5.1　交变电流-2021-2022学年高二物理精梳细讲 讲义（人教版选修3-2）

5.1交变电流 【基础知识梳理】 知识点01 交变电流 1．交变电流：大小和方向随时间做周期性变化的电流叫交变电流，简称交流． 2．直流：方向不随时间变化的电流称为直流． 3．正弦式交变电流：按正弦规律变化的交变电流叫正弦式交变电流，简称正弦式电流． 知识点02 交变电流的产生 闭合线圈置于匀强磁场中，并绕垂直于磁场方向的轴匀速转动． 知识点03 交变电流的变化规律 1．中性面 (1)中性面：与磁感线垂直的平面． (2)当线圈平面位于中性面时，线圈中的磁通量最大，线圈中的电流为零，且线圈平面经过中性面时，电流方向就发生改变，故线圈转动一周电流方向改变两次． 2．从中性面开始计时，线圈中产生的电动势的瞬时值表达式：e＝Emsin ωt，Em叫做电动势的峰值． 【实例】交变电流的产生 假定线圈绕OO′轴沿逆时针方向匀速转动，如图1甲至丁所示，则： 图1 (1)线圈转动一周的过程中，线圈中的电流方向的变化情况． (2)线圈转动过程中，当产生的感应电流有最大值和最小值时线圈分别在什么位置？ 答案　(1) 转动过程 电流方向 甲→乙 B→A→D→C 乙→丙 B→A→D→C 丙→丁 A→B→C→D 丁→甲 A→B→C→D (2)线圈转到乙或丁位置时线圈中的电流最大．线圈转到甲或丙位置时线圈中电流最小，为零，此时线圈所处的平面称为中性面． 【补充】 两个特殊位置 1．中性面位置(S⊥B，如图1中的甲、丙) 线圈平面与磁场垂直的位置，此时Φ最大，为0，e为0，i为0. 线圈经过中性面时，电流方向发生改变，线圈转一圈电流方向改变两次． 2．垂直中性面位置(S∥B，如图1中的乙、丁) 此时Φ为0，最大，e最大，i最大． 【实例】如图2所示，线圈平面绕bc边的中点从中性面开始转动，角速度为ω.经过时间t，线圈转过的角度是ωt，ab边的线速度v的方向跟磁感线方向间的夹角也等于ωt.设ab边长为L1，bc边长为L2，线圈面积S＝L1L2，磁感应强度为B，则： 图2 (1)ab边产生的感应电动势为多大？ (2)整个线圈中的感应电动势为多大？ (3)若线圈有n匝，则整个线圈的感应电动势为多大？ 答案　(1)eab＝BL1vsin ωt＝BL1sin ωt ＝BL1L2ωsin ωt＝BSωsin ωt. (2)整个线圈中的感应电动势由ab和cd两边产生的感应电动势组成，且eab＝ecd， 所以e总＝eab＋ecd＝BSωsin ωt. (3)若线圈有n匝，则相当于n个完全相同的电源串联，所以e＝nBSωsin ωt. 【补充】 1．峰值表达式 Em＝nBSω，Im＝＝，Um＝ImR＝ 说明　电动势峰值Em＝nBSω由线圈匝数n、磁感应强度B、转动角速度ω和线圈面积S共同决定，与线圈的形状无关，与转轴的位置无关． 如图3所示的几种情况中，如果n、B、ω、S均相同，则感应电动势的峰值均相同． 图3 2．正弦交变电流的瞬时值表达式 (1)从中性面位置开始计时 e＝Emsin ωt，i＝Imsin ωt，u＝Umsin ωt. (2)从与中性面垂直的位置开始计时 e＝Emcos ωt，i＝Imcos ωt，u＝Umcos ωt. 【总结】 确定正弦式电流电动势瞬时值表达式的基本方法 1．确定线圈转动从哪个位置开始计时，以确定瞬时值表达式是按正弦规律变化还是按余弦规律变化． 2．确定线圈转动的角速度． 3．确定感应电动势的峰值Em＝nBSω. 4．写出瞬时值表达式e＝Emsin ωt或e＝Emcos ωt. 知识点04 交变电流的图象 如图4甲、乙所示，从图象中可以得到以下信息： 图4 (1)交变电流的峰值Em、Im和周期T. (2)两个特殊值对应的位置： ①e＝0(或i＝0)时：线圈位于中性面上，此时＝0，Φ最大． ②e最大(或i最大)时：线圈平行于磁感线，此时最大，Φ＝0. (3)e、i大小和方向随时间的变化规律． 【例题讲解】 1、 交变电流的理解 1．对于如图所示的电流i随时间t做周期性变化的图象，下列说法中正确的是（　　） A．电流大小变化，方向不变，是直流电 B．电流大小、方向都变化，是交流电 C．电流的周期是0.2s，最大值是0.2A D．电流做周期性变化，是交流电 【答案】A 【解析】【详解】ABD．由图象可知，电流的方向不变，而大小作周期性变化，所以不是交流电，而是直流电，但不是恒定直流，故A正确，BD错误；C．电流的周期是0.01s，最大值是0.2A，故C错误。故选A。 2．某实验装置如图所示，在铁芯P上绕着两个线圈A和B。在线圈A中通入电流i与时间t的关系如图A、B、C、D所示，那么在t1~t2这段时间内，可以观察到线圈B中产生交变电流的是（　　） A． B． C． D． 【答案】D 【解析】 【分析】【详解】A．由图