教科版高中物理选择性必修第二册第三章交流电第1节交变电流课件(59页PPT)

(共59张PPT)
[学习目标]
1.通过实验，认识交变电流。
2.会分析交变电流的产生过程，会推导交变电流电动势的表达式。
3.知道什么是正弦交变电流，知道正弦交变电流的瞬时值表达式。
4.了解发电机和电动机中的能量转化情况。
1.恒定电流：_____和____都不随时间变化的电流，如图(a)、(b)所示。
大小
方向
2.交变电流：大小和方向都随时间做______变化的电流，简称交流电，如图(c)、(d)、(e)、(f)所示。
3.正弦交变电流：大小和方向都随时间按____函数规律变化的交变电流，简称正弦交流电，如图(c)所示。
4.我国的工业用电和家庭用电都是正弦交流电。
[易错辨析]
(1)方向不随时间变化的电流是恒定电流。( )
(2)方向周期性变化、大小不变的电流是交变电流。( )
(3)交变电流一定是按正弦或余弦函数规律变化的。( )
周期性
正弦
×
√
×
[例1]　如图所示，属于交流电的是(　　)
C
解析　方向随时间周期性变化是交流电最重要的特征。A、B、D三个选项中电流大小随时间周期性变化，但其方向不变，不是交流电，它们是直流电，错误；C选项中电流符合交流电的特征，正确。
1.正弦交流电的产生条件：闭合矩形线圈在匀强磁场中绕____于磁场方向的轴____转动。
2.中性面：与磁场方向____的平面。
3.两个特殊位置
(1)中性面位置(S⊥B，如图中的甲、丙、戊)
垂直
匀速
垂直
最大
0
0
中性面
两次
0
最大
最大
4.从中性面开始计时，线圈中产生的电动势的瞬时值表达式e＝_______，其中Em＝______为交变电流电动势的峰值。
Emsin ωt
NBSω
说明：(1)若从与中性面垂直的位置开始计时e＝Emcos ωt。
(2)电动势峰值Em＝NBSω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。
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)正弦交变电流的图像
[易错辨析]
(1)只要线圈在磁场中转动，就可以产生交变电流。( )
(2)线圈在通过中性面时磁通量最大，电流也最大。( )
(3)线圈在垂直中性面位置时电流的方向发生改变。( )
(4)从线圈平面与中性面垂直开始计时，在线圈转动2圈的过程中电流方向改变4次。( )
×
×
×
√
角度1　交变电流的产生
[例2]　(多选)如图所示，一面积为S的单匝闭合矩形线圈处于有界匀强磁场中，能使线圈中产生交流电的是(　　)
A.将线圈水平向右匀速拉出磁场
B.使线圈以OO′为轴匀速转动
C.使线圈以ab边为轴匀速运动
D.使磁感应强度以B＝B0sin ωt的规律变化
BCD
解析　将线圈水平向右匀速拉出磁场的过程中，穿过线圈的磁通量均匀减小，产生的感应电流大小和方向均不变，A错误；线圈绕垂直于磁感线方向的轴匀速转动的过程中，穿过线圈的磁通量发生周期性变化，产生交流电，B、C正确；如果磁感应强度按正弦规律发生周期性变化，而线圈面积不变，则穿过线圈的磁通量也按正弦规律发生周期性变化，产生交流电，D正确。
[例3]　(2025·四川成都期末)如图所示，闭合矩形线框绕垂直于匀强磁场且在线框平面内的轴匀速转动，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0时，线框中的感应电动势也为0
C.当穿过线框的磁通量为0时，线框中的磁通量变化率最大
D.线框经过如图位置时，电流方向将发生改变
C
解析　线框在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，产生交流电；线框位于中性面时，磁通量最大，各边不切割磁感线，感应电动势为0，A错误；当线框平面与中性面垂直时，线框平面与磁感线平行，此时穿过线框的磁通量为0，感应电动势最大，线框中的磁通量变化率最大，B错误，C正确；当线框位于中性面时，即线框和磁感线垂直时，电流方向将发生改变，D错误。
角度2　交变电流的变化规律
[总结提升]
交变电流瞬时值表达式的书写技巧
(1)确定线圈转动从哪个位置开始计时，以确定瞬时值表达式是按正弦规律变化还是按余弦规律变化。
(2)确定线圈转动的角速度。
(3)确定感应电动势的峰值Em＝NωBS。
(4)写出瞬时值表达式e＝Emsin ωt或e＝Emcos ωt。
角度3　交变电流的图像
[例5]　(2025·潍坊市高二期末)一闭合矩形线圈在匀强磁场中绕垂直磁场的轴匀速转动，产生的感应电流随时间变化的规律如图所示。则(　　)
D
A.t＝0.005 s时线圈平面处于中性面位置
B.t＝0.02 s时穿过线圈的磁通量为零
C.线圈转动的角速度为50π rad/s
D.1 s内感应电流的方向变化100次
[例6]　(2022·海南卷)一个有N匝的矩形线框，面积为S，以角速度ω从如图所示的位置开始，在磁感应强度为B的匀强磁场中绕垂直磁场的轴匀速转动，则产生的感应电动势随时间变化的图像是(　　)
A
解析　图示位置线框处于与中性面垂直的平面，竖直长边垂直切割磁感线，此时产生的感应电动势最大，为Em＝NBSω，根据正弦式交变电流的表达式可知，感应电动势随时间的变化关系为e＝NBSωcos ωt，故选A。
1.发电机是把机械能转化为____的装置。目前我国的发电方式主要有火力发电、水力发电、风力发电、太阳能发电、核能发电等。
2.电动机能够有效地将电能转化为______。
电能
机械能
3.发电机与电动机的能量转化流程图
[例7]　关于交流发电机和直流电动机，下列说法正确的是(　　)
A.发电机是利用电磁感应现象制成的，工作时把电能转化为机械能
B.发电机是利用磁场对电流的作用制成的，工作时把机械能转化为电能
C.电动机是利用电磁感应现象制成的，工作时把机械能转化为电能
D.电动机是利用磁场对电流的作用制成的，工作时把电能转化为机械能
解析　发电机是利用电磁感应现象制成的，工作时把机械能转化为电能，故A、B错误；电动机是利用磁场对电流作用的现象制成的，工作时把电能转化为机械能，故C错误，D正确。
D
1.(认识交变电流)如图所示，其中不表示交流电的是(　　)
C
解析　A、B、D中电流i的方向发生了周期性变化，是交流电；C中电流方向不变，不是交流电，故选C。
2.(交变电流的产生)(多选)下列各图能产生交变电流的是(　　)
CD
解析　A图中的转轴与磁场方向平行，B图中的转轴与纸面方向垂直，线圈中的磁通量始终为零，没有变化，线圈中无感应电流产生，故A、B错误；根据交变电流产生的条件可知，线圈绕垂直于磁感线且通过线圈平面的轴转动就可以产生交变电流，对线圈的形状没有特别要求，故C、D正确。
3.(交变电流的图像)一个矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动，穿过线圈的磁通量随时间变化的Φ－t图像如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.t＝0时刻线圈在中性面位置，磁通量为零，磁通量的变化率为零
B.t＝0.01 s时线圈产生的感应电动势最大
C.t＝0.02 s时线圈磁通量的变化率为零
D.t＝0.03 s时线圈中的电流方向发生改变
D
解析　t＝0时，磁通量为0，但Φ的变化率最大，产生的感应电动势最大，线圈垂直于中性面，A错误；t＝0.01 s时，磁通量最大，Φ的变化率为0，产生的感应电动势为0，B错误；t＝0.02 s时，磁通量为0，但Φ的变化率最大，C错误；由题图可知，t＝0.03 s时，穿过线圈的磁通量最大，此时线圈经过中性面，线圈中电流方向发生变化，D正确。
4.(交流电的变化规律)一个正方形闭合线圈的匝数为10，边长为20 cm，线圈总电阻为1 Ω，线圈绕OO′轴以10π rad/s的角速度匀速转动，如图所示，匀强磁场的磁感应强度为0.5 T，外电路电阻R＝4 Ω(π取3.14)。求：
(1)该线圈转动过程中感应电动势的最大值；
(2)以图示位置为计时起点，写出感应电动势随时间变化的表达式；
(3)线圈从图示位置转过60°时，求电路中电流的瞬时值。
答案　(1)6.28 V　(2)e＝6.28cos (10πt)V　(3)0.628 A
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[基础巩固练]
1.下列图像属于交变电流的是(　　)
A
解析　交变电流是指大小和方向都随时间做周期性变化的电流，由题图可知，A正确。
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2.如图所示，面积均为S的单匝线圈均绕其对称轴或中心轴在匀强磁场B中以角速度ω匀速转动，从图示位置开始计时能产生正弦交变电动势e＝BSωsin ωt的图是(　　)
A
解析　线圈绕垂直于磁场方向的轴匀速转动，产生正弦交变电动势，A图中感应电动势e＝BSωsin ωt，C图中感应电动势e＝BSωcos ωt，B、D图中线圈的磁通量始终为零不变化，不产生感应电动势，故A正确，B、C、D错误。
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3.(2024·新课标卷)(多选)电动汽车制动时可利用车轮转动将其动能转换成电能储存起来。车轮转动时带动磁极绕固定的线圈旋转，在线圈中产生电流。磁极匀速转动的某瞬间，磁场方向恰与线圈平面垂直，如图所示。将两磁极间的磁场视为匀强磁场，则磁极再转过90°时，线圈中(　　)
BD
A.电流最小
B.电流最大
C.电流方向由P指向Q
D.电流方向由Q指向P
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解析　开始线圈处于中性面位置，当磁极再转过90°时，此时穿过线圈的磁通量为0，故可知此时电流最大；在磁极转动的过程中，穿过线圈的磁通量在减小，根据楞次定律可知，此时感应电流方向由Q指向P，故选B、D。
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4.交流发电机正常工作时产生的电动势e＝Emsin ωt，若线圈匝数减为原来的一半，而转速增为原来的2倍，其他条件不变，则产生的电动势的表达式为(　　)
A.e′＝Emsin ωt B.e′＝2Emsin ωt
C.e′＝2Emsin 2ωt D.e′＝Emsin 2ωt
D
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5.如图所示，在磁感应强度为B的匀强磁场中，有一个匝数为N的矩形线圈abcd，线圈面积为S，ab边与磁场方向垂直且始终与金属滑环K相连，cd边与金属滑环L相连。现使矩形线圈以恒定角速度ω从图示位置绕过ad、bc中点的轴匀速转动。下列说法正确的是(　　)
C
A.线圈中产生的交流电按正弦规律变化
B.线圈转动的角速度越大，通过电阻R的电流越小
C.线圈平面与磁场平行时，瞬时感应电动势最大，为Em＝NBSω
D.线圈每转过半圈，穿过线圈平面的磁通量变化量一定为零
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解析　题图所示位置，线圈平面与磁感线平行，线圈中产生的交流电按余弦规律变化，选项A错误；由法拉第电磁感应定律可知，线圈转动的角速度越大，产生的交变电动势最大值越大，由闭合电路欧姆定律可知，通过电阻R的电流越大，选项B错误；线圈平面与磁场方向平行时，穿过线圈的磁通量为零，磁通量变化率最大，感应电动势最大，为Em＝NBSω，选项C正确；线圈每转过半圈，穿过线圈平面的磁通量变化量可能为2BS，也可能为零，选项D错误。
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6.(2025·泸州市高二期中)如图所示，边长为L、阻值为R的正方形单匝金属线圈abcd从图示位置(线圈平面与纸面相平行)开始绕通过b、d两点的轴EF以角速度ω匀速转动，EF的左侧有垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为B，右侧没有磁场，下列说法正确的是(　　)
C
A.在图示位置线圈的磁通量最大，磁通量的变化率也最大
B.从图示位置转出磁场的过程中，线圈中产生a→d→c→b→a方向的感应电流
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7.(2025·眉山市高二月考)(多选)为了研究交流电的产生过程，小张同学设计了如下实验构思方案：将单匝矩形线圈放在匀强磁场中，线圈绕转轴OO1按图示方向匀速转动(ab向纸外，cd向纸内)，并从图甲所示位置开始计时，此时产生的正弦式交流电如图乙所示。已知其周期为T，电流峰值为I0，下面说法正确的是(　　)
BC
C.若仅把甲图中的单匝矩形线圈改为两匝矩形线圈，并从图甲所示位置开始计时，则产生的交流电与图乙所示相同
D.若仅把甲图中的转轴OO1改为转轴ab，并从图甲所示位置开始计时，则产生的交流电与图乙所示不同
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8.如图所示，单匝闭合矩形线圈的一半放在有界匀强磁场中，中心轴线OO′与磁场边界重合，线圈绕中心轴线按图示方向(从上向下看为逆时针方向)匀速转动，t＝0时刻线圈平面与磁场方向垂直，规定电流方向沿abcd为正方向，则图中能表示线圈内感应电流随时间变化规律的是(　　)
B
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[能力提升练]
9.(多选)如图所示，一单匝闭合线框在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动，转动过程中线框产生的感应电动势的瞬时值表达式为e＝0.5sin 20t V，由该表达式可推知以下哪些物理量(　　)
A.匀强磁场的磁感应强度
B.线框的面积
C.穿过线框的磁通量的最大值
D.线框转动的角速度
CD
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解析　根据正弦交变电流的感应电动势的瞬时值表达式e＝BSωsin ωt可得ω＝20 rad/s，穿过线框的磁通量的最大值为Φm＝BS，根据BSω＝0.5 V可知磁通量的最大值Φm＝0.025 Wb，无法求出匀强磁场的磁感应强度和线框的面积，故C、D正确。
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10.(多选)如图所示，闭合矩形线圈abcd在匀强磁场中可以分别绕垂直于磁场方向的轴P1和P2以相同的角速度匀速转动。当线圈平面转到图示位置与磁场方向平行时(　　)
AC
A.线圈绕P1转动产生的电流等于绕P2转动产生的电流
B.线圈绕P1转动产生的电动势小于绕P2转动产生的电动势
C.线圈分别绕P1和P2转动产生的电流方向相同，都是a→d→c→b
D.线圈绕P1转动dc边受到的安培力大于绕P2转动dc边受到的安培力
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11.(2025·济宁市高二期末)(多选)如图所示，图线a是线圈在匀强磁场中匀速转动时所产生的正弦式交流电的图像，当调整线圈转速后，所产生正弦式交流电的图像如图线b所示，以下关于这两个正弦式交流电的说法正确的是(　　)
A.在图中t＝0时刻穿过线圈的磁通量均为零
B.线圈先后两次转速之比为3∶2
C.正弦式交流电a的瞬时值为u＝10sin 5πt V
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(1)写出线框中感应电动势的瞬时值表达式；
(2)求出由图示位置转过30°过程中线框产生的平均电动势；
(3)作出线框中感应电动势随时间变化的e－t图像。
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解析　(1)线框转动，开始计时的位置为线框平面与磁感线平行的位置，CD边长L1＝20 cm，CE、DF边长L2＝10 cm，在t时刻线框转过的角度为ωt，此时刻e＝BL1L2ωcos ωt
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[拓展培优练]
13.(2024·山东卷)如图甲所示，在－d≤x≤d，－d≤y≤d的区域中存在垂直Oxy平面向里、磁感应强度大小为B的匀强磁场(用阴影表示磁场的区域)，边长为2d的正方形线圈与磁场边界重合。线圈以y轴为转轴匀速转动时，线圈中产生的交变电动势如图乙所示。若仅磁场的区域发生了变化，线圈中产生的电动势变为图丙所示实线部分，则变化后磁场的区域可能为(　　)
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