第09讲 交变电流-【寒假自学课】2022年高二物理寒假精品课（人教版选择性必修二）

第09讲 交变电流 【学习目标】 (1)通过实验认识交变电流，知道生产生活中使用的大多是正弦式交变电流，会用图像和公式描述正弦式交变电流。 (2)经历建立正弦式交变电流模型、用右手定则和法拉第电磁感应定律推理得出正弦式交变电流方向和大小的规律的过程，体会建立模型与推理分析的思维方法。 (3)了解发电机是将机械能转化为电能的装置，各种发电机的区别在于机械能产生的形式不同。 【基础知识】 【考点剖析】 一、交变电流 1.交变电流：大小和方向都随时间做周期性变化的电流，简称交流。随时间按正弦规律变化的交变电流，叫作正弦式电流，正弦式电流的图像可以是正弦，也可以是余弦。 2.直流：方向不随时间变化的电流。大小和方向都不随时间变化的电流称为恒定电流。 二、交变电流的产生 1.产生条件：在匀强磁场中，矩形线圈绕垂直于磁场方向的轴匀速转动。 2.过程分析(如图所示)： 3.中性面 平面线圈在匀强磁场中旋转，当线圈平面垂直于磁感线时，各边都不切割磁感线，线圈中没有感应电流，这个位置叫作中性面。线圈位于中性面时，穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率为零，感应电动势为零。线圈经过中性面时，内部的感应电流方向要改变。 教师总结：两个特殊位置的特点。 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 感应电流 零 最大 电流方向 改变 不变 三、交变电流的变化规律 在磁感应强度为B的匀强磁场中，矩形线圈AB边长为L1，BC边长为L2，逆时针绕垂直于磁场的轴匀速转动，角速度为ω，从中性面开始计时，经时间t，线圈中的感应电动势是多少？ 分析： ①线圈与中性面的夹角是多少？ ②AB边速度方向与磁场方向夹角多大？ ③AB边的速度是多少？ ④AB边产生的感应电动势多大？ ⑤线圈中感应电动势多大？若线圈的匝数为N匝呢？ 总结： 1.电动势e随时间变化的规律：e＝Emsinωt。 2.负载两端的电压u随时间变化的规律：u＝Umsinωt。 3.电流i随时间变化的规律：i＝Imsinω。 其中ω等于线圈转动的角速度。 总结： 1.从两个特殊位置开始计时瞬时值的表达式： 从中性面位置开始计时 从与中性面垂直的位置开始计时 磁通量 Φ＝Φmcosωt ＝BScosωt Φ＝Φmsinωt ＝BSsinωt 感应电动势 e＝Emsinωt ＝NBSωsinωt e＝Emcosωt ＝NBSωcosωt 电压 u＝Umsinωt ＝sinωt u＝Umcosωt ＝cosωt 电流 i＝Imsinωt ＝sinωt i＝Imcosωt ＝cosωt 2.峰值：表达式中的Em、Um、Im分别为电动势、电压和电流可能达到的最大值，叫作峰值。 3.正弦式交变电流的图像 4.几种不同类型的交变电流 四、交流发电机 1．发电机的基本组成： 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 2．发电机的基本种类： ①旋转电枢式发电机②旋转磁极式发电机 典题分析 例1 (多选)下列方法中能够产生交变电流的是( ) A　　　　　　　　　　　　B C　　　　　　　 　　　　D 解析：A中线圈在匀强磁场中按逆时针方向匀速转动，会产生正弦式交变电流；B中的导体棒不切割磁感线，不产生感应电动势；C中的折线与矩形线圈的效果是相同的；D中能产生按余弦规律变化的交变电流。 答案：ACD 例2 如图所示，矩形线圈匝数N＝100匝，ab＝30 cm，ad＝20 cm，匀强磁场磁感应强度B＝0.8 T，绕轴OO′从图示位置开始匀速转动，角速度ω＝100π rad/s，试求： (1)穿过线圈的磁通量最大值Φm为多大？ (2)线圈产生的感应电动势最大值Em为多大？ (3)写出感应电动势e随时间变化的表达式？ (4)从图示位置开始匀速转动30°过程中，线圈中产生的平均电动势为多少？ 解析：(1)当线圈转至与磁感线垂直时，磁通量有最大值，为 Φm＝BS＝0.8×0.3×0.2 Wb＝0.048 Wb (2)线圈与磁感线平行时，感应电动势有最大值，为 Em＝NBSω＝480π V (3)从图示位置开始计时，电动势的瞬时表达式为 e＝Emcos ωt＝480π cos 100πt V (4)根据法拉第电磁感应定律得 ＝1 440 V＝＝ 答案：(1)0.048 Wb (2)480π V (3)e＝480π cos 100πt V (4)1440 V 【过关检测】 1. 一矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，线圈中感应电动势e随时间的变化规律如图所示，下面说法正确的是(　　) A. t2时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大 B. t3时刻通过