高二物理选择性必修二 3.1 交变电流 导学案
文档属性
| 名称 | 高二物理选择性必修二 3.1 交变电流 导学案 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 779.6KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2024-01-23 21:35:17 | ||
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文档简介
高二物理选择性必修二3.1《交变电流》导学案
学习目标：1.知道交流电产生过程、以及交流电的瞬时值的表达式并能够解决相关问题。
2.通过交变电流瞬时值的推导，体会物理模型建立在物理规律形成中的作用。
3.通过对交变电流产生过程及变化规律的探究，尝试用科学探究及数学分析的方法研究物理问题，认识数学工具在物理学中的应用。
学习过程：
一、交变电流
1.交变电流： 都随时间做 的电流叫作交变电流，简称交流（AC）。如图甲乙丙丁所示。
2.直流： 不随时间变化的电流称为直流（DC），大小和方向都不随时间变化的电流称为 电流。
二、交变电流的产生
1.产生条件：在匀强磁场中，矩形线圈绕 磁场方向的轴匀速转动。
2.过程分析（如图顺时针所示）：
3.中性面：线圈在磁场中转动的过程中，线圈平面与磁场 时所在的平面。
（1）线圈处于中性面位置时，穿过线圈的 最大，但线圈中的电流为 。
（2）线圈每次经过中性面时，线圈中感应电流的方向都要 ，线圈转动一周，感应电流的方向改变 次。
4、交变电流的产生条件： 线圈绕垂直于匀强磁场的轴匀速转动，与线圈的形状和转轴的位置无关。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。
其中两个特殊位置：①中性面位置：线圈平面与磁场垂直的位置，此时Φ最大，为0，导体不切割，不产生电动势， e为0，i＝0， 但线圈经过中性面时电流方向在此刻改变，线圈转一圈电流方向改变两次．
②垂直中性面位置：此时Φ为0，导体垂直切割，产生电动势最大，＝最大，e最大瞬时值，i＝Im最大．方向不变，e＝Em＝NBSω最大。
例1：下列图像中不属于交流电的有（ ）
A．B．C．D．
变式训练：如图所示为交流发电机示意图，线圈的AB边连在金属滑环K上，CD边连在滑环L上，用导体做的两个电刷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时，穿过线圈的磁通量最大
B．当线圈平面转到中性面时，线圈中的感应电动势最大
C．当线圈平面转到跟中性面垂直时，穿过线圈的磁通量的变化率最小
D．当线圈平面转到跟中性面垂直时，线圈中的感应电流最小
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 电流。
2. 若线圈平面从中性面开始转动，如图所示，则经时间t：
（1）线圈转过的角度为 ，
（2）ab边的线速度跟磁感线方向的夹角θ＝ 。
（3）ab边转动的线速度大小v＝ 。
（4）ab边产生的感应电动势eab＝ ＝sin ωt。
（5）整个线圈产生的感应电动势e＝2eab＝ ，若线圈为N匝，e＝NBSωsin ωt。
（6）若线圈给外电阻R供电，设线圈本身电阻为r，由闭合电路欧姆定律得i＝＝sin ωt，即i＝ ，R两端的电压可记为u＝ 。
3.峰值：
（1）由e＝NBSωsin ωt可知，电动势的峰值Em＝ 。
（2）交变电动势的最大值，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，但转轴必须垂直于磁场，因此如图所示几种情况，若N、B、S、ω相同，则电动势的最大值相同。
（3）电流的峰值可表示为Im＝ 。
例2：一矩形线圈ABCD在匀强磁场中绕其中心轴OO′匀速转动时，就会在线圈中形成交变电流。下列说法错误的是（ ）
:A．线圈经过甲图位置时，穿过线圈的磁通量最大，产生的电流也最大
B．线圈经过乙图位置时，穿过线圈的磁通量为零，产生的电流最大，电流的方向为图中箭头指向
C．线圈经过丙图位置时，穿过线圈的磁通量最大，产生的电流最小
D．线圈从丙图位置转到丁图位置的过程中，穿过线圈的磁通量减小，产生的电流在增大
变式训练：通过闭合线圈平面的Φ-t图象如图所示,下列说法正确的是（ ）
A．t1时刻线圈中感应电动势最大 B．t2时刻线圈中磁通量为零
C．t3时刻线圈平面与中性面重合 D．t1、t3时刻线圈中感应电流方向相同
课后巩固练习
1、对于如图所示的电流i随时间t做周期性变化的图像，下列描述正确的是（ ）
A．电流的大小变化，方向不变，是直流电 B．电流的大小不变，方向变化，是交变电流
C．电流的大小和方向都变化，是交变电流 D．电流的大小和方向都不变，是直流电
2、矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，线圈中产生正弦式交流电。当线圈转到中性面位置时，下列说法正确的是（ ）
A．穿过线圈的磁通量最大，线圈中的感应电动势最大
B．穿过线圈的磁通量最小，线圈中的感应电动势最小
C．穿过线圈的磁通量最小，线圈中的感应电动势最大
D．穿过线圈的磁通量最大，线圈中的感应电动势最小
3、图甲、乙是交流发电机示意图，线圈ABCD在磁场中匀速转动。下列说法正确的是 （ ）
A．图甲中穿过线圈的磁通量最大，电路中的感应电流最大
B．图乙中穿过线圈的磁通量为零，电路中的感应电流为零
C．图甲中穿过线圈的磁通量变化率为零，电路中的感应电流为零
D．图乙中穿过线圈的磁通量变化率最大，电路中的感应电流为零
4、如图所示，边长为L的正方形线框在磁感应强度大小为B0的匀强磁场中，以周期T绕OO′轴匀速转动，从图示位置开始计时，下列说法正确的是（ ）
A．图示位置与中性面垂直 B．回路中产生稳恒直流电
C．t=T/4时，电流方向将发生改变 D．t=T/4时刻穿过线框的磁通量为0
5、一矩形线圈绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定转轴匀速转动,线圈中产生的感应电动势e随时间t的变化规律如图所示。下列说法中正确的是 ( )
A.t1时刻穿过线圈的磁通量最大 B.t2时刻穿过线圈的磁通量为0
C.t3时刻穿过线圈的磁通量的变化率最大
D.每当电流方向变化时,线圈平面就会与中性面垂直
6、如图所示,单匝直角三角形导线框OMN在匀强磁场中以ON所在的直线为轴匀速转动,角速度为ω,已知OM边长为l, ∠MON=θ,匀强磁场垂直于ON向右,磁感应强度大小为B,则下列说法正确的是( )
A.导线框OMN内产生大小恒定的电流 B.截掉导线MN,则电动势最大值变小
C.导线框OMN产生的电流方向为OMNO
D.导线框OMN内产生的电动势最大值为Bl2ωsinθcosθ
7、在匀强磁场中，一个闭合矩形金属线圈，绕与磁感线垂直的固定轴匀速转动，穿过该线圈的磁通量随时间按图示正弦规律变化。则（ ）
A．t=0时，线圈平面垂直于磁感线 B．t=1.0s时，线圈中的电流方向发生改变
C．t=1.0 s时，线圈中的感应电动势最大 D．t=2 s时，线圈刚好不受安培力
8、如图甲所示，矩形线圈abcd在匀强磁场中绕垂直于磁场方向且与线圈共面的轴OOˊ匀速转动， 从某个时刻开始计时， 穿过线圈的磁通量Φ随时间t的变化如图乙所示，则下列说法中正确的是（ ）
A．t=0 时刻线圈平面垂直中性面
B．t1、t3时刻线圈中的感应电流最大且方向相同
C．t2、t4时刻穿过矩形线圈的磁通量最大， 但感应电流却为零
D．t5时刻穿过线圈的磁通量为零， 电流改变方向
9、如图甲所示,一个矩形线圈abcd在匀强磁场中绕垂直于磁场方向且与线圈共面的轴OO'匀速转动,从某个时刻开始计时,穿过线圈的磁通量Φ随时间t的变化规律如图乙所示,则下列说法中正确的是( )
A.t=0时刻线圈平面垂直中性面
B.t1、t3时刻线圈中的感应电流最大且方向相同
C.t2、t4时刻穿过矩形线圈的磁通量最大,但感应电流却为零
D.t5时刻穿过线圈的磁通量为零,电流改变方向
10、小型交流发电机的原理图如图所示：单匝矩形线圈ABCD置于匀强磁场中，绕过BC、AD中点的轴OO′以恒定角速度旋转，轴OO′与磁场垂直，矩形线圈通过滑环与理想交流电流表A，定值电阻R串联，下列说法中正确的是（ ）
A．线圈平面与磁场垂直时，交流电流表A的示数最小
B．线圈平面与磁场平行时，流经定值电阻R的电流最大
C．线圈平面与磁场垂直时，通过线圈的磁通量变化率最大
D．线圈平面与磁场平行时，通过线圈的磁通量最大
11、某交流发电机的线圈在匀强磁场中匀速转动时，磁通量Φ随时间t变化的规律如图所示，则下列说法正确的是（ ）
A．1s内线圈中电流方向改变50次 B．t=0时，线圈平面与中性面重合
C．t=0.01s时，磁通量变化率的绝对值为40πWb/s
D．t=0.015s时，线圈中的感应电流最大
12、如图所示，矩形线圈匝数N=100匝，ab=30cm，ad=20cm，匀强磁场磁感应强度B=0.8T，绕轴OO'从图示位置开始匀速转动，角速度ω=100πrad/s，试求∶
（1）穿过线圈的磁通量最大值Φm；
（2）线圈产生的感应电动势最大值Em；
（3）感应电动势e随时间变化的表达式。
13、如图甲为小型旋转电枢式交流发电机的原理图,矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的固定轴OO'按如图所示方向匀速转动,线圈的匝数n=100、电阻r=10 Ω,线圈的两端经集流环与电阻R连接,电阻R=90 Ω,与R并联的交流电压表为理想电表。在t=0时刻,线圈平面与磁场方向平行,穿过每匝线圈的磁通量Φ随时间t按图乙所示正弦规律变化。(取π=3.14)求:
(1)交流发电机产生的电动势的最大值;
(2)从t=0时刻开始计时,线圈转过60°时线圈中感应电流瞬时值及回路中的电流方向。
甲 乙
一、大小和方向 周期性变化 方向 恒定 垂直于 垂直 磁通量Φ 零 改变 两 例1：B 变式训练：A
三、正弦式 ω t ω t ω BLabv sin θ BSωsin ωt Imsinωt Umsinωt NBSω 例2：A 变式训练：A
课后巩固练习
1、 A 2、D 3、C 4、D 5、C 6、D 7、C 8、 C
9、 C 10、B 11、C
12、（1）当线圈转至与磁感线垂直时，磁通量有最大值，为Φm=BS=0.8×0.3×0.2Wb=0.048Wb
（2）线圈与磁感线平行时，感应电动势有最大值，为Em=NBSω=480πV
（3）从图示位置开始计时，电动势的瞬时值表达式为e=Emcosωt=480πcos100πt（V）
13、(1)由Φ-t图线可知Φm=2.0×10-2 Wb,T=2π×10-2 s,
角速度ω==100 rad/s
因为Φm=BS,所以线圈转动产生的感应电动势的最大值Em=nΦmω=200 V
(2)从t=0时刻开始计时,有e=200 cos 100t V
有i==2 cos 100t A所以i1=2 cos 60° A=1 A
由楞次定律结合安培定则,可得回路中电流方向为abcda。
学习目标：1.知道交流电产生过程、以及交流电的瞬时值的表达式并能够解决相关问题。
2.通过交变电流瞬时值的推导，体会物理模型建立在物理规律形成中的作用。
3.通过对交变电流产生过程及变化规律的探究，尝试用科学探究及数学分析的方法研究物理问题，认识数学工具在物理学中的应用。
学习过程：
一、交变电流
1.交变电流： 都随时间做 的电流叫作交变电流，简称交流（AC）。如图甲乙丙丁所示。
2.直流： 不随时间变化的电流称为直流（DC），大小和方向都不随时间变化的电流称为 电流。
二、交变电流的产生
1.产生条件：在匀强磁场中，矩形线圈绕 磁场方向的轴匀速转动。
2.过程分析（如图顺时针所示）：
3.中性面：线圈在磁场中转动的过程中，线圈平面与磁场 时所在的平面。
（1）线圈处于中性面位置时，穿过线圈的 最大，但线圈中的电流为 。
（2）线圈每次经过中性面时，线圈中感应电流的方向都要 ，线圈转动一周，感应电流的方向改变 次。
4、交变电流的产生条件： 线圈绕垂直于匀强磁场的轴匀速转动，与线圈的形状和转轴的位置无关。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。
其中两个特殊位置：①中性面位置：线圈平面与磁场垂直的位置，此时Φ最大，为0，导体不切割，不产生电动势， e为0，i＝0， 但线圈经过中性面时电流方向在此刻改变，线圈转一圈电流方向改变两次．
②垂直中性面位置：此时Φ为0，导体垂直切割，产生电动势最大，＝最大，e最大瞬时值，i＝Im最大．方向不变，e＝Em＝NBSω最大。
例1：下列图像中不属于交流电的有（ ）
A．B．C．D．
变式训练：如图所示为交流发电机示意图，线圈的AB边连在金属滑环K上，CD边连在滑环L上，用导体做的两个电刷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时，穿过线圈的磁通量最大
B．当线圈平面转到中性面时，线圈中的感应电动势最大
C．当线圈平面转到跟中性面垂直时，穿过线圈的磁通量的变化率最小
D．当线圈平面转到跟中性面垂直时，线圈中的感应电流最小
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 电流。
2. 若线圈平面从中性面开始转动，如图所示，则经时间t：
（1）线圈转过的角度为 ，
（2）ab边的线速度跟磁感线方向的夹角θ＝ 。
（3）ab边转动的线速度大小v＝ 。
（4）ab边产生的感应电动势eab＝ ＝sin ωt。
（5）整个线圈产生的感应电动势e＝2eab＝ ，若线圈为N匝，e＝NBSωsin ωt。
（6）若线圈给外电阻R供电，设线圈本身电阻为r，由闭合电路欧姆定律得i＝＝sin ωt，即i＝ ，R两端的电压可记为u＝ 。
3.峰值：
（1）由e＝NBSωsin ωt可知，电动势的峰值Em＝ 。
（2）交变电动势的最大值，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，但转轴必须垂直于磁场，因此如图所示几种情况，若N、B、S、ω相同，则电动势的最大值相同。
（3）电流的峰值可表示为Im＝ 。
例2：一矩形线圈ABCD在匀强磁场中绕其中心轴OO′匀速转动时，就会在线圈中形成交变电流。下列说法错误的是（ ）
:A．线圈经过甲图位置时，穿过线圈的磁通量最大，产生的电流也最大
B．线圈经过乙图位置时，穿过线圈的磁通量为零，产生的电流最大，电流的方向为图中箭头指向
C．线圈经过丙图位置时，穿过线圈的磁通量最大，产生的电流最小
D．线圈从丙图位置转到丁图位置的过程中，穿过线圈的磁通量减小，产生的电流在增大
变式训练：通过闭合线圈平面的Φ-t图象如图所示,下列说法正确的是（ ）
A．t1时刻线圈中感应电动势最大 B．t2时刻线圈中磁通量为零
C．t3时刻线圈平面与中性面重合 D．t1、t3时刻线圈中感应电流方向相同
课后巩固练习
1、对于如图所示的电流i随时间t做周期性变化的图像，下列描述正确的是（ ）
A．电流的大小变化，方向不变，是直流电 B．电流的大小不变，方向变化，是交变电流
C．电流的大小和方向都变化，是交变电流 D．电流的大小和方向都不变，是直流电
2、矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，线圈中产生正弦式交流电。当线圈转到中性面位置时，下列说法正确的是（ ）
A．穿过线圈的磁通量最大，线圈中的感应电动势最大
B．穿过线圈的磁通量最小，线圈中的感应电动势最小
C．穿过线圈的磁通量最小，线圈中的感应电动势最大
D．穿过线圈的磁通量最大，线圈中的感应电动势最小
3、图甲、乙是交流发电机示意图，线圈ABCD在磁场中匀速转动。下列说法正确的是 （ ）
A．图甲中穿过线圈的磁通量最大，电路中的感应电流最大
B．图乙中穿过线圈的磁通量为零，电路中的感应电流为零
C．图甲中穿过线圈的磁通量变化率为零，电路中的感应电流为零
D．图乙中穿过线圈的磁通量变化率最大，电路中的感应电流为零
4、如图所示，边长为L的正方形线框在磁感应强度大小为B0的匀强磁场中，以周期T绕OO′轴匀速转动，从图示位置开始计时，下列说法正确的是（ ）
A．图示位置与中性面垂直 B．回路中产生稳恒直流电
C．t=T/4时，电流方向将发生改变 D．t=T/4时刻穿过线框的磁通量为0
5、一矩形线圈绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定转轴匀速转动,线圈中产生的感应电动势e随时间t的变化规律如图所示。下列说法中正确的是 ( )
A.t1时刻穿过线圈的磁通量最大 B.t2时刻穿过线圈的磁通量为0
C.t3时刻穿过线圈的磁通量的变化率最大
D.每当电流方向变化时,线圈平面就会与中性面垂直
6、如图所示,单匝直角三角形导线框OMN在匀强磁场中以ON所在的直线为轴匀速转动,角速度为ω,已知OM边长为l, ∠MON=θ,匀强磁场垂直于ON向右,磁感应强度大小为B,则下列说法正确的是( )
A.导线框OMN内产生大小恒定的电流 B.截掉导线MN,则电动势最大值变小
C.导线框OMN产生的电流方向为OMNO
D.导线框OMN内产生的电动势最大值为Bl2ωsinθcosθ
7、在匀强磁场中，一个闭合矩形金属线圈，绕与磁感线垂直的固定轴匀速转动，穿过该线圈的磁通量随时间按图示正弦规律变化。则（ ）
A．t=0时，线圈平面垂直于磁感线 B．t=1.0s时，线圈中的电流方向发生改变
C．t=1.0 s时，线圈中的感应电动势最大 D．t=2 s时，线圈刚好不受安培力
8、如图甲所示，矩形线圈abcd在匀强磁场中绕垂直于磁场方向且与线圈共面的轴OOˊ匀速转动， 从某个时刻开始计时， 穿过线圈的磁通量Φ随时间t的变化如图乙所示，则下列说法中正确的是（ ）
A．t=0 时刻线圈平面垂直中性面
B．t1、t3时刻线圈中的感应电流最大且方向相同
C．t2、t4时刻穿过矩形线圈的磁通量最大， 但感应电流却为零
D．t5时刻穿过线圈的磁通量为零， 电流改变方向
9、如图甲所示,一个矩形线圈abcd在匀强磁场中绕垂直于磁场方向且与线圈共面的轴OO'匀速转动,从某个时刻开始计时,穿过线圈的磁通量Φ随时间t的变化规律如图乙所示,则下列说法中正确的是( )
A.t=0时刻线圈平面垂直中性面
B.t1、t3时刻线圈中的感应电流最大且方向相同
C.t2、t4时刻穿过矩形线圈的磁通量最大,但感应电流却为零
D.t5时刻穿过线圈的磁通量为零,电流改变方向
10、小型交流发电机的原理图如图所示：单匝矩形线圈ABCD置于匀强磁场中，绕过BC、AD中点的轴OO′以恒定角速度旋转，轴OO′与磁场垂直，矩形线圈通过滑环与理想交流电流表A，定值电阻R串联，下列说法中正确的是（ ）
A．线圈平面与磁场垂直时，交流电流表A的示数最小
B．线圈平面与磁场平行时，流经定值电阻R的电流最大
C．线圈平面与磁场垂直时，通过线圈的磁通量变化率最大
D．线圈平面与磁场平行时，通过线圈的磁通量最大
11、某交流发电机的线圈在匀强磁场中匀速转动时，磁通量Φ随时间t变化的规律如图所示，则下列说法正确的是（ ）
A．1s内线圈中电流方向改变50次 B．t=0时，线圈平面与中性面重合
C．t=0.01s时，磁通量变化率的绝对值为40πWb/s
D．t=0.015s时，线圈中的感应电流最大
12、如图所示，矩形线圈匝数N=100匝，ab=30cm，ad=20cm，匀强磁场磁感应强度B=0.8T，绕轴OO'从图示位置开始匀速转动，角速度ω=100πrad/s，试求∶
（1）穿过线圈的磁通量最大值Φm；
（2）线圈产生的感应电动势最大值Em；
（3）感应电动势e随时间变化的表达式。
13、如图甲为小型旋转电枢式交流发电机的原理图,矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的固定轴OO'按如图所示方向匀速转动,线圈的匝数n=100、电阻r=10 Ω,线圈的两端经集流环与电阻R连接,电阻R=90 Ω,与R并联的交流电压表为理想电表。在t=0时刻,线圈平面与磁场方向平行,穿过每匝线圈的磁通量Φ随时间t按图乙所示正弦规律变化。(取π=3.14)求:
(1)交流发电机产生的电动势的最大值;
(2)从t=0时刻开始计时,线圈转过60°时线圈中感应电流瞬时值及回路中的电流方向。
甲 乙
一、大小和方向 周期性变化 方向 恒定 垂直于 垂直 磁通量Φ 零 改变 两 例1：B 变式训练：A
三、正弦式 ω t ω t ω BLabv sin θ BSωsin ωt Imsinωt Umsinωt NBSω 例2：A 变式训练：A
课后巩固练习
1、 A 2、D 3、C 4、D 5、C 6、D 7、C 8、 C
9、 C 10、B 11、C
12、（1）当线圈转至与磁感线垂直时，磁通量有最大值，为Φm=BS=0.8×0.3×0.2Wb=0.048Wb
（2）线圈与磁感线平行时，感应电动势有最大值，为Em=NBSω=480πV
（3）从图示位置开始计时，电动势的瞬时值表达式为e=Emcosωt=480πcos100πt（V）
13、(1)由Φ-t图线可知Φm=2.0×10-2 Wb,T=2π×10-2 s,
角速度ω==100 rad/s
因为Φm=BS,所以线圈转动产生的感应电动势的最大值Em=nΦmω=200 V
(2)从t=0时刻开始计时,有e=200 cos 100t V
有i==2 cos 100t A所以i1=2 cos 60° A=1 A
由楞次定律结合安培定则,可得回路中电流方向为abcda。