《高中物理 第二章 交變電流 第一節(jié) 認識交變電流 第二節(jié) 交變電流的描述學案 粵教版選修3-2》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《高中物理 第二章 交變電流 第一節(jié) 認識交變電流 第二節(jié) 交變電流的描述學案 粵教版選修3-2（8頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 第一節(jié)　認識交變電流　第二節(jié)　交變電流的描述 學習目標 重點難點 1．會觀察電流（或電壓）的波形圖，能記住交變電流、直流的概念． 2．能記住交變電流的變化規(guī)律及表示方法，能記住交變電流的峰值、瞬時值的物理含義． 重點：交變電流的變化規(guī)律及表示方法． 難點：交變電流產(chǎn)生的原理及變化規(guī)律的應用． 一、交變電流 1．恒定電流 強弱和方向不隨時間變化的電流．稱為恒定電流． 2．交變電流 強弱和方向隨時間變化的電流．稱為交變電流． 3．波形圖 電流或電壓隨時間變化的圖象．通常利用示波器來觀察． 日常生活和生產(chǎn)中所用的交變電流是按正弦規(guī)律變化的交變電流． 預習

2、交流1 把兩個發(fā)光時顏色不同的發(fā)光二極管并聯(lián)，注意使兩者正負極的方向不同，然后連接到教學用的發(fā)電機的兩端（如圖）．轉動手柄，兩個磁極之間的線圈隨著轉動．觀察發(fā)光二極管的發(fā)光情況．實驗現(xiàn)象說明了什么？ 答案：可以觀察到兩個發(fā)光二極管交替發(fā)光．該實驗說明了發(fā)電機產(chǎn)生的電流的方向隨時間變化，不是直流電，是交變電流． 二、正弦交變電流的產(chǎn)生 1．實驗裝置： （1）交流發(fā)電機的基本結構：線圈、磁極、滑環(huán)及電刷． （2）模型裝置圖（下圖）： 2．過程分析： 位置變化 磁通量變化特點 感應電流方向 （a）位置→（b）位置 磁通量減小 沿abcd方向 （b）位置→（c）位置

3、 磁通量增大 沿abcd方向 （c）位置→（d）位置 磁通量減小 沿dcba方向 （d）位置→（e）位置 磁通量增大 沿dcba方向 3． 預習交流2 根據(jù)法拉第電磁感應定律，線圈在磁場中轉動時，穿過線圈的磁通量就發(fā)生變化，從而產(chǎn)生感應電流．用線圈和磁鐵做成發(fā)電機，線圈中產(chǎn)生的感應電流怎么輸出來呢？ 答案：如下圖所示，利用電刷將感應電流輸出． 三、用函數(shù)表達式描述交變電流 1．電動勢的瞬時值 N匝面積為S的線圈以角速度ω轉動，從中性面開始計時，得出： e＝Emsin_ωt，其中Em＝NBSω，叫做電動勢的峰值． 2．感應電流的瞬時值 i＝e/R＝Imsi

4、n ωt． 3．電壓瞬時值 u＝Umsin_ωt． 4．按正弦規(guī)律變化的交變電流叫做正弦式交變電流，簡稱正弦式交流電． 預習交流3 日常生活中照明電路用的是交流電，交流電的大小和方向是周期性變化的．我們?yōu)槭裁锤杏X白熾燈的明亮程度并沒有變化？為什么？ 答案：這主要是因為交流電的大小和方向變化過快，白熾燈燈絲的溫度基本不變，所以燈的亮度基本沒有變化，再者人的眼睛有0.1 s的視覺暫留，也不能分辨其變化情況． 四、用圖象描述交變電流 1．圖象特點 正弦式交變電流的電動勢e，電壓u及電流i隨時間按正弦規(guī)律變化． 2．線圈在勻強磁場中勻速轉動一周的過程中，電動勢e，電壓u及電流i出現(xiàn)

5、兩次最大值． 一、交變電流 1．交變電流的大小一定是變化的嗎？交變電流與直流電的最大區(qū)別是什么？ 答案：交變電流的大小不一定變化，如方波形交變電流，其大小可以是不變的，交變電流與直流電的最大區(qū)別在于交變電流的方向發(fā)生周期性變化，而直流電的方向不變． 2．交變電流是否都是由矩形線框在勻強磁場中勻速轉動的過程中產(chǎn)生的？ 答案：矩形線框在勻強磁場中勻速轉動時，產(chǎn)生正弦交變電流，它僅是產(chǎn)生交變電流的一種形式，但不是唯一方式． 如圖所示，線圈中不能產(chǎn)生交變電流的是（　?。? 答案：A 解析：選項A中線圈的轉動軸與磁場方向平行，不能產(chǎn)生交變電流；選項B、C、D中，線圈的

6、轉動軸都與磁場方向垂直，能夠產(chǎn)生交變電流． 發(fā)電機發(fā)出的及家庭電路中應用的均為交流電，但在超高壓輸電線上傳輸?shù)臑橹绷麟?，直流電便于傳輸，交流電方便應用? 二、正弦交變電流的產(chǎn)生 1．如圖是交流發(fā)電機的示意圖，線圈沿逆時針方向轉動，請思考討論以下問題： （1）線圈在由甲轉到乙的過程中，AB邊中電流向哪個方向流動？ 答案：磁感線的方向由N指向S，當線圈由甲轉到乙的過程中，向右穿過線圈ABCD的磁通量減少，根據(jù)楞次定律和安培定則可判斷AB中的電流方向為由B流向A． （2）線圈在由丙轉到丁的過程中，AB邊中電流向哪個方向流動？ 答案：磁感線的方向由N指向S，當線圈由丙轉到丁的過程

7、中，向右穿過線圈DABC的磁通量減少，根據(jù)楞次定律和安培定則可判斷AB中的電流方向為由A流向B． （3）當線圈轉到什么位置時線圈中沒有電流？ 答案：當線圈轉到甲和丙位置（中性面位置）時，AB、CD的速度方向都與磁感線方向平行，不切割磁感線，故線圈中沒有感應電動勢，沒有感應電流． （4）線圈轉到什么位置時線圈中的電流最大？ 答案：當線圈轉到乙和丁位置（垂直中性面的位置）時，AB、CD的速度方向都與磁感線方向垂直，此時兩邊垂直切割磁感線，且兩邊都切割磁感線產(chǎn)生感應電動勢，所以線圈中的感應電動勢最大，感應電流最大． （5）設從E經(jīng)過負載流向F的電流方向為正，大致畫出通過電流表的電流隨時間變

8、化的曲線，并在橫軸上標出線圈到達甲、乙、丙、丁幾個位置時對應的時刻． 答案：根據(jù)電流的正方向，在坐標系中描出甲、乙、丙、丁四個位置的電流，并結合電流的變化情況，用平滑的曲線大致畫出電流隨時間變化的曲線為正弦曲線，如圖． 2．通過上面問題的討論，試分析正弦交變電流有什么特點．試探究產(chǎn)生正弦交變電流的條件． 答案：交變電流的大小隨時間做正弦規(guī)律變化．線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場的軸勻速轉動時，線圈中就產(chǎn)生正弦交變電流． 一矩形線圈，繞垂直于勻強磁場并位于線圈平面內的固定軸轉動，線圈中的感應電動勢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

9、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為零 D．t4時刻線圈位于中性面 答案：C 解析：t1、t3時刻電動勢為零，線圈處于中性面位置，此時磁通量最大，磁通量的變化率為零，A錯誤，C正確；t2、t4時刻電動勢值最大，線圈處于與中性面垂直的位置，磁通量為零，B、D錯誤． 中性面、中性面垂直位置的特性比較 1．中性面：線圈平面與磁感線垂直的位置． 2．線圈平面與中性面重合時，S⊥B，Φ最大，＝0，e＝0，i＝0，電流方向將發(fā)生改變． 3．線圈平面與中性面垂直時，S∥B，Φ＝0，最大，e最大，i最大，電流方向不變． 在這兩個特殊

10、位置上，穿過線圈的磁通量Φ和磁通量的變化率均不同． 三、對e＝Emsin ωt的理解 如圖甲所示，當單匝線圈ABCD在勻強磁場中以恒定的角速度ω繞中心軸轉動，從經(jīng)過中性面時開始計時，經(jīng)過時間t，轉過角θ＝ωt，此時相當于電源的線圈ABCD四個邊都產(chǎn)生電動勢嗎？此時ABCD產(chǎn)生的感應電動勢怎樣計算大??？ 答案：設AD＝l1，AB＝l2，則矩形面積為S＝l1l2 作其俯視圖如圖乙所示，在t時刻，AD邊、BC邊分別切割磁感線，其速度為v＝ωl2，產(chǎn)生的電動勢分別為e1，e2 則e1＝Bl1vsin θ＝Bl1·ωl2sin ωt＝Bl1l2ωsin ωt，e2＝Bl1l2ωsin

11、ωt 由右手定則可判定它們在電路中串聯(lián)連接， 故整個電路的電動勢為 e＝e1＋e2＝2Bl1vsin ωt＝BSωsin ωt． 因此并不是四個邊都產(chǎn)生電動勢． 只有AD和BC邊切割磁感線產(chǎn)生感應電動勢． e＝2Bl1vsin ωt＝BSωsin ωt． 一臺發(fā)電機產(chǎn)生的按正弦規(guī)律變化的感應電動勢的最大值為311 V，初始線圈平面與磁場方向垂直，其在磁場中轉動的角速度是100 π rad/s，寫出感應電動勢的瞬時值的表達式． 答案：e＝311sin 100πt V 解析：因為Em＝311 V，ω＝100 rad/s，從中性面開始計時 所以產(chǎn)生的為正弦式交流電： e＝E

12、msin ωt＝311sin 100πt V． 1．交流電的瞬時值表達式的形式與開始計時時線圈的初位置有關．若從中性面開始計時，感應電動勢的瞬時值表達式為：e＝Emsin ωt；若從線圈平面與磁場方向平行的位置開始計時，則感應電動勢瞬時值表達式為e＝Emsin（ωt＋）＝Emcos ωt．所以確定感應電動勢的瞬時值表達式應首先確定線圈轉動是從哪個位置開始計時的． 2．最大值：Em＝2NBLv＝NBSω＝NΦmω，Em與轉軸的所在位置及線圈形狀無關（N為線圈匝數(shù)）． 3．線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的軸勻速轉動時，產(chǎn)生的正弦式交流電與軸的位置（不一定是對稱軸）、線圈的形狀無關． 四、

13、正弦交變電流的規(guī)律 1．利用電磁感應知識推導線圈在磁場中做勻速轉動時感應電動勢的最大值． 答案：當線圈平面與磁場平行時，ab、cd邊垂直切割磁感線，線圈中的感應電動勢最大，設線圈匝數(shù)為N，ab＝cd＝l1，bc＝da＝l2，線圈轉動的角速度為ω，則有：Em＝Bl1·ω·N×2＝NBl1l2ω．設線圈的面積為S，則S＝l1l2，故Em＝NBSω． 2．當從中性面開始計時時，試分析單匝線圈中瞬時值的表達式．若線圈為N匝呢？ 答案：（1）如圖，當線圈經(jīng)過中性面時開始計時，經(jīng)過時間t，線圈轉過的角度為ωt，ab、cd兩邊切割磁感線的有效速度為vsin ωt，設ab=l1，ad=l2

14、，則v=ωl2，ab、cd邊切割磁感線產(chǎn)生的電動勢相同，均為Bl1vsin ωt，ab與cd串聯(lián)，總電動勢為e＝2Bl1vsin ωt＝2Bl1×ωl2sin ωt＝Bl1l2ωsin ωt＝BSωsin ωt． （2）若線圈有N匝，相當于有N個線圈串聯(lián)，總電動勢為e＝NBSωsin ωt． 3．若從垂直中性面的位置開始計時，電動勢的瞬時值表達式還是按正弦規(guī)律變化嗎？線圈電動勢的最大值與開始計時的位置是否有關呢？ 答案：不按正弦規(guī)律變化．當線圈平面位于垂直中性面的位置時，t＝0，電動勢最大，所以表達式e＝NBSωcos ωt．電動勢的最大值對應線圈經(jīng)過與中性面垂直位置時的瞬時電動勢，其大

15、小與開始計時的位置無關． 有一個10匝的正方形線框，邊長為20 cm，線框總電阻為1 Ω，線框繞OO′軸以10π rad/s的角速度勻速轉動，如圖所示，垂直于線框平面向里的勻強磁場的磁感應強度為0.5 T． （1）該線框產(chǎn)生的交變電流電動勢最大值、電流最大值分別是多少？ （2）線框從圖示位置轉過60°時，感應電動勢的瞬時值是多大？ （3）寫出感應電動勢隨時間變化的表達式． 答案：（1）6.28 V　6.28 A?。?）5.44 V （3）e=6.28sin 10πt V 解析：（1）交變電流電動勢最大值為Em=NBSω=10×0.5×0.22×10πV=6.28 V．

16、電流的最大值為Im=A=6.28 A． （2）線框轉過60°時，感應電動勢e=Emsin 60°=5.44 V． （3）由于線框轉動是從中性面開始計時的，所以瞬時值表達式為e=Emsin ωt=6.28sin 10πt V． 寫出感應電動勢隨時間變化的表達式的關鍵 1．找電動勢最大值：交變電流電動勢最大值Em＝NBSω，其中N為線圈匝數(shù)，S為線圈面積，ω為線圈轉動的角速度，B為勻強磁場的磁感應強度． 2．t＝0時的位置：一般來說，t＝0時在兩個特殊位置．一個是中性面，此時電動勢的瞬時值表達式是：e＝Emsin ωt．一個是與中性面垂直時，此時電動勢的瞬時值表達式是：e＝Emcos ω

17、t． 1．關于中性面，下列說法正確的是（　?。? A．線圈在轉動中經(jīng)中性面位置時，穿過線圈的磁通量最大，磁通量的變化率為零 B．線圈在轉動中經(jīng)中性面位置時，穿過線圈的磁通量為零，磁通量的變化率最大 C．線圈每經(jīng)過一次中性面，感應電流的方向就改變一次 D．線圈每轉動一周經(jīng)過中性面一次，所以線圈每轉動一周，感應電流的方向就改變一次 答案：AC 解析：中性面是線圈平面與磁感線垂直的位置，線圈經(jīng)過該位置時，穿過線圈的磁通量最大，各邊都不切割磁感線，不產(chǎn)生感應電動勢，所以磁通量的變化率為零，A項正確，B項錯誤；線圈每經(jīng)過一次中性面，感應電流的方向改變一次，但線圈每轉一周要經(jīng)過中性面兩次

18、，所以每轉一周，感應電流方向就改變兩次，C項正確，D項錯誤．故選A、C兩項． 2．下列各種敘述正確的是（　　）． A．線框平面和磁感線平行時的位置即為中性面 B．線框平面與磁感線垂直時，磁通量最大，感應電動勢最大 C．線框平面與磁感線平行時，磁通量為零，感應電動勢最大 D．線框勻速轉動，各時刻線速度一樣大，各時刻產(chǎn)生感應電動勢一樣大 答案：C 解析：線框平面和磁感線垂直時的位置即為中性面，磁通量最大，但磁通量的變化率為零（切割速度方向平行于磁感線，不切割磁感線），感應電動勢為零；線框平面與磁感線平行時，磁通量為零，磁通量的變化率最大，感應電動勢最大，線框勻速轉動，各時刻線速度一樣

19、大，但速度的方向與磁場的夾角時刻變化，各時刻產(chǎn)生感應電動勢不一樣大． 3．一矩形線圈在勻強磁場中勻速轉動時產(chǎn)生的感應電動勢e隨時間t的變化關系如圖所示，則下列說法中正確的是（　?。? A．t1時刻通過線圈的磁通量最大 B．t2時刻通過線圈的磁通量的變化率最大 C．t3時刻通過線圈的磁通量為零 D．當e的方向改變時，通過線圈的磁通量為零 答案：C 解析：由圖象可知t1和t3時刻電動勢最大，磁通量的變化率最大，線圈平面處于垂直中性面位置，穿過線圈的磁通量最小，所以A項錯，C項正確；t2和t4時刻電動勢為零，磁通量的變化率最小，線圈平面處于中性面位置，穿過線圈的磁通量最大，所以B項

20、錯；當線圈平面處于中性面位置時，電流方向發(fā)生變化，此時線圈的磁通量最大，D項錯． 4．閉合線圈在勻強磁場中繞垂直于磁感線的軸勻速轉動，線圈中產(chǎn)生的交變電流的瞬時值表達式為i＝Imsin ωt．保持其他條件不變，使線圈的匝數(shù)及轉速都增加1倍，則電流的變化規(guī)律為（　　）． A．i＝2Imsin 2ωt　　　　　　B．i＝4Imsin 2ωt C．i＝2Imsin ωt D．i＝4Imsin ωt 答案：A 解析：線圈的匝數(shù)及轉速都增加1倍，電壓的最大值增加到原來的4倍，線圈的匝數(shù)增加1倍，導線的電阻也增加1倍，所以最大電流只增加到原來的2倍．線圈中產(chǎn)生的交變電流的

21、瞬時值表達式為i＝2Imsin 2ωt． 5．如圖所示，有一閉合的正方形線圈，匝數(shù)N＝100，邊長為10 cm，線圈總電阻為10 Ω．線圈繞OO′軸在B＝0.5 T的勻強磁場中勻速轉動，每分鐘轉1 500轉，求線圈平面從圖示位置轉過30°時，感應電動勢的值是多少？ 答案：39.25 V 解析：由題給條件可知：N＝100，B＝0.5 T，f＝1 500 rad/min＝25 Hz，ω＝2πf＝50π rad/s，S＝0.01 m2，所以感應電動勢的最大值為Em＝NBωS＝100×0.5×50π×0.01 V＝78.5 V．從圖示位置（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＝Emsin ωt，所以轉過30°時的電動勢e＝Emsin 30°＝78.5×V＝39.25 V． 8