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

第一节　认识交变电流 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 栏目索引 教材知识 梳理 随堂达标 训练 知识方法 探究 教材知识 梳理 周期性变化 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 时间 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 垂直于 匀速 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 甲、丙 乙、丁 DCBA DCBA ABCD ABCD 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 垂直 最大 零 两 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 正弦 正弦式电流 Emsinωt 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 Umsinωt Imsinωt 峰值 瞬时值 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 × × √ 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 知识方法 探究 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 随堂达标 训练 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第三章　交变电流 谢谢观看！ 课程内容要求 核心素养提炼 1．通过实验认识交变电流． 2．能用图像描述交变电流 1．物理观念：了解交变电流、中性面的概念，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、峰值的有关问题 [对应学生用书P59] eq \a\vs4\al(一、观察交变电流的图像) 1．交变电流 强弱和方向随时间做__________的电流，简称交流(AC). 2．图像的特点 (1)交变电流的图像随____做周期性变化，如正弦交变电流的图像： (2)常见的交变电流的波形图 实际应用中，交变电流有着不同的变化规律，常见的有以下几种，如图所示． [思考] 在日常生活中，手电筒和日光灯是家庭中必备的照明工具，但给两种电器提供电能的电源是不同的，它们产生的电流相同吗？ 提示　不相同，电源有交流和直流之分，电池是直流电源，它提供的是直流电；家庭照明电路给日光灯提供的是交流电，其典型特征是电流方向发生变化． eq \a\vs4\al(二、交变电流的产生) 1．产生：闭合线圈在匀强磁场中绕________磁场的轴____转动，线圈中就产生正弦式交变电流． 2．产生过程示意图 3．中性面——线圈平面与磁感线________时的位置 (1)线圈处于中性面位置时，穿过线圈的Φ______，但线圈中的电流为____． (2)线圈每次经过中性面时，线圈中感应电流方向都要改变．线圈转动一周，感应电流方向改变_____次． [思考]发电机工作过程中能量是如何转化的？ 提示　从能量的角度思考，交流发电机的工作过程是将机械能转化为电能和回路中内能的过程． eq \a\vs4\al(三、用公式描述交变电流) 1．定义：按_____规律变化的交变电流，简称______________． 2．函数表达式和图像 函数表达式 图　像 瞬时电动势：e＝_______________ 函数表达式 图　像 瞬时电压：u＝_______________ 瞬时电流： i＝_______________ 注：表达式中Em、Um、Im、分别是感应电动势、路端电压、感应电流的________，而e、u、i则是这几个量的________． [判断] (1)只要闭合线圈在匀强磁场里匀速转动就一定产生正弦交变电流．( ) (2)正弦交变电流的函数形式与计时起点有关．( ) (3)当线圈中的磁通量为零时，产生的电流也为零．( ) [对应学生用书P60] 探究点一　交变电流的产生 为探究交变电流的特点，如图所示，把电流表接入到模型发电机的输出端，摇动发电机的手柄，观察电流表的指针摆动情况是怎样的？电流表指针的摆动情况说明什么问题？ 提示　随着线圈的转动，电流表的指针不停地在“0”刻度线两侧左右摆动，说明手摇发电机产生的电流大小、方向都处于变化中． 1．正弦式交变电流的产生过程分析 如图1所示为线圈ABCD在磁场中绕轴OO′转动时的截面图，AB和CD两个边切割磁感线，产生电动势，线圈中就有了电流(或者说穿过线圈的磁通量发生变化而产生了感应电流).具体分析如图2所示， 图1 图2 转动过程 磁通量变化 电流方向 甲→乙 减小 B→A→D→C 乙→丙 增大 B→A→D→C 丙→丁 减小 A→B→C→D 丁→甲 增大 A→B→C→D 2．两个特殊位置的对比 图示 位置 中性面位置 与中性面垂直的位置 特点 B⊥S B//S Φ＝BS，最大 Φ＝0，最小 e＝n eq \f(ΔΦ,Δt) ＝0，最小 e＝n eq \f(ΔΦ,Δt) ＝nBSω，最大 感应电流为零，方向改变 感应电流最大，方向不变 如图所示为演示交变电流产生的实验装置图，关于这个实验，正确的说法是(　　) A．线圈每转动一周，指针左右摆动两次 B．图中线圈所在平面位置为中性面，线圈中无感应电流 C．线圈在图中平面位置时，ab边中感应电流方向为a→b D．线圈平面与磁场方向平行时，磁通量变化率为零 C　[线圈在磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时，在电路中产生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项错误；线圈平面垂直于磁感线的位置称为中性面，显然图中线圈所在位置不是中性面，B项错误；线圈处于题中图示位置时，ab边向右运动，由右手定则知，ab边中感应电流方向为a→b，C项正确；线圈平面与磁场方向平行时，穿过线圈的磁通量为零，但磁通量的变化率最大，D项错误．] [训练1]　(多选)某发电机的原理简图如图所示，线圈按图示方向匀速转动．以下说法正确的是(　　) A．线圈经过图示位置时穿过线圈的磁通量为零，磁通量的变化率为零 B．线圈从图示位置转过90°后，小灯泡中的电流方向发生变化 C．线圈转动两周，电流的方向改变2次 D．线圈转动两周，电流的方向改变4次 BD　[线圈位于图示位置时，与中性面垂直，穿过线圈的磁通量为0，磁通量的变化率最大，故A错误；线圈垂直于图示位置时，处于中性面，电流的方向要发生改变，故B正确；线圈转动两圈，电流的方向改变4次，故C错误，D正确．] [训练2]　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 B　[t＝0时，线圈位于和中性面垂直的位置，故A错误；t＝0.5 s时，线圈中的磁通量变化率为零，故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，故C错误；t＝1.0 s时，线圈产生的感应电动势最大，故D错误．] 探究点二　交变电流的变化规律 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． (1)导体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和线圈平面与中性面的夹角有关． (2)E＝nBSωsin ωt. 1．交变电流的瞬时值表达式推导 线圈平面从中性面开始转动，如图所示，则经过时间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 eq \f(Lad,2) . (4)ab边产生的感应电动势(设线圈面积为S) eab＝BLabv sin θ＝ eq \f(BSω,2) sin ωt. (5)整个线圈产生的感应电动势e＝2eab＝BS ω sin ωt， 若线圈为n匝，则e＝nBS ωsin ωt. 2．峰值表达式 Em＝nBSω，Im＝ eq \f(Em,R＋r) ＝ eq \f(nBSω,R＋r) ，Um＝ImR＝ eq \f(nBSωR,R＋r) . 3．正弦交变电流的瞬时值表达式 (1)从中性面垂直开始计时 e＝Emsin ωt，i＝Imsin ωt，u＝Umsin ωt. (2)从与中性面垂直的位置开始计时 e＝Emcos ωt，i＝Imcos ωt，u＝Umcos ωt. 4．交变电流的图像(从中性面开始计时) 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． 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＝ eq \f(Em,R) ＝ eq \f(6.28,1) 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) [训练3]　线圈按下列各选项所示方式在匀强磁场中匀速转动，能产生正弦式交变电流的是(　　) C　[A、D项中转轴与磁场方向平行，所以线圈中磁通量不会发生变化，故没有感应电流产生；B项中线圈转动，磁通量不变，无感应电流产生；C项中线圈沿垂直磁场的转轴转动，可以产生正弦式交变电流．] [训练4]　如图所示，匀强磁场磁感应强度B＝0.1 T，所用矩形线圈的匝数n＝100，边长lab＝0.2 m，lbc＝0.5 m，以角速度ω＝100 π rad/s绕OO′轴匀速转动．试求： (1)感应电动势的峰值． (2)若从线圈平面垂直磁感线时开始计时，线圈中瞬时感应电动势的表达式． (3)若从线圈平面平行磁感线时开始计时，求线圈在t＝ eq \f(T,6) 时刻的感应电动势大小． 解析　(1)由题可知：S＝lab·lbc＝0.2×0.5 m2＝0.1 m2，感应电动势的峰值Em＝nBSω＝100×0.1×0.1×100π V＝100π V＝314 V. (2)若从线圈平面垂直磁感线时开始计时，感应电动势的瞬时值e＝Emsin ωt 所以e＝314sin 100πt (V) (3)若从线圈平面平行磁感线时开始计时，感应电动势的瞬时值表达式为e＝Emcos ωt， 代入数据得e＝314cos 100πt(V) 当t＝ eq \f(T,6) 时，e＝314 cos eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,3))) V＝157 V． 答案　(1)314 V　(2)e＝314 sin 100πt (V)　(3)157 V [对应学生用书P64] 1．(交变电流概念)下列各图像中不属于交流电的有(　　) A　[A图电流方向不变，是直流电，B、C、D选项中电流的大小、方向都做周期性变化，是交流电，所以B、C、D错误；A正确．] 2．(交变电流的产生)如图所示，一单匝正方形线圈abcd在匀强磁场中绕垂直于磁感线的对称轴OO′匀速转动，沿着OO′观察，线圈沿逆时针方向转动．已知匀强磁场的磁感应强度为B，线圈边长为L，电阻为R，转动的角速度为ω.当线圈转至图示位置时(　　) A．线圈中感应电流的方向为abcda B．线圈中感应电流的大小为 eq \f(B2L2ω,R) C．穿过线圈的磁通量为BL2 D．穿过线圈磁通量的变化率为BL2ω D　[图示时刻，ad速度方向向里，bc速度方向向外，根据右手定则判断知ad中感应电流方向为a→d，bc中感应电流方向为c→b，则线圈中感应电流的方向为adcba，故A错误；线圈中的感应电动势为E＝BSω＝BL2ω，线圈中的感应电流为I＝ eq \f(E,R) ＝ eq \f(BL2ω,R) ，故B错误；图示时刻线圈与磁场平行，穿过线圈磁通量为0，故C错误；由法拉第电磁感应定律知：穿过线圈磁通量的变化率 eq \f(ΔΦ,Δt) ＝E＝BL2ω，故D正确．] 3．(交变电流的描述)如图所示是一多匝线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动所产生的感应电动势的图像，根据图像可知(　　) A．此感应电动势的瞬时表达式为e＝200sin 0.2t V B．此感应电动势的瞬时表达式为e＝200sin100πt V C．t＝0.01 s时，穿过线圈的磁通量为零 D．t＝0.02 s时，穿过线圈的磁通量的变化率最大 B　[由图像知周期T＝0.02 s，所以频率f＝50 Hz，由图像知电动势最大值为200 V，角速度为 eq \f(2π,0.02) rad/s＝100π rad/s，所以感应电动势的瞬时表达式为e＝200sin 100πt V，A错误，B正确；t＝0.01 s时，感应电动势为零，则穿过线圈的磁通量最大，故C错误；t＝0.02 s时，感应电动势为零，则穿过线圈的磁通量的变化率也为零，故D错误．] 4．(交变电流的计算)如图所示，矩形线圈100 匝，ab＝30 cm，ad＝20 cm，匀强磁场磁感应强度B＝0.8 T．若绕轴OO′从图示位置开始匀速转动，角速度ω＝100π rad/s，试求： (1)穿过线圈的磁通量最大值Φm是多少，线圈转到什么位置时取得此值？ (2)线圈产生的感应电动势最大值Em是多少，线圈转到什么位置时取得此值？ (3)写出感应电动势e随时间变化的表达式． 解析　(1)当线圈平面与磁场垂直时，穿过线圈的磁通量有最大值，为： Φm＝BS＝0.8×0.3×0.2 Wb＝0.048 Wb； (2)当线圈平面与磁场平行时，感应电动势有最大值，为：Em＝NBSω＝100×0.8×0.3×0.2×100π V＝480π V＝1 507.2 V； (3)线圈是从垂直于中性面开始计时，所以瞬时值表达式为余弦函数，有： e＝Emcos 100πt＝1 507.2cos 100πt V 答案　(1)0.048 Wb　线圈转到中性面时取得此值 (2)1 507.2 V　线圈转到磁场与线圈平面平行时取得此值； (3)e＝1 507.2cos 100πt V $$