人教版高中物理选择性必修第二册第3章 第1节 交变电流 课件(共31张PPT)
文档属性
| 名称 | 人教版高中物理选择性必修第二册第3章 第1节 交变电流 课件(共31张PPT) |
|
|
| 格式 | ppt | ||
| 文件大小 | 5.3MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2026-03-25 00:00:00 | ||
图片预览
文档简介
(共31张PPT)
第三章
交变电流
交变电流
第一节
第三章 交变电流
交变电流 交变电流的产生
第一部分
情境引入
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？
方向大小不变化
方向大小周期性变化
直流电（DC）
交流电（AC）
方向随时间做周期性变化的电流叫做交流电。
交变电流
恒定电流：大小方向都不随时间变化的电流。
方向不随时间变化的电流
大小可变
认识手摇发电机的内部结构
1.定子：不动的部分叫定子——磁铁
2.转子：转动的部分叫转子——电枢
3.滑环：K、L 4.电刷：E、F
观察交变电流的方向
教学用发电机产生的电流，大小和方向都在不断地变化，是一种交变电流。
那交变电流是怎么产生的呢？
转动手柄带动线圈在磁场中转动，假定线圈沿逆时针方向匀速转动时，问：哪些边切割磁感线？线圈的磁通量又是怎么变化的呢？
交变电流的产生
AB边和CD边切割磁感线
交变电流的产生
甲
乙
丙
丁
1、在线圈由甲转到乙的过程中，AB边中电流向哪个方向流动？
2、在线圈由丙转到丁的过程中，AB边中电流向哪个方向流动？
3、当线圈转到什么位置时线圈中没有电流，转到什么位置时线圈中电流最大
4、大致画出通过电流表的电流随时间变化的曲线，从左经过负载流向右的电流记为正，反之为负。在横坐标上标出线圈到达甲、乙、丙、丁几个位置时对应的时刻。
思考与讨论
B→A
A→ B
甲、丙
乙、丁
交变电流的产生
甲
乙
丙
丁
思考与讨论
交变电流的产生
演示：交变电流的变化图像
交变电流的产生
甲
乙
丙
丁
(1)线圈转到甲、丙位置时，磁通量有什么特点？
(2)AB棒速度方向与磁场方向是什么关系？
(3)此时的感应电动势多大？感应电流方向怎么变化？
思考与讨论
中性面
1、当线圈平面转到与磁场方向垂直时，此时磁通量最大，我们把此时位置称为中性面。
中性面的垂面
交变电流的产生
2、中性面的特点：
① 线圈平面与磁场垂直，即B⊥S
② 磁通量最大 Φ = BS
③ 速度方向与磁场平行，不切割磁感线
④ 线圈每经过中性面时，线圈中电流方向改变一次，线圈转动一周，电流方向改变两次。
垂直中性面的特点
① 线圈平面与磁场平行，即B∥S
② 磁通量最小，即Φ =0
③ 速度方向与磁场垂直，感应电动势最大，感应电流最大
交变电流的产生
1
如图是交流发电机的示意图，线圈的两条边分别与两个金属滑环连在一起，线圈逆时针匀速转动时，通过滑环和电刷保持与外电路的连接，图中只画了一匝线圈，磁场可视为匀强磁场，则( )
A.线圈转动到图甲和图丙所示的位置时，穿过线圈的磁通量最大，电路中的电流也最大
B.线圈转动到图乙和图丁所示的位置时，穿过线圈的磁通量为零，电路中的电流为零
C.线圈从图乙所示位置逆时针转动到图丁所示位置过程中，电路中电流的方向改变3次
D.线圈从图丙位置转到图丁位置过程中，穿过线圈磁通量减小，产生的感应电动势增大
例1
解析：线圈转动到题图甲和题图丙所示的位置时，穿过线圈的磁通量最大，但磁通量变化率为零，电路中的电流为零，A错误；线圈转动到题图乙和题图丁所示的位置时，穿过线圈的磁通量为零，但磁通量变化率最大，电路中的电流最大，B错误；线圈经过中性面时，电流方向发生改变，可知线圈从题图乙所示位置逆时针转动到题图丁所示位置的过程中，电路中电流的方向改变1次，C错误；线圈从题图丙位置(中性面)转到题图丁位置(与中性面垂直)的过程中，穿过线圈的磁通量减小，磁通量变化率增大，产生的感应电动势增大，D正确。故选D。
交变电流的产生
1
(多选)(2024·新课标卷)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( )
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
针对练1
解析：由题图可知，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BD。
交变电流的产生
1
下图中，不能产生交变电流的是( )
针对练2
解析：线圈绕垂直于磁场方向的转轴转动时产生交变电流，选项图A中的转轴与磁场方向平行，线圈中无电流产生；选项图B、C、D三种情形在旋转时线圈的磁通量发生变化，能产生交变电流。故选A。
交变电流的变化规律
交流发电机
第二部分
线圈处在磁感应强度是B的匀强磁场中，AB、CD宽L1，AD、BC长L2，线圈平面从中性面沿逆时针方向开始转动，角速度ω。经过时间t，推导此时线圈中产生瞬时感应电动势。
公式推导
交变电流的变化规律
1.线圈转过的角度
3.垂直磁场的速度
2.线圈AB边的速度
4.AB边产生的电动势
5.AB和CD边都在切割磁感线产生的电动势
B
v
A(B)
D(C)
t=0
θ
v//
v⊥
θ
交变电流的变化规律
线圈从中性面开始转动时产生感应电动势满足正弦函数规律变化，所以又称为正弦交流电。
表示电动势可能达到的最大值，又称为峰值。
若线圈匝数为N，则：
6.若线圈从中性面开始转动时，在t时刻产生的感应电动势为：
思考与讨论
若该线圈给外电阻R供电，设线圈本身电阻为r，则负载两端的电压u、流过的电流i随时间变化的规律是怎样的？
交变电流的变化规律
t1
t2
t3
t4
其中Em、Um、Im分别为电动势、电压、电流的最大值，也叫峰值，而e、u、i则是相应物理量的瞬时值。
交变电流的变化规律
若线圈从中性面的垂面（峰值面）开始计时，在t时刻线圈中的感应电动势是多少？
B
v
A(B)
D(C)
中性面
ωt
t = 0
v//
v⊥
ωt
负载两端电压变化规律：
流过负载的电流变化规律：
说明：物理学中，正弦交变电流与余弦交变电流(本质规律都相同)统称为正弦式交流电
交流发电机
1.组成：
①用来产生感应电动势的线圈（叫电枢）
②用来产生磁场的磁极
基本类型 转子 定子
旋转电枢式 线圈 磁极
旋转磁极式 磁极 线圈
旋转电枢式发电机：电枢转动，磁极不动，输出电压一般不超过500 V。
旋转磁极式发电机：磁极转动，电枢不动，能够产生几千伏到几万伏的电压，输出功率可达几百兆瓦。
2.分类：
交流发电机
发电机的转子由蒸汽轮机、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。
3.工作过程：
正弦式交变电流的峰值、瞬时值及表达式的理解
2
如图所示，匀强磁场的磁感应强度大小B ＝ ，边长L＝10 cm 的正方形线圈abcd共N＝100匝，线圈总电阻r＝1 Ω，线圈绕垂直于磁感线的轴OO'匀速转动，角速度ω＝2π rad/s，外电路电阻R＝4 Ω。求：
(1)转动过程中线圈中感应电动势的最大值；
(2)从图示位置(线圈平面与磁感线平行)开始计时，
感应电动势的瞬时值表达式；
(3)由图示位置转过30°角时电路中电流的瞬时值；
(4)线圈从图示位置开始计时经16 s时线圈中感应电流的瞬时值；
(5)电阻R两端电压的瞬时值表达式。
例2
解析：(1)设转动过程中线圈中感应电动势的最大值为Em，
则Em＝NωBL2＝100×2π× ×0.12 V＝ V。
(2)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＝ cos (2πt) V。
(3)从题图所示位置转过30°角时感应电动势的瞬时值e'＝ cos 30° V＝ V
则电路中电流的瞬时值为
(4)t＝16 s时，
对应的感应电流的瞬时值
(5)由闭合电路的欧姆定律可得
正弦式交变电流的峰值、瞬时值及表达式的理解
2
(多选)(2025·河南洛阳高二月考)线圈在磁场中匀速转动产生的交流电动势为e＝10sin(20πt) V，则下列说法正确的是( )
A.t＝0时，线圈平面位于中性面
B.t＝0时，穿过线圈的磁通量最大
C.t＝0时，导线切割磁感线的有效速度最大
D.t＝0.4s时，感应电动势e达到峰值10 V
针对练3
解析：t＝0时，感应电动势的瞬时值为e＝0，则线圈平面位于中性面，此时穿过线圈的磁通量最大，导线切割磁感线的有效速度最小，A、B正确，C错误；当t＝0.4s时，感应电动势的瞬时值为e＝10sin(20π×0.4)V＝0，D错误。故选AB。
正弦式交变电流的图像的理解及应用
3
一个矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，穿过线圈的磁通量随时间变化的图像如图甲所示，则下列说法中正确的是( )
A.t＝0时刻，线圈平面与中性面垂直
B.t＝0.01 s时刻，Φ的变化率最大
C.t＝0.02 s时刻，感应电动势达到最大
D.该线圈产生的感应电动势的图像如图乙所示
例3
解析：由题图甲可知，当t＝0时，Φ最大，说明线圈平面与中性面重合，选项A错误；t＝0.01s时，Φ＝0，Φ-t图像的切线斜率最大，即Φ的变化率ΔΦ/Δt最大，选项B正确；当t＝0.02s时，Φ最大，感应电动势最小为零，选项C错误；由以上分析可知，选项D错误。故选B。
正弦式交变电流的图像的理解及应用
3
线圈在匀强磁场中匀速转动，产生交变电流图像如图示，由图可知( )
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0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
解析：A、C时刻感应电流最大，线圈处于中性面的垂面，B、D时刻感应电流为零，线圈在中性面，此时磁通量最大，故A、B错误；从A时刻到D时刻线圈转过的角度为 ，故C错误；若从0时刻到D时刻经过0.02s，则T＝0.02s，则在1s内交变电流的方向改变
次，故D正确。故选D。
针对练4
课堂回眸
第三章
交变电流
交变电流
第一节
第三章 交变电流
交变电流 交变电流的产生
第一部分
情境引入
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？
方向大小不变化
方向大小周期性变化
直流电（DC）
交流电（AC）
方向随时间做周期性变化的电流叫做交流电。
交变电流
恒定电流：大小方向都不随时间变化的电流。
方向不随时间变化的电流
大小可变
认识手摇发电机的内部结构
1.定子：不动的部分叫定子——磁铁
2.转子：转动的部分叫转子——电枢
3.滑环：K、L 4.电刷：E、F
观察交变电流的方向
教学用发电机产生的电流，大小和方向都在不断地变化，是一种交变电流。
那交变电流是怎么产生的呢？
转动手柄带动线圈在磁场中转动，假定线圈沿逆时针方向匀速转动时，问：哪些边切割磁感线？线圈的磁通量又是怎么变化的呢？
交变电流的产生
AB边和CD边切割磁感线
交变电流的产生
甲
乙
丙
丁
1、在线圈由甲转到乙的过程中，AB边中电流向哪个方向流动？
2、在线圈由丙转到丁的过程中，AB边中电流向哪个方向流动？
3、当线圈转到什么位置时线圈中没有电流，转到什么位置时线圈中电流最大
4、大致画出通过电流表的电流随时间变化的曲线，从左经过负载流向右的电流记为正，反之为负。在横坐标上标出线圈到达甲、乙、丙、丁几个位置时对应的时刻。
思考与讨论
B→A
A→ B
甲、丙
乙、丁
交变电流的产生
甲
乙
丙
丁
思考与讨论
交变电流的产生
演示：交变电流的变化图像
交变电流的产生
甲
乙
丙
丁
(1)线圈转到甲、丙位置时，磁通量有什么特点？
(2)AB棒速度方向与磁场方向是什么关系？
(3)此时的感应电动势多大？感应电流方向怎么变化？
思考与讨论
中性面
1、当线圈平面转到与磁场方向垂直时，此时磁通量最大，我们把此时位置称为中性面。
中性面的垂面
交变电流的产生
2、中性面的特点：
① 线圈平面与磁场垂直，即B⊥S
② 磁通量最大 Φ = BS
③ 速度方向与磁场平行，不切割磁感线
④ 线圈每经过中性面时，线圈中电流方向改变一次，线圈转动一周，电流方向改变两次。
垂直中性面的特点
① 线圈平面与磁场平行，即B∥S
② 磁通量最小，即Φ =0
③ 速度方向与磁场垂直，感应电动势最大，感应电流最大
交变电流的产生
1
如图是交流发电机的示意图，线圈的两条边分别与两个金属滑环连在一起，线圈逆时针匀速转动时，通过滑环和电刷保持与外电路的连接，图中只画了一匝线圈，磁场可视为匀强磁场，则( )
A.线圈转动到图甲和图丙所示的位置时，穿过线圈的磁通量最大，电路中的电流也最大
B.线圈转动到图乙和图丁所示的位置时，穿过线圈的磁通量为零，电路中的电流为零
C.线圈从图乙所示位置逆时针转动到图丁所示位置过程中，电路中电流的方向改变3次
D.线圈从图丙位置转到图丁位置过程中，穿过线圈磁通量减小，产生的感应电动势增大
例1
解析：线圈转动到题图甲和题图丙所示的位置时，穿过线圈的磁通量最大，但磁通量变化率为零，电路中的电流为零，A错误；线圈转动到题图乙和题图丁所示的位置时，穿过线圈的磁通量为零，但磁通量变化率最大，电路中的电流最大，B错误；线圈经过中性面时，电流方向发生改变，可知线圈从题图乙所示位置逆时针转动到题图丁所示位置的过程中，电路中电流的方向改变1次，C错误；线圈从题图丙位置(中性面)转到题图丁位置(与中性面垂直)的过程中，穿过线圈的磁通量减小，磁通量变化率增大，产生的感应电动势增大，D正确。故选D。
交变电流的产生
1
(多选)(2024·新课标卷)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( )
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
针对练1
解析：由题图可知，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BD。
交变电流的产生
1
下图中，不能产生交变电流的是( )
针对练2
解析：线圈绕垂直于磁场方向的转轴转动时产生交变电流，选项图A中的转轴与磁场方向平行，线圈中无电流产生；选项图B、C、D三种情形在旋转时线圈的磁通量发生变化，能产生交变电流。故选A。
交变电流的变化规律
交流发电机
第二部分
线圈处在磁感应强度是B的匀强磁场中，AB、CD宽L1，AD、BC长L2，线圈平面从中性面沿逆时针方向开始转动，角速度ω。经过时间t，推导此时线圈中产生瞬时感应电动势。
公式推导
交变电流的变化规律
1.线圈转过的角度
3.垂直磁场的速度
2.线圈AB边的速度
4.AB边产生的电动势
5.AB和CD边都在切割磁感线产生的电动势
B
v
A(B)
D(C)
t=0
θ
v//
v⊥
θ
交变电流的变化规律
线圈从中性面开始转动时产生感应电动势满足正弦函数规律变化，所以又称为正弦交流电。
表示电动势可能达到的最大值，又称为峰值。
若线圈匝数为N，则：
6.若线圈从中性面开始转动时，在t时刻产生的感应电动势为：
思考与讨论
若该线圈给外电阻R供电，设线圈本身电阻为r，则负载两端的电压u、流过的电流i随时间变化的规律是怎样的？
交变电流的变化规律
t1
t2
t3
t4
其中Em、Um、Im分别为电动势、电压、电流的最大值，也叫峰值，而e、u、i则是相应物理量的瞬时值。
交变电流的变化规律
若线圈从中性面的垂面（峰值面）开始计时，在t时刻线圈中的感应电动势是多少？
B
v
A(B)
D(C)
中性面
ωt
t = 0
v//
v⊥
ωt
负载两端电压变化规律：
流过负载的电流变化规律：
说明：物理学中，正弦交变电流与余弦交变电流(本质规律都相同)统称为正弦式交流电
交流发电机
1.组成：
①用来产生感应电动势的线圈（叫电枢）
②用来产生磁场的磁极
基本类型 转子 定子
旋转电枢式 线圈 磁极
旋转磁极式 磁极 线圈
旋转电枢式发电机：电枢转动，磁极不动，输出电压一般不超过500 V。
旋转磁极式发电机：磁极转动，电枢不动，能够产生几千伏到几万伏的电压，输出功率可达几百兆瓦。
2.分类：
交流发电机
发电机的转子由蒸汽轮机、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。
3.工作过程：
正弦式交变电流的峰值、瞬时值及表达式的理解
2
如图所示，匀强磁场的磁感应强度大小B ＝ ，边长L＝10 cm 的正方形线圈abcd共N＝100匝，线圈总电阻r＝1 Ω，线圈绕垂直于磁感线的轴OO'匀速转动，角速度ω＝2π rad/s，外电路电阻R＝4 Ω。求：
(1)转动过程中线圈中感应电动势的最大值；
(2)从图示位置(线圈平面与磁感线平行)开始计时，
感应电动势的瞬时值表达式；
(3)由图示位置转过30°角时电路中电流的瞬时值；
(4)线圈从图示位置开始计时经16 s时线圈中感应电流的瞬时值；
(5)电阻R两端电压的瞬时值表达式。
例2
解析：(1)设转动过程中线圈中感应电动势的最大值为Em，
则Em＝NωBL2＝100×2π× ×0.12 V＝ V。
(2)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＝ cos (2πt) V。
(3)从题图所示位置转过30°角时感应电动势的瞬时值e'＝ cos 30° V＝ V
则电路中电流的瞬时值为
(4)t＝16 s时，
对应的感应电流的瞬时值
(5)由闭合电路的欧姆定律可得
正弦式交变电流的峰值、瞬时值及表达式的理解
2
(多选)(2025·河南洛阳高二月考)线圈在磁场中匀速转动产生的交流电动势为e＝10sin(20πt) V，则下列说法正确的是( )
A.t＝0时，线圈平面位于中性面
B.t＝0时，穿过线圈的磁通量最大
C.t＝0时，导线切割磁感线的有效速度最大
D.t＝0.4s时，感应电动势e达到峰值10 V
针对练3
解析：t＝0时，感应电动势的瞬时值为e＝0，则线圈平面位于中性面，此时穿过线圈的磁通量最大，导线切割磁感线的有效速度最小，A、B正确，C错误；当t＝0.4s时，感应电动势的瞬时值为e＝10sin(20π×0.4)V＝0，D错误。故选AB。
正弦式交变电流的图像的理解及应用
3
一个矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，穿过线圈的磁通量随时间变化的图像如图甲所示，则下列说法中正确的是( )
A.t＝0时刻，线圈平面与中性面垂直
B.t＝0.01 s时刻，Φ的变化率最大
C.t＝0.02 s时刻，感应电动势达到最大
D.该线圈产生的感应电动势的图像如图乙所示
例3
解析：由题图甲可知，当t＝0时，Φ最大，说明线圈平面与中性面重合，选项A错误；t＝0.01s时，Φ＝0，Φ-t图像的切线斜率最大，即Φ的变化率ΔΦ/Δt最大，选项B正确；当t＝0.02s时，Φ最大，感应电动势最小为零，选项C错误；由以上分析可知，选项D错误。故选B。
正弦式交变电流的图像的理解及应用
3
线圈在匀强磁场中匀速转动，产生交变电流图像如图示，由图可知( )
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0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
解析：A、C时刻感应电流最大，线圈处于中性面的垂面，B、D时刻感应电流为零，线圈在中性面，此时磁通量最大，故A、B错误；从A时刻到D时刻线圈转过的角度为 ，故C错误；若从0时刻到D时刻经过0.02s，则T＝0.02s，则在1s内交变电流的方向改变
次，故D正确。故选D。
针对练4
课堂回眸