3.1 交变电流（导学案）-2022-2023学年高二物理同步备课精编优选课件+导学案（人教版2019选择性必修第二册）

第1节　交变电流 【知识梳理】 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叫作交变电流，简称交流（AC）。如图所示。 2.直流：方向不随时间变化的电流称为直流（DC），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：线圈在磁场中转动的过程中，线圈平面与磁场垂直时所在的平面。 （1）线圈处于中性面位置时，穿过线圈的Φ最大，但线圈中的电流为零。 （2）线圈每次经过中性面时，线圈中感应电流的方向都要改变，线圈转动一周，感应电流的方向改变两次。 三、交变电流的变化规律 1.定义：按正弦规律变化的交变电流，简称正弦式电流。 2.正弦交流电的瞬时电动势、电流、电压随时间变化： （1）e＝Emωsin ωt；（2）i＝Imsinωt；（3）u＝Umsinωt。 【方法突破】 一、交变电流的产生过程 ■方法归纳 1.正弦式交变电流的产生过程分析： 线圈绕OO′轴沿逆时针方向匀速转动。如图甲至丁所示，在四个过程中线圈中的电流方向如表所示。 转动过程 磁通量变化 电流方向 甲→乙 减小 B→A→D→C 乙→丙 增大 B→A→D→C 丙→丁 减小 A→B→C→D 丁→甲 增大 A→B→C→D 2.两个特殊位置的对比： 中性面位置（甲、丙） 与中性面垂直位置（乙、丁） 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 3.交变电流的变化特点 （1）线圈转至与磁感线平行时，磁通量的变化率最大，感应电动势最大，故线圈每转一周，电动势最大值出现两次。 （2）线圈每经过中性面一次，感应电流和感应电动势的方向都要改变一次。线圈转动一周，两次经过中性面，感应电动势和感应电流的方向都改变两次。 【例1】一矩形线圈ABCD在匀强磁场中绕其中心轴OO′匀速转动时，就会在线圈中形成交变电流。下列说法正确的是（　　） A．线圈经过甲图位置时，穿过线圈的磁通量最大，产生的电流也最大 B．线圈经过乙图位置时，穿过线圈的磁通量为零，产生的电流最大 C．线圈经过丙图位置时，穿过线圈的磁通量最大，磁通量变化率也最大 D．线圈从丙图位置转到丁图位置的过程中，穿过线圈的磁通量减小，产生的电动势在减小 【针对训练1】如图所示，由交流发电机、定值电阻R、交流电流表A组成的闭合回路，线圈ABCD逆时针方向转动，图示位置磁感线与线圈平面平行，下列说法正确的是（  ） A．t3、t4时刻线圈中感应电动势最小 B．t1、t3时刻线圈中感应电流方向改变 C．线圈转到图示位置时，线圈中磁通量变化率为零 D．线圈转动到图中位置时，感应电流方向为A-B-C-D-A 二、交变电流的变化规律 ■方法归纳 1.推导正弦式交变电流瞬时值的表达式： 若线圈平面从中性面开始转动，如图所示，则经时间t： （1）线圈转过的角度为ωt。 （2）ab边的线速度跟磁感线方向的夹角θ＝ωt。 （3）ab边转动的线速度大小v＝ω。 （4）ab边产生的感应电动势eab＝BLabv sin θ＝sin ωt。 （5）整个线圈产生的感应电动势e＝2eab＝BSωsin ωt，若线圈为N匝，e＝NBSωsin ωt。 （6）若线圈给外电阻R供电，设线圈本身电阻为r，由闭合电路欧姆定律得i＝＝sin ωt，即i＝Imsinωt，R两端的电压可记为u＝Umsinωt。 2.峰值： （1）由e＝NBSωsin ωt可知，电动势的峰值Em＝NBSω。 （2）交变电动势的最大值，由线圈匝数N、磁感应强度B、转动角速度ω及线圈面积S决定，与线圈的形状无关，与转轴的位置无关，但转轴必须垂直于磁场，因此如图所示几种情况，若N、B、S、ω相同，则电动势的最大值相同。 （3）电流的峰值可表示为Im＝。 3.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＝Emsinωt，i＝Imsinωt，u＝Umsinωt。 （2）从与中性面垂直的位置开始计时 e＝Emcosωt，i＝Imcosωt，u＝Umcosωt。 4.交变电流的图像（从中性面位置开始计时）： 【例2】如图所示，单匝矩形线圈ab边长为20cm，bc边长为10cm，绕垂直于磁场方向的轴OO′匀速转动，转速为，若磁感应强度为0.1 T，线圈电阻为1Ω，从中性面处开始计时，则（　　） A．转动过程中，线圈中磁通量的变化率恒定 B．1s内线圈中电流方向改变100次 C．线圈中感应电流的瞬时值表达式为 D．线圈消耗的电功率为 【针对训练2】如图所示，KLMN是一个竖直的矩形