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

第三章　交变电流 第一节　认识交变电流 核心素养导学 物理观念 (1)认识交变电流，知道生产生活中使用的大多数是正弦式交变电流。 (2)了解发电机是将机械能转化为电能的装置。 科学思维 (1)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。 (2)会用公式描述正弦式交变电流。 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。 科学态度与责任 通过推导正弦式交变电流的表达式体会建立模型与推理分析的思维方法。 一、观察交变电流的图像 1．直流：_____不随时间改变的电流。 2．恒定电流：______和方向都不随时间变化的电流。 3．交变电流：强弱和方向随时间做________变化的电流，简称交流。 4．波形图：电流或电压随时间变化的图像。 交变电流的电动势、电压、电流都随时间做周期性变化，不仅大小做周期性变化，其方向也做周期性变化。　　 方向 强弱 周期性 二、交变电流的产生 1．交流发电机 (1)构造：主要由线圈和磁极两部分组成。 (2)原理图： 0 最大值 Imsin ωt Umsin ωt 3．正弦式电流 按______规律变化的交变电流称为正弦式交变电流，简称正弦式电流。 4．几种交变电流的波形 正弦 1．根据图中甲、乙电流变化的图像，判断下列说法的正误。 (1)甲、乙两图都表示交变电流。 ( ) (2)甲是交变电流，乙不是交变电流。 ( ) (3)甲不是交变电流，乙是交变电流。 ( ) × × √ 2．思考： 以上四个图表示交变电流产生的过程，如何理解线圈平面转到中性面时感应电动势为0，而线圈平面与中性面垂直时感应电动势最大呢？ 3．如图，设线圈t＝0时刚好转到与中性面垂直的位置，设线圈转动的角速度为ω，线圈匝数为N，线圈面积为S，经过时间t，线圈转过角度θ＝ωt。 (1)线圈产生的感应电动势的最大值是多少？ (2)写出经过时间t，交变电流电动势的瞬时值表达式。 (3)画出一个周势的变化图像。 新知学习(一)|正弦式交变电流的产生 [任务驱动] 如图所示是交流发电机模型。采取哪些措施可以使它产生的电动势增大？ 提示：(1)增大磁铁的磁性。 (2)增加线圈的匝数。 (3)增大线圈的转速。　　 3．两个特殊位置   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 [典例体验] [典例]　一闭合矩形线圈abcd绕垂直于磁感线的固定轴OO′匀速转动，线圈平面位于如图甲所示的匀强磁场中。通过线圈内的磁通量Φ随时间t的变化规律如图乙所示，下列说法正确的是 (　 ) A．t1、t3时刻线圈中感应电流方向改变 B．t1、t3时刻通过线圈的磁通量变化率最大 C．t2、t4时刻线圈中磁通量最大 D．t2、t4时刻线圈中感应电动势最小 [解析]　t1、t3时刻通过线圈的磁通量最大，而磁通量的变化率等于0，线圈中感应电流方向改变，A正确，B错误；t2、t4时刻磁通量为0，线圈与磁场平行，磁通量变化率最大，产生的感应电动势最大，线圈中感应电流方向没有改变，C、D错误。 [答案]　A /方法技巧/ 分析图像问题的两个关键点 (1)线圈绕垂直于磁场的轴匀速转动时，开始计时时线圈所处的位置不同，得到的i-t或e-t图像也就不同。 (2)分析有关交变电流的图像问题时，要注意从图像中找出两个特殊位置(中性面和垂直中性面位置)所对应的时刻。 [针对训练] 1．在匀强磁场中，一个100匝的闭合矩形金 属线圈，绕与磁感线 垂直的固定轴匀速转动，如图所示，穿过该线圈的磁通量随 时间按正弦规律变化。则 (　 ) A．t＝0时，线圈位于中性面位置 B．t＝0.5 s时，线圈中的磁通量变化率为零 C．t＝0.8 s时，线圈产生的感应电动势处于减小的过程中 D．t＝1.0 s时，线圈产生的感应电动势为零 解析：t＝0时，线圈位于和中性面垂直的位置，A错误；t＝0.5 s时，线圈中的磁通量变化率为零，B正确；t＝0.8 s时，线圈产生的感应电动势处于增大的过程中，C错误；t＝1.0 s时，线圈产生的感应电动势最大，D错误。 答案：B 2．(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 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；图示位置为与中性面垂直的位置，线圈处于图示位置时，ab边向右运动，由右手定则，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，磁通量为0，磁通量的变化率最大，D错误。 答案：AC 新知学习(二)|交变电流的变化规律 [重点释解] 1．交变电流的峰值 (1)由交变电动势的表达式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。 [典例体验] [典例]　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，如图所示，垂直 于线圈平面向里的匀强磁场的磁感应强度为0.5 T。(线圈转动从中性面开 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？ (2)线圈从图示位置转过60°时，感应电动势的瞬时值是多大？ (3)写出感应电动势随时间变化的表达式。 [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，正弦式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＝6.28cos 10πt(V) [针对训练] 1．(多选)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匀速转动，线圈中的感应电动势e随时间t变化的规律如图所示，则下列说法正确的是 (　 ) A．图中曲线是从线圈平面与磁场方向平行时开始计时的 B．t1和t3时刻穿过线圈的磁通量为零 C．t1和t3时刻穿过线圈的磁通量的变化率为零 D．感应电动势e的方向变化时，穿过线圈的磁通量最大 解析：由图可知，当t＝0时，感应电动势最大，说明穿过线圈的磁通量的变化率最大，磁通量为零，即图中曲线是从线圈平面与磁场方向平行时开始计时的，A正确；t1、t3时刻感应电动势为零，穿过线圈的磁通量的变化率为零，磁通量最大，B错误，C正确；感应电动势e的方向变化时，线圈通过中性面，穿过线圈的磁通量最大，D正确。 答案：ACD 2．在如图所示的交流发电机线圈中，如果ab边长为l1，bc边长为l2， 线圈转动的角速度为ω，线圈匝数为n，磁感应强度为B，从图 示位置开始转动，线圈电阻不计。 (1)求交变电动势的峰值Em。 (2)求通过电阻R的电流的瞬时值表达式。 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 物理观念——对中性面的认识 1．(选自沪科版新教材课后练习)有人说，导电线圈平面转到中性面的瞬间，穿过线圈的磁通量最大，因而线圈中产生的感应电动势最大；导电线圈平面跟中性面垂直的瞬间，穿过线圈的磁通量为零，因而线圈中产生的感应电动势为零。这种说法是否正确？为什么？ 提示：不正确，导电线圈转到中性面位置，磁通量最大，但磁通量的变化率为零，故感应电动势为零。导电线圈转到跟中性面垂直的瞬间，磁通量为零，但磁通量的变化率最大，故感应电动势为最大值。 科学思维——交变电流瞬时值表达式的书写 2．(选自人教版新教材课后习题)一台发电机产生正弦式电流。如果发电机电动势的峰值Em＝400 V，线圈匀速转动的角速度ω＝314 rad/s，试写出电动势瞬时值的表达式(设0时刻电动势瞬时值为0)。如果这台发电机的外电路只有电阻元件，总电阻为2 kΩ，电路中电流的峰值为多少？写出电流瞬时值的表达式。 答案：e＝400sin(314t) V　0.2 A　i＝0.2sin(314t) A 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1．(2024·新课标卷)(多选)电动汽车制动时可利用车轮转动将其动能转换成电能储存起来。车轮转动时带动磁极绕固定的线圈旋转，在线圈中产生电流。磁极匀速转动的某瞬间，磁场方向恰与线圈平面垂直，如图所示。将两磁极间的磁场视为匀强磁场，则磁极再转过90°时，线圈中(　 ) A．电流最小 B．电流最大 C．电流方向由P指向Q D．电流方向由Q指向P 解析：由题图可知，开始时线圈处于中性面位置，当磁极再转过90°时，此时穿过线圈的磁通量为0，磁通量的变化率最大，可知此时线圈中电流最大；在磁极转动的过程中，穿过线圈的磁通量在减小，根据楞次定律结合安培定则可知，此时感应电流方向由Q指向P。故选B、D。 答案：BD　 2．(2024·江门高二调研)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(　 ) 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 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。 答案：D　 2．两个重要平面 (1)中性面：线圈转到与磁感线垂直时的平面，此时感应电动势、电压、电流的值都为___。 (2)和中性面垂直的平面：线圈平面与磁感线平行，此时感应电动势、电压、电流都达到________。 三、用公式描述交变电流 1．电流的瞬时值 i＝sin ωt＝__________。 2．电压的瞬时值 u＝iR＝sin ωt＝___________。 提示：根据法拉第电磁感应定律E＝n可知，感应电动势的大小不是与磁通量Φ直接对应，而是与磁通量的变化率成正比。虽然线圈经过中性面时磁通量最大，但磁通量的变化率为0，所以感应电动势为0；虽然线圈平面与中性面垂直时磁通量为0，但磁通量的变化率最大，所以感应电动势最大。 提示：(1)Em＝NBSω　(2)e＝NBSωcos ωt (3) [重点释解] 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．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，感应电流方向改变两次。 (3)电流的峰值可表示为Im＝。 2．正弦式交变电流的瞬时值表达式 (1)从中性面开始计时： ①e＝NBSωsin ωt＝Emsin ωt。 ②i＝＝sin ωt＝Imsin ωt。 ③u＝iR＝ImRsin ωt＝Umsin ωt。 (2)从垂直于中性面(即从线圈平面与磁场平行时)开始计时： ①e＝Emcos ωt；②i＝Imcos ωt；③u＝Umcos ωt。 [解析]　(1)交变电流电动势最大值为Em＝NBSω＝10×0.5×0.22×10π V≈6.28 V，电流的最大值为Im＝＝ A＝6.28 A。 (2)线圈转过60°时，感应电动势E＝Emsin 60°≈5.44 V。 (3)由于线圈转动是从中性面开始计时的，所以感应电动势瞬时值表达式为e＝Emsin ωt＝6.28sin 10πt(V)。 [答案]　(1)6.28 V　6.28 A　(2)5.44 V (3)e＝6.28sin 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。 解析：(1)线圈转动产生的感应电动势的峰值为Em＝nBSω＝nBl1l2ω。 (2)线圈从垂直于中性面位置开始转动，感应电动势表达式为e＝Emcos ωt，通过电阻R的电流的瞬时值表达式为i＝＝cos ωt。 答案：(1)nBl1l2ω　(2)i＝cos ωt 解析：根据题意，发电机匀速转动的线圈平面是从中性面开始计时的，感应电动势瞬时值的表达式为正弦函数e＝Emsin ωt＝400sin(314t) V。不计发电机线圈的内阻，电路中电流的峰值Im＝＝0.2 A。电流的瞬时值表达式i＝Imsin ωt＝0.2sin(314t) A。 $$