第1节 交变电流（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册（人教版2019）

第三章 交变电流 交变电流 (强基课—逐点理清物理观念) 第1节 课标要求 学习目标 1.通过实验,认识交变电流。 2.能用公式和图像描述正弦式交变电流。 1.理解中性面、交变电流的峰值和瞬时值的准确含义。 2.结合发电机示意图,用法拉第电磁感应定律推导正弦式交变电流电动势的表达式。 3.利用交流发电机模型及示意图,分析交变电流的产生原理。 1 逐点清(一)　交变电流 2 逐点清(二)　交变电流的产生和变化规律 3 逐点清(三)　交流发电机 4 课时跟踪检测 CONTENTS 目录 逐点清(一)　交变电流 1.波形图:在显示屏上显示的电压(或电流)随_____变化的图像。 2.交变电流:随时间做________变化的电流,简称交流。 3.直流:____不随时间变化的电流,如电池供给的电流、日常使用的各种充电器输出的电流等。 多维度理解 时间 周期性 方向 交变电流的电动势、电压、电流都随时间做周期性变化,不仅方向做周期性变化,其大小也可能做周期性变化。 1.判断下列说法是否正确。 (1)如果电流大小随时间做周期性变化,则一定是交变电流。 ( ) (2)直流电的大小和方向一定不变。 ( ) (3)交变电流一定是按正弦规律变化的。 ( ) (4)交变电流的最大特征就是电流方向随时间做周期性变化。 ( ) 全方位练明 × × × √ 2.下列所示图像中属于交变电流的是 (　　) 解析:交变电流是指电流、电压的方向随时间做周期性变化的电流,故选A。 √ 3.下列属于交变电流的是　　　　,属于直流的是　　　　。交变电流与直流的本质区别是　　　　　　　　　。  (1)(2)(6) (3)(4)(5) 电流方向是否改变 逐点清(二)　交变电流的产生 和变化规律 1.交变电流的产生 (1)产生条件:在匀强磁场中,闭合线圈绕垂直于磁场方向的轴转动。 (2)线圈转动时产生的感应电流随时间变化的曲线: 多维度理解 2.中性面 (1)中性面:线圈平面与磁感线垂直的位置。 (2)线圈处于中性面位置时,穿过线圈的磁通量Φ最大,但=0,e=0,i=0。 (3)线圈越过中性面,线圈中感应电流方向要改变。线圈转一周,两次经过中性面,感应电流方向改变两次。 3.正弦式交变电流的变化规律 (1)正弦式交变电流:按______规律变化的交变电流叫作正弦式交变电流,简称____________。 (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=__________,其中Em=________为交变电流电动势的峰值。  正弦 正弦式电流 Emsin ωt NBSω 说明:①若从与中性面垂直的位置开始计时,e=Emcos ωt。 ②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决定,与线圈的形状无关,与转轴的位置无关。 如图所示的几种情况中,如果N、B、ω、S均相同,则感应电动势的峰值均相同。 (3)正弦式交变电流和电压 电流表达式i=Imsin ωt,电压表达式u=Umsin ωt,其中Im=,Um=R。 (4)正弦式交变电流的图像(如图所示) 1.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。 2.两个特殊位置的对比   中性面 中性面的垂直位置 图示 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 0 磁通量的变化率 0 最大 感应电动势 0 最大 感应电流 0 最大 电流方向改变情况 改变 不变 续表 [典例]　如图所示,有一匝数为10匝的正方形线圈,边长为20 cm, 线圈总电阻为1 Ω,线圈绕OO'轴以10π rad/s的角速度匀速转动, 垂直于线圈平面向里的匀强磁场的磁感应强度为0.5 T。 (线圈转动到中性面开始计时) (1)求该线圈产生的交变电流的电动势最大值、电流最大值分别为多少? [答案]　2π V　2π A　 [解析]　交变电流电动势最大值为Em=NBSω=10×0.5×0.22×10π V =2π V,电流的最大值为Im== A=2π A。 (2)线圈从图示位置转过60°时,感应电动势的瞬时值是多大? [答案]　π V [解析]　线圈转过60°时,感应电动势e=Emsin 60°=π V。 (3)写出感应电动势随时间变化的表达式。 [答案]　e=2πsin 10πt(V) [解析]　由于是从线圈转动到中性面开始计时的,所以感应电动势瞬时值表达式为e=Emsin ωt=2πsin 10πt(V)。 　[变式拓展]　对应[典例]中的情境,如果从线圈与中性面垂直的位置开始计时,交变电流的感应电动势瞬时值的表达式是什么? 提示:e=NBSωcos ωt=2πcos 10πt(V)。 /方法技巧/ 　　 正弦式交变电流瞬时值表达式的书写技巧 (1)确定正弦式交变电流的峰值:根据已知图像读出或由公式Em=NBSω求出相应峰值。 (2)确定线圈的角速度:可根据线圈的转速或周期由ω==2πf求出,f表示线圈的频率也可表示每秒的转数。 (3)明确线圈的初始位置,找出对应的函数关系式: ①线圈从中性面位置开始转动,则e-t、i-t、u-t图像为正弦函数图像,函数式为正弦函数。 ②线圈从垂直中性面位置开始转动,则e-t、i-t、u-t图像为余弦函数图像,函数式为余弦函数。 1.(2024·山东济宁期中)关于线圈在匀强磁场中转动时产生的交变电流,以下说法正确的是 (　　) A.线圈平面每经过中性面一次,感应电流方向就改变一次,感应电动势方向不变 B.线圈每转动一周,感应电流方向就改变一次 C.线圈平面每经过中性面一次,感应电动势和感应电流的方向都要改变一次 D.线圈每转动一周,感应电动势和感应电流方向都要改变一次 全方位练明 √ 解析:线圈转至中性面时,线圈平面垂直于磁感线,穿过线圈的磁通量最大,但磁通量的变化率、感应电动势、感应电流均为零,电流方向恰好发生变化。因此,线圈在匀强磁场中转动产生交变电流时,每经过中性面一次,感应电动势和感应电流的方向都要改变一次。线圈每转动一周,经过中性面两次,感应电动势和感应电流的方向都改变两次。故选C。 2.(2024·河北邢台期末)交流发电机模型如图所示,矩 形线圈ABCD在匀强磁场中绕其中心轴OO'匀速转动,从 线圈平面与磁场垂直时开始计时,已知线圈转动的角速度 ω=2π rad/s,下列说法正确的是 (　　) A.线圈中产生按余弦规律变化的交变电流 B.t=0.25 s时,线圈位于中性面 C.t=0.5 s时,穿过线圈的磁通量变化率最大 D.t=0.75 s时,线圈的感应电动势最大 √ 解析:根据题意可知,从线圈平面与磁场垂直时开始计时,即线圈从中性面开始转动,产生按正弦规律变化的交变电流,故A错误;已知线圈转动的角速度ω=2π rad/s,可得周期T==1 s,当t=0.25 s=时,可知线圈从中性面转到与中性面垂直的位置;当t=0.5 s=时,可知线圈转到中性面位置,此时穿过线圈的磁通量变化率为0;当t=0.75 s=时,可知线圈转到与中性面垂直的位置,此时线圈的感应电动势最大,故B、C错误,D正确。 3.(2024·山东高考)如图甲所示,在-d≤x≤d、-d≤y≤d的区域中存在垂直Oxy平面向里、磁感应强度大小为B的匀强磁场(用阴影表示磁场的区域),边长为2d的正方形线圈与磁场边界重合。线圈以y轴为转轴匀速转动时,线圈中产生的交变电动势如图乙所示。若仅磁场的区域发生了变化,线圈中产生的电动势变为图丙所示实线部分,则变化后磁场的区域可能为 (　　) √ 解析:根据题意可知,磁场区域变化前线圈产生的感应电动势为e=Esin ωt,由题图丙可知,磁场区域变化后,当Esin ωt=时,线圈的侧边开始切割磁感线,即当线圈旋转时开始切割磁感线,由几何关系可知磁场区域平行于x轴的边长变为d'=2dcos =d,C正确。 逐点清(三)　交流发电机 1.主要构造:_____和______。 2.分类 (1)旋转电枢式发电机:______转动,______ 不动。 (2)旋转磁极式发电机:______转动,______ 不动。 多维度理解 电枢 磁体 电枢 磁极 磁极 电枢 1.关于交流发电机和直流电动机,下列说法正确的是 (　　) A.电动机是利用电磁感应现象制成的,工作时把机械能转化为电能 B.电动机是利用磁场对电流的作用制成的,工作时把电能转化为机械能 C.发电机是利用电磁感应现象制成的,工作时把电能转化为机械能 D.发电机是利用磁场对电流的作用制成的,工作时把机械能转化为电能 全方位练明 √ 解析:电动机是利用磁场对电流作用的现象制成的,工作时把电能转化为机械能,故A错误,B正确;发电机是利用电磁感应现象制成的,工作时把机械能转化为电能,故C、D错误。 2.(多选)交流发电机的示意图如图所示,线圈的AB边 连在金属滑环K上,CD边连在金属滑环L上,两个电刷E、 F分别压在两个滑环上,线圈在转动时可以通过滑环和电 刷保持与外电路的连接。关于其工作原理,下列分析正确的是 (　　) A.当线圈平面转到中性面的瞬间,穿过线圈的磁通量最大 B.当线圈平面转到中性面的瞬间,线圈中的感应电流最大 C.当线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间,穿过线圈的磁通量最小 D.当线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间,线圈中的感应电流最小 √ √ 解析:当线圈平面转到中性面的瞬间,穿过线圈的磁通量最大,磁通量的变化率为零,所以感应电动势为零,线圈中的感应电流为零,故A正确,B错误;当线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间,线圈平面与磁场方向平行,所以此时穿过线圈的磁通量为零,磁通量的变化率最大,所以感应电动势最大,线圈中的感应电流最大,故C正确,D错误。 课时跟踪检测 A级——基础达标 1.下列各图像中不属于交流电的是(　　) 解析:题图A中电流的方向不变,是直流电,题图B、C、D中电流的大小、方向都做周期性变化,是交流电,B、C、D错误,A正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2.(2024·江苏苏州期中)如图甲所示,一个矩形线圈abcd在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动,线圈内的磁通量随时间t变化的图像如图乙所示。则下列说法中正确的是 (　　) 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 A.t1时刻线圈中的感应电动势最大 B.t2时刻ab边的运动方向与磁场方向平行 C.t3时刻线圈平面与中性面垂直 D.t2和t4时刻线圈中感应电流的方向相反 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析:t1时刻通过线圈的磁通量最大,此时磁通量的变化率等于零,故感应电动势为零,故A错误;t2时刻磁通量为零,线圈与磁场平行,故ab边的运动方向跟磁场方向垂直,故B错误;t3时刻通过线圈的磁通量最大,故此时线圈平面与中性面重合,故C错误;由题图乙可知,t2和t4时刻Φ-t图线切线的斜率相反,由法拉第电磁感应定律可知,t2和t4时刻产生的感应电动势方向相反,t2和t4时刻线圈中感应电流方向相反,故D正确。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 3.(2024·江苏南京期末)一矩形线圈绕垂直于匀强磁场 并位于线圈平面内的固定轴转动,线圈中的感应电动势e随 时间t的变化规律如图所示,下列说法中正确的是 (　　) A.每当e转换方向时,通过线圈的磁通量变化率刚好为零 B.t1时刻通过线圈的磁通量绝对值最小 C.t2时刻通过线圈的磁通量绝对值最大 D.t3时刻通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析:每当e转换方向时,e=0,根据e=n,则通过线圈的磁通量变化率刚好为零,A正确;t1时刻,e=0,线圈平面与磁场垂直,通过线圈的磁通量绝对值最大,B错误;t2时刻,感应电动势的绝对值最大,则线圈平面与磁场方向平行,通过线圈的磁通量为零,通过线圈的磁通量绝对值最小,C错误;t3时刻,e=0,根据e=n,则通过线圈的磁通量变化率的绝对值为零,D错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 4.(多选)如图所示为演示交变电流产生的装置图, 关于这个实验,下列说法正确的是 (　　) A.线圈每转动一周,指针左右摆动一次 B.图示位置为中性面,线圈中无感应电流 C.线圈逆时针转动到图示位置时,ab边的感应电流方向为a→b　 D.线圈平面与磁场方向平行时,磁通量变化率为0 2 3 4 √ √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析:线圈在磁场中匀速转动时,在电路中产生呈周期性变化的交变电流,线圈经过中性面时电流改变方向,线圈每转动一周,有两次通过中性面,电流方向改变两次,指针左右摆动一次,A正确;题图示位置为与中性面垂直的位置,线圈处于题图示位置时,ab边向右运动,由右手定则可知,ab边的感应电流方向为a→b,B错误,C正确;线圈平面与磁场方向平行时,穿过线圈的磁通量为0,磁通量的变化率最大,D错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 5.(2024·贵州铜仁期末)(多选)如图为交流发电机示意图,线圈沿逆时针方向匀速转动,下列说法正确的是 (　　) 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 A.甲→乙过程中,AB边中的电流由A→B B.丙→丁过程中,AB边中的电流由A→B C.图甲位置线圈中感应电动势最大 D.图乙位置线圈中感应电流最大 2 3 4 √ √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析:甲→乙过程中,根据右手定则可知,AB边中的电流由B→A,故A错误;丙→丁过程中,根据右手定则可知,AB边中的电流由A→B,故B正确;题图甲位置,线圈中磁通量最大,磁通量变化率为零,线圈中感应电动势最小,故C错误;题图乙位置,线圈中磁通量为零,磁通量变化率最大,线圈中感应电动势最大,感应电流最大,故D正确。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 6.(2024·河南郑州期中)如图所示,一个竖直放置、匝数为n的 矩形线圈abcd在水平向右的匀强磁场中以角速度ω匀速转动,转 轴OO'与磁场方向垂直,线圈面积为S,磁感应强度大小为B,下列 说法正确的是 (　　) A.线圈平面与磁场垂直时,磁通量为零 B.线圈平面与磁场垂直时,磁通量变化最快 C.线圈平面与磁场平行时,磁通量变化率最大 D.感应电动势最大值为BSω 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析:线圈平面与磁场垂直时,磁通量最大,感应电动势为零,磁通量的变化率为零,磁通量变化最慢,故A、B错误;线圈平面与磁场平行时,磁通量为零,磁通量的变化率最大,感应电动势最大值为Em=nBSω,故C正确,D错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 7.(2024·河南南阳期末)如图所示,空间有一匀强磁场水平向 右,一正方形导线框abcd平行于磁场方向放置,已知导线粗细均匀, 若该线框分别绕不同轴线以相同大小的角速度转动,以下说法正确的是 (　　) A.线框绕ac轴转动,线框中不会产生交流电 B.线框分别绕AB轴和CD轴从图示位置开始转动时产生的交流电相同 C.若以ab为轴转动,不会产生周期性电流,但a、d两点间会有电势差 D.沿AB方向观察,从图示位置开始线框分别绕ad轴和bc轴顺时针转动,线框中瞬间产生的感应电流方向相反 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析:绕ac轴转动时,线框磁通量变化,线框中有交流电产生,A错误;绕AB轴转动时,在线框中产生正弦式交流电,绕CD轴转动时,线框磁通量不变,无交流电产生,B错误;若以ab为轴转动,线框无磁通量变化,不会产生交流电,但会在cb、da两端产生电动势,C正确;以ad或bc为轴顺时针转动,根据楞次定律可知,电流方向均为abcd,D错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 8.线圈的匝数为100匝,在匀强磁场中绕垂直于磁场 的轴匀速转动时,穿过线圈的磁通量随时间的变化规律 如图所示。下列结论正确的是 (　　) A.在t=0和t=0.2 s时,线圈平面和磁场垂直,感应电动势最大 B.在t=0.1 s和t=0.3 s时,线圈平面和磁场垂直,感应电动势为0 C.在t=0.2 s和t=0.4 s时,电流改变方向 D.在t=0.1 s和t=0.3 s时,线圈切割磁感线的有效速率最大 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析:在t=0、t=0.2 s、t=0.4 s时,磁通量最小,线圈位于和磁场平行的位置,感应电动势最大,电流方向没有发生改变,A、C错误;在t=0.1 s和t=0.3 s时,磁通量最大,线圈位于和磁场垂直的位置,感应电动势为0,磁通量变化率为0,线圈切割磁感线的有效速率最小,D错误,B正确。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 9.如图所示,一半径为r=10 cm的圆形线圈共100匝,在磁感 应强度B= T的匀强磁场中,绕垂直于磁场方向的中心轴线OO' 以n=600 r/min 的转速匀速转动,当线圈转至中性面位置(图中 位置)时开始计时。 (1)写出线圈内所产生的交流电动势的瞬时值表达式。 答案:e=100sin 20πt(V)　 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析:线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴线匀速转动时,线圈内产生正弦交流电动势,当线圈平面在中性面时开始计时,其表达式为e=Emsin ωt,其中Em=NBSω(与线圈形状无关),ω=2πn=20π rad/s,故e=100sin 20πt(V)。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 (2)求线圈从图示位置开始在 s时的电动势的瞬时值。 答案:50 V 解析:当t= s时, e=100sinV=50 V。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 B级——综合应用 10.(2024·广西桂林期中)如图甲所示是市面上流行的手摇手机充电器,它体型小,携带方便,可以在紧急状态下给手机临时充电,其示意图如图乙所示。若某人摇动手柄给手机充电时,其内部线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动,下列说法正确的是(　　) 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 A.线圈转动的快慢程度不会影响回路中的电流大小 B.当线圈转到图乙所示位置时,电流方向将发生改变 C.若从图乙位置开始计时,线圈中的电流瞬时值表达式为i=Imsin ωt D.当线圈转到图乙所示位置时,穿过线圈的磁通量的变化率最大 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析:线圈转动得越快,通过线圈的磁通量变化越快,电路中电流越大,A错误;线圈转到中性面时,电流方向才会发生改变,题图乙所示位置与中性面垂直,故电流方向不会改变,B错误;当线圈转到题图乙所示位置时,线圈中电流最大,表达式应为i=Imcos ωt,C错误;线圈转到题图乙所示位置时电流最大,穿过线圈的磁通量的变化率最大,D正确。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 11.(2024·湖北武汉期中)某漂浮式波浪能发电装置 发电原理可作如下简化:海浪带动浪板上下摆动,驱动发 电机转子转动,其中浪板和转子的链接装置使转子只能 单方向转动。如图,若转子带动线圈沿逆时针方向转动,并向外输出电流,下列说法正确的是 (　　) A.图中线圈所处位置是中性面 B.在图所示位置时,穿过线圈的磁通量最大 C.在图所示位置时,线圈a端电势高于b端电势 D.在图所示位置时,线圈靠近S极的导线受到的安培力方向向上 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析:题图中线圈所处位置与中性面垂直,穿过线圈的磁通量最小,故A、B错误;根据右手定则可知,线圈转动到如题图所示位置时,线圈内部电流从b到a,则此时a端电势高于b端电势,故C正确;线圈内部电流从b到a,根据左手定则可知,线圈靠近S极的导线受到的安培力方向向下,故D错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 12.(选自粤教版教材课后练习)如图所示,面积为0.05 m2、 总电阻为1 Ω、共100匝的矩形线圈abcd处于磁感应强度B= T 的匀强磁场中,其外接阻值R=9 Ω的电阻,线圈以300 r/min的转速绕OO'匀速旋转。 (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。 答案:e=50sin 10πt(V) 　 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析:感应电动势的最大值Em=NBSω,ω=2πn=2π× rad/s=10π rad/s 感应电动势的瞬时值e=Emsin ωt=100××0.05×10π×sin 10πt(V) =50sin 10πt(V)。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 (2)画出线圈中感应电动势随时间变化的图像。 答案:见解析图 解析:线圈转动的周期T==0.2 s,感应电动势随时间变化的图像如图所示。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 (3)求出线圈转过 s时,线圈中感应电动势的瞬时值。 答案:25 V 解析:当t= s时, e=50sin V=25 V。 2 3 4 $$