人教版高中物理选择性必修二 3.1 交变电流 学案

中小学教育资源及组卷应用平台
3.1 交变电流 学案
一、自主预习
1. 交变电流：__________和__________都随时间做__________的电流叫做交变电流。电压和电流随时间按__________变化的交流电叫正弦交流电。
2．交流电的产生：矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的中心轴匀速旋转时，线圈中就会产生__________。
课堂探究
情景设问
用示波器或电压传感器先观察电池供给的电压的波形，再观察学生电源交流挡供给的电压的波形。这两种波形各有什么特点？
新知探究
考点一：交变电流
1.交变电流:大小和方向随时间周期性变化的电流,简称交流(AC)。如图所示。其中甲图是正弦式交变电流。
2.直流:方向不随时间变化的电流,称为直流(DC)。
3.恒定电流:大小和方向不随时间变化的电流。
4.图像特点:
(1)恒定电流的图像是一条与时间轴平行的直线。
(2)交变电流的图像随时间做周期性变化,如正弦交变电流的图像:
考点二：交变电流的产生
1.产生:闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动,线圈中就产生正弦式交变电流。
2.产生过程示意图:
（1）线圈在甲位置时没有电流
（2）线圈由甲位置转到乙位置的过程中，电流方向为B→A→D→C
（3）线圈由乙位置转到丙位置的过程中，电流方向为B→A→D→C
（4）线圈由丙位置转到丁位置的过程中，电流方向为A→B→C→D
（5）线圈由丁位置回到甲位置的过程中，电流方向为A→B→C→D
3.中性面——线圈平面与磁感线垂直时的位置。
(1)线圈处于中性面位置时,穿过线圈的Φ最大,但线圈中的电流为零。
(2)线圈每次经过中性面时,线圈中感应电流方向都要改变。线圈转动一周,感应电流方向改变两次。
4.线圈在两个特殊位置（中性面与垂直中性面）的定义、磁通量、磁通量变化率、电动势、电流情况：
中性面 中性面的垂直 远离中性面 靠近中性面
位置 线圈平面与磁场垂直 线圈平面与磁场平行 线圈平面与磁场间夹角变小 线圈平面与磁场间夹角变大
磁通量 最大 零 减小 增大
磁通量变化率 零 最大 增大 减小
感应电动势 零 最大 增大 减小
线圈边缘线速度与磁场方向夹角 0° 90° 从0°逐渐变大 从90°逐渐变小
感应电流 零 最大 增大 减小
电流方向 改变 不变 不变 不变
思考与讨论：假定线圈沿逆时针方向匀速转动，如图 3.1-3 所示。 我们考虑下面几个问题。
（1）在线圈由甲图转到乙图所示位置的过程中，AB 边中电流向哪个方向流动？
（2）在线圈由丙图转到丁图所示位置的过程中，AB 边中电流向哪个方向流动？
（3）转到什么位置时线圈中没有电流，转到什么位置时线圈中的电流最大？
解析：
（1）在线圈由甲转到乙的过程中，穿过线框的磁通量减小，根据楞次定律判断得知AB中电流方向由B到A．
（2）在线圈由丙转到丁的过程中，穿过线框的磁通量减小，根据楞次定律判断得知AB中电流方向由A到B．
考点三：交变电流的变化规律
1.定义:按正弦规律变化的交变电流,简称正弦式电流。
2.从中性面开始计时，交变电流的变化规律
从中性面开始计时 表达式
电压 i= sin ωt
电流 u= sin ωt
电动势 e= sin ωt
注:表达式中Em、Um、Im分别是电动势、电压、电流的峰值,而e、u、i则是这几个量的瞬时值。
3. 峰值决定因素:
关于它的数值的解释符合科学实际的有: ①②③。
① 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。
②与线圈的形状无关。
③与转轴的位置无关
4.交变电流的瞬时值表达式推导:
线圈平面从中性面开始转动,如图所示,则经过时间t:
(1)线圈转过的角度为：ωt。
(2)ab边的线速度跟磁感线方向的夹角：θ=ωt。
(3)ab边转动的线速度大小：v=ω 。
(4)ab边产生的感应电动势(设线圈面积为S)：eab=BLabvsin θ= sin ωt。
(5)整个线圈产生的感应电动势：e=2eab=BSωsin ωt,若线圈为n匝,则e=nBSωsin ωt。
5.交变电流的图像:(从中性面开始计时)
考点四：交流发电机
1.发电厂里的交流发电机的构造:
基本组成部分是产生感应电动势的线圈（通常叫作电枢）和产生磁场的磁体。
发电机的转子（图3.1-8）由蒸汽轮机、水轮机等带动。蒸汽轮机、水轮机等将机械能传递给发电机，发电机将机械能转化为电能，输送给外电路。
图3.1-8 三峡电站一台正在吊装的发电机转子
2.交流发电机的种类和特点：
两种类型 转子 定子 特点
旋转电枢式 电枢 磁极 电压低，功率小
旋转磁极式 磁极 电枢 电压高，功率大
三、典例精讲
例题展示
例1想一想：若电流表达式为i=Imsin2ωt，其他条件不变，而使线圈的匝数和转速同时增加一倍，则电流变化规律为（ ）
A.i=2Imsin2ωt
B.i=4Imsin2ωt
C.i=2Imsinωt
D.i=4Imsinωt
例2在匀强磁场中,一个100匝的闭合矩形金属线圈,绕与磁感线垂直的固定轴匀速转动,如图所示,穿过该线圈的磁通量随时间按正弦规律变化。则(　　)
A.t=0时,线圈位于中性面位置
B.t=0.5 s时,线圈中的磁通量变化率为零
C.t=0.8 s时,线圈产生的感应电动势处于减小的过程中
D.t=1.0 s时,线圈产生的感应电动势为零
四、核心素养专练
核心素养专练
1. 线圈在匀强磁场中匀速转动，产生的交变电流如图所示，由图可知(　　)
A．在t1和t3时刻，线圈处于中性面位置
B．由图可知线圈转动是在中性面开始计时的
C．从t1到t4线圈转过的角度为π弧度
D．若从0时刻到t4时刻经过0.02 s，则在1 s内交变电流的方向改变50次
2. 如图1 所示，理想变压器原线圈接在交流电源上，图中各电表均为理想电表．下列说法正确的是(　　)
A．当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时，R1消耗的功率变大
B．当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时，电压表V示数变大
C．当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时，电流表A1示数变大
D．若闭合开关S，则电流表A1示数变大，A2示数变大
3. 一自耦变压器如图1 所示，环形铁芯上只绕有一个线圈，将其接在a、b间作为原线圈．通过滑动触头取该线圈的一部分，接在c、d间作为副线圈．在a、b间输入电压为U1的交变电流时，c、d间的输出电压为U2，在将滑动触头从M点顺时针旋转到N点的过程中(　　)
A．U2>U1，U2降低
B．U2>U1，U2升高
C．U2D．U24. 把一段确定的导线做成线圈，在确定的磁场中绕垂直于磁场的轴线以固定的转速转动，产生的交流感应电动势最大的情况是（ ）
A.做成方形线圈，线圈平面垂直于转轴
B.做成方形线圈，转轴通过线圈平面
C.做成圆形线圈，转轴通过线圈平面
D.做成圆形线圈，线圈平面垂直于转轴
五、参考答案
参考答案
自主预习
1. 大小；方向；周期性变化；正弦规律；
2. 感应电流
典例精讲
例1. 因为Em=NBSω，当转速和匝数同时增加一倍时Em′=4Em
而角速度要变为原来的2倍, 答案选C.
解析：在想一想中由于思维的定式马上就选了B答案，但本题中已发生了很大的变化.
因为Im=Em／R，当转速和匝数同时增加一倍时，由上问知
Em′=4Em，但由于匝数也增加一倍，由电阻定律知R′=2R
所以Im ′=2Im.
故选：A。
例2. t=0时,线圈位于和中性面垂直的位置,故A错误;t=0.5 s时,线圈中的磁通量变化率为零,故B正确;t=0.8 s时,线圈产生的感应电动势处于增大的过程中,故C错误;t=1.0 s时,线圈产生的感应电动势最大,故D错误。
故选：B。
核心素养专练
1．线圈过中性面，磁通量最大，但其变化率为零，所以电动势为零，电流为零，且电流的方向要发生变化；从t1到t4线圈转过了π弧度，转动一圈线圈两次经过中性面，电流方向变化两次，1 s内线圈转动50转，感应电流方向改变100次，故答案为B.
故选：B。
2．滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时，滑动变阻器接入电路的阻值变大，总电阻也变大，而副线圈两端的电压没有变化，所以干路中的电流减小，R1消耗的功率变小，A错误；干路中的电流变小，R1两端的电压变小，并联电路的电压变大，即电压表V示数变大，B正确；由于变压器副线圈干路中的电流变小，所以原线圈中的电流变小，即电流表A1的示数变小，C错误；闭合开关S后，并联电路的阻值变小，总电阻也变小，干路中的电流变大，R1两端的电压变大，并联电路的电压变小，通过R2的电流变小，即电流表A2示数变小，因变压器的功率变大，故电流表A1示数变大，D错误。
故选：B。
3．根据变压器原、副线圈两端电压和原、副线圈匝数的关系式有＝，这里n2< n1，所以U2 故选：C。
4．点拨：Em=BSω，而周长相等的几何图形中，圆的面积最大，而转轴一定要通过线圈平面。
故选：C。