第3章 1 交变电流（课件）-【学而思·PPT课件分层练习】2024-2025学年高二物理选择性必修第二册（教科版2019）

1　交变电流 　认识交变电流 1.恒定电流:大小和方向都不随时间变化的电流。 2.交变电流(AC):大小和方向都随时间做周期性变化的电流。 3.正弦交流电:电流的大小和方向都随时间按正弦函数规律变化的交变电流。 日常生活中使用更多的是交流,如图: 必备知识 清单破 知识点 1 第三章　交流电 第1讲　描述运动的基本概念 　正弦交流电的产生和变化规律 1.交变电流的产生 (1)在匀强磁场中,矩形线圈绕垂直于磁场方向的轴匀速转动,线圈中就会产生正弦式交变电 流。 (2)过程分析(如图所示) 知识点 2 注意    在甲、丙位置时线圈中没有电流,在乙、丁位置时线圈中电流最大。 (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。 第三章　交流电 第1讲　描述运动的基本概念 物理量 函数关系(从中性面位置开始 计时) 图像 感应 电动势 e=Emsin ωt=NBSω sin ωt 电压 u=Umsin ωt=  sin ωt 2.正弦交流电的变化规律 第三章　交流电 第1讲　描述运动的基本概念 电流 i=Imsin ωt=  sin ωt   第三章　交流电 第1讲　描述运动的基本概念 　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、风力发电、太阳能发电、核能发电等。 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、清洁无污染等。 知识点 3 第三章　交流电 第1讲　描述运动的基本概念 知识辨析 1.交流发电机中,线圈转动过程中经过的两个特殊平面叫作什么?经过这两个平面时有什么 特点? 2.若从垂直中性面的位置开始计时,线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时产 生的感应电动势有何特点? 3.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感应电动势增大?   第三章　交流电 第1讲　描述运动的基本概念 一语破的 1.中性面和中性面的垂面。中性面的特点:线圈平面与磁感线垂直,磁通量最大,感应电流为 零,电流方向发生变化。中性面的垂面的特点:线圈平面与磁感线平行,磁通量为零,感应电流 最大,电流方向不变。 2.线圈产生的感应电动势随时间按余弦函数规律变化。 3.(1)增大磁铁的磁性。(2)增加线圈的匝数。(3)增大线圈的转速。 第三章　交流电 第1讲　描述运动的基本概念 　正弦交变电流的产生原理  1.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。 2.交变电流产生过程中的两个特殊位置 关键能力 定点破 定点 1 第三章　交流电 第1讲　描述运动的基本概念 位置 中性面位置 与中性面垂直的位置 图示     特点 B⊥S B∥S Φ=BS,最大 Φ=0,最小 e=n =0,最小 e=n =nBSω,最大 感应电流为零,方向改变 感应电流最大,方向不变 第三章　交流电 第1讲　描述运动的基本概念 3.过程分析 如图所示为线圈ABCD在匀强磁场中绕轴OO'转动时的截面图,AB和CD两个边切割磁感线, 产生感应电动势,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)。   具体过程如图所示,当线圈转动到图甲位置时,导体不切割磁感线,线圈中无电流;当线圈转动 到图乙位置时,导体垂直切割磁感线,线圈中有电流,且电流从A端流入;线圈在图丙位置时不 切割磁感线,线圈中无电流;线圈在图丁位置时,电流从A端流出,这说明电流方向发生了改变; 第三章　交流电 第1讲　描述运动的基本概念 线圈在图戊位置时同在图甲位置时。线圈这样转动下去,就在线圈中产生了交变电流。   第三章　交流电 第1讲　描述运动的基本概念 交变电流的变化规律  1.推导正弦式交变电流瞬时值的表达式 若线圈平面从中性面位置开始转动,如图所示,则经时间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 。 定点 2 第三章　交流电 第1讲　描述运动的基本概念 (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=BSω sin ωt,若线圈为N匝,则e=NBSω ·sin 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=Im sin ωt,R两端的电压可记为u=Um sin ωt。 2.交变电流的最大值 (1)由交变电动势的表达式e=NBSω sin ωt可知,电动势的最大值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,与转轴相对线圈的位置无关,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。 第三章　交流电 第1讲　描述运动的基本概念   (3)电流的最大值可表示为Im= 。 3.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最大值,根据已知图像读出或由公式Em=NBSω求出相应最大值。 (2)确定线圈的角速度,可根据线圈的转速或周期由ω=2πn= 求出。 (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线圈从垂直于中性面的位置开始转动,则e-t、i-t、u-t图像为余弦函数图像,函数式为余弦 函数。 第三章　交流电 第1讲　描述运动的基本概念 典例 一矩形线圈,面积是0.05 m2,共100匝,线圈电阻r=1 Ω,外接电阻R=4 Ω,线圈在磁感应强度 B=  T的匀强磁场中以n=300 r/min的转速绕垂直于磁感线的轴匀速转动,如图所示,若从线 圈位于中性面处时开始计时【1】,求:   (1)线圈中感应电动势的瞬时值表达式; (2)从开始计时经  s线圈中感应电流的瞬时值; (3)外电路电阻R两端电压瞬时值的表达式。 第三章　交流电 第1讲　描述运动的基本概念 思路分析    根据线圈匝数、磁感应强度、线圈面积和转速求出感应电动势的最大值,结合开 始计时时线圈的位置写出感应电动势的瞬时值表达式。将时间  s代入瞬时值表达式求出 该时刻感应电动势的瞬时值,结合闭合电路欧姆定律【2】计算感应电流的瞬时值。根据欧姆 定律求出外电路电阻R两端电压的瞬时值表达式。 信息提取    【1】线圈匀速转动,从中性面开始计时,产生正弦式交变电流。 第三章　交流电 第1讲　描述运动的基本概念 解析    (1)线圈转速n=300 r/min=5 r/s, 角速度ω=2πn=10π rad/s, 线圈中产生的感应电动势的最大值 Em=NBSω=50 V, 则感应电动势的瞬时值表达式为 e=Em sin ωt=50 sin 10πt(V)(由【1】得到)。 (2)将t=  s代入感应电动势的瞬时值表达式中,得e=50 sin   V=25  V,对应的感应 电流i= =5  A(由【2】得到)。 (3)由欧姆定律得 u=iR= R=40 sin 10πt(V)。 第三章　交流电 第1讲　描述运动的基本概念 答案    (1)e=50 sin 10πt(V)     (2)5  A     (3)u=40 sin 10πt(V) 第三章　交流电 第1讲　描述运动的基本概念 $$