(讲义)第3章 1.交变电流-【提分教练】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第二册(人教版2019)

1．交变电流 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。 　交变电流及其产生 1．交变电流：随时间做周期性变化的电流，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。 　判断电流是直流还是交流的关键是看电流的方向是否随时间变化。 3．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。 假定线圈绕OO′轴沿逆时针方向匀速转动，如图甲至丁所示。请分析判断： 问题1　图中，在线圈由甲转到乙的过程中，AB边中电流向哪个方向流动？ 提示：由B到A。 问题2　在线圈由丙转到丁的过程中，AB边中电流向哪个方向流动？ 提示：由A到B。 问题3　当线圈转到什么位置时线圈中没有电流，转到什么位置时线圈中的电流最大？ 提示：线圈转到甲或丙位置时线圈中没有电流，该位置称为中性面。线圈转到乙或丁位置时线圈中的电流最大。 1．交变电流的产生过程分析 2．两个特殊位置的对比 项目 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 　感应电动势的大小由磁通量变化率决定，而与磁通量的大小没有直接的关系。 3．正弦式交变电流的产生条件 (1)匀强磁场。 (2)线圈匀速转动。 (3)线圈的转轴垂直于磁场方向。 【典例1】　如图甲和图乙是交流发电机的示意图，线圈ABCD在匀强磁场中匀速转动。下列说法正确的是(　　) A．图甲中穿过线圈的磁通量最大，电路中的感应电流最大 B．图乙中穿过线圈的磁通量最大，电路中的感应电流最大 C．图甲中穿过线圈的磁通量变化率为零，电路中的感应电流为零 D．图乙中穿过线圈的磁通量变化率为零，电路中的感应电流为零 C　[题图甲中线圈位于中性面位置，穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率为零，产生的感应电动势为零，电路中的感应电流为零，故A错误，C正确；题图乙中线圈位于与中性面垂直的位置，穿过线圈的磁通量为零，磁通量的变化率最大，产生的感应电动势最大，电路中的感应电流最大，故B、D错误。] [跟进训练] 1．(多选)矩形线框绕垂直于匀强磁场且在线框平面内的轴匀速转动时产生了交变电流，下列说法正确的是(　　) A．当线框位于中性面时，线框中感应电动势最大 B．当穿过线框的磁通量为零时，线框中的感应电动势也为零 C．当线框经过中性面时，感应电动势或感应电流的方向就改变一次 D．线框经过中性面时，各边切割磁感线的速度为零 CD　[线框位于中性面时，线框平面与磁感线垂直，穿过线框的磁通量最大，但此时切割磁感线的两边的速度方向与磁感线平行，即不切割磁感线，所以感应电动势等于零，也即此时穿过线框的磁通量的变化率等于零，感应电动势或感应电流的方向在此时刻改变。线框垂直于中性面时，穿过线框的磁通量为零，但切割磁感线的两边都是垂直切割，有效切割速度最大，所以感应电动势最大，即此时穿过线框的磁通量的变化率最大，故C、D选项正确。] 　交变电流的变化规律及交流发电机 1．从两个特殊位置开始计时瞬时值的表达式 项目 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＝Φmcos ωt＝BScos ωt Φ＝Φmsin ωt＝BSsin ωt 感应电动势 e＝Emsin ωt＝NBSωsin ωt e＝Emcos ωt＝NBSωcos ωt 电压 u＝Umsin ωt＝sin ωt u＝Umcos ωt＝cos ωt 电流 i＝Imsin ωt＝sin ωt i＝Imcos ωt＝cos ωt 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，而e、u、i则是这几个量的瞬时值。 3．正弦式交变电流的图像 4．交流发电机 电枢转动，磁极不动的发电机，叫作旋转电枢式发电机。如果磁极转动，电枢不动，线圈中同样会产生感应电动势，这种发电机叫作旋转磁极式发电机。不论哪种发电机，转动的部分都叫转子，不动的部分都叫定子。 如图所示，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