.如圖5所示，①、②兩個并排放置的共軸線圈，①中通有如圖所示的交流電，則下列判斷錯誤的是(　　) 圖5 A.在t1到t2時間內，①②相吸 B.在t2到t3時間內，①②相斥 C.t1時刻兩線圈間作用力為零 D.t2時刻兩線圈間吸引力最大 解析　t1到t2時間內①線圈中電流正向減小，在線圈②中產生感應電流也為正向，故①②兩線圈相互吸引，故A選項說法正確；t2到t

21、3時間內，①線圈中電流負向增大，在②中產生正向的感應電流，①②相互排斥，B選項說法正確；t1時刻①電流最大，但變化率為零，在②中不產生感應電流，兩線圈作用力為零，C選項說法正確；t2時刻①中電流為零，但變化率最大，②中感應電流最大，作用力為零，故D選項說法錯誤。 答案　D 9.矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁感線的軸勻速轉動，產生的感應電動勢的最大值為Em，轉動的角速度為ω。設t＝0時線圈平面與磁場平行，當線圈的匝數(shù)增加一倍，角速度也增大一倍，其他條件不變時，交變電流的感應電動勢瞬時值表達式為(　　) A.e＝2Emsin 2ωt B.e＝4Emsin 2ωt C.e＝Emcos

22、2ωt D.e＝4Emcos 2ωt 解析　產生感應電動勢的最大值Em＝NBSω，當N′＝2N，ω′＝2ω時，Em′＝4Em，所以交變電流的感應電動勢的瞬時值表達式為e＝4Emcos 2ωt，選項D正確。 答案　D 二、非選擇題 10.矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁感線的對稱軸轉動，線圈匝數(shù)N＝100匝，轉速為n＝ r/s，在轉動過程中穿過線圈磁通量的最大值為Φm＝0.02 Wb，則： (1)線圈平面轉到與磁感線平行時，感應電動勢為多少？ (2)當線圈平面與中性面夾角為時，感應電動勢為多少？ 解析　(1)ω＝2πn＝10 rad/s，根據(jù)Em＝NBSω，Φm＝BS， 得E

23、m＝NΦmω＝100×0.02×10 V＝20 V。 (2)根據(jù)e＝Emsin ωt，ωt＝ 得e＝Emsin ＝20× V≈17.3 V。 答案　(1)20 V　(2)17.3 V 11.(2017·鎮(zhèn)海中學)如圖6所示，一半徑為r＝10 cm的圓形線圈共100匝，在磁感應強度B＝ T的勻強磁場中，繞垂直于磁場方向的中心軸線OO′以n＝600 r/min的轉速勻速轉動，當線圈轉至中性面位置時開始計時。 圖6 (1)寫出線圈內所產生的感應電動勢的瞬時值表達式； (2)求t＝ s時線圈所產生的感應電動勢的瞬時值； (3)求從t＝0到t＝ s時間內線圈所產生的感應電動勢的平均值。 解析　(1)ω＝2πn＝20π rad/s，Em＝πNBr2ω＝100 V 則e＝100sin 20πt V (2)當t＝ s時，e＝100sin(20π×) V＝50 V (3)＝N，ΔΦ＝Bπr2－Bπr2sin 30°，解得＝ V 答案　(1)e＝100sin 20πt V　(2)50 V　(3) V 12