高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册1 交变电流优质导学案

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【学习目标】
1.通过实验认识交变电流，知道生产生活中使用的大多是正弦式交变电流，会用图像和公式描述正弦式交变电流。
2.经历建立正弦式交变电流模型、用右手定则和法拉第电磁感应定律推理得出正弦式交变电流方向和大小的规律的过程，体会建立模型与推理分析的思维方法。
3.了解发电机是将机械能转化为电能的装置，各种发电机的区别在于机械能产生的形式不同。
【学习重难点】
1.教学重点：理解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。
2.教学难点：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。
【知识回顾】
一、右手定则
1．内容
伸开右手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内；让磁感线从掌心进入，并使拇指指向导线运动的方向，这时四指所指的方向就是感应电流的方向，如图所示。
2．适用范围
适用于闭合电路部分导体切割磁感线产生感应电流的情况。
二、导线切割磁感线时的感应电动势
1．动生电动势
由于导体运动而产生的电动势叫动生电动势。切割磁感线的导线相当于一个电源。
2．动生电动势的大小
(1)导线垂直于磁场运动，B、l、v两两垂直时，如图甲所示，E＝Blv。
(2)导线的运动方向与导线本身垂直，但与磁感线方向夹角为θ时，如图乙所示，E＝Blvsin_θ。
【自主预习】
一、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．直流
方向不随时间变化的电流。
3．交变电流
大小和方向都随时间做周期性变化的电流，简称交流。
4．交变电流的图像
(1)波形图：电压或电流随时间变化的图像。
(2)观察方法：用示波器或电压传感器观察。
5．日常使用的各种充电器能把交变电流变成低压直流。
二、交变电流的产生和变化规律
1．交变电流的产生
(1)产生条件：在匀强磁场中，矩形线圈绕垂直于磁场方向的轴转动。
(2)过程分析(如图所示)
(3)感应电流随时间变化的曲线
2．正弦式交变电流
①表达式：e＝Emsin_ωt
u＝Umsin_ωt
i＝Imsin_ωt
其中Em、Um、Im分别为电动势、电压、电流的峰值。
②图像(如图所示)
三、交流发电机
1．基本组成：产生感应电动势的线圈(电枢)和产生磁场的磁体。
2．分类
(1)旋转电枢式发电机：电枢转动，磁极不动，输出电压一般不超过500 V。
(2)旋转磁极式发电机：磁极转动，电枢不动，能够产生几千伏到几万伏的电压，输出功率可达几百兆瓦。
3．工作过程：发电机的转子由蒸汽轮机、水轮机等带动，蒸汽轮机、水轮机将机械能传递给发电机，发电机将机械能转化为电能，输送给外电路。
【课堂探究】
【新课导入】
你知道下图中仿佛由天际而来，向天际而去的输电线始于哪里，最终又输送到哪里吗？
始于：发电厂、变电站
输送到：乡村、工厂... ...
你知道发电厂发电机利用什么原理发出来的电？它具有哪些特点？
学生根据自己的了解回答问题
【新课教学】
任务一、交流发电机
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。
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？
学生尝试解答交变电流的工作原理和特点。
任务二、交变电流的产生
交流发电机示意图
K
A
F
E
L
D
C
B
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？
电流方向具有周期性变化的特点。
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？
①线圈与中性面的夹角是多少？
②AB边的速度多大？
③AB边速度方向与磁场方向夹角是多大？
ωt
④AB边中的感应电动势多大？
⑤此时线圈中的感应电动势多大？
⑥若线圈由N匝组成，此时感应电动势多大？
这样的发电机产生的电流大小和方向有什么特点？
学生回答电流大小和方向的特点。
任务三、交变电流的变化规律
（一）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)。
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
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？
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？
另一种推导方式：
负载两端电压变化规律：
流过负载的电流变化规律：
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。
【自我测评】
1．如图所示，属于交变电流的是( )
【答案】C
【详解】方向随时间周期性变化是交变电流最重要的特征。A、B、D三个选项中电流大小随时间周期性变化，但其方向不变，不是交变电流，它们是直流电，故A、B、D错误；C选项中电流符合交变电流的特征，故C正确。
2．[多选]如图所示，一面积为S的单匝矩形线圈处于有界匀强磁场中，能使线圈中产生交变电流的是( )
A．将线圈水平向右匀速拉出磁场
B．使线圈以OO′为轴匀速转动
C．使线圈以ab边为轴匀速运动
D．使磁感应强度以B＝B0sin ωt的规律变化
【答案】BCD
【详解】将线圈水平向右匀速拉出磁场的过程中，穿过线圈的磁通量均匀减小，产生的感应电流大小和方向均不变，A错误。线圈绕垂直于磁感线方向的轴匀速转动时，穿过线圈的磁通量发生周期性变化，产生交变电流，B、C正确。如果磁感应强度按正弦规律发生周期性变化，而线圈面积不变，则穿过线圈的磁通量也按正弦规律发生周期性变化，产生交变电流，D正确。
3．如图所示，面积均为S的单匝线圈绕轴在磁感应强度为B的匀强磁场中以角速度ω匀速转动。从图中所示位置开始计时，下图中能产生正弦式交变电动势e＝BSωsin ωt的是( )
【答案】A
【详解】由题图知，只有A、B图中线圈在切割磁感线，穿过线圈的磁通量在变化，从而产生感应电流。但B图中线圈在t＝0时产生的感应电动势最大，不按正弦规律变化，故只有A图中线圈产生正弦式交变电动势e＝BSωsin ωt，A正确。
4．[多选]如图所示，一矩形闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的转轴OO′以恒定的角速度ω转动。从线圈平面与磁场方向平行时开始计时，则在0～eq \f(π,2ω)这段时间内( )
A．线圈中的感应电流一直在减小
B．线圈中的感应电流先增大后减小
C．穿过线圈的磁通量一直在减小
D．穿过线圈的磁通量的变化率一直在减小
【答案】AD
【详解】根据题图位置可知，线圈平面与磁场方向平行，感应电流最大。因为eq \f(π,2ω)＝eq \f(T,4)，在0～eq \f(π,2ω)时间内线圈转过四分之一周，感应电流从最大减小为零，穿过线圈的磁通量逐渐增大，穿过线圈的磁通量的变化率一直在减小，故A、D正确。
5．如图所示，线圈abcd的面积是0.05 m2，共100匝，线圈的总电阻r＝1 Ω，外接电阻R＝9 Ω，匀强磁场的磁感应强度B＝eq \f(1,π) T，线圈以角速度ω＝100π rad/s匀速转动。
(1)若线圈经过图示位置(线圈平面与磁感线垂直)时开始计时，写出线圈中感应电动势瞬时值的表达式。
(2)写出交变电流的瞬时值表达式。
【答案】(1)e＝500sin 100πt(V) (2)i＝50sin 100πt(A)
【解析】(1)线圈中感应电动势的最大值
Em＝NBSω＝100×eq \f(1,π)×0.05×100π V＝500 V，
线圈中感应电动势瞬时值e＝Emsin ωt，
所以感应电动势瞬时值表达式为e＝500sin 100πt(V)。
(2)交变电流的最大值Im＝eq \f(Em,R＋r)＝eq \f(500,9＋1) A＝50 A，
所以交变电流的瞬时值表达式为i＝50sin 100πt(A)。
【学后反思】本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？