高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册1 交变电流导学案

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册1 交变电流导学案，共12页。学案主要包含了课前自主学习，课内探究等内容，欢迎下载使用。

1.能理解交流电的定义，掌握交流电与直流电的区别。
2.掌握交流电的产生原理，知道什么是中性面。
3.会推导交流电的表达式，并理解瞬时值和峰值的准确含义。
4.掌握交流电表达式中各物理量的含义并计算。
5.了解交流电动机的工作原理。
【重点】交变电流产生的物理过程，熟悉正弦式交电流各参数的物理意义。
【难点】交变电流的变化规律及正弦式交变电流瞬时值、峰值的推导过程。

【课前自主学习】
交变电流的定义：电流的 和 ，随 做 变化，这样的电流叫做“交变电流”简称“交流”。
几种不同的交流电示意图
2、直流电的定义： 方向不随时间变化的电流称为“直流”。
恒定电流的定义： 和 不随时间变化的电流称为“恒定电流”。
图中属于交流电的是 ，属于直流电的是 ，属于恒定电流的是
，
4、中性面的概念：线框与 垂直的平面，称为“中性面”。
5、正弦式交流电的定义：矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的转轴匀速转动时，所产生的交变电流按照 函数的规律变化称为“正弦式交流电”。
6、正弦式交流电的瞬时值可表达为： ，峰值可表达为 。
7. 的发电机叫旋转电枢式发电机；
，的发电机叫旋转磁极式发电机。
【课内探究】
一、探究交流电的特征
1、实验研究背景：
出示单相交流发电机，按右图连接电路图。
2、实验现象与反思
（1）观察：当线框快速转动时，观察到什么现象?
思考：为什么发光二极管会交替闪烁？
二、探究交流电的发生过程
1.实验背景：将手摇式发电机与定值电阻、电流表串联。
实验猜想
快速转动发电机，电流表的示数会发生怎样的变化？
实验方案与反思：让线框从如图所示的中性面开始沿逆时针方向转动；
思考：
（1）线圈在甲图位置是否有感应电流？
线圈在乙图位置是否有感应电流？
（3）在线圈由甲转到乙的过程中，AB边中电流向哪个方向流动？（由B→A）
（4）线圈在丙图位置是否有感应电流？
（5）线圈在丁图位置是否有感应电流？
（6）在线圈由丙转到丁的过程中，AB边中电流向哪个方向流动？（由A→B）
（7）思考：线圈转到什么位置时线圈中没有电流？转到什么位置时线圈中电流最大？
实验结论：
线圈转动一周，感应电流的方向改变两次。
两个特殊位置的各物理量的特征。
三、探究交流电的产生规律
1、实验方案与反思
设线圈从中性面开始转动，角速度是ω．经过时间t，AB、CD宽L1，AD、BC长L2 ，磁感应强度是B.
（1）思考：ts末线圈与中性面的夹角是 ，此时AB边的速度为 ，AB边切割磁感线的有效速度为 ，AB边中的感应电动势为 ，线圈中的感应电动势为 ，若为N匝线圈，则感应电动势为 。
（2）思考：结合上图任意时刻t的磁通量为 ，根据法拉第电磁感应定律该时刻感应电动势的大小为 。
（3）如果计时零时刻线圈较中性面已转过30度角，线圈在任意位置的感应电动势又如何表示？
（4）如果计时开始时，线圈从垂直与中性面的位置开始，线圈在任意位置的感应电动势又如何表示？
2、实验结论
（1）当线圈的匝数为n，线圈转动到中性面时线圈中产生的感应流大小为 0 ，转过90°时的感应电动势大小为 nBSW 。
（2）当线圈从中性面开始转动一周期的时间内，感应电流的方向先改变 2 次。
（3）当线圈的匝数为n，从中性面开始转动，感应电动势的瞬时值为 SKIPIF 1 < 0 ，峰值为 SKIPIF 1 < 0 ，磁通量的瞬时值为 SKIPIF 1 < 0 ，峰值为 BS 。
反思以下问题：
若该线圈给外电阻R供电，设线圈本身电阻为r，则负载两端的电压u、流过的电流i随时间变化的规律是怎样的？
流过负载的电流：
负载两端电压：
正弦式交变电流的图像（中性面计时）

认识不同形式的交流电：
认识交流发电机
交流发电机的分类？

旋转电枢式
（ABCD——线圈（电枢）K、L——圆环E 、F——电刷）
旋转磁极式
旋转电枢式：
旋转磁极式：
说明：旋转电枢式发电机与旋转磁极式发电机的区别
旋转电枢式：旋转电枢式发电机转子产生的电流，经过裸露的滑环和电刷引到外电路，如果电压很高，可能发生火花放电，滑环和电刷很快会烧坏。同时，转动的电枢无法做得很大，线圈匝数也不可能很多，所以产生的感应电动势也不能很高。这种发电机输出的电压一般不超过 V。
旋转磁极式发电机：旋转磁极式发电机克服了上述缺点，能够产生几千伏到几万伏的电压，输出功率可达几百兆瓦。所以，大多数发电机是 式的。
概念：转子定子的概念
不论哪种发电机，转动的部分都叫 ，不动的部分都叫 ；所以，旋转电枢式发电机的转子是 ，定子是 ；旋转磁极式发电机的转子是 ，定子是 。
1.(2019·内蒙古四校发展联盟高二下期中)交流发电机发电示意图如图所示，线圈转动过程中，下列说法正确的是( )
A．转到图甲位置时，通过线圈的磁通量变化率最大
B．转到图乙位置时，线圈中产生的感应电动势为零
C．转到图丙位置时，线圈中产生的感应电流最大
D．转到图丁位置时，AB边感应电流方向为A→B
2.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电流逐渐变大
C．线圈转动两周，电流的方向改变2次
D．从线圈经过图示位置开始计时，则电动势e随时间变化的规律为e=Esinωt(V)
3.(2020·河北省张家口第四中学高二下学期月考)某交变电流发电机正常工作时产生的电动势e＝Emsinωt。若线圈匝数减为原来的一半，而转速增为原来的2倍，其他条件不变，则产生的电动势的表达式为( )
A．e＝Emsinωt B．e＝2Emsinωt
C．e＝2Emsin2ωtD．e＝Emsin2ωt
4.如图所示，匀强磁场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＝100π rad/s绕OO′轴匀速转动。当线圈平面通过中性面时开始计时，试求：
(1)线圈中感应电动势随时间变化的表达式。
(2)由t＝0至t＝eq \f(T,4)过程中的平均电动势值。

参考答案与解析
1.【答案】D
【解析】：转到图甲位置时，线圈平面与磁感线垂直，磁通量最大，但磁通量变化率最小，故 A错误；转到图乙位置时，线圈中产生的感应电动势最大，故B错误；转到图丙位置时，线圈位于中性面位置，此时感应电流为零，故C错误；转到图丁位置时，根据楞次定律可知AB边感应电流方向为A→B，故D正确。
2.【答案】B
【解析】经过图示位置磁通量为零，变化率最大，故A选项错误，线圈的起始位置在垂直于中性面的位置，故感应电动势的大小随时间的变化规律为 SKIPIF 1 < 0 ，故D选项错误，在转动90-180°的过程中感应电流逐渐增大，故B选项正确。线圈每转动一圈，感应电流的方向改变两次。转动两圈改变4次，故C选项错误。故本题选B。
3.【答案】D
【解析】：由Em＝NBSω知若线圈匝数减为原来的一半，而转速增为原来的2倍时Em不变；转速变为2ω，故电动势的表达式为e＝Emsin2ωt，D正确；故选D。
4.【答案】：(1)e＝314sin100πt(V) (2)200 V
【解析】：(1)感应电动势的瞬时值e＝NBSωsinωt，由题可知：S＝lab·lbc＝0.2×0.5 m2＝0.1 m2
Em＝NBSω＝100×0.1×0.1×100π V＝314 V
所以e＝314sin100πt(V)
(2)用E＝Neq \f(ΔΦ,Δt)计算t＝0至t＝eq \f(T,4)过程中的平均电动势
E＝Neq \f(|Φ\f(π,2)－Φ0|,\f(T,4)－0)＝Neq \f(|0－BS|,\f(T,4))＝eq \f(4NBS,\f(2π,ω))
即E＝eq \f(2,π)NBSω
代入数值得E＝200 V
名称
中性面
中性面的垂面
位置
线圈平面与磁场垂直
线面平面与磁场平行
磁通量
最大
零
磁通量的变化率
零
最大
感应电动势
零
最大
线圈边框切割磁感线的有效速度
零
最大
感应电流
零
最大
电流方向
改变
不变