2018-2019高中物理 第五章 交變電流 5.1 交變電流課件 新人教版選修3-2.ppt

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1、第五章交變電流1交變電流,【自主預(yù)習(xí)】1.交變電流:(1)交變電流:_____和_____都隨時間做周期性變化的電流,簡稱_____,符號為AC。(2)直流:_____不隨時間變化的電流,符號為DC。(3)轉(zhuǎn)化關(guān)系:交變電流經(jīng)過電子電路的處理,也能變成_____。,大小,方向,交流,方向,直流,2.交變電流的產(chǎn)生:,(1)交變電流的產(chǎn)生過程:如圖所示,將一個平面線圈置于勻強磁場中,線圈與外電路相連,組成閉合回路,使線圈繞_______磁感線的軸OO′做_____轉(zhuǎn)動,則線圈中就會產(chǎn)生交變電動勢、交變電流。,垂直于,勻速,(2)交變電流的大小:如圖甲、乙、丙、丁、戊所示,閉合線圈在圖___、圖_

2、__、圖___位置時線圈中沒有電流,在圖___、圖___位置時線圈中電流最大。,甲,丙,戊,乙,丁,(3)中性面:線圈平面與磁場方向_____的位置。3.交變電流的變化規(guī)律:(1)正弦式交變電流:①定義:按_____規(guī)律變化的交變電流,簡稱_______電流。,垂直,正弦,正弦式,②函數(shù)和圖象。,Emsinωt,Umsinωt,Imsinωt,上述中的Em、Um、Im分別是電動勢、電壓、電流的______,而e、u、i則是這幾個量的_______。(2)其他形式的交變電流:如圖甲所示的為_______交變電流,如圖乙所示的為_____交變電流。,峰,值,瞬時值,鋸齒形,矩形,【預(yù)習(xí)小測】1.(

3、多選)如圖所示的四種隨時間變化的電流圖象,其中屬于交變電流的是(),【解析】選C、D。圖象A、B中的電流大小在改變,但方向卻都是正值,故它們不是交變電流,C、D中的電流大小在改變,其方向也在周期性地改變,故它們是交變電流,選項C、D正確。,2.矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的軸勻速轉(zhuǎn)動,下列說法中不正確的是()A.在中性面時,通過線圈的磁通量最大B.在中性面時,感應(yīng)電動勢為零C.穿過線圈的磁通量為零時,感應(yīng)電動勢也為零D.線圈每通過中性面一次,電流方向改變一次,【解析】選C。線圈平面與中性面重合時,磁感線與線圈平面垂直,磁通量Φ最大,所以A項正確;中性面時,磁通量的變化率為零,感應(yīng)電動勢

4、為零,所以B項正確;線圈平面與中性面垂直時,磁感線與線圈平面平行,磁通量Φ為零,但磁通量的變化率最大,感應(yīng)電動勢最大,所以C項錯誤;在中性面時,感應(yīng)電流為零,電流方向在此位置前后發(fā)生變化,在垂直中性面時,感應(yīng)電流最大,電流方向不變,所以D項正確。,3.如圖所示,面積均為S的單匝線圈均繞其對稱軸或中心軸在磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動,能產(chǎn)生正弦交變電動勢e=BSωsinωt的圖是(),【解析】選A。線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場的軸勻速轉(zhuǎn)動,且從中性面開始計時,產(chǎn)生的電動勢e=BSωsinωt,由此判斷,只有A選項符合。,4.一矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的軸勻速轉(zhuǎn)動,線圈

5、中產(chǎn)生的電動勢為e=Emsinωt。若將線圈的轉(zhuǎn)速加倍,其他條件不變,則產(chǎn)生的電動勢為()A.Emsin2ωtB.2EmsinωtC.2EmsintD.2Emsin2ωt,【解析】選D。矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的軸勻速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生交變電流,交變電流的最大值為Em=NBSω,角速度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為ω=2πn,若將線圈的轉(zhuǎn)速加倍,感應(yīng)電動勢的最大值也將變?yōu)樵瓉淼膬杀?角速度也變?yōu)樵瓉淼膬杀?產(chǎn)生的電動勢為e=2Emsin2ωt,所以D項正確,A、B、C項錯誤。,主題一交變電流的產(chǎn)生【互動探究】探究點1交變電流,情景1,如圖甲、乙所示,把小燈泡分別接到干電池和手搖模型發(fā)電機的輸出端。情景2,如

6、圖丙所示,把電流表接入到模型發(fā)電機的輸出端。試結(jié)合上述情景,討論下列問題:,(1)閉合圖甲、乙中開關(guān),搖動發(fā)電機的手柄,觀察小燈泡的發(fā)光情況,小燈泡的發(fā)光情況能夠說明什么?提示:接在直流電路中的小燈泡亮度不變;轉(zhuǎn)動手搖發(fā)電機的手柄,小燈泡的亮度不斷變化,這說明了發(fā)電機產(chǎn)生電流的大小變化不同于電池產(chǎn)生的恒定電流。,(2)搖動圖丙中發(fā)電機的手柄,觀察電流表的指針擺動情況是怎樣的?電流表指針的擺動情況說明什么問題?提示:隨著線圈的轉(zhuǎn)動,電流表的指針不停地在“0”刻度線兩側(cè)左右擺動,說明手搖發(fā)電機產(chǎn)生的電流方向處于變化中。,探究點2交變電流的產(chǎn)生,情景1,如圖甲所示,線圈平面恰好處于中性面位置(S⊥B

7、)。情景2,如圖乙所示,線圈平面恰好經(jīng)過垂直于中性面位置(S∥B)。試結(jié)合上述情景,討論下列問題:,(1)情景1、2中穿過線圈的磁通量有何特點?情景1中穿過線圈的磁通量_____。情景2中穿過線圈的磁通量_____。,最大,為零,(2)當(dāng)線圈恰好經(jīng)過圖甲、圖乙所示位置時,線圈中有感應(yīng)電流嗎?穿過線圈的磁通量的變化率有何特點?提示:圖甲中線圈AB邊或CD邊的速度方向與磁感線方向平行,不切割磁感線,線圈中感應(yīng)電流是零,磁通量變化率是零。圖乙中線圈AB邊或CD邊的速度方向與磁感線方向垂直,切割磁感線的速度最大,線圈中感應(yīng)電流最大,磁通量的變化率最大。,(3)線圈___________時,線圈中電流的

8、方向發(fā)生改變。在一個周期內(nèi),電流方向改變____。,經(jīng)過中性面,2次,【探究總結(jié)】1.交變電流與直流電的區(qū)別:(1)交變電流的方向隨時間變化,而直流電的方向不隨時間變化。另外,交變電流的大小可以不變,如矩形脈沖,而直流電的大小可以變化。,(2)判斷是不是交變電流,至少需在一個周期內(nèi)觀察。如矩形波,該電流在正半周期或負半周期,電流的大小和方向都沒有發(fā)生變化,但在一個周期或更長的時間內(nèi),電流的方向隨時間發(fā)生變化,所以是交變電流。(3)交變電流的波形不一定是曲線,不能認為波形是曲線的,就一定是交變電流。,2.中性面及其垂直位置的特性比較:,【典例示范】(2018臨沂高二檢測)一閉合矩形線圈abcd繞

9、垂直于磁感線的固定軸OO′勻速轉(zhuǎn)動,線圈平面位于如圖甲所示的勻強磁場中。通過線圈的磁通量Φ隨時間t的變化規(guī)律如圖乙所示,下列說法正確的是(),A.t1、t3時刻通過線圈的磁通量變化率最大B.t1、t3時刻線圈中感應(yīng)電流方向改變C.t2、t4時刻線圈中磁通量最大D.t2、t4時刻線圈中感應(yīng)電動勢最小,【解題指南】解答本題應(yīng)注意以下兩點:(1)磁通量最大時,磁通量的變化率為零,感應(yīng)電流為零。(2)磁通量為零時,磁通量的變化率最大,感應(yīng)電動勢最大。,【解析】選B。由圖乙可知,t1、t3時刻通過線圈的磁通量最大,磁通量的變化率最小,選項A錯誤;t1、t3時刻線圈處于中性面上,故此時刻的感應(yīng)電流方向改變

10、,選項B正確;t2、t4時刻線圈中磁通量最小,磁通量的變化率最大,感應(yīng)電動勢最大,選項C、D錯誤,故選B。,【探究訓(xùn)練】1.(多選)對于如圖所示的電流i隨時間t做周期性變化的圖象,下列說法中正確的是(),A.電流大小變化,方向不變,是直流電B.電流大小、方向都變化,是交流電C.電流最大值為0.2A,周期為0.01sD.電流大小變化,方向不變,不是直流電,是交流電,【解題指南】解答本題應(yīng)明確以下兩點:(1)掌握交流電和直流電的定義。(2)明確交流電與直流電的區(qū)別?！窘馕觥窟xA、C。從題圖中可以看出,電流最大值為0.2A,周期為0.01s,電流大小變化,但方向不變,是直流電,不是交流電。,2.一矩

11、形線圈,繞垂直于勻強磁場并位于線圈平面內(nèi)的固定軸轉(zhuǎn)動,線圈中的感應(yīng)電動勢e隨時間t的變化如圖所示,下列說法中正確的是(),A.t1時刻通過線圈的磁通量為零B.t2時刻通過線圈的磁通量的絕對值最大C.t3時刻通過線圈的磁通量變化率的絕對值最大D.每當(dāng)e變換方向時,通過線圈的磁通量的絕對值都為最大,【解題指南】解答本題應(yīng)明確以下三點:(1)線圈經(jīng)過中性面時,磁通量最大但磁通量變化率為零。(2)線圈平面與中性面垂直時,磁通量為零,但磁通量變化率最大。(3)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與磁通量的變化率成正比。,【解析】選D。t1、t3時刻線圈中的感應(yīng)電動勢e=0,故為線圈通過中性面的時刻,線圈的磁通量為最大

12、,磁通量的變化率為零,故A、C不對。t2時刻e=-Em,是線圈平面轉(zhuǎn)至與磁感線平行的時刻,磁通量為零,B也不對。每當(dāng)e變換方向時,也就是線圈通過中性面的時刻,通過線圈的磁通量的絕對值最大,所以D正確。,3.如圖所示,一矩形閉合線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的轉(zhuǎn)軸OO′以恒定的角速度ω轉(zhuǎn)動,當(dāng)線圈平面與磁場方向平行時開始計時,則在這段時間內(nèi)(),A.線圈中的感應(yīng)電流一直在減小B.線圈中的感應(yīng)電流先增大后減小C.穿過線圈的磁通量一直在減小D.穿過線圈的磁通量的變化率先減小后增大,【解析】選B。由于當(dāng)線圈平面與磁場方向平行時開始計時,在這段時間內(nèi)線圈中的感應(yīng)電流先增大后減小,穿過線圈的磁通量先減小

13、后增大,而磁通量的變化率先增大后減小,故B正確。,【補償訓(xùn)練】1.如圖所示為演示交變電流產(chǎn)生的裝置圖,關(guān)于這個實驗,正確的說法是(),A.線圈每轉(zhuǎn)動一周,指針左右擺動兩次B.圖示位置為中性面,線圈中無感應(yīng)電流C.圖示位置ab邊的感應(yīng)電流方向為a→bD.線圈平面與磁場方向平行時,磁通量變化率為零,【解析】選C。線圈在磁場中勻速轉(zhuǎn)動時,在電路中產(chǎn)生呈周期性變化的交變電流,線圈經(jīng)過中性面時電流改變方向,線圈每轉(zhuǎn)動一周,有兩次通過中性面,電流方向改變兩次,指針左右擺動一次,故A錯。線圈處于圖示位置時,ab邊向右運動,由右手定則知,ab邊的感應(yīng)電流方向為a→b,故C對,B錯;線圈平面與磁場方向平行時,a

14、b、cd邊垂直切割磁感線,線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大,也可以這樣認為,線圈處于豎直位置時,磁通量為零,但磁通量的變化率最大,故D錯。,2.(多選)如圖所示,線圈在勻強磁場中繞垂直于勻強磁場且在線圈平面內(nèi)的軸勻速轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生交變電流,以下說法中正確的是(),A.當(dāng)線圈位于中性面時,線圈中的感應(yīng)電流最大B.當(dāng)穿過線圈的磁通量為零時,線圈中的感應(yīng)電動勢最大C.線圈在磁場中每轉(zhuǎn)一周,產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向改變一次D.每當(dāng)線圈經(jīng)過中性面時,感應(yīng)電流的方向就改變一次,【解析】選B、D。線圈位于中性面時,線圈平面與磁場垂直,此時磁通量最大,但是各邊都不切割磁感線,或者說磁通量的變化率為零。所以感應(yīng)電動勢為零,而穿過

15、線圈的磁通量為零時,切割磁感線有效速度最大,磁通量的變化率最大,所以感應(yīng)電動勢最大,故選項A錯誤,B正確;線圈在磁場中每轉(zhuǎn)一周,產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向改變兩次,選項C錯誤,選項D正確。,【通法悟道】1.交變電流與直流電的區(qū)別(1)大小:交變電流的大小不一定變化,如方形波交變電流,其大小可以是不變的;直流電的大小不一定不變。(2)方向:交變電流的方向發(fā)生周期性變化,而直流電的方向不變。,2.交變電流的特點(1)線圈每經(jīng)過中性面一次,電流方向就改變一次,線圈每轉(zhuǎn)一周,經(jīng)過中性面兩次,因此線圈每轉(zhuǎn)一周,電流方向改變兩次。(2)交變電流的周期等于線圈轉(zhuǎn)動的周期。,主題二交變電流的變化規(guī)律【互動探究】如圖所

16、示,單匝線圈abcd在勻強磁場B中以恒定的角速度ω繞垂直于磁場的中心軸OO′轉(zhuǎn)動。,試結(jié)合上述現(xiàn)象討論:(1)當(dāng)線圈平面從中性面開始計時時,試分析并計算單匝線圈中感應(yīng)電動勢瞬時值的表達式,若線圈為N匝呢?,提示:如圖,當(dāng)線圈經(jīng)過中性面時開始計時,經(jīng)過時間t,線圈轉(zhuǎn)過的角度為ωt,ab、cd兩邊切割磁感線的有效速度為vsinωt,設(shè)ab=L1,ad=L2,則v=L2ω,ab、cd邊切割磁感線產(chǎn)生的電動勢相同,均為BL1vsinωt,兩個電動勢串聯(lián),總電動勢為e=2BL1vsinωt=2BL1L2ωsinωt=BL1L2ωsinωt=BSωsinωt。若線圈有N匝,相當(dāng)于有N個線圈串聯(lián),總電動勢為

17、e=NBSωsinωt。,(2)若從垂直中性面的位置開始計時,電動勢的表達式是__________。,e=Emcosωt,(3)電動勢的最大值與開始計時的位置是否有關(guān)?提示:電動勢的最大值對應(yīng)線圈經(jīng)過與中性面垂直位置時的瞬時電動勢,其大小Em=NBSω與開始計時的位置無關(guān),與線圈運動的時間也無關(guān)。,(4)兩種情況下感應(yīng)電動勢圖象有什么區(qū)別?提示:線圈從中性面開始計時,感應(yīng)電動勢圖象為正弦圖象(如圖甲);線圈從垂直中性面開始計時,感應(yīng)電動勢圖象為余弦圖象(如圖乙)。,【探究總結(jié)】1.正弦式交變電流的產(chǎn)生:如圖所示是線圈ABCD在勻強磁場中繞軸OO′轉(zhuǎn)動時的截面圖。線圈從中性面開始轉(zhuǎn)動,角速度為ω

18、,經(jīng)過時間t轉(zhuǎn)過的角度是ωt。設(shè)AB邊長為L1,BC邊長為L2,磁感應(yīng)強度為B,AB邊和CD邊轉(zhuǎn)動時切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。,(1)在圖甲中,v∥B,eAB=eCD=0,e=0(2)在圖丙中,eAB=BL1v=BL1=BL1L2ω=BSω同理eCD=BSω所以e=eAB+eCD=BSω,(3)在圖乙中,eAB=BL1vsinωt=BL1L2ωsinωt=BSωsinωt同理eCD=BSωsinωt所以e=eAB+eCD=BSωsinωt(4)若線圈有n匝,則e=nBSωsinωt。,2.交變電流電動勢的峰值:(1)公式:Em=NBSω。(2)大小特點:交變電動勢最大值由線圈匝數(shù)N、磁感應(yīng)強度

19、B、轉(zhuǎn)動角速度ω及線圈面積S共同決定,與線圈的形狀及轉(zhuǎn)軸的位置無關(guān)。如圖所示的幾種情況,若N、B、S、ω相同,則電動勢的最大值相同。,3.確定交變電流瞬時值表達式的基本思路:(1)確定正弦交變電流的峰值,根據(jù)已知圖象讀出或由公式Em=nBSω求出相應(yīng)峰值。(2)明確線圈的初始位置,找出對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式。如:①線圈從中性面位置開始轉(zhuǎn)動,則i-t圖象為正弦函數(shù)圖象,函數(shù)式為i=Imsinωt。②線圈從垂直中性面位置開始轉(zhuǎn)動,則i-t圖象為余弦函數(shù)圖象,函數(shù)式為i=Imcosωt。,【拓展延伸】(1)產(chǎn)生正弦式交變電流的三個條件①勻強磁場。②線圈轉(zhuǎn)軸垂直于磁場方向。③線圈勻速轉(zhuǎn)動。,(2)從交變電流

20、圖象中可以得到的信息:①交變電流的電流最大值Im、電動勢最大值Em、周期T。②因線圈在中性面時感應(yīng)電動勢、感應(yīng)電流均為零,磁通量最大,所以可確定線圈位于中性面的時刻。③找出線圈平行磁感線的時刻。④判斷線圈中磁通量的變化情況。⑤分析判斷i、e隨時間的變化規(guī)律。,【典例示范】如圖所示,勻強磁場B=0.1T,所用矩形線圈的匝數(shù)N=100,邊長ab=0.2m,bc=0.5m,以角速度ω=100πrad/s繞OO′軸勻速轉(zhuǎn)動。當(dāng)線圈平面通過中性面時開始計時,試求:,(1)線圈中感應(yīng)電動勢的瞬時值表達式。(2)由t=0至t=過程中的平均電動勢值。,【解題指南】解答本題時應(yīng)注意以下兩點:(1)從中性面開始計

21、時e=Emsinωt。(2)平均電動勢可由法拉第電磁感應(yīng)定律E=n求解。,【解析】(1)電動勢的最大值:E=NBSω=1000.10.1100πV=314V電動勢的瞬時值:e=314sin100πtV(2)t=0至t=過程中磁通量的變化量ΔΦ=|Φ-Φ0|=BS平均電動勢答案:(1)e=314sin100πtV(2)200V,【探究訓(xùn)練】1.(2018威海高二檢測)如圖所示是一多匝線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場的軸勻速轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的圖象,根據(jù)圖象可知(),A.此感應(yīng)電動勢的瞬時值表達式為e=200sin0.02tB.此感應(yīng)電動勢的瞬時值表達式為e=200sin100πtC.t=0.01

22、s時,穿過線圈的磁通量為零D.t=0.02s時,穿過線圈的磁通量的變化率最大,【解析】選B。若從線圈轉(zhuǎn)到中性面時開始計時,則感應(yīng)電動勢的瞬時值表達式為e=Emsinωt;若從線圈轉(zhuǎn)到與中性面垂直位置開始計時,則感應(yīng)電動勢的瞬時值表達式為e=Emcosωt。從圖象上觀察到計時開始時,感應(yīng)電動勢為零,所以是從中性面開始計時的,感應(yīng)電動勢的最大值是200V,圖象中的周期是0.02s,角速度ω=100π,所以A項錯誤,B項正確;t=0.01s時,感應(yīng)電動勢為零在中性面,位置上,穿過線圈的磁通量最大,所以C項錯誤;t=0.02s時,感應(yīng)電動勢為零,磁通量的變化率為零,所以D項錯誤。,2.如圖所示有一閉合

23、的正方形線圈,匝數(shù)N=100,邊長為10cm,線圈總電阻為10Ω。線圈繞OO′軸在B=0.5T的勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動,每分鐘轉(zhuǎn)1500轉(zhuǎn),線圈平面從圖示位置轉(zhuǎn)過30角時,感應(yīng)電動勢的值是多少?,【解題指南】解答本題應(yīng)明確以下三點:(1)確立線圈從哪個位置開始計時,進而確立表達式是正弦還是余弦形式。(2)識記Em=NBSω,解題中可直接代入,不必推導(dǎo)。(3)按通式e=Emsinωt或e=Emcosωt代入Em及ω的具體數(shù)值。,【解析】由題給條件可知:N=100匝,B=0.5T,f=1500r/min=25Hz,ω=2πf=50πrad/s,S=0.01m2。所以感應(yīng)電動勢的最大值為Em=NBωS=

24、1000.550π0.01V=78.5V,從題圖所示位置(即中性面位置)開始計時,產(chǎn)生交變電動勢的瞬時值表達式為e=Emsinωt,所以轉(zhuǎn)過30角時的電動勢e=Emsin30=78.5V=39.25V。答案:39.25V,【延伸探究】在上題中,如果從圖示位置線圈轉(zhuǎn)過90時開始計時,請寫出交變電動勢的瞬時值表達式。提示:e=78.5cos50πt(V)答案:見提示,【補償訓(xùn)練】1.(多選)如圖所示,一單匝閉合線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)動過程中線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的瞬時值為e=0.5sin(20t)V,由該表達式可推知以下哪些物理量(),A.勻強磁場的磁感應(yīng)強度B.線圈的

25、面積C.穿過線圈的磁通量的最大值D.線圈轉(zhuǎn)動的角速度,【解析】選C、D。根據(jù)正弦式交變電流的表達式,e=BSωsinωt,可得ω=20rad/s,而磁通量的最大值的表達式為Φm=BS,所以可以根據(jù)BSω=0.5求出磁通量的最大值,故選C、D。,2.(多選)矩形線圈的匝數(shù)為50匝,在勻強磁場中繞垂直于磁場的軸勻速轉(zhuǎn)動時,穿過線圈的磁通量隨時間的變化規(guī)律如圖所示。下列結(jié)論正確的是(),A.在t=0.1s和t=0.3s時,電動勢最大B.在t=0.2s和t=0.4s時,電動勢改變方向C.電動勢的最大值是157VD.在t=0.4s時,磁通量變化率最大,其值為3.14Wb/s,【解析】選C、D。從題圖中可知,在0.1s和0.3s時刻,穿過線圈的磁通量最大,但此時刻磁通量的變化率等于零;0.2s和0.4s時刻,穿過線圈的磁通量為零,但此時刻磁通量的變化率最大,由此得選項A、B錯誤。根據(jù)電動勢的最大值公式:Em=NBSω,Φm=BS,ω=,可得:Em≈157V;磁通量變化率的最大值為≈3.14Wb/s,故選項C、D正確。,【課堂小結(jié)】,