3.1 交变电流（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册（教科版2019）

交流电 第1节　交变电流 第三章 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 物理观念 科学探究 科学态度与责任 　　了解交变电流、中性面的概念，能解决实际问题。 　　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、峰值的有关问题。 　　通过推导正弦交变电流的表达式体会建立模型与推理分析的思维方法。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 一、认识交变电流 必备知识 自主学习 名称 定义 波形 恒定电流 大小和____都不随时间变化的电流，称为恒定电流。 交变电流 一般交流电 大小和方向都随时间做______变化的电流 正弦交流电 大小和方向都随时间按________规律变化的电流 方向 周期性 正弦函数 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 二、正弦交流电的产生和变化规律 1．产生条件：闭合矩形线圈在________中，绕____于磁场方向的轴____转动。 2．过程分析(如图所示) 必备知识 自主学习 匀强磁场 垂直 匀速 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 3．中性面 (1)定义： 线圈所在的平面与磁场____时的位置。 (2)特点 ①线圈处于中性面位置时，穿过线圈的磁通量Φ____，线圈中的感应电动势为__。 ②线圈每次经过中性面时，线圈中感应电流的方向都要____，线圈转动一周，感应电流的方向改变__次。 必备知识 自主学习 垂直 最大 零 改变 两 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 4．交变电流的变化规律 (1)从两个特殊位置开始计时瞬时值的表达式 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 (2)正弦式交变电流的图像 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 三、发电机与电动机中的能量转化 1．发电机 (1)定义：把机械能转化为电能的装置。 (2)发电方式：火力发电、水力发电、____发电、太阳能发电、____ 发电等。 2．电动机 (1)定义：将电能转化为机械能的装置。 (2)优点：高效易控、__________等。 必备知识 自主学习 风力 核能 清洁无污染 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 1．情境思考 在物理实验室做电学实验时，经常会用到学生电源，学生电源的主要功能是什么？ 必备知识 自主学习 提示：给学生提供安全的交变电压、电流以及安全的直流电压、电流。 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 2．判断下列说法的正误。(对的画“√”，错的画“×”) (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。(　 　) (5)发电机与电动机的工作原理相同。(　 　) 必备知识 自主学习 × × √ × √ 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 如图所示为线圈在磁场中不同位置时的示意图，请回答下列问题。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 [问题设计] (1)图1位置是什么位置？磁通量是最大还是最小？是否有感应电动势？ (2)图2位置是什么位置？磁通量是最大还是最小？是否有感应电动势？ 提示：(1)中性面，磁通量最大，无感应电动势。 (2)与中性面垂直的位置，磁通量最小(为零)，感应电动势最大。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 1．两个特殊位置的特点 关键能力 互动探究   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 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 2.正弦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。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 【例1】 如图所示，(甲)→(乙)→(丙)→(丁)过程是交流发电机发电的示意图，用导体制成的两个电刷分别压在两个滑环上，线圈在匀速转动时可以通过滑环和电刷保持与外电路连接(从纸面向里看线圈转动方向为逆时针)。下列说法正确的是(　　) 关键能力 互动探究 D 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 A.在图(甲)位置时，线圈中的磁通量为零 B．在图(乙)位置时，感应电流方向发生变化 C．在图(丙)位置时，线圈中的感应电动势最大 D．在图(丁)位置时，cd边电流方向为d→c 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 [练1] (多选)如图所示为交流发电机示意图，线圈的AB边 连在金属滑环K上，CD边连在滑环L上，用导体做的两个 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。下列判断正确的是(　　) A．当线圈平面转到中性面的瞬间，穿过线圈的磁通量变化率最大 B．当线圈平面转到中性面的瞬间，线圈中的感应电流方向发生改变 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大 D．当线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间，线圈中的感应电动势最大 关键能力 互动探究 BD 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 如图所示，矩形线圈在匀强磁场中绕垂直磁场的轴匀速转动。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 [问题设计] (1)线圈切割磁感线产生的感应电动势与什么因素有关？ (2)多匝线圈不垂直切割磁感线产生的感应电动势如何表达？ 提示：(1)感应电动势与线圈的匝数N、磁感应强度B、线圈的面积S、线圈的角速度ω和线圈平面与中性面的夹角有关。 (2)E＝NBSωsin ωt。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 1．推导正弦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： 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 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。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 求解交变电流的瞬时值问题的答题模型 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 [练2] (多选)如图所示，矩形线圈abcd在匀强磁场中可以分别绕垂直于磁场方向的轴P1和P2以相同的角速度匀速转动，当线圈平面转到图示与磁场方向平行时(　　) A．线圈绕P1转动时的电流等于绕P2转动时的电流 B．线圈绕P1转动时的电动势小于绕P2转动时的电动势 C．线圈分别绕P1和P2转动时的电流的方向相同，都是a→d→c→b D．线圈绕P1转动时dc边受到的安培力大于绕P2转动时dc边受到的安培力 关键能力 互动探究 AC 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 [问题设计] 电动势按正弦规律变化，即e＝Emsin ωt的条件是什么？ 提示：转轴垂直匀强磁场，经中性面时开始计时。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 1．对交变电流图像的认识 如图所示，正弦交变电流随时间的变化情况可以从图像上表示出来，图像描述的是交变电流的电动势、电流、电压随时间变化的规律，它们是正弦曲线。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 2．交变电流图像的应用 从图像中可以解读到以下信息： (1)交变电流的最大值Im、Em、Um、周期T。 (2)因线圈在中性面时感应电动势、感应电流均为零，磁通量最大，所以可确定线圈位于中性面的时刻。 (3)找出线圈平行于磁感线的时刻。 (4)判断线圈中磁通量的变化情况。 (5)分析判断e、i、u随时间的变化规律。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 【例3】 一矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时，产生的交变电动势的图像如图所示，则(　　) 关键能力 互动探究 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 图像的分析方法 一看：看“轴”、看“线”、看“斜率”、看“点”，并理解其物理意义。 二变：掌握“图与图”“图与式”和“图与物”之间的变通关系。 三判：在此基础上进行正确地分析和判断。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 [练3] 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．图像是从线圈平面位于中性面开始计时的 B．t2时刻穿过线圈的磁通量为零 C．t2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，穿过线圈的磁通量的方向也变化 关键能力 互动探究 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 1．如图所示的各图像中表示交变电流的是(　　) 素养训练 学业评价 D 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 2．如图所示，(a)→(b)→(c)→(d)→(e)过程是交流发电机发电的示意图，线圈的ab边连在金属滑环K上，cd边连在金属滑环L上，用导体制成的两个电刷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连接。下列说法正确的是(　　) 素养训练 学业评价 C 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 A．图(a)中，线圈平面与磁感线垂直，磁通量变化率最大 B．从图(b)开始计时，线圈中电流i随时间t变化的关系是i＝Imsin ωt C．当线圈转到图(c)位置时，感应电流最小，且感应电流方向改变 D．当线圈转到图(d)位置时，感应电动势最小，ab边感应电流方向为b→a 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 3．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，穿过该线圈的磁通量随时间按图示正弦规律变化。设线圈总电阻为2 Ω，则(　　) A．t＝0时，线圈平面垂直于磁感线 B．t＝1 s时，线圈中电流的方向改变 C．t＝1.5 s时，线圈中磁通量的变化率最大 D．t＝2 s时，线圈中的感应电流最大 素养训练 学业评价 D 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 4．如图所示为交流发电机的模型图，矩形线框abcd在匀强磁场中绕轴OO′逆时针匀速转动，从图示位置开始转过90°的过程中，下列说法正确的是(　　) A.磁通量不断增大，磁通量变化率也不断增大 B．磁通量不断减小，磁通量变化率也不断减小 C．电流方向为a→b→c→d，大小逐渐增大 D．电流方向为a→d→c→b，大小逐渐减小 素养训练 学业评价 C 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 谢谢观看 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 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＝BS cos ωt Φ＝Φmsin ωt＝BS sin ωt 感应电动势 e＝Emsin ωt＝NBSωsin ωt e＝Emcos ωt＝NBSωcos ωt 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 电压 u＝Umsin ωt＝sin ωt u＝Umcos ωt＝cos ωt 电流 i＝Imsin ωt＝sin ωt i＝Imcos ωt＝cos ωt 探究点一正弦交变电流的产生 在题图(甲)位置时，线圈平面与磁场方向垂直，线圈中的磁通量最大，A错误；在题图(乙)位置时，线圈平面与磁场方向平行，线圈中的磁通量为零，线圈中的磁通量变化率最大，线圈中感应电流最大，感应电流方向不变，B错误；在题图(丙)位置时，线圈平面与磁场方向垂直，线圈中的磁通量最大，线圈中的磁通量变化率为0，线圈中的感应电动势为0，C错误；在题图(丁)位置时，由右手定则可知，cd边电流方向为d→c，D正确。 当线圈平面转到中性面的瞬间，穿过线圈的磁通量变化率最小，A错误；当线圈平面转到中性面的瞬间，线圈中的感应电流方向发生改变，B正确；当线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间，线圈平面与磁场平行，所以穿过线圈的磁通量最小，C错误；当线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间，穿过线圈的磁通量变化率最大，线圈中的感应电动势最大，D正确。 探究点二交变电流的变化规律 (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，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。 (3)电流的峰值可表示为Im＝。 【例2】 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B＝ T，当线圈以150 r/min的转速绕中心轴线OO′匀速旋转时，从线圈处于中性面开始计时。 (1)写出线圈中感应电动势的瞬时值表达式。 (2)求线圈转过 s时电动势的瞬时值。 答案：(1)e＝375sin 5πt(V)　(2)375 V (1)e＝Emsin ωt＝NBS·2πn sin 2πnt，代入数据可得e＝375sin 5πt(V)。 (2)当t＝ s时，电动势的瞬时值e＝375sin (5π×)V＝375 V。 产生正弦式交变电流的条件是轴和磁感线垂直且匀速转动，与轴的位置和线圈形状无关，线圈abcd分别绕轴P1、P2转动，转到题图示位置时产生的电动势E＝NBSω，由I＝可知此时I相等，A正确，B错误；由右手定则可知电流方向都为a→d→c→b，C正确；dc边受到的安培力F＝BldcI，故F一样大，D错误。 探究点三交变电流的图像 A．交流电的频率是4π Hz B．当t＝0时，线圈平面与磁感线垂直，磁通量最大 C．当t＝π s时，e有最大值 D．t＝π s时，e＝－10 V，e最小，磁通量变化率最小 由题图可知交流电的周期为2π s，频率为 Hz，t＝π s时，e＝0最小，A、C错误；t＝0时，e最小，Φ最大，B正确；t＝π s时，e＝－10 V，e最大，最大，“－”号表示方向，D错误。 由题图可知，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，即是从线圈平面与磁场方向平行时开始计时的，A错误；t2时刻感应电动势最大，穿过线圈的磁通量的变化率最大，穿过线圈的磁通量为零，B正确，C错误；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，但方向并不变化，D错误。 A、B、C图中电流的方向没有发生变化，不是交变电流，ABC错误；D图中电流大小和方向都随时间做周期性变化，是交变电流，D正确。 图(a)中，线圈平面与磁感线垂直，磁通量最大，但磁通量变化率最小为零，A错误；从图(b)开始计时，线圈产生的感应电动势最大，形成的感应电流最大，线圈中电流i随时间t变化的关系是i＝Imcos ωt，B错误；当线圈转到图(c)位置时，线圈位于中性面位置，此时感应电流最小，且感应电流方向改变，C正确；当线圈转到图(d)位置时，感应电动势最大，D错误。 根据图像可知，在t＝0时穿过线圈平面的磁通量为零，所以线圈平面平行于磁感线，A错误；每经过中性面一次电流方向改变一次，故1 s时，磁通量为0，故此时电流方向没有改变，B错误；t＝1.5 s时，线圈中磁通量最大，磁通量的变化率为零，C错误；t＝2 s时，线圈磁通量为零，磁通量的变化率最大，则此时线圈中的感应电流最大，D正确。 题图所示位置为中性面，通过线框的磁通量最大，磁通量的变化率为零，故从图示位置开始转过90°的过程中，磁通量不断减小，磁通量变化率不断增大，A、B错误；根据楞次定律，从题图所示位置开始转过90°的过程中，感应电流方向为a→b→c→d，大小逐渐增大，C正确，D错误。 $$