3.1 交变电流（教学课件）物理人教版选择性必修第二册

第三章 交变电流 人教版（2019）选择性必修 第二册 1.交变电流 目录 学习目标 重点难点 课堂导入 探究新知 课堂小结 课堂练习 布置作业 1 2 3 4 5 6 7 2 01 02 03 04 物理观念 建立交变电流的核心物理观念，知道交变电流和直流的区别；理解正弦式交变电流的产生机理，认识线圈在匀强磁场中匀速转动时产生正弦交变电流；理解中性面的含义，区分中性面位置与垂直中性面位置磁通量、感应电动势的特点；掌握交变电流峰值、瞬时值的物理意义，知道交变电流遵循能量守恒，为本章变压器、远距离输电等内容的学习奠定基础。 科学思维 能结合线圈转动、磁通量周期性变化、感应电动势的空间关系，对交变电流产生过程开展推理分析；通过改变线圈转速、磁场强弱等实例辨析正弦交变电流的变化规律，提升空间想象与逻辑推理能力；能根据线圈转动情景写出交变电流瞬时值表达式，区分瞬时值、峰值的适用场景；会利用图像模型分析正弦交变电流，能对线圈转动过程中的电磁感应问题做动态推导，发展证据意识与科学论证能力。 科学探究 能通过手摇发电机演示实验，观察小灯泡亮度变化、示波器波形，探究交变电流方向、大小周期性变化的特点；借助发电机模型、示波器、导线等实验器材，控制线圈转速、磁场强弱，观察波形变化；经历记录现象、归纳总结，得出正弦交变电流产生条件与变化规律的过程，会做简单的数据、图像对比分析，培养从实验现象提炼物理规律的能力。 科学态度与责任 能通过探究交变电流产生的实验，体会实验在物理研究中的价值；通过了解交变电流在发电、输电、用电等生活生产中的广泛应用，认识交变电流对现代社会、科技发展的推动作用；在探究过程中养成严谨求实、尊重实验事实的习惯；体会电磁感应理论转化为电力工程技术的意义，激发对电磁技术的探索兴趣，树立运用物理知识服务社会的意识。 学习目标 交流发电机 01 教学内容 交变电流的产生 02 交变电流的变化规律 03 教学重点 1 教学重点 2 教学难点 3 交变电流的概念，知道交变电流与直流电的区别；理解正弦式交变电流的产生过程，认识中性面的特点。 掌握交变电流瞬时值表达式，理解峰值的物理意义，能看懂正弦交变电流的图像。 中性面位置的判断，区分线圈在中性面、垂直中性面时磁通量、感应电动势的特点；结合线圈转动动态分析电动势周期性变化规律。 重点难点 课堂导入——观察与思考 公路旁、旷野上，坚实的钢架托着、吊着粗大的金属线，仿佛由天际而来，向天际而去…… 这些由发电厂、变电站而来的输电线，将电能输送到乡村、工厂，输送到千家万户。电，每时每刻都在为人类作着巨大的贡献。 来自发电厂的电有什么特性？我们怎样才能更好地利用它？这一章我们就来学习与此相关的内容。 课堂导入——观察与思考 用示波器或电压传感器先观察电池供给的电压的波形，再观察学生电源交流挡供给的电压的波形。这两种波形各有什么特点？ 01 PART 01 第一部分 交流发电机 探究新知 8 探究新知——交流发电机 组成发电机的两部分中一部分不动（叫定子），另一部分绕着轴线做匀速转动（叫转子）便可以发出电来。 电枢 磁极 转子是它，叫旋转电枢式发电机 转子是它，叫旋转磁极式发电机 基本组成部分 你能用已学知识解释以下交流发电机的工作原理吗？它产生的电流有什么特点？ 02 PART 02 第二部分 交变电流的产生 探究新知 10 探究新知——交流发电机示意图 K A F E L D C B 探究新知——交流电的产生原理 请判断出下列四个位置时电流方向？并总结这样的发电机在匀速转动过程中产生电流方向有什么特点？ E=0、I=0 × • 电流：B→A→D→C→B × • I 电流：C→D→A→B→C I 电流方向具有周期性变化的特点。 探究新知——交流电的产生原理 设磁感应强度是B，AB、CD长为l，AD、BC宽为d，线圈匀速转动的角速度是ω，设t＝0时线圈所在平面与磁场反向刚好垂直，则t=t时刻线圈产生的电动势为多少？ A(B) D(C) B v A D · × 中性面 线圈与中性面的夹角是多少？ AB边速度方向与磁场方向夹角是多大？ AB边的速度多大？ t AB边中的感应电动势多大？ 探究新知——交流电的产生原理 A(B) D(C) B v A D t · × 此时线圈中的感应电动势多大？ 这样的发电机产生的电流大小和方向有什么特点？ ⑥若线圈由N匝组成，此时感应电动势多大？ 设磁感应强度是B，AB、CD长为l，AD、BC宽为d，线圈匀速转动的角速度是ω，设t＝0时线圈所在平面与磁场反向刚好垂直，则t=t时刻线圈产生的电动势为多少？ 探究新知——典例探究 【例1】(多选)(2024·深圳市高二期中)如图所示，下列线圈匀速转动或匀速直线运动，能产生交变电流的是 【解析】A中线圈沿垂直磁场的转轴转动，故可以产生交变电流，故A正确；根据E=BLv，可知B中线圈产生的是恒定电流，不会产生交变电流，故B错误；C中回路磁通量不变，没有感应电流，故C错误； D中线圈沿垂直磁场的转轴转动，可以产生交变电流，故D正确。 探究新知——典例探究 【例2】(多选)(2024·新课标卷)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 探究新知——典例探究 【解析】题图中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，磁通量变化率最大，感应电动势最大，故可知电流最大；磁极转过90°时，相当于PQ逆时针转90°向下运动，由右手定则知，此时感应电流方向由Q指向P。故选B、D。 03 PART 03 第三部分 交变电流的变化规律 探究新知 18 探究新知——交变电流 若设回路中的总电阻为R，则根据闭合回路欧盟定律得： 电流方向和大小随时间做周期性变化，其符合正弦函数变化规律，这样的交变电流叫做正弦式交变电流。 交变电流，简称交流（AC) 方向不随时间变化的电流叫做直流电，简称直流(DC)。 0 i t 恒定直流 0 i t 脉动直流电 常见的交变电流 探究新知——正弦式交变电流的变化规律 正弦式交变电流是怎样产生的？ 当线圈绕着与匀强磁场方向垂直的轴线匀速转动，就会产生正弦式交变电流。 电动势的最大值为多少？当电动势最大时线圈处于什么位置时？电动势为0时，线圈又处于什么位置。 电动势最大时： 电动势为0时： 中性面 探究新知——正弦式交变电流的变化规律 若电路中的负载为纯电阻电路时，负载两端的电压和流过的电流变化规律如何？ 负载两端的电压和流过的电流也按正弦规律变化 其中Um 、 Im分别叫电压和电流的最大值，也叫峰值。 而u、i 则是相应的物理量的瞬时值。 以上表达形式是不是什么情况下都成立？ 探究新知——正弦式交变电流的变化规律 若线圈从中性面的垂面（峰值面）开始计时，在t 时刻线圈中的感应电动势是多少？ B v A(B) D(C) 中性面 ωt t = 0 v‖ v⊥ ωt 另一种推导方式： 说明：物理学中，正弦交变电流与余弦交变电流(本质规律都相同)统称为正弦式交流电 负载两端电压变化规律： 流过负载的电流变化规律： 探究新知——典例探究 【例3】(来自粤教教材)如图所示，面积为0.05 m2、总电阻为1 Ω、共100匝的矩形线圈abcd处于磁感应强度B= T的匀强磁场中，其外接阻值R=9 Ω的电阻，线圈以300 r/min的转速绕OO'匀速旋转。 (1)若从线圈处于中性面开始计时，写出线圈中感应电动势的瞬时值表达式。 (2)画出线圈中感应电动势随时间变化的图像。 (3)求出线圈转过 s时，线圈中感应电动势的瞬时值。 探究新知——典例探究 【解析】（1）若线圈处于中性面开始计时，线圈中感应电动势e=Emsin ωt=NBSωsin ωt =100××0.05×10π×sin 10πt=50sin 10πt(V)。 （2)如图所示 (3)线圈转过 s时，线圈中感应电动势的瞬时值E=50sin 10π× V=25 V。 探究新知——正弦式交变电流的变化规律 【总结提升】确定正弦式交变电流的电动势瞬时值表达式的基本方法 1.确定线圈转动从哪个位置开始计时，以确定瞬时值表达式是按正弦规律变化还是按余弦规律变化。 2.确定线圈转动的角速度。 3.确定感应电动势的峰值Em=NBSω。 4.写出瞬时值表达式e=Emsin ωt或e=Emcos ωt。 探究新知——典例探究 【例4】(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 探究新知——典例探究 【解析】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，即题图中曲线是从线圈平面与磁场方向平行时开始计时的，选项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，选项B错误，C正确； 感应电动势e的方向变化时，线圈恰通过中性面，此时穿过线圈的磁通量最大，选项D正确。 探究新知——正弦式交变电流的变化规律 如图甲、乙所示，从图像中可以 得到以下信息： (1)交变电流的峰值Em、Im。 (2)两个特殊值对应的位置： ①e=0(或i=0)时：线圈位于中性面上，此时=0，Φ最大。 ②e最大(或i最大)时：线圈平面平行于磁感线，此时最大，Φ=0。 (3)e、i大小和方向随时间的变化规律。 探究新知——典例探究 【例5】(2025·西安市高二期中)如图甲所示为交流发电机、定值电阻R、交流电流表A组成的闭合回路，线圈ABCD逆时针方向转动，图示位置磁感线与线圈平面平行，图乙所示为通过线圈的磁通量Φ随时间t的变化关系图像，下列说法正确的是 A.t2、t4时刻线圈中感应电动势最小 B.t1、t3时刻电阻R两端的电压为零 C.线圈转动到图示位置时，线圈中磁通量变化率为零 D.线圈转动到图示位置时，感应电流方向为A→B→C→D→A 探究新知——典例探究 【解析】根据题图乙，由交流发电机工作原理可知，在t2、t4时刻，穿过线圈的磁通量为零，但磁通量变化率却最大，则线圈中产生的感应电动势最大，故A错误； 由题图乙知线圈在t1、t3时刻，穿过线圈的磁通量最大，感应电动势为0，则R两端的电压为0，故B正确； 线圈转到题图甲所示位置时，穿过线圈中的磁通量为零，但磁通量变化率却最大，故C错误； 线圈ABCD逆时针方向转动，根据右手定则可判断当线圈转动到题图甲所示位置时，感应电流方向为D→C→B→A→D，故D错误。 课堂小结 交变电流 交变电流的产生 交变电流的变化规律 交变电流：大小和方向随时间做周期性变化的电流 e＝Emsin ωt(Em＝NBSω),i＝Imsin ωt ,u＝Umsin ωt 交变电流 直流：方向不随时间变化的电流 原理：法拉第电磁感应定律 中性面：Φ最大，为0，e为0，i为0 垂直中性面：Φ为0，最大，e最大，i最大 交流发电机 工作原理：法拉第电磁感应定律 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 布置作业 1.认真阅读课本本节内容，并完成课后“练习与应用”； 2.完成分层作业。 谢谢聆听 鼎力物理制作，盗版必究 谢谢聆听 1.如图是交流发电机的示意图，为了清楚，图中只画出了一匝线圈。线圈的AB边连在金属滑环K上，CD边连在滑环L上；导体制成的两个电刷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连接，线圈按逆时针方向匀速转动依次经过如图所示四个位置的过程中(　　) A.经甲图所示位置时，穿过线圈的磁通量为零 B.经乙图所示位置时，通过线圈的电流改变方向 C.经丙图所示位置时，通过线圈的电流最大 D.经丁图所示位置时，穿过线圈的磁通量的变化率最大 $