2012【优化方案】精品课件：物理粤教选修3-2第二章第1-2节

(共63张PPT)
第一节　认识交变电流
第二节　交变电流的描述
课标定位
学习目标：
1.理解交变电流、直流的概念．
2．了解交变电流的产生，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．
重点难点：
1.交变电流的产生和变化规律．
2．正弦交变电流表达式的推导．
第一二节
核心要点突破
课堂互动讲练
知能优化训练
课前自主学案
课标定位
课前自主学案
一、观察交变电流的图象
1．交变电流：_______和_______都随时间做周期性变化的电流．
2．直流：______________不随时间变化的电流．
3．波形图：_______或_______随时间变化的图象叫波形图，通常用__________来观察波形图．
强弱
方向
强弱和方向
电流
电压
示波器
二、交变电流的产生
1．交变电流的产生
(1)产生原理：矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，产生的是______电流．
交变电流的大小和方向分别由________________定律和________定律确定．(填电磁感应规律)
交变
法拉第电磁感应
楞次
(2)产生过程(如图2－1－1所示)
2．中性面
(1)中性面：线圈平面________(填“平行”或“垂直”)于磁感线时的位置叫做中性面．
(2)中性面特点：线圈平面经过中性面时，_______为零，__________最大，因此电流方向发生改变，线圈每转一周，电流方向改变_____次．线圈垂直于中性面时，____________为零，________最大．
垂直
电流
磁通量
磁通量
电流
两
思考感悟：
1．线圈在中性面时，穿过线圈的磁通量、磁通量的变化率及线圈中的电流为多少？
提示：线圈在中性面位置时，磁感线与线圈平面垂直，穿过线圈平面的磁通量最大，磁通量的变化率为零，感应电动势为零，线圈中电流为零．
三、用函数表达式描述交变电流
1．函数形式：N匝面积为S的线圈以角速度ω转动，从中性面开始计时，如图2－1－2所示，
图2－1－2
则e＝_____________.用Em表示峰值NBSω，则e＝____________.电流i＝___________.若线圈从磁感线与线圈平面平行的位置开始计时，上面表达式变为：e＝____________，i＝_________.
2．正弦式交流电：按_______规律变化的交变电流，简称_______________．
NBSωsinωt
Emsinωt
Imsinωt
NBSωcosωt
Imcosωt
正弦
正弦式电流
四、用图象描述交变电流
1．正弦交流电的图象
(1)图象：
函数 图象
瞬时电动势
e＝Emsinωt
瞬时电压：
u＝Umsinωt
瞬时电流：
i＝Imsinωt
注：表达式中Em、Um、Im分别是电动势、电压、电流的__________，而e、u、i则是这几个量的________________．
(2)物理意义：描述交变电流(电动势e，电流i，电压U)随时间t(或角度ωt)变化的规律．
峰值
瞬时值
2．其他交变电流
图2－1－3
思考感悟
2．交变电流的大小是否一定变化？它与直流电的最大区别是什么？
提示：交变电流的大小不一定变化，如方形波电流，它与直流电的最大区别是方向发生周期性的变化．
核心要点突破
一、怎样理解交变电流产生的原理
1．产生原理：在匀强磁场中，让一矩形线圈绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时，就得到了大小和方向都随时间变化的交变电流．
2．过程分析：图2－1－4所示为线圈转一周过程中的几个关键位置，图中甲、丙、戊所示的位置，线圈平面垂直于磁感线，各边都不切割磁感线，线圈中没有感应电流，这样的位置叫中性面．图乙、丁所示的位置，线圈平面与磁场方向平行，ab、cd两边垂直切割磁感线，此时线圈中的感应电流达到最大值．
图2－1－4
这五个位置的中间过程，各有变化的电流存在，从图中可以看到，当ab边向右、cd向左运动时，感应电流是沿abcd方向流动的；当ab边向左，cd边向右运动时，感应电流是沿dcba方向流动的．
由以上分析可知，线圈转一周的过程中，感应电流的大小和方向都在不停地变化，每转一周重复这种变化一次，这样线圈所在的电路中就出现了大小和方向都做周期性变化的交变电流．
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
1．(单选)如图2－1－5所示为演示交流电产生的装置图，关于这个实验，正确的说法是(　　)
图2－1－5
A．线圈每转动一周，指针左右摆动两次
B．图示位置为中性面，线圈中无感应电流
C．图示位置，ab边的感应电流方向由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：选C.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A项错；线圈平面垂直于磁感线的位置称为中性面，显然图示位置不是中性面，所以B项也不对；线圈处于图示位置时，ab边向右运动，由右手定则，ab边的感应电流方向由a→b；线圈平面与磁场方向平行时，ab、cd边垂直切割磁感线，线圈产生的电动势最大，也可以这样认为，线圈处于竖直位置时，磁通量为零，但磁通量的变化率最大．
二、中性面、中性面的垂面位置的特性比较
中性面 中性面的垂面
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
线圈边缘线速度
与磁场方向夹角 0 90°
感应电流 零 最大
电流方向 改变 不变
特别提醒：(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．
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
2．(双选)关于中性面，下列说法正确的是(　　)
A．线圈在转动中经中性面位置时，穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率为零
B．线圈在转动中经中性面位置时，穿过线圈的磁通量为零，磁通量的变化率最大
C．线圈每经过一次中性面，感应电流的方向就改变一次
解析：选AC.中性面是线圈平面与磁感线垂直的位置，线圈经过该位置时，穿过线圈的磁通量最大，各边都不切割磁感线，不产生感应电动势，所以磁通量的变化率为零，A项正确，B项错误；线圈每经过一次中性面，感应电流的方向改变一次，但线圈每转一周要经过中性面两次，所以每转一周，感应电流方向就改变两次，C项正确，D项错误．故正确答案为A、C两项．
三、正弦交变电流瞬时值、峰值表达式的推导
1．瞬时值表达式的推导
图2－1－6
若线圈平面从中性面开始转动，如图2－1－6，则经时间t：
2．峰值和瞬时值
(1)峰值：在以上各表达式中Em、Im、Um是电动势、电流、电压所能达到的最大值，叫交流电的峰值，其中Em＝NBSω，N表示线圈的匝数．
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2－1－7所示的几种情况中，如果N、B、S、ω均相同，则感应电动势的峰值均为Em＝NBSω.
图2－1－7
(2)瞬时值：e、i、u是与交变电流某个时刻t对应的这几个量的瞬时值．
特别提醒：(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＝Emsinωt.
②若线圈从位于与中性面垂直的位置开始计时，e＝Emcosωt.
(2)峰值与开始计时的位置及线圈转动的时间无关．
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
3．(双选)一个矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时产生的交变电动势e＝220 sin100πt V，则下列判断正确的是(　　)
A．t＝0时，线圈位于中性面位置
B．t＝0时，穿过线圈平面的磁通量最大
C．t＝0时，线圈的有效边切割速度方向垂直磁感线
D．t＝0.1 s时，线圈中感应电动势达到最大值
解析：选AB.t＝0时，e＝0，此时线圈处于中性面位置，磁通量最大，感应电动势为零，线圈的有效边切割速度方向与磁感线平行，A、B正确，C错误；当sin100πt＝1即100πt＝ 也即t＝ s时电动势达到最大值，故D错．
四、正确认识正弦交变电流的图象
正弦交变电流随时间变化情况可以从图象上表示出来，图象描述的是交变电流、电压随时间变化的规律，它们是正弦曲线，如图2－1－8所示．
图2－1－8
从图象中可以解读到以下信息：
1．交变电流的最大值Im、Em、周期T.
2．因线圈在中性面时感应电动势、感应电流均为零，磁通量最大，所以可确定线圈位于中性面的时刻．
3．找出线圈平行于磁感线的时刻．
4．判断线圈中磁通量的变化情况．
5．分析判断i、e随时间的变化规律．
特别提醒：(1)用物理图象反映某些物理量的变化过程，可对整个变化过程或某一瞬态进行深入研究．
(2)根据交流电的图象画出穿过线圈的磁通量Φ随时间t变化的图象，两图象周期相同．
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
4.
图2－1－9
(单选)如图2－1－9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＝0°时(如图)为计时起点，并规定当电流自a流向b时电流方向为正．则下列四幅图中正确的是(　　)
图2－1－10
解析：选D.矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴转动时，产生的电流按正弦规律变化，由于t＝0时，线圈的转动方向如题图，由右手定则判断可得，此时ad中电流方向为由a到d，线圈中电流方向为a→d→c→b→a，与规定的电流正方向相反，电流为负值．又因为此时产生的感应电动势最大，故只有D正确．
课堂互动讲练
交变电流的产生原理
(单选)一矩形线圈绕与匀强磁场垂直的中心轴OO′按顺时针方向旋转，引出线的两端与互相绝缘的半圆铜环连接，两个半圆环分别与固定电刷
A、B滑动接触，电刷间接有电阻R，如图2－1－11所示，在线圈转动过程中，通过电阻的电流( )
例1
图2－1－11
A．大小和方向都不断变化
B．大小和方向都不变
C．大小不断变化，方向为A→R→B
D．大小不断变化，方向为B→R→A
【精讲精析】　与电刷A接触的这一侧的导线切割磁感线的方向始终相同，由右手定则可知产生的感应电流的方向也不发生变化．
【答案】　C
【方法总结】　关于交变电流的产生，从导体切割磁感线的角度考虑，是切割边的速度方向与磁场方向的夹角呈周期性变化的结果；从磁通量变化的角度考虑，是线圈中的磁通量呈周期性变化产生的．
对中性面的认识
(双选)线圈在匀强磁场中绕垂直于匀强磁场且在线圈平面内的轴匀速转动时产生交变电流
，则下列说法中正确的是(　　)
A．当线圈位于中性面时，线圈中感应电流最大
B．当穿过线圈的磁通量为零时，线圈中感应电动势最大
C．线圈在磁场中每转一周，产生的感应电流方向改变一次
D．每当线圈经过中性面时，感应电流的方向就改变一次
例2
【精讲精析】　线圈位于中性面时，线圈平面与磁感线垂直，此时磁通量最大，但是各边都不切割磁感线，或者说磁通量的变化率为零，所以感应电动势为零，而穿过线圈的磁通量为零时，切割磁感线的有效速度最大，磁通量的变化率最大，所以感应电动势最大，故选项A错B正确；线圈在磁场中每转一圈，产生的感应电流方向改变两次，C项错；很明显D项正确．
【答案】　BD
【方法总结】　首先要牢记中性面的位置，不可记错；其次对于中性面的特点，抓住磁通量最大这一根本点，在此基础上推理得出感应电动势的情况；再次还要明确线圈平面与中性面垂直时的特点；最后对比这两个特殊位置的特点加深理解，避免出错．
交变电流峰值、瞬时值的计算
有一个10匝正方形线框，边
长为20 cm，线框总电阻为1 Ω，
线框绕OO′轴以10π rad/s的角速度匀
速转动，如图2－1－12所示，垂直于
线框平面向里的匀强磁场的磁感
应强度为0.5 T．问： 图2－1－12
例3
(1)该线框产生的交变电流电动势最大值、电流最大值分别是多少？
(2)线框从图示位置转过60°时，感应电动势的瞬时值是多大？
(3)写出感应电动势随时间变化的表达式．
【思路点拨】　解答本题时应把握以下两点：
(1)电动势最大值Em＝NBSω.
(2)根据计时起点确定瞬时值表达式是e＝Emsinωt还是e＝Emcosωt.
【精讲精析】　(1)交变电流电动势最大值为
Em＝NBSω＝10×0.5×0.22×10π V＝6.28 V，
电流的最大值为Im＝ ＝ A＝6.28 A.
(2)线框转过60°时，感应电动势
e＝Emsin60°＝5.44 V.
(3)由于线框转动是从中性面开始计时的，所以瞬时值表达式为e＝Emsinωt＝6.28sin10πt V.
【答案】　见精讲精析
【方法总结】　 求解交变电动势瞬时值的步骤：
(1)确定线圈转动是从哪个位置开始计时的．
(2)确定表达式是正弦还是余弦．
(3)确定线圈转动的角速度ω及线圈匝数N、磁感应强度B、线圈面积S等．
(4)求出峰值Em＝NBSω，写出表达式，代入时间求瞬时值．
交变电流图象的应用
(单选)一矩形线圈，绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定轴转动，绕圈中的感应电动势e随时间t的变化如图2－1－13所示，下列说法中正确的是(　　)
例4
图2－1－13
A．t1时刻通过线圈的磁通量为零
B．t2时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大
C．t3时刻通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大
D．每当e变换方向时，通过线圈的磁通量的绝对值都为最大
【思路点拨】　磁通量Φ、磁通量的变化ΔΦ及磁通量变化率 属于有关联但内涵不同的三个物理量，要注意明确其区别，由法拉第电磁感应定律可知，感应电动势正比于 ，与Φ、ΔΦ无关．
【自主解答】　t1、t3时刻线圈中的感应电动势e＝0，故为线圈通过中性面的时刻，通过线圈的磁通量为最大，磁通量的变化率为零，故A、C两项不对；t2时刻e＝Em，线圈平面转到与磁感线平行时刻，磁通量为零，B项也不对；每当e变换方向时，也就是线圈通过中性面的时刻，通过线圈的磁通量绝对值最大，D项正确．
【答案】　D
【方法总结】　正确理解图象中所描述的物理规律及反映的物理现象是处理物理问题的关键．
变式训练　(单选)
图2－1－14
如图2－1－14所示，处在匀强磁场中的矩形线圈abcd，以恒定的角速度绕ab边转动，磁场方向平行于纸面并与ab垂直．在t＝0时刻，线圈平面与纸面重合，线圈的cd边离开纸面向外运动．若规定a→b→c→d→a方向的感应电流为正，则下图能反映线圈感应电流i随时间t变化的图线
是(　　)
图2－1－15
解析：选C
知能优化训练
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