人教版高中物理选择性必修第二册第三章交变电流1交变电流课件（64页ppt）

(共64张PPT)
第三章　交变电流
1.交变电流
核心素养：
1. 了解交变电流、中性面的概念，了解发电机的构造和不同发电机的优缺点.（物理 观念）
2. 掌握交变电流的产生和变化规律.（科学思维）
3. 分析讨论交变电流产生的过程，能解决交变电流的瞬时值、峰值的有关问题.（科 学探究）
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研习任务一　交变电流
教材　认知
3. 恒定电流： 和 不随时间变化的电流.
做周期性变化　
AC
方向　
DC
大小　
方向　
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研习任务二　交变电流的产生
合作　讨论
如图所示，将发电机的两个输出端通过滑动变阻器连接到电流计的两个接线柱上，摇 动发电机手柄，让线圈在两磁极间连续转动，可以观察到电流计指针如何偏转？
提示：发电机产生的感应电流的大小和方向是不断变化的.仔细观察可发现，线圈在 磁场中转动时，感应电流的大小和方向都随时间做周期性变化，线圈每转动一周，电 流方向改变两次.
教材　认知
1. 交变电流的产生
将闭合矩形线圈置于 磁场中，并绕 磁场方向的轴 转动.
2. 两个特殊位置
（1）中性面：与磁感线 的平面.
（2）垂直中性面位置.
匀强　
垂直　
匀速　
垂直　
要点　归纳
1. 交变电流的产生过程分析
如图1所示为线圈ABCD在磁场中绕轴OO'转动时的截面图，AB和CD两个边切割磁感 线，产生电动势，线圈中就有了电流（或者说穿过线圈的磁通量发生变化而产生了感 应电流）.具体分析如图2所示.
图1
图2
转动过程 磁通量变化 电流方向
甲→乙 减小 B→A→D→C
乙→丙 增大 B→A→D→C
丙→丁 减小 A→B→C→D
丁→甲 增大 A→B→C→D
2. 两个特殊位置的对比
项目 中性面位置
（甲、丙） 与中性面垂直位置
（乙、丁）
位置 线圈平面与磁场垂直 线圈平面与磁场平行
磁通量 最大 零
磁通量变化率 零 最大
感应电动势 零 最大
感应电流 零 最大
电流方向 改变 不变
研习　经典
AC
A. 从中性面开始，线圈每转动一周，指针左右摆动一次
B. 图示位置为中性面，线圈中无感应电流
C. 线圈逆时针转动到图示位置时ab边的感应电流方向为a→b
D. 线圈平面与磁场方向平行时，磁通量变化率为零
解析：线圈在磁场中匀速转动时，在电路中产生周期性变化的交变电流，线圈经过中 性面时电流改变方向，线圈每转动一周，有两次通过中性面，电流方向改变两次，指 针左右摆动一次，故选项A正确；线圈处于图示位置时，ab边向右运动，由右手定 则，ab边的感应电流方向为a→b，故选项B错误，C正确；线圈平面与磁场方向平行 时，ab、cd边垂直切割磁感线，线圈产生的感应电动势最大，也可以这样认为，线圈 平面与磁场方向平行时，磁通量为零，磁通量的变化率最大，故选项D错误.
名师点评
　　解决此类问题必须熟练掌握交变电流的变化特点.
（1）线圈转至与磁感线平行时，磁通量的变化率最大，感应电动势最大.
（2）线圈每经过中性面一次，感应电流和感应电动势的方向都要改变一次.
（3）线圈转动一周，两次经过中性面，感应电动势和感应电流的方向都改变两 次，最大值出现两次.
对应　训练
A. 线圈中的感应电流一直在减小
B. 线圈中的感应电流先增大后减小
C. 穿过线圈的磁通量一直在减小
D. 穿过线圈的磁通量的变化率一直在减小
AD
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研习任务三　交变电流的变化规律
合作　讨论
如图所示为发电机的原理图，设t＝0时线圈刚好转到中性面位置.设线圈旋转的角速 度为ω，线圈面积为S，AB和CD的长度为l，AD和BC的长度为d，请推导感应电动势随 时间变化的规律，若线圈有N匝，感应电动势又该如何表示？
提示：经过时间t，线圈转过的角度θ＝ωt，
根据法拉第电磁感应定律，线圈上产生的感应电动势e＝2Blvsin θ＝ωBldsin ωt＝ ωBSsin ωt，如果线圈匝数为N，则e＝NωBSsin ωt.
教材　认知
1. 定义：按 规律变化的交变电流叫作正弦式交变电流，简称 .
2. 表达式（从中性面开始计时）
（1）电动势：线圈中产生的电动势的瞬时值表达式：e＝ ，Em叫作电动 势的最大值，简称峰值，Em＝ .
（2）电流：i＝ ，其中Im是电流的峰值.
（3）电压：u＝ ，其中Um是电压的峰值.
正弦　
正弦式电流
Emsin ωt　
NBSω　
Imsin ωt　
Umsin ωt　
3. 正弦式交变电流随时间变化图像
要点　归纳
1. 正弦式交变电流的瞬时值表达式
（1）从中性面位置开始计时：e＝Emsin ωt，i＝Imsin ωt，u＝Umsin ωt.
（2）从与中性面垂直的位置开始计时：e＝Emcos ωt，i＝Imcos ωt，u＝Umcos ωt.
2. 正弦式交变电流的峰值
3. 峰值的相关因素
（1）电动势峰值Em＝NωBS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，与线圈的形状无关，与转轴的位置无关.
（2）如图所示的几种情况中，如果N、B、ω、S均相同，则感应电动势的峰值 均相同.
　 　
4. 正弦式交变电流的图像
如图甲所示为正弦式交变电流的e－t图像，由图甲可以确定出以下信息：
（1）正弦式交变电流的峰值Em（Im、Um）；
（2）可得到与之相对应的Ф－t图像和i－t图像，如图乙、丙所示；
（4）线圈在中性面的时刻磁通量最大，感应电动势和感应电流均为零，可以由此确 定线圈处于中性面的时刻.
研习　经典
（1）线圈中感应电动势的瞬时值表达式；
答案：（1）e＝50sin 10πt（V）　
解析：（1）线圈转速n＝300 r/min＝5 r/s，角速度ω＝2πn＝10π rad/s，
线圈产生的感应电动势最大值Em＝NBSω＝50 V，
则感应电动势瞬时值表达式为
e＝Emsin ωt＝50sin 10πt（V）.
（3）外电路R两端电压瞬时值的表达式.
答案：（3）u＝40sin 10πt（V）
名师点评
　　写出正弦式交变电流电动势的瞬时值表达式是解题的关键，可按照如下步 骤进行：
（1）确定计时起点，以确定瞬时值表达式是正弦规律变化还是余弦规律变化.
（2）确定线圈转动的角速度.
（3）确定感应电动势的峰值Em＝NBSω.
（4）写出瞬时值表达式e＝Emsin ωt或e＝Emcos ωt.
对应　训练
2. 如图所示，KLMN是一个竖直的矩形导线框，全部处于磁感应强度为B的水平 方向的匀强磁场中，线框面积为S，MN边水平，线框绕某一竖直固定轴以角速 度ω匀速转动.在MN边与磁场方向的夹角到达30°的时刻（图示位置），导线框 中产生的瞬时电动势e的大小是多少？标出线框此时的电流方向.已知线框按逆 时针方向（俯视）转动.
解析：由图可知，穿过线框的向右的磁通量增大，感应电流的磁场方向向左，所以感 应电流的方向为K→N→M→L→K，如图所示.
从垂直中性面位置开始计时，感应电动势的瞬时值表达式为e＝Emcos ωt
当线圈平面与磁场方向夹角为30°时，即ωt＝30°
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研习任务四　交流发电机
教材　认知
2. 分类： 和 .
线圈　
磁体
旋转电枢式发电机　
旋转磁极式发电机　
知识　构建
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课后提素养 深刻剖析 提升能力
基础　题组
1. 判断正误.
×
√
×
√
√
BCD
解析：电流的大小和方向都随时间做周期性变化的电流叫作交变电流.A中电流虽然 大小变化，但方向没有变化，所以A错误；B、C、D中的电流都满足“电流的大小和 方向都随时间做周期性变化”，所以B、C、D正确.
3. 如图所示，有一个正方形线圈的匝数为10匝，边长为20 cm，线圈总电阻为1 Ω， 线圈绕垂直磁场方向的OO'轴以10π rad/s 的角速度匀速转动，匀强磁场的磁感应强度 为0.5 T，该线圈产生的感应电动势的峰值为 ，感应电流的峰值 为 ，在图示位置时感应电动势为 ，从图示位置转过90°时感应 电动势为 .
6.28
V　
6.28 A　
6.28 V　
0　
中档　题组
A. 电路中存在周期为T的变化电流
B. t＝0时刻，回路中磁通量最大，电路中电流最大
AD
A. 图中曲线是从线圈平面与磁场方向平行时开始计时的
B. t1和t3时刻穿过线圈的磁通量为零
C. t1和t3时刻穿过线圈的磁通量的变化率为零
D. 感应电动势e的方向变化时，穿过线圈的磁通量最大
解析：由题图可知，当t＝0时，感应电动势最大，说明穿过线圈的磁通量的变化率最 大，穿过线圈的磁通量为零，即图中曲线是从线圈平面与磁场方向平行时开始计时 的，选项A正确；t1、t3时刻感应电动势为零，穿过线圈的磁通量的变化率为零，穿过 线圈的磁通量最大，选项B错误，C正确；感应电动势e的方向变化时，线圈通过中性 面，此时穿过线圈的磁通量最大，选项D正确.
ACD
A
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课时作业（九）
[基础训练]
解析：选项A、B、C中e的方向均发生了变化，故它们属于交变电流，但不是按正弦 规律变化的交变电流，选项D中e的方向未变化，是直流电，选项A、B、C正确.
ABC
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A. 在A、C时刻线圈处于中性面位置
B. 在B、D时刻穿过线圈的磁通量为零
C. 从A时刻到D时刻线圈转过的角度为π
D. 若从O时刻到D时刻经过0.02 s，则在1 s内交变电流的方向改变 100次
D
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C. e'＝Emsin 2ωt
C
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A
A. 甲图中线圈转动区域磁场可视为匀强磁场
B. 乙图中线圈转动区域磁场可视为匀强磁场
C. 甲图中线圈转动时产生的电流是正弦交流电
D. 乙图中线圈匀速转动时产生的电流是正弦交流电
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解析：甲图中细短铁丝显示的磁场分布均匀，则线圈转动区域磁场可视为匀强磁场， 故A正确；乙图中细短铁丝显示的磁场分布不均匀，则线圈转动区域磁场不能看成匀 强磁场，故B错误；根据发电机原理可知甲图中线圈在匀强磁场中绕垂直磁场的转轴 匀速转动时才能产生正弦交流电，故C错误；乙图中是非匀强磁场，则线圈匀速转动 时不能产生正弦交流电，故D错误.
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D
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解析：磁场为沿半径的辐向磁场，可以认为磁感应强度的大小不变，线圈始终垂直切 割磁感线，所以产生的感应电动势大小不变，由于每个周期磁场方向要改变两次，所 以产生的感应电动势的方向也要改变两次.故选D.
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B. 线框中的电流方向在图示位置发生变化
C. 当穿过线框的磁通量为Фm的时刻，线框中的感应电动势为Em
D. 若转动周期减小一半，线框中的感应电动势也减小一半
A
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C
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A. 图（a）中，线圈平面与磁感线垂直，磁通量变化率最大
B. 从图（b）位置开始计时，线圈中电流i随时间t变化的关系是i＝Imsin ωt
C. 当线圈转到图（c）位置时，感应电流最小，且感应电流方向改变
D. 当线圈转到图（d）位置时，感应电动势最大，ab边感应电流方向为a→b
答案：C
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解析：图（a）中，线圈平面与磁感线垂直，穿过线圈的磁通量最大，但磁通量变化 率最小为零，故A错误；从图（b）位置开始计时，线圈产生的感应电动势最大，形 成的感应电流最大，线圈中电流随时间变化的关系是i＝Imcos ωt，故B错误；当线圈 转到图（c）位置时，线圈位于中性面位置，此时感应电流最小，且感应电流方向改 变，故C正确；当线圈转到图（d）位置时，感应电动势最大，根据楞次定律可知ab 边感应电流方向为b→a，故D错误.
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[能力提升]
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，各边切割磁感线的速度为零
CD
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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也就在此时变化； 线框垂直于中性面时，穿过线框的磁通量为零，但切割磁感线的两边都垂直切割，有 效切割速度最大，所以感应电动势最大，也可以说此时穿过线框的磁通量的变化率最 大.故选CD.
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A. 大小和方向都随时间做周期性变化
B. 大小和方向都不随时间做周期性变化
C. 大小不断变化，方向总是P→R→Q
D. 大小不断变化，方向总是Q→R→P
C
解析：半圆环交替接触电刷，从而使输出电流方向不变，
这是一个直流发电机模型， 由右手定则知，外电路中电流方向是P→R→Q，故C正确.
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BC
A. t1时刻线圈中的感应电动势最大
B. t2时刻ab的运动方向与磁场方向垂直
C. t3时刻线圈平面与中性面重合
D. t4、t5时刻线圈中感应电流的方向相同
解析：t1时刻通过线圈的磁通量最大，此时磁通量的变化率等于零，故感应电动势为 零，故A错误；t2时刻线圈内的磁通量为零，线圈与磁场平行，故导线ab的速度方向 跟磁感线垂直，故B正确；t3时刻线圈内的磁通量最大，故此时线圈与中性面重合， 故C正确；由图可知t5时刻线圈中磁通量最大，此时没有感应电流，故D错误.
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BC
A. 在t＝0时刻，线框中的感应电流最大
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12. 如图所示，矩形线圈匝数N＝100，ab＝30 cm，ad＝20 cm，匀强磁场磁感应强度 B＝0.8 T，绕轴OO'从图示位置（线圈平面与磁感线平行）开始匀速转动，角速度ω ＝100π rad/s.
（1）穿过线圈的磁通量最大值Фm为多大？
答案：（1）0.048 Wb　
解析：（1）当线圈转至与磁感线垂直时，
穿过线圈的磁通量有最大值，Фm＝BS＝ 0.8×0.3×0.2 Wb＝0.048 Wb.
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（2）线圈产生的感应电动势最大值Em为多大？
答案：（2）480π V　
解析：（2）线圈平面与磁感线平行时，感应电动势有最大值，Em＝NBSω＝480π V.
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（3）求感应电动势e随时间t变化的表达式.（从图示位置开始计时）
答案：（3）e＝480πcos 100πt（V）　
解析：（3）从题图所示位置开始计时，感应电动势的瞬时值表达式为e＝Emcos ωt＝ 480πcos 100πt（V）.
（4）从图示位置开始匀速转动60°时，线圈中产生的感应电动势为多少？
答案：（4）240π V
解析：（4）从图示位置开始匀速转动60°，即ωt＝60°，则此时线圈中产生的感应 电动势的瞬时值e'＝480π×cos 60° V＝240π V.
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