《2018-2019學(xué)年高中物理 第二章 交變電流 1 交變電流學(xué)案 教科版選修3-2.doc》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2018-2019學(xué)年高中物理 第二章 交變電流 1 交變電流學(xué)案 教科版選修3-2.doc（12頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1．交變電流 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1．了解恒定電流和交變電流的概念． 2．知道交變電流的產(chǎn)生過程和電動(dòng)勢(shì)與電流方向的變化規(guī)律．(重點(diǎn)) 3．理解正弦交變電流的變化規(guī)律及表達(dá)式，知道中性面、瞬時(shí)值的概念．(重點(diǎn)、難點(diǎn)) [自 主 預(yù) 習(xí)探 新 知] [知識(shí)梳理] 一、交變電流 1．恒定電流 大小和方向都不隨時(shí)間變化的電流，稱為恒定電流． 2．交變電流 (1)定義：大小和方向隨時(shí)間做周期性變化的電流，稱為交變電流，簡(jiǎn)稱交流電． (2)正弦交變電流：電流隨時(shí)間按正弦函數(shù)規(guī)律變化的交變電流，簡(jiǎn)稱正弦交流電． 二、正弦交流電的產(chǎn)生和表述 1．產(chǎn)生：閉合矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)方向的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流就是正弦交流電． 2．描述 函數(shù) 圖像 瞬時(shí)電動(dòng)勢(shì)：e＝Emsin ωt 瞬時(shí)電壓：u＝Umsin_ωt 瞬時(shí)電流：i＝Imsin_ωt 最大值表達(dá)式：Em＝NBSω. 3．中性面：線圈平面與磁場(chǎng)垂直的位置． [基礎(chǔ)自測(cè)] 1．思考判斷 (1)交變電流指的是正弦交流電． () (2)教室的照明電路中所用的是正弦式交流電． (√) (3)電流方向做周期性變化的電流就是交變電流． (√) (4)只要閉合線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)里勻速轉(zhuǎn)動(dòng)就一定產(chǎn)生正弦交變電流．() (5)正弦交變電流的函數(shù)形式與計(jì)時(shí)起點(diǎn)有關(guān)． (√) (6)當(dāng)線圈中的磁通量為零時(shí)，產(chǎn)生的電流也為零． () 2．下列四個(gè)圖像中不屬于交流電的是(　　) D　[A、B、C中e的方向均做周期性變化，故它們屬于交流電，D中e的大小變化而方向不變，屬直流電．] 3．如圖211所示，一線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過圖示位置時(shí)(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：24622053】 圖211 A．穿過線圈的磁通量最小，磁通量的變化率最大 B．穿過線圈的磁通量最大，磁通量的變化率最大 C．穿過線圈的磁通量最大，磁通量的變化率最小 D．穿過線圈的磁通量最小，磁通量的變化率最小 A　[由圖可知線圈平面與磁感線平行，應(yīng)處于垂直于中性面的平面，此時(shí)穿過線圈的磁通量最小，磁通量的變化率最大，所以A選項(xiàng)正確．] [合 作 探 究攻 重 難] 交變電流的產(chǎn)生 1．產(chǎn)生 在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，繞垂直磁場(chǎng)方向的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的線圈中產(chǎn)生的是交變電流，實(shí)驗(yàn)裝置如圖212所示． 圖212 2．過程分析(如圖213所示) 圖213 線圈由甲位置轉(zhuǎn)到乙位置過程中，電流方向?yàn)閎→a→d→c. 線圈由乙位置轉(zhuǎn)到丙位置過程中，電流方向?yàn)閎→a→d→c. 線圈由丙位置轉(zhuǎn)到丁位置過程中，電流方向?yàn)閍→b→c→d. 線圈由丁位置轉(zhuǎn)到甲位置過程中，電流方向?yàn)閍→b→c→d. 3．兩個(gè)特殊位置對(duì)比 位置 中性面 中性面的垂面 磁通量 最大 零 磁通量變化率 零 最大 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 零 最大 線圈邊緣切割磁感線的有效速度 零 最大 感應(yīng)電流 零 最大 電流方向 改變 不變 　(多選)矩形線框繞垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)且在線框平面內(nèi)的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了交變電流，下列說法正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：24622054】 A．當(dāng)線框位于中性面時(shí)，線框中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大 B．當(dāng)穿過線框的磁通量為零時(shí)，線框中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也為零 C．每當(dāng)線框經(jīng)過中性面時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或感應(yīng)電流的方向就改變一次 D．線框經(jīng)過中性面時(shí)，各邊切割磁感線的速度為零 CD　[線框位于中性面時(shí)，線框平面與磁感線垂直，穿過線框的磁通量最大，原來切割磁感線的兩邊此時(shí)與磁感線平行，即不切割磁感線，所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于零，此時(shí)穿過線框的磁通量的變化率也等于零，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或感應(yīng)電流的方向也就在此時(shí)發(fā)生變化．線框垂直于中性面時(shí)，穿過線框的磁通量為零，但切割磁感線的兩邊都垂直切割磁感線，有效切割速度最大，所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，也可以說此時(shí)穿過線框的磁通量的變化率最大，故C、D選項(xiàng)正確．] [針對(duì)訓(xùn)練] 1．(多選)下列各圖中，線圈中能產(chǎn)生交變電流的有(　　) A　　　　　　　　　B C　　　　　　　　　D BCD　[B、C、D中當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，穿過線圈的磁通量變化，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，而A中線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，穿過線圈的磁通量始終為零，無感應(yīng)電流產(chǎn)生，故B、C、D正確．] 2．(多選)如圖214甲所示，一矩形閉合線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)方向的軸OO′以恒定的角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)．從線圈平面與磁場(chǎng)方向平行時(shí)開始計(jì)時(shí)，線圈中產(chǎn)生的交變電流按照如圖214乙所示的余弦規(guī)律變化，則在t＝時(shí)刻 (　　) 甲　　　　　　　　　　乙 圖214 A．線圈中的電流最大 B．穿過線圈的磁通量為零 C．線圈所受的安培力為零 D．線圈中的電流為零 CD　[線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為ω，則轉(zhuǎn)過一圈用時(shí)，當(dāng)t＝時(shí)說明轉(zhuǎn)過了圈，此時(shí)線圈位于中性面位置，所以穿過線圈的磁通量最大，B錯(cuò)誤；由于此時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零，所以線圈中電流為零，線圈所受的安培力為零，A錯(cuò)誤，C、D正確．] 正弦交流電的瞬時(shí)值和最大值 1．瞬時(shí)值表達(dá)式的推導(dǎo) 圖215 若線圈平面從中性面開始轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖215所示，則經(jīng)時(shí)間t： ? ? ? ? ? 純電阻電路電流的瞬時(shí)值：i＝＝sin ωt＝Imsin ωt ? 某個(gè)電阻R′電壓的瞬時(shí)值：u＝iR′＝ImR′sin ωt＝Umsin ωt 2．峰值表達(dá)式 (1)Em＝NBSω＝NΦmω. (2)Im＝. (3)Um＝ImR′. 3．正弦交變電流的瞬時(shí)值表達(dá)式 (1)e＝NBSωsin ωt＝Emsin ωt. (2)i＝＝sin ωt＝Imsin ωt. (3)u＝iR＝ImRsin ωt＝Umsin ωt. 上面各式中的e、i、u僅限于從中性面開始計(jì)時(shí)的情況．若從垂直于中性面(即從線圈平面與磁場(chǎng)平行時(shí))開始計(jì)時(shí)，則上述表達(dá)式應(yīng)為e＝Emcos ωt，i＝Imcos ωt，u＝Umcos ωt. 　一矩形線圈，面積是0.05 m2，共100 匝，線圈電阻r＝2 Ω，外接電阻R＝8 Ω，線圈在磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝ T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中以n＝300 r/min的轉(zhuǎn)速繞垂直于磁感線的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖216所示，若從中性面開始計(jì)時(shí)，求： 圖216 (1)線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式； (2)線圈從開始計(jì)時(shí)經(jīng) s時(shí)線圈中由此得到的感應(yīng)電流的瞬時(shí)值； (3)外電路R兩端電壓瞬時(shí)值的表達(dá)式． 思路點(diǎn)撥：①線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電動(dòng)勢(shì)的最大值Em＝NBSω.②感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值表達(dá)式與開始計(jì)時(shí)的位置有關(guān)，若從中性面開始計(jì)時(shí)，則e＝Emsin ωt. 【解析】　(1)線圈轉(zhuǎn)速n＝300 r/min＝5 r/s 角速度ω＝2πn＝10π rad/s 線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大值Em＝NBSω＝50 V 由此得到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值表達(dá)式為 e＝Emsin ωt＝50sin 10πt V. (2)將t＝ s代入感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值表達(dá)式中， 得e′＝50sin(10π)V＝25 V 對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電流i′＝＝ A. (3)由歐姆定律得u＝R＝40sin 10πt V. 【答案】　(1)e＝50sin 10πt V　(2) A　 (3)u＝40sin 10πt V (1)求交變電流瞬時(shí)值的方法 ①確定線圈轉(zhuǎn)動(dòng)從哪個(gè)位置開始計(jì)時(shí)； ②確定表達(dá)式是正弦函數(shù)還是余弦函數(shù)； ③確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度ω＝2πn(n的單位為r/s)、Em＝NBSω； ④寫出表達(dá)式，代入角速度求瞬時(shí)值． (2)線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生正弦式交變電流，產(chǎn)生的交變電流與線圈的形狀無關(guān)．如圖所示，若線圈的面積與例2中題圖所示線圈面積相同，則答案完全相同． [針對(duì)訓(xùn)練] 3．某線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)變化規(guī)律為e＝Emsin ωt，保持其他條件不變，使該線圈的轉(zhuǎn)速和匝數(shù)同時(shí)增加一倍，則此時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式為(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：24622055】 A．e′＝2Emsin 2ωt　　　 B．e′＝2Emsin ωt C．e′＝4Emsin 2ωt D．e′＝4Emsin ωt C　[因ω＝2πn，故轉(zhuǎn)速加倍時(shí)，角速度也加倍，根據(jù)Em＝NBSω，轉(zhuǎn)速和匝數(shù)均加倍時(shí)，電動(dòng)勢(shì)的峰值將變?yōu)樵瓉淼?倍，所以選項(xiàng)C正確．] 4.一矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大值為50 V，那么該線圈從如圖217所示位置轉(zhuǎn)過30時(shí)，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小為(　　) 圖217 A．50 V B．25 V C．25 V D．10 V B　[矩形線圈從圖示位置開始計(jì)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e＝50cos ωt V，所以當(dāng)線圈轉(zhuǎn)過30時(shí)，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小為50cos 30 V＝25 V，選項(xiàng)B正確．] 交變電流的圖像問題 交變電流隨時(shí)間t的變化規(guī)律不再是簡(jiǎn)單的正比例關(guān)系，所以借助圖像來分析研究比單純用代數(shù)的方法更簡(jiǎn)捷、直觀． 1．從如圖218所示的交變電流定以下量： 圖218 (1)可以讀出電動(dòng)勢(shì)的最大值Em. (2)可根據(jù)線圈轉(zhuǎn)至中性面時(shí)電動(dòng)勢(shì)為零的特點(diǎn)，確定線圈處于中性面的時(shí)刻，確定了該時(shí)刻，也就確定了磁通量最大的時(shí)刻和磁通量變化率最小的時(shí)刻． (3)可根據(jù)線圈轉(zhuǎn)至與磁場(chǎng)平行時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大的特點(diǎn)，確定線圈與中性面垂直的時(shí)刻，此時(shí)刻也就是磁通量為零的時(shí)刻和磁通量變化率最大的時(shí)刻． (4)可以確定某一時(shí)刻電動(dòng)勢(shì)大小以及某一時(shí)刻電動(dòng)勢(shì)的變化趨勢(shì)． 2．交變電流的電壓或電流變化的快慢(變化率)，在圖線上等于某瞬間切線的斜率，它與電壓或電流瞬時(shí)值的大小是兩回事．瞬時(shí)值最大時(shí)，變化率最小(等于零)；瞬時(shí)值為零時(shí)，變化率恰好最大．在具體問題中，必須弄清楚哪些量與瞬時(shí)值有關(guān)，哪些量與變化率有關(guān)． 　 (多選)一矩形線圈，繞垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)并位于線圈平面內(nèi)的固定軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)．線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e隨時(shí)間t變化的規(guī)律如圖219所示，則下列說法正確的是(　　) 圖219 A．圖中是從線圈平面與磁場(chǎng)方向平行時(shí)開始計(jì)時(shí)的 B．t1和t3時(shí)刻穿過線圈的磁通量為零 C．t1和t3時(shí)刻穿過線圈的磁通量的變化率為零 D．感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的方向變化時(shí)，穿過線圈的磁通量最大 思路點(diǎn)撥：解答本題時(shí)應(yīng)弄清以下兩點(diǎn)： ①線圈轉(zhuǎn)動(dòng)過程中幾個(gè)特殊位置的特點(diǎn)．②磁通量、磁通量的變化率、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、感應(yīng)電流之間的關(guān)系． ACD　[由題圖可知，當(dāng)t＝0時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，說明穿過線圈的磁通量的變化率最大，磁通量為零，即是從線圈平面與磁場(chǎng)方向平行時(shí)開始計(jì)時(shí)的，選項(xiàng)A正確；t1、t3時(shí)刻感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零，穿過線圈的磁通量的變化率為零，磁通量最大，選項(xiàng)B錯(cuò)誤，C正確；感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的方向變化時(shí)，線圈通過中性面，穿過線圈的磁通量最大，選項(xiàng)D正確．] 交變電流圖像問題的分析方法 (1)看清兩軸物理量的物理意義，分清是何種圖像． (2)分析“斜率”“截距”“點(diǎn)”表示的物理意義． (3)掌握“圖與圖”“圖與式”和“圖與物”間的對(duì)應(yīng)關(guān)系． [針對(duì)訓(xùn)練] 5. (多選)一矩形線圈的匝數(shù)為50匝，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)方向的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，穿過線圈的磁通量隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖2110所示．下列結(jié)論正確的是(　　) 圖2110 A．在t＝0.1 s和t＝0.3 s時(shí)，電動(dòng)勢(shì)最大 B．在t＝0.2 s和t＝0.4 s時(shí)，電動(dòng)勢(shì)方向發(fā)生改變 C．電動(dòng)勢(shì)的最大值是157 V D．在t＝0.4 s時(shí)，磁通量的變化率最大，為3.14 Wb/s CD　[在t＝0.1 s和t＝0.3 s時(shí)，穿過線圈的磁通量最大，但其變化率為零，電動(dòng)勢(shì)為零，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；在t＝0.2 s和t＝0.4 s時(shí)，穿過線圈的磁通量為零，但磁通量的變化率最大，電動(dòng)勢(shì)最大，電動(dòng)勢(shì)方向不變，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；根據(jù)電動(dòng)勢(shì)的最大值Em＝nBSω，Φm＝BS，ω＝，可得Em＝500.2 V＝157 V，選項(xiàng)C正確；在t＝0.4 s時(shí)，磁通量的變化率最大，為＝3.14 Wb/s，選項(xiàng)D正確．] 6．如圖2111甲所示，一矩形線圈abcd放置在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，并繞過ab、cd中點(diǎn)的軸OO′以角速度ω逆時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng)．若以線圈平面與磁場(chǎng)夾角θ＝45時(shí)(如圖2111乙)為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，并規(guī)定當(dāng)電流自a流向b時(shí)電流方向?yàn)檎铝兴膫€(gè)選項(xiàng)中正確的是(　　) 圖2111 B　[當(dāng)從題圖乙所示位置轉(zhuǎn)過時(shí)刻，線圈處在中性面位置，感應(yīng)電流為零，且在此段轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間內(nèi)電流方向?yàn)閺腷流向a，故選項(xiàng)B正確．] [當(dāng) 堂 達(dá) 標(biāo)固 雙 基] 1．(多選)關(guān)于交變電流和直流電的說法中，正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：24622056】 A．如果電流大小做周期性變化，則一定是交變電流 B．直流電的大小可以變化，但方向一定不變 C．交變電流一定是按正弦或余弦規(guī)律變化的 D．交變電流的最大特征就是電流的方向發(fā)生周期性的變化 BD　[直流電的特征是電流方向不變，交流電的特征是電流方向周期性改變．另外交變電流不一定都是正弦交流電或余弦交流電．故選B、D.] 2．(多選)矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直磁場(chǎng)的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，在線圈平面經(jīng)過中性面瞬間(　　) A．線圈平面與磁感線平行 B．通過線圈的磁通量最大 C．線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大 D．線圈中感應(yīng)電流的方向改變 BD　[在線圈平面垂直于磁感線時(shí)，各邊都不切割磁感線，線圈中沒有感應(yīng)電流，這樣的位置叫做中性面．根據(jù)這一定義，線圈平面經(jīng)過中性面瞬間，通過線圈的磁通量最大，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零，此時(shí)，感應(yīng)電流的方向發(fā)生改變，所以選項(xiàng)B、D正確．] 3．如圖2112所示為演示交變電流產(chǎn)生的裝置圖，關(guān)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)，正確的說法是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：24622057】 圖2112 A．線圈每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，指針左右擺動(dòng)兩次 B．圖示位置為中性面，線圈中無感應(yīng)電流 C．圖示位置ab邊的感應(yīng)電流方向?yàn)閍→b D．線圈平面與磁場(chǎng)方向平行時(shí)，磁通量變化率為零 C　[線圈在磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在電路中產(chǎn)生呈周期性變化的交變電流，圖示位置為垂直中性面，線圈中感應(yīng)電流最大，故B錯(cuò)誤；線圈經(jīng)過中性面時(shí)電流改變方向，線圈每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，有兩次通過中性面，電流方向改變兩次，指針左右擺動(dòng)一次；線圈處于圖示位置時(shí)，ab邊向右運(yùn)動(dòng)，由右手定則知，ab邊的感應(yīng)電流方向?yàn)閍→b；線圈平面與磁場(chǎng)方向平行時(shí)，ab、cd邊垂直切割磁感線，線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)最大，也可以這樣認(rèn)為，線圈處于豎直位置時(shí)，磁通量為零，但磁通量的變化率最大．] 4．有一10匝正方形線框，邊長為20 cm，線框總電阻為1 Ω，線框繞OO′軸以10π rad/s的角速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2113，垂直于線框平面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.5 T．問： 圖2113 (1)該線框產(chǎn)生的交變電流電動(dòng)勢(shì)最大值、電流最大值分別是多少？ (2)線框從圖示位置轉(zhuǎn)過60時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值是多大？ (3)寫出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化的表達(dá)式． 【解析】　(1)交變電流電動(dòng)勢(shì)最大值為Em＝NBSω＝100.50.2210π V＝6.28 V 電流的最大值為Im＝＝ A＝6.28 A. (2)線框轉(zhuǎn)過60時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E＝Emsin 60＝5.44 V. (3)由于線框轉(zhuǎn)動(dòng)是從中性面開始計(jì)時(shí)的，所以瞬時(shí)值表達(dá)式為e＝Emsin ωt＝6.28sin 10πt V. 【答案】　(1)6.28 V　6.28 A　(2)5.44 V (3)e＝6.28sin 10πt V