第3章 第1节 交变电流-【优学精讲】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册教用课件(人教版)

第三章　交变电流 第1节　交变电流 1．知道交变电流、直流的概念。　2.掌握交变电流的产生和变化规律。　3.知道交变电流的峰值、瞬时值的含义。　4.会书写交变电流的瞬时值表达式。　 课前知识梳理 1 课堂深度探究 2 随堂巩固落实 3 内容 索引 课前知识梳理 PART 01 第一部分 周期性 交流　 方向 课前知识梳理 返回导航 垂直　 右手 课前知识梳理 返回导航 垂直 最大 零 Emsin ωt 峰值 NωBS 课前知识梳理 返回导航 正弦　 正弦式电流 Imsin ωt Umsin ωt　 最大值 峰值 课前知识梳理 返回导航 电枢 磁体 电枢 磁极 磁极 电枢 课前知识梳理 返回导航 判断下列说法是否正确。 (1)线圈转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，产生的电流也最大。(　　) (3)交流电源没有正负极之分。(　　) (4)交流电是指按正弦规律变化的电流。(　　) (5)线圈绕垂直于磁场的轴匀速转动时产生的交变电流是正弦式交变电流。(　　) (6)交变电流的瞬时值表达式与开始计时的位置无关。(　　) × √ × × √ × 课前知识梳理 返回导航 课堂深度探究 PART 02 第二部分 知识点一　交变电流的产生   假定线圈沿逆时针方向匀速转动。 (1)如图甲所示，此位置是什么位置？此位置对应的平面图如图乙所示，此时磁通量最大还是最小？是否有感应电动势？ [提示]　中性面　磁通量最大　无感应电动势。 课堂深度探究 返回导航 (2)如图丙所示，此位置是什么位置？此位置对应的平面图如图丁所示，此时磁通量最大还是最小？是否有感应电动势？   [提示]　与中性面垂直的位置　磁通量为零，最小　感应电动势最大。　 课堂深度探究 返回导航 1．两个特殊位置的特点 项目 中性面 与中性面垂直的位置 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 课堂深度探究 返回导航 2.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)从线圈所在平面垂直于磁场方向开始计时。 课堂深度探究 返回导航 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．线圈转动一周，感应电动势和感应电流方向都要改变一次 √ 课堂深度探究 返回导航 [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。 课堂深度探究 返回导航 (2024·江苏南通联考)在匀强磁场中，线圈绕垂直于磁场方向的轴转动时，则线圈平面(　　) A．转到中性面的瞬间，穿过线圈的磁通量最大，线圈中的感应电动势最大 B．转到中性面的瞬间，穿过线圈的磁通量为0，线圈中的感应电动势最大 C．当线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间，穿过线圈的磁通量为0，线圈中的感应电动势最大 D．当线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间，穿过线圈的磁通量的变化率最小，线圈中的感应电动势最小 √ 课堂深度探究 返回导航 [解析]　当线圈平面转到中性面的瞬间，线框平面与磁感线方向垂直，穿过线圈的磁通量最大，感应电动势为0，故A、B错误； 当线圈平面转到与中性面垂直的瞬间，穿过线圈的磁通量为零，线圈中磁通量的变化率最大，根据法拉第电磁感应定律可知，此时线圈中的感应电动势最大，故C正确，D错误。 课堂深度探究 返回导航 (2024·新疆喀什联考)如图是小型交流发电机的示意图，两磁极N、S间的磁场可视为水平方向的匀强磁场，A为交流电流表。线圈绕垂直于磁场的水平转轴OO′沿逆时针方向匀速转动，从图示位置开始计时，下列选项正确的是(　　)   A．图示位置时，线圈处于中性面，穿过线圈 平面的磁通量最大，电流最大 B．图示位置时，线圈处于平行面，穿过线圈平面的磁通量最小，电流最大 C．从图示位置旋转90°，线圈处于中性面，穿过线圈平面的磁通量最大，磁通量的变化率最大，电流最大 D．从图示位置开始往逆时针方向旋转产生正弦式交变电流 √ 课堂深度探究 返回导航 [解析]　题图中线圈平面与磁场方向平行，穿过线圈的磁通量最小，磁通量的变化率最大，电流最大，故A错误，B正确； 从图示位置旋转90°，线圈处于中性面，穿过线圈平面的磁通量最大，磁通量的变化率最小，电流最小，故C错误； 从图示位置开始往逆时针方向旋转产生余弦式交变电流，故D错误。 课堂深度探究 返回导航 知识点二　交变电流的变化规律   阅读教材，并回答： 交变电流是由于磁通量发生变化而产生的，电流大小取决于感应电动势大小。如何求电动势大小？有哪些方法？若线圈共N匝，请同学们根据下图求出感应电动势表达式。 课堂深度探究 返回导航 课堂深度探究 返回导航 课堂深度探究 返回导航 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： 课堂深度探究 返回导航 课堂深度探究 返回导航 课堂深度探究 返回导航 3．从两个特殊位置开始计时的瞬时值表达式 (1)从中性面位置开始计时 Φ＝Φmcos ωt，e＝Emsin ωt i＝Imsin ωt，u＝Umsin ωt。 (2)从与中性面垂直的位置开始计时 Φ＝Φmsin ωt，e＝Emcos ωt i＝Imcos ωt，u＝Umcos ωt。 课堂深度探究 返回导航 (多选)如图所示，单匝矩形线圈abcd放在匀强磁场中，磁感应强度为B，ad＝bc＝l1，ab＝cd＝l2。从图示位置起该线圈以角速度ω绕不同转轴匀速转动，则(　　) A．以OO′为转轴时，感应电动势e＝Bl1l2ωsin ωt B．以O1O1′为转轴时，感应电动势e＝Bl1l2ωsin ωt C．以OO′为转轴时，感应电动势e＝Bl1l2ωcos ωt D．以OO′为转轴跟以ab为转轴一样，感应电动势e＝Bl1l2ωcos ωt √ √ 课堂深度探究 返回导航 [解析]　无论线圈以OO′为轴还是以ab为轴转动，感应电动势的最大值都是Em＝BSω＝Bl1l2ω，由于是从与磁场平行的面开始计时，所以产生的是余弦式交变电流，故A错误，C、D正确； 以O1O1′为轴转动时，磁通量不变，没有感应电动势，不产生交变电流，故B错误。 课堂深度探究 返回导航 如图所示的矩形线圈，ab＝40 cm，ad＝20 cm，共50匝，在B＝0.6 T的匀强磁场中以300转每分钟的速度绕中心轴OO′匀速转动，当t＝0时线圈平面与磁场方向垂直。 (1)写出感应电动势瞬时值的表达式。 课堂深度探究 返回导航 [解析]　因为当t＝0时线圈平面与磁场方向垂直，所以感应电动势的瞬时值表达式的形式为 e＝Emsin ωt 线圈转速n＝300 r/min＝5 r/s，ω＝2πn＝10π rad/s Em＝NBSω＝NBab·ad·ω＝24π V 则感应电动势的瞬时值表达式为 e＝Emsin ωt＝24πsin 10πt(V)。 [答案]　e＝24πsin 10πt(V)　 课堂深度探究 返回导航 (2)求出当t＝0.025 s时，感应电动势的瞬时值。 课堂深度探究 返回导航 知识点三　交变电流的图像问题 1．交变电流的图像 正弦交变电流随时间的变化情况可从图像上表示出来，图像描述交变电流的电动势、电流、电压随时间变化的规律，它们是正弦曲线。 课堂深度探究 返回导航 2．图像信息 (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)可以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。 课堂深度探究 返回导航 一闭合矩形线圈abcd绕垂直于磁感线的固定轴OO′匀速转动，线圈平面位于图甲所示的匀强磁场中。通过线圈的磁通量Φ随时间t的变化规律如图乙所示，则(　　)   A．t1、t3时刻通过线圈的磁通量变化率最大 B．t1、t3时刻前后线圈中感应电流方向相同 C．t2、t4时刻通过线圈的磁通量变化率最小 D．t2、t4时刻线圈中感应电动势最大 √ 课堂深度探究 返回导航 [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零，故A错误； t1、t3时刻通过线圈的磁通量最大，处于中性面，线圈中感应电流方向改变，故B错误； t2、t4时刻磁通量为零，线圈与磁场平行，磁通量的变化率最大，线圈中感应电动势最大，故C错误，D正确。 课堂深度探究 返回导航 (多选)图甲是交流发电机的示意图，两磁极之间的磁场可视为匀强磁场，金属线圈ABCD绕转轴OO′匀速转动。A为电流传感器(与计算机相连)，R为定值电阻，线圈电阻为r，其余电阻不计。图乙为计算机上显示的电流数据随时间变化的图像，下列说法正确的是(　　)   A．金属线圈恰好处于图甲所示的位置时感应电动势为0，对应图乙中t1或t3时刻 B．金属线圈恰好处于图甲所示的位置时感应电动势最大，对应图乙中t2或t4时刻 C．t1、t3时刻穿过线圈的磁通量的绝对值最小，磁通量变化率最大 D．t2、t4时刻穿过线圈的磁通量的绝对值最小，磁通量变化率最大 √ √ 课堂深度探究 返回导航 [解析]　金属线圈恰好处于题图甲所示的位置时，磁通量最大，AB、CD边均不切割磁感线，感应电动势为0，电流为0，对应题图乙中t1或t3时刻，由法拉第电磁感应定律知，磁通量变化率为0, B、C错误，A正确； t2、t4时刻感应电流最大，感应电动势最大，由法拉第电磁感应定律知，磁通量变化率也最大，AB、CD边垂直切割磁感线，线圈平面与磁感线平行，磁通量最小，D正确。 课堂深度探究 返回导航 随堂巩固落实 PART 03 第三部分 1. (交变电流)下列关于电流i随时间t变化的图像中，不表示交变电流的是(　　) √ 随堂巩固落实 返回导航 解析：题图A中电流大小发生周期性变化，但方向保持不变，所以不是交变电流，故A符合题意； 题图B、C、D中电流大小、方向均发生周期性变化，均是交变电流，故B、C、D不符合题意。 随堂巩固落实 返回导航 2．(交变电流的产生)(多选)如图所示，下列线圈(均匀速转动)中能产生正弦式交变电流的是(　　)   解析：根据正弦式交变电流产生的条件可知，在匀强磁场中，线圈转轴垂直于磁场方向，运动时能产生正弦式交变电流。 √ √ √ 随堂巩固落实 返回导航 √ 解析：感应电动势的瞬时值表达式e＝Emsin ωt，而Em＝NBωS， 转速加倍即ω加倍，同时S减半，则Em不变，故C正确。 随堂巩固落实 返回导航 4．(交变电流的图像)(多选)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，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，电动势为零 C．在t＝0.2 s和t＝0.4 s时电流方向不变 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 √ √ 随堂巩固落实 返回导航 解析：线圈平面与磁场垂直时的位置为中性面，在t＝0和t＝0.2 s时，磁通量最小，线圈平面和磁场平行，线圈位于与中性面垂直的位置，感应电动势最大，故A错误； 在t＝0.1 s和t＝0.3 s时，磁通量最大，线圈位于中性面位置，感应电动势为0，则磁通量变化率为0，线圈切割磁感线的有效速率最小，故B正确，D错误； 在t＝0.2 s和t＝0.4 s时，磁通量最小，线圈位于与中性面垂直的位置，电流方向没有发生变化，故C正确。 随堂巩固落实 返回导航 一、交变电流 1．交变电流：随时间做 eq \o(□,\s\up1(1)) ____________变化的电流叫作交变电流(AC)，简称 eq \o(□,\s\up1(2)) __________。 2．直流： eq \o(□,\s\up1(3)) __________不随时间变化的电流称为直流(DC)。 二、交变电流的产生 交流发电机的线圈在磁场中转动时，转轴与磁场方向 eq \o(□,\s\up1(4)) __________，用 eq \o(□,\s\up1(5)) __________定则判断线圈切割磁感线产生的感应电流方向。 三、交变电流的变化规律 1．中性面 (1)中性面：与磁感线 eq \o(□,\s\up1(6)) __________的平面。 (2)当线圈平面位于中性面时，线圈中的磁通量 eq \o(□,\s\up1(7)) __________，线圈中的电流为 eq \o(□,\s\up1(8)) ________。 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＝ eq \o(□,\s\up1(9)) ____________，Em叫作电动势的 eq \o(□,\s\up1(10)) __________，如果线圈匝数为N，则Em＝ eq \o(□,\s\up1(11)) __________。 3．正弦式交变电流：按 eq \o(□,\s\up1(12)) ____________规律变化的交变电流叫作正弦式交变电流，简称 eq \o(□,\s\up1(13)) ________________。 4．正弦式交变电流和电压 电流表达式i＝ eq \o(□,\s\up1(14)) ____________，电压表达式u＝ eq \o(□,\s\up1(15)) ____________。其中Im、Um分别是电流和电压的 eq \o(□,\s\up1(16)) __________，也叫 eq \o(□,\s\up1(17)) ____________。 四、交流发电机 1．主要构造： eq \o(□,\s\up1(18)) __________和 eq \o(□,\s\up1(19)) __________。 2．分类 (1)旋转电枢式发电机： eq \o(□,\s\up1(20)) __________转动， eq \o(□,\s\up1(21)) __________不动。 (2)旋转磁极式发电机： eq \o(□,\s\up1(22)) __________转动， eq \o(□,\s\up1(23)) __________不动。 [提示]　由于交变电流是因为磁通量发生变化而产生的，因此可通过磁通量的变化求电动势大小；当穿过闭合线框的磁场发生改变时，根据法拉第电磁感应定律有E＝N eq \f(ΔΦ,Δt) ＝N eq \f(ΔB,Δt) S 当线框的面积发生改变时，根据法拉第电磁感应定律有E＝N eq \f(ΔΦ,Δt) ＝N eq \f(ΔS,Δt) B 根据图示可知，线圈转过的角度为ωt，则可知AB边线速度方向跟磁感线反方向的夹角为ωt 由此可知AB边转动的线速度大小v＝ω· eq \f(lAD,2) AB边产生的感应电动势 eAB＝BLABv sin ωt＝ eq \f(BSω,2) ·sin ωt 则整个线圈产生的感应电动势e＝2eAB＝BSω·sin ωt 而若线圈共N匝，则产生的感应电动势E＝NBSωsin ωt。 (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＝BSωsin ωt，若线圈为N匝，则e＝NBSωsin ωt。 2．峰值表达式 Φm＝BS，Em＝NBSω，Im＝ eq \f(Em,R＋r) ＝ eq \f(NBSω,R＋r) ， Um＝ImR＝ eq \f(NBSωR,R＋r) 。 如图所示的几种情况中，如果N、B、ω、S均相同，则感应电动势的最大值均为Em＝NBSω。 [解析]　t＝0.025 s时，感应电动势的瞬时值e1＝12 eq \r(2) π V。 [答案]　12 eq \r(2) π V 3．(交变电流的变化规律)交流发电机工作时电动势e＝Emsin ωt，若将发电机的转速提高一倍，同时将电枢所围面积减小一半，其他条件不变，则其电动势变为(　　) A．e′＝Emsin eq \f(ωt,2) B．e′＝2Emsin eq \f(ωt,2) C.e′＝Emsin 2ωt D．e′＝ eq \f(Em,2) sin 2ωt $