第一節(jié)認(rèn)識(shí)交變電流第二節(jié)交變電流的描述學(xué)習(xí)目標(biāo)重點(diǎn)難點(diǎn)1會(huì)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(shí)值的物理含義重點(diǎn)：交變電流的變化規(guī)律及表示方法難點(diǎn)：交變電流產(chǎn)生的原理及變化規(guī)律的應(yīng)用一、交變電流1恒定電流強(qiáng)弱和方向不隨時(shí)間變化的電流稱為恒定電流2交變電流強(qiáng)弱和方向隨時(shí)間變化的電流稱為交變電流3波形圖電流或電壓隨時(shí)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(yù)習(xí)交流1把兩個(gè)發(fā)光時(shí)顏色不同的發(fā)光二極管并聯(lián)，注意使兩者正負(fù)極的方向不同，然后連接到教學(xué)用的發(fā)電機(jī)的兩端（如圖）轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，兩個(gè)磁極之間的線圈隨著轉(zhuǎn)動(dòng)觀察發(fā)光二極管的發(fā)光情況實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明了什么？答案：可以觀察到兩個(gè)發(fā)光二極管交替發(fā)光該實(shí)驗(yàn)說明了發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流的方向隨時(shí)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(shí)驗(yàn)裝置：（1）交流發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)：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(diǎn)感應(yīng)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(yù)習(xí)交流2根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，線圈在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，穿過線圈的磁通量就發(fā)生變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流用線圈和磁鐵做成發(fā)電機(jī)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流怎么輸出來呢？答案：如下圖所示，利用電刷將感應(yīng)電流輸出三、用函數(shù)表達(dá)式描述交變電流1電動(dòng)勢的瞬時(shí)值N匝面積為S的線圈以角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，從中性面開始計(jì)時(shí)，得出：eEmsin_t，其中EmNBS，叫做電動(dòng)勢的峰值2感應(yīng)電流的瞬時(shí)值ie/RImsin t3電壓瞬時(shí)值uUmsin_t4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(yù)習(xí)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?yàn)榻涣麟姷拇笮『头较蜃兓^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(diǎn)正弦式交變電流的電動(dòng)勢e，電壓u及電流i隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化2線圈在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過程中，電動(dòng)勢e，電壓u及電流i出現(xiàn)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(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中產(chǎn)生的？答案：矩形線框在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(xiàng)A中線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與磁場方向平行，不能產(chǎn)生交變電流；選項(xiàng)B、C、D中，線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)軸都與磁場方向垂直，能夠產(chǎn)生交變電流發(fā)電機(jī)發(fā)出的及家庭電路中應(yīng)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?yīng)用二、正弦交變電流的產(chǎn)生1如圖是交流發(fā)電機(jī)的示意圖，線圈沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，請思考討論以下問題：（1）線圈在由甲轉(zhuǎn)到乙的過程中，AB邊中電流向哪個(gè)方向流動(dòng)？答案：磁感線的方向由N指向S，當(dāng)線圈由甲轉(zhuǎn)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?yàn)橛葿流向A（2）線圈在由丙轉(zhuǎn)到丁的過程中，AB邊中電流向哪個(gè)方向流動(dòng)？答案：磁感線的方向由N指向S，當(dāng)線圈由丙轉(zhuǎn)到丁的過程中，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?yàn)橛葾流向B（3）當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到什么位置時(shí)線圈中沒有電流？答案：當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到甲和丙位置（中性面位置）時(shí)，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(yīng)電動(dòng)勢，沒有感應(yīng)電流（4）線圈轉(zhuǎn)到什么位置時(shí)線圈中的電流最大？答案：當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到乙和丁位置（垂直中性面的位置）時(shí)，AB、CD的速度方向都與磁感線方向垂直，此時(shí)兩邊垂直切割磁感線，且兩邊都切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，所以線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢最大，感應(yīng)電流最大（5）設(shè)從E經(jīng)過負(fù)載流向F的電流方向?yàn)檎笾庐嫵鐾ㄟ^電流表的電流隨時(shí)間變化的曲線，并在橫軸上標(biāo)出線圈到達(dá)甲、乙、丙、丁幾個(gè)位置時(shí)對應(yīng)的時(shí)刻答案：根據(jù)電流的正方向，在坐標(biāo)系中描出甲、乙、丙、丁四個(gè)位置的電流，并結(jié)合電流的變化情況，用平滑的曲線大致畫出電流隨時(shí)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(diǎn)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(shí)間做正弦規(guī)律變化線圈在勻強(qiáng)磁場中繞垂直于磁場的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈中就產(chǎn)生正弦交變電流一矩形線圈，繞垂直于勻強(qiáng)磁場并位于線圈平面內(nèi)的固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢e隨時(shí)間t的變化如圖所示下列說法中正確的是（）At1時(shí)刻通過線圈的磁通量為零Bt2時(shí)刻通過線圈的磁通量的絕對值最大Ct3時(shí)刻通過線圈的磁通量變化率的絕對值為零Dt4時(shí)刻線圈位于中性面答案：C解析：t1、t3時(shí)刻電動(dòng)勢為零，線圈處于中性面位置，此時(shí)磁通量最大，磁通量的變化率為零，A錯(cuò)誤，C正確；t2、t4時(shí)刻電動(dòng)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(cuò)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(shí)，SB，最大，0，e0，i0，電流方向?qū)l(fā)生改變3線圈平面與中性面垂直時(shí)，SB，0，最大，e最大，i最大，電流方向不變在這兩個(gè)特殊位置上，穿過線圈的磁通量和磁通量的變化率均不同三、對eEmsin t的理解如圖甲所示，當(dāng)單匝線圈ABCD在勻強(qiáng)磁場中以恒定的角速度繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從經(jīng)過中性面時(shí)開始計(jì)時(shí)，經(jīng)過時(shí)間t，轉(zhuǎn)過角t，此時(shí)相當(dāng)于電源的線圈ABCD四個(gè)邊都產(chǎn)生電動(dòng)勢嗎？此時(shí)ABCD產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢怎樣計(jì)算大??？答案：設(shè)ADl1，ABl2，則矩形面積為Sl1l2作其俯視圖如圖乙所示，在t時(shí)刻，AD邊、BC邊分別切割磁感線，其速度為vl2，產(chǎn)生的電動(dòng)勢分別為e1，e2則e1Bl1vsin Bl1·l2sin tBl1l2sin t，e2Bl1l2sin t由右手定則可判定它們在電路中串聯(lián)連接，故整個(gè)電路的電動(dòng)勢為ee1e22Bl1vsin tBSsin t因此并不是四個(gè)邊都產(chǎn)生電動(dòng)勢只有AD和BC邊切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢e2Bl1vsin tBSsin t一臺(tái)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的按正弦規(guī)律變化的感應(yīng)電動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)的角速度是100 rad/s，寫出感應(yīng)電動(dòng)勢的瞬時(shí)值的表達(dá)式答案：e311sin 100t V解析：因?yàn)镋m311 V，100 rad/s，從中性面開始計(jì)時(shí)所以產(chǎn)生的為正弦式交流電：eEmsin t311sin 100t V1交流電的瞬時(shí)值表達(dá)式的形式與開始計(jì)時(shí)時(shí)線圈的初位置有關(guān)若從中性面開始計(jì)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢的瞬時(shí)值表達(dá)式為：eEmsin t；若從線圈平面與磁場方向平行的位置開始計(jì)時(shí)，則感應(yīng)電動(dòng)勢瞬時(shí)值表達(dá)式為eEmsin（t）Emcos t所以確定感應(yīng)電動(dòng)勢的瞬時(shí)值表達(dá)式應(yīng)首先確定線圈轉(zhuǎn)動(dòng)是從哪個(gè)位置開始計(jì)時(shí)的2最大值：Em2NBLvNBSNm，Em與轉(zhuǎn)軸的所在位置及線圈形狀無關(guān)（N為線圈匝數(shù)）3線圈在勻強(qiáng)磁場中繞垂直于磁場方向的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(guān)四、正弦交變電流的規(guī)律1利用電磁感應(yīng)知識(shí)推導(dǎo)線圈在磁場中做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢的最大值答案：當(dāng)線圈平面與磁場平行時(shí)，ab、cd邊垂直切割磁感線，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢最大，設(shè)線圈匝數(shù)為N，abcdl1，bcdal2，線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為，則有：EmBl1··N×2NBl1l2設(shè)線圈的面積為S，則Sl1l2，故EmNBS2當(dāng)從中性面開始計(jì)時(shí)時(shí)，試分析單匝線圈中瞬時(shí)值的表達(dá)式若線圈為N匝呢？答案：（1）如圖，當(dāng)線圈經(jīng)過中性面時(shí)開始計(jì)時(shí)，經(jīng)過時(shí)間t，線圈轉(zhuǎn)過的角度為t，ab、cd兩邊切割磁感線的有效速度為vsin t，設(shè)ab=l1，ad=l2，則v=l2，ab、cd邊切割磁感線產(chǎn)生的電動(dòng)勢相同，均為Bl1vsin t，ab與cd串聯(lián)，總電動(dòng)勢為e2Bl1vsin t2Bl1×l2sin tBl1l2sin tBSsin t（2）若線圈有N匝，相當(dāng)于有N個(gè)線圈串聯(lián)，總電動(dòng)勢為eNBSsin t3若從垂直中性面的位置開始計(jì)時(shí)，電動(dòng)勢的瞬時(shí)值表達(dá)式還是按正弦規(guī)律變化嗎？線圈電動(dòng)勢的最大值與開始計(jì)時(shí)的位置是否有關(guān)呢？答案：不按正弦規(guī)律變化當(dāng)線圈平面位于垂直中性面的位置時(shí)，t0，電動(dòng)勢最大，所以表達(dá)式eNBScos t電動(dòng)勢的最大值對應(yīng)線圈經(jīng)過與中性面垂直位置時(shí)的瞬時(shí)電動(dòng)勢，其大小與開始計(jì)時(shí)的位置無關(guān)有一個(gè)10匝的正方形線框，邊長為20 cm，線框總電阻為1 ，線框繞OO軸以10 rad/s的角速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖所示，垂直于線框平面向里的勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.5 T（1）該線框產(chǎn)生的交變電流電動(dòng)勢最大值、電流最大值分別是多少？（2）線框從圖示位置轉(zhuǎn)過60°時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢的瞬時(shí)值是多大？（3）寫出感應(yīng)電動(dòng)勢隨時(shí)間變化的表達(dá)式答案：（1）6.28 V6.28 A（2）5.44 V（3）e=6.28sin 10t V解析：（1）交變電流電動(dòng)勢最大值為Em=NBS=10×0.5×0.22×10V=6.28 V電流的最大值為Im=A=6.28 A（2）線框轉(zhuǎn)過60°時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢e=Emsin 60°=5.44 V（3）由于線框轉(zhuǎn)動(dòng)是從中性面開始計(jì)時(shí)的，所以瞬時(shí)值表達(dá)式為e=Emsin t=6.28sin 10t V寫出感應(yīng)電動(dòng)勢隨時(shí)間變化的表達(dá)式的關(guān)鍵1找電動(dòng)勢最大值：交變電流電動(dòng)勢最大值EmNBS，其中N為線圈匝數(shù)，S為線圈面積，為線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，B為勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度2t0時(shí)的位置：一般來說，t0時(shí)在兩個(gè)特殊位置一個(gè)是中性面，此時(shí)電動(dòng)勢的瞬時(shí)值表達(dá)式是：eEmsin t一個(gè)是與中性面垂直時(shí)，此時(shí)電動(dòng)勢的瞬時(shí)值表達(dá)式是：eEmcos t1關(guān)于中性面，下列說法正確的是（）A線圈在轉(zhuǎn)動(dòng)中經(jīng)中性面位置時(shí)，穿過線圈的磁通量最大，磁通量的變化率為零B線圈在轉(zhuǎn)動(dòng)中經(jīng)中性面位置時(shí)，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(yīng)電流的方向就改變一次D線圈每轉(zhuǎn)動(dòng)一周經(jīng)過中性面一次，所以線圈每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，感應(yīng)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(shí)，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(yīng)電動(dòng)勢，所以磁通量的變化率為零，A項(xiàng)正確，B項(xiàng)錯(cuò)誤；線圈每經(jīng)過一次中性面，感應(yīng)電流的方向改變一次，但線圈每轉(zhuǎn)一周要經(jīng)過中性面兩次，所以每轉(zhuǎn)一周，感應(yīng)電流方向就改變兩次，C項(xiàng)正確，D項(xiàng)錯(cuò)誤故選A、C兩項(xiàng)2下列各種敘述正確的是（）A線框平面和磁感線平行時(shí)的位置即為中性面B線框平面與磁感線垂直時(shí)，磁通量最大，感應(yīng)電動(dòng)勢最大C線框平面與磁感線平行時(shí)，磁通量為零，感應(yīng)電動(dòng)勢最大D線框勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，各時(shí)刻線速度一樣大，各時(shí)刻產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢一樣大答案：C解析：線框平面和磁感線垂直時(shí)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(yīng)電動(dòng)勢為零；線框平面與磁感線平行時(shí)，磁通量為零，磁通量的變化率最大，感應(yīng)電動(dòng)勢最大，線框勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，各時(shí)刻線速度一樣大，但速度的方向與磁場的夾角時(shí)刻變化，各時(shí)刻產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢不一樣大3一矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢e隨時(shí)間t的變化關(guān)系如圖所示，則下列說法中正確的是（）At1時(shí)刻通過線圈的磁通量最大Bt2時(shí)刻通過線圈的磁通量的變化率最大Ct3時(shí)刻通過線圈的磁通量為零D當(dāng)e的方向改變時(shí)，通過線圈的磁通量為零答案：C解析：由圖象可知t1和t3時(shí)刻電動(dòng)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(xiàng)錯(cuò)，C項(xiàng)正確；t2和t4時(shí)刻電動(dòng)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(xiàng)錯(cuò)；當(dāng)線圈平面處于中性面位置時(shí)，電流方向發(fā)生變化，此時(shí)線圈的磁通量最大，D項(xiàng)錯(cuò)4閉合線圈在勻強(qiáng)磁場中繞垂直于磁感線的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈中產(chǎn)生的交變電流的瞬時(shí)值表達(dá)式為iImsin t保持其他條件不變，使線圈的匝數(shù)及轉(zhuǎn)速都增加1倍，則電流的變化規(guī)律為（）Ai2Imsin 2tBi4Imsin 2tCi2Imsin t Di4Imsin t答案：A解析：線圈的匝數(shù)及轉(zhuǎn)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(dǎo)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)生的交變電流的瞬時(shí)值表達(dá)式為i2Imsin 2t5如圖所示，有一閉合的正方形線圈，匝數(shù)N100，邊長為10 cm，線圈總電阻為10 線圈繞OO軸在B0.5 T的勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，每分鐘轉(zhuǎn)1 500轉(zhuǎn)，求線圈平面從圖示位置轉(zhuǎn)過30°時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢的值是多少？答案：39.25 V解析：由題給條件可知：N100，B0.5 T，f1 500 rad/min25 Hz，2f50 rad/s，S0.01 m2，所以感應(yīng)電動(dòng)勢的最大值為EmNBS100×0.5×50×0.01 V78.5 V從圖示位置（中性面位置）開始計(jì)時(shí)，產(chǎn)生交變電動(dòng)勢的瞬時(shí)值表達(dá)式為eEmsin t，所以轉(zhuǎn)過30°時(shí)的電動(dòng)勢eEmsin 30°78.5×V39.25 V8