5.1 交变电流(人教高中选修3-2)

课件50张PPT。1．理解交变电流、直流的概念。
2．理解交变电流的产生，会分析线圈转动
一周中电动势和电流方向的变化。
3．知道交变电流的变化规律及表示方法。
4．知道交变电流的峰值、瞬时值的含义。 1．交变电流及产生机理
(1)交变电流与直流的定义：
①交变电流：大小和方向都随时间做 的电流，简称交流。
②直流： 不随时间变化的电流。［读教材·填要点］周期性变化方向 (2)交变电流的产生机理：
如图5－1－1所示，将一个平面线圈
置于匀强磁场中，线圈与外电路相连，组
成闭合回路，使线圈绕 磁感线的轴OO′图5－1－1
做匀速转动，线圈中就会产生交变电动势和交变电流。垂直 (3)中性面：
①定义：线圈平面与磁场垂直的位置。
②特点：线圈在此位置磁通量 ，电动势为零，线圈经过中性面时，感应电流的 要发生改变。
2．交变电流的变化规律
(1)正弦式交变电流：
①定义：按正弦规律变化的交变电流，简称正弦式电流。最大方向 ②函数和图像：Umsin ωtImsin ωtEmsin ωt 注：表达式中Em、Um、Im分别是电动势、电压和电流的峰值，而e、u、i则是这几个量的瞬时值。
(2)其他交变电流：
实际应用中，交变电流有不同的变化规律，常见的有以下几种，如图5－1－2所示。
图5－1－2 [关键一点]　区别交流与直流的关键是看电流的方向是否发生周期性变化。［试身手·夯基础］1.对于如图5－1－3所示的电流i随时间
t做周期性变化的图像，下列说法中
正确的是 (　　)
A．电流大小变化，方向不变，是直流电 图5－1－3
B．电流大小、方向都变化，是交流电
C．电流最大值为0.2 A，周期为0.01 s
D．电流大小变化，方向不变，不是直流电，是交流电解析：从图中可以看出，电流最大值为0.2 A，周期为0.01 s，电流大小变化，但方向不变，是直流电，不是交流电。
答案： AC2．关于交变电流和直流电的说法中，正确的是(　　)
A．如果电流大小做周期性变化，则一定是交变电流
B．直流电的大小可以变化，但方向一定不变
C．交变电流一定是按正弦或余弦规律变化的
D．交变电流的最大特征就是电流的方向发生周期性
的变化解析：直流电的特征是电流方向不变，交流电的特征是电流方向周期性改变。另外交变电流不一定都是正弦式电流或余弦式电流。
答案： BD3．在图5－1－4中哪些情况线圈中产生了交变电流(　　)图5－1－4解析：只要线框在匀强磁场中，绕垂直于磁场的轴匀速转动，即可产生正弦式交变电流，故A错误，B、C、D正确。
答案： BCD4.关于中性面，下列说法中不正确的是 (　　)
A．中性面就是穿过线圈的磁通量为零的面
B．中性面就是线圈中磁通量变化率为零的面
C．线圈经过中性面时，电流方向必改变
D．中性面就是线圈内感应电动势为零的面.解析：中性面是穿过线圈的磁通量最大时的面。在中性面时，导体不切割磁感线，且转过中性面时线圈转动方向与磁场方向的夹角由锐角变为钝角或由钝角变为锐角，所以在中性面时线圈中感应电动势为零，电流方向要发生变化。故正确的选项为B、C、D，应选A。
答案：A 1．产生
在匀强磁场中，绕垂直于磁场方向的轴匀速转动的线圈里产生的是交变电流，实验装置如图5－1－5所示。图5－1－52．过程分析
如图5－1－6所示图5－1－6线圈由甲位置转到乙位置过程中，电流方向为b→a→d→c。
线圈由乙位置转到丙位置过程中，电流方向为b→a→d→c。
线圈由丙位置转到丁位置过程中，电流方向为a→b→c→d。
线圈由丁位置回到甲位置过程中，电流方向为a→b→c→d。 3．中性面
线圈平面垂直于磁感线时，线圈中的磁通量最大，而此时线圈中的电流为零，这一位置叫中性面。从上面分析可知线圈平面经过中性面时，电流方向就发生改变，线圈绕转轴转一周经过中性面两次，因此感应电流方向改变两次。 [名师点睛]　
(1)在线圈转动过程中，磁通量最大时，磁通量变化率恰好为零；磁通量为零时，磁通量变化率恰好最大。
(2)感应电动势的大小由磁通量变化率决定，与磁通量的大小没有直接关系。 1．矩形线框绕垂直于匀强磁场且在线框平面的轴匀速转动时产生了交变电流，下列说法正确的是 (　　)
A．当线框位于中性面时，线框中感应电动势最大
B．当穿过线框的磁通量为零时，线框中的感应电动势也为零
C．每当线框经过中性面时，感应电动势或感应电流方向就改变一次
D．线框经过中性面时，各边不切割磁感线[审题指导]　解答本题应注意以下两个方面：
(1)线框位于中性面时，感应电动势为零。
(2)线框经过中性面时，感应电流方向改变。　　[解析]　线框位于中性面时，线框平面与磁感线垂直，穿过线框的磁通量最大，但此时切割磁感线的两边的速度与磁感线平行，即不切割磁感线，所以电动势等于零，此时穿过线框的磁通量的变化率等于零，感应电动势或感应电流的方向在此时刻变化。垂直于中性面时，穿过线框的磁通量为零，切割磁感线的两边的速度与磁感线垂直，有效切割速度最大，所以感应电动势最大，此时穿过线框的磁通量的变化率最大。故C、D正确。
　　[答案]　CD 1．瞬时值
图5－1－7
若线圈平面从中性面开始转动，如图5－1－7所示，则经时间t： 2．峰值
(1)由e＝nBSωsin ωt可知，电动势的峰值Em＝nBS ω。
(2)交变电动势的峰值由线圈匝数n、磁感应强度B、转动
角速度ω及线圈面积S决定，与线圈的形状无关，与转轴的位
置无关，因此图5－1－8所示的几种情况，若n、B、S、ω相
同，则电动势的峰值相同。图5－1－8 [名师点睛]　
(1)瞬时值与开始计时的位置及线圈转动的时间有关。
①若线圈从中性面开始计时，e＝Emsin ωt。
②若线圈从位于与中性面垂直的位置开始计时，
e＝Emcos ωt。
(2)峰值与开始计时的位置及线圈转动的时间无关。 2.如图5－1－9所示为演示用的手摇发
电机模型，匀强磁场磁感应强度B＝0.5 T，
线圈匝数n＝50, 每匝线圈面积为0.48 m2，
转速为150 r/min，线圈在匀速转动过程中，
从图示位置开始计时。写出交变感应电动势
瞬时值的表达式。 图5－1－9 [思路点拨]　解答本题可按以下思路进行：
(1)先确定线圈初始时刻的位置，从而明确表达式应该用正弦还是余弦。
(2)找出ω、n、B、S，求出峰值Em。
(3)写出瞬时值表达式。[答案]　e＝188 sin(5πt) V 确定交变电流电动势的瞬时表达式时应注意以下三个方面：
(1)用Em＝nBSω确定峰值。
(2)确定角速度ω，若题中已知转速为n r/s，则ω＝2πn。
(3)确定计时起点位置，从而确定是选e＝Emsin ωt，还是选e＝Emcos ωt。 1．对正弦式电流图像的认识
由e＝Emsin ωt、u＝Umsin ωt、i＝Imsin ωt可知e-t、u-t、i-t图线应该是正弦曲线，如图5－1－10所示，其中Em、Um、Im分别表示电动势、电压、电流的最大值，ω表示线圈匀速转动的角速度，线圈为多匝(如n匝)时，Em＝nBSω。图5－1－10 2．正弦式电流图像的应用
(1)由图5－1－11可以读出正弦式电流的峰值。
图5－1－11 (2)可根据线圈转至中性面时电流为零的特点，确定线圈处于中性面的时刻，也就是磁通量最大的时刻和磁通量变化率最小的时刻。
(3)可根据线圈转至与磁场平行时感应电流最大的特点，确定线圈与中性面垂直的位置，此位置也就是磁通量为零的时刻和磁通量变化率最大的时刻。 3．如图5－1－12甲所示，一矩形线圈abcd放置在匀强磁场中，并绕过ab、cd中点的轴OO′以角速度ω逆时针匀速转动。若以线圈平面与磁场夹角θ＝45°时(如图5－1－12乙所示)为计时起点，并规定当电流自a流向b时电流方向为正。则如图5－1－13中的四幅图中正确的是 (　　)图5－1－12图5－1－13 [审题指导]　解答该题时应注意以下两个方面：
(1)电流正方向的规定；
(2)t＝0时线圈的位置。[答案]　D 解决图像问题的基本方法：
一看：看“轴”、看“线”、看“斜率”、看“点”。
二变：掌握“图与图”、“图与式”和“图与物”之间的变通能力。
三判断：结合图像和公式进行正确分析和判断。点击此图片进入“随堂检测 归纳小结” 1．中性面位置指的是线圈平面与磁感线方向垂直的位置，线圈在中性面位置时磁通量最大， 磁通量的变化率为零，感应电流为零，线圈每次经过中性面位置，电流方向要发生改变。
2．线圈平面与磁感线平行时，线圈中磁通量为零，磁通量的变化率最大，感应电流最大。
3．若以线圈平面在中性面位置为t＝0的时刻，则电动势瞬时表达式为e＝Emsin ωt，若以线圈平面平行于磁感线位置为t＝0的时刻，则电动势瞬时表达式为e＝Emcos ωt，其中Em＝nBSω，其大小与线圈的形状及轴的位置无关。点击此图片进入“课下作业 综合提升”