第三章 第1节 交变电流-【高考领航】2023-2024学年高中物理选择性必修第二册同步核心辅导与测评（教科版）

第1节　交变电流 新课程目标 核心素养 1.会分析交变电流的产生过程，会推导交变电流电动势的表达式。 2.通过实验观察交变电流的方向。 3.了解交流发电机和电动机中的能量转化。 1.物理观念：了解交变电流、中性面的概念，能解决实际问题。 2.科学思维：能利用图像法表示交变电流，获得结论。 3.科学探究：能根据教材探究交变电流的表达式并进行分析整理，能解决交变电流的瞬时值、最大值的有关问题。 　认识交变电流 1．恒定电流：大小和方向都不随时间变化的电流，称为恒定电流。 2．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，简称交流电。 3．正弦交流电：电流的大小和方向都随时间按正弦函数规律变化的交变电流称为正弦交变电流，简称正弦交流电。 　正弦交流电的产生和变化规律 1．矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，线圈中产生按正弦规律变化的感应电动势。 2．中性面 (1)中性面：与磁场垂直的平面。 (2)当线框所在平面位于中性面时，线圈中的磁通量最大，线圈中的电流为零。 3．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＝NBSω。 4．正弦交流电和电压 电流表达式i＝Imsin_ωt，电压表达式u＝Umsin ωt。其中i、u分别是电流和电压的瞬时值。 5．正弦交流电的图像 　发电机与电动机中的能量转化 1．发电机是把机械能转化为电能的装置。目前我国的发电方式主要有火力发电、水力发电、风力发电、太阳能发电、核能发电等。 2．电动机能够有效地将电能转化成机械能。 [课前小练] 思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”) (1) 线圈转动一周有两次经过中性面，每转一周电流方向改变一次。(×) (2) 当线圈中的磁通量最大时，产生的感应电流也最大。(×) (3) 线圈绕垂直于磁场的轴匀速转动时产生的电流是交变电流。(√) (4) 交变电流的瞬时值表达式与开始计时的位置无关。(×) 　对交变电流的产生和变化规律的理解 [思维深化] 推导正弦交流电瞬时值的表达式 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＝Blabvsin 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，则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＝Imsin ωt，R两端的电压可记为u＝Umsin ωt。 　如图所示，正方形线圈abcd的边长是0.5 m，共150匝，匀强磁场的磁感应强度为B＝ T，当线圈以角速度ω＝5π rad/s绕中心轴线OO′匀速旋转时，求： (1)若从线圈处于中性面开始计时，写出线圈中感应电动势的瞬时值表达式； (2)线圈转过 s时电动势的瞬时值。 解析：(1)线圈产生的感应电动势最大值 Em＝NBSω＝375 V 瞬时值表达式为e＝Emsin ωt 代入数据可得e＝375sin 5πt(V)。 (2)当t＝ s时，电动势的瞬时值 e＝375sinV＝375 V。 答案：(1)e＝375sin 5πt(V)　(2)375 V [针对训练] 1.矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场且与线圈共面的转轴匀速转动时，产生的感应电动势最大值为50 V，那么该线圈由图所示位置(线圈平面与磁场方向平行)转过30°时，线圈中的感应电动势大小为(　　) A．50 V　　　　　　　 B．25 V C．25 V D．10 V 解析：C　线圈绕垂直于磁场的转轴匀速转动，从垂直中性面的位置开始计时，感应电动势的瞬时值为e＝Emcos θ，当θ＝30°时，感应电动势的瞬时值为e＝Emcos 30°＝25 V，故选C。 　交变电流的电流方向的判断 [思考探究] 假定线圈绕OO′轴沿逆时针方向匀速转动，如图所示，则 (1)线圈转动一周的过程中，线圈中的电流方向如何变化？ (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？ 提示：(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感应电流最大。线圈转到甲或丙位置时线圈中感应电流最小，为零，此时线圈平面所处的平面称为中性面。 [思维深化] 　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