教科版 (2019)1 交变电流教学演示课件ppt

这是一份教科版 (2019)1 交变电流教学演示课件ppt，共60页。PPT课件主要包含了周期性，正弦函数，垂直于磁场，清洁无污染，5Wbs，机械能，提示无关系等内容，欢迎下载使用。

1．知道交变电流、直流的概念，理解正弦式交变电流的产生原理。2．知道交变电流的峰值、瞬时值的含义。3．掌握交变电流的变化规律，会用函数和图像表述交变电流。4．了解交流发电机和交流发电机中的能量转化。
必备知识·自主预习储备
知识点一　交变电流及其产生1．交变电流(1)交变电流：大小和方向都随时间做______变化的电流，简称交流电。(2)直流：____不随时间变化的电流。大小和方向都不随时间变化的电流，称为恒定电流。(3)正弦交流电：电流的大小和方向都随时间按________规律变化的交变电流。
2．正弦交变电流的产生(1)产生条件：在匀强磁场中，闭合矩形线圈绕__________方向的轴匀速转动时，线圈中产生的感应电流是正弦交流电。(2)过程分析(如图所示)：
(3)中性面：线圈在磁场中转动的过程中，线圈平面与磁场____时所在的平面。
思考　线圈所在区域磁场特点？
提示：可看作是匀强磁场。
知识点二　交变电流的变化规律1．从两个特殊位置开始计时瞬时值的表达式
2．正弦交变电流的图像
3．几种不同类型的交变电流
思考　正弦交流电的电动势、电流按正弦规律变化，对应的e-t、i-t图像形状有什么特点？
提示：都是正弦函数图像。
知识点三　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，____发电，太阳能发电，____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，__________等。
思考　发电机和电动机工作过程中的能量转化有何不同？
提示：发电机是通过电磁感应，把其他形式的能转化为电能；电动机是通过安培力做功，把电能转化为机械能。
[预习体验]1．思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)线圈转动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，产生的感应电流也最大。(　)(3)线圈绕垂直于磁场的轴匀速转动时产生的电流是交变电流。(　)
2．填空(1)交流发电机在工作时电动势为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______________。(2)如图所示，100匝的线框abcd在图示磁场(匀强磁场)中匀速转动，角速度为ω，其电动势的瞬时值为e＝100cs (100πt) V，那么感应电动势的最大值为_____，当从图示位置转过60°角时线圈中的感应电动势为 _____，此时穿过线圈的磁通量的变化率为_________。(3)发电机的分类可分为____发电机、____发电机。(4)发电机将______转化为____，输送给外电路。
e'＝Emsin 2ωt
关键能力·情境探究达成
1．如图所示，线圈此刻所在的位置是什么位置，磁通量最大还是最小？是否有感应电动势？
2．如图所示，线圈此刻所在的位置是什么位置，磁通量最大还是最小？是否有感应电动势？
提示：1．中性面；磁通量最大；无感应电动势。2．与中性面垂直的位置；磁通量最小为零；感应电动势最大。
考点1　正弦交变电流的产生1．两个特殊位置的特点
2．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。
【典例1】　如图甲和乙是交流发电机的示意图，线圈ABCD在匀强磁场中匀速转动。下列说法正确的是(　　)A．图甲中穿过线圈的磁通量最大，电路中的感应电流最大B．图乙中穿过线圈的磁通量最大，电路中的感应电流最大C．图甲中穿过线圈的磁通量变化率为零，电路中的感应电流为零D．图乙中穿过线圈的磁通量变化率为零，电路中的感应电流为零
C　[图甲中线圈位于中性面位置，穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率为零，产生的感应电动势为零，电路中的感应电流为0，故A错误，C正确；图乙中线圈位于与中性面垂直的位置，穿过线圈的磁通量为零，磁通量的变化率最大，产生的感应电动势最大，电路中的感应电流最大，故B、D错误。]
[注意事项]　产生正弦交变电流的条件是：线圈绕垂直于匀强磁场的轴匀速转动，与线圈的形状和转轴的位置无关。
[跟进训练]1．交流发电机发电过程示意图如图所示，线圈匀速转动过程中，下列说法正确的是(　　)A．转到图甲位置时，线圈位于中性面B．转到图乙位置时，线圈中电流方向发生改变C．转到图丙位置时，CD边感应电流方向为D→CD．转到图丁位置时，线圈中的磁通量变化率最大
B　[转到题图甲位置时，线圈为与中性面垂直的位置，故A错误；转到题图乙位置时，即线圈为中性面位置，此时线圈中电流方向发生改变，故B正确；转到题图丙位置时，由右手定则可得，CD边感应电流方向为C→D，故C错误；转到题图丁位置时，线圈中的磁通量最大，磁通量变化率为零，故D错误。故选B。]
2．峰值(1)由e＝NBSωsin ωt可知，电动势的峰值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，与转轴的位置无关，但转轴必须垂直于磁场，因此如图所示的几种情况，若N、B、S、ω相同，则电动势的最大值相同。
[答案]　(1)e＝375sin 5πt(V)　(2)375 V
[母题变式]在[典例2]中，若线圈从处于垂直于中性面的位置开始计时，其他条件不变，结果如何呢？
考点3　交变电流的图像1．对交变电流图像的认识如图所示，正弦交变电流随时间的变化情况可以从图像上表示出来，图像描述的是交变电流的电动势、电流、电压随时间变化的规律，它们是正弦曲线。
2．交变电流图像的应用从图像中可以解读到以下信息：(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)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。
规律方法　交变电流图像的分析方法一看：看“轴”、看“线”、看“斜率”、看“点”，并理解其物理意义。二变：掌握“图与图”“图与式”和“图与物”之间的变通关系。三判：在此基础上进行正确的分析和判断。
[跟进训练]3．一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．图像是从线圈平面位于中性面开始计时的B．t2时刻穿过线圈的磁通量为零C．t2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，穿过线圈的磁通量的方向也变化
B　[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，即是从线圈平面与磁场方向平行时开始计时的，选项A错误；t2时刻感应电动势最大，穿过线圈的磁通量的变化率最大，磁通量为零，选项B正确，C错误；感应电动势e的方向变化时，线圈通过中性面，穿过线圈的磁通量最大，但方向并不变化，选项D错误。]
学习效果·随堂评估自测
1．如图所示的图像中属于直流的是(　　)
D　[方向不变的电流为直流，电流方向发生周期性变化的为交流，A、B、C选项中电流方向发生周期性变化为交流电，故A、B、C错误，D项中电流方向不变，为直流，故D正确。故选D。]
2．如图所示，关于电磁现象，下列说法正确的是(　　)
A．甲图，用细金属丝将直导线水平悬挂在磁铁的两极间，当通以如图所示的电流时，导线会向左摆动一定角度B．乙图，是真空冶炼炉，当炉外线圈通入高频交流电时，铁块中产生涡流，从而产生大量热量，冶炼金属C．丙图，通电线圈在磁场作用下转动，机械能转化为电能D．丁图，当用力让线圈发生转动时，电流表就有电流通过，利用此原理可制成电动机
B　[题图甲，用细金属丝将直导线水平悬挂在磁铁的两极间，当通以如图所示的电流时，根据左手定则可知导线受到向右的安培力，导线会向右摆动一定角度，A错误；题图乙，是真空冶炼炉，当炉外线圈通入高频交流电时，铁块中产生涡流，铁块中产生大量热量，从而冶炼金属，B正确；题图丙，通电线圈在磁场作用下转动，电能转化为机械能，C错误；题图丁，当用力让线圈发生转动时，线圈的磁通量发生变化，产生感应电动势，电流表就有电流通过，利用此原理可制成发电机，D错误。故选B。]
3．一闭合矩形线圈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
D　[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。故选D。]
回归本节知识，自我完成以下问题：(1)在线圈转动过程中，磁通量最大时，磁通量变化率为多少？磁通量为零时，磁通量变化率为多少？
提示：磁通量变化率恰好为0；磁通量变化率恰好最大。
(2)感应电动势的大小由磁通量变化率决定，与磁通量的大小有无关系？
(3)从垂直于中性面的位置开始计时，若线圈给外电阻R供电，设线圈本身的电阻为r，则闭合回路的电流的表达式如何？
课时分层作业(九)　交变电流
题组一　正弦交变电流的产生1．关于线圈在匀强磁场中转动时产生的交变电流，以下说法中正确的是(　　)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，感应电动势方向不变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．线圈每转动一周，感应电动势和感应电流的方向都要改变一次
C　[线圈转至中性面时，线圈平面垂直于磁感线，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，两次经过中性面，感应电动势和感应电流的方向都改变两次，只有C正确。]
2．交流发电机发电过程示意图如图所示，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
D　[转到题图甲位置时，线圈平面与磁感线垂直，磁通量最大，但磁通量变化率最小，A错误；转到题图乙位置时，线圈中产生的感应电动势最大，B错误；转到题图丙位置时，线圈位于中性面位置，此时感应电流为零，C错误；转到题图丁位置时，根据右手定则可知AB边感应电流方向为A→B，D正确。]
题组二　对交变电流的变化规律的理解3．如图所示，一单匝矩形线圈abcd，已知ab边长为l1，bc边长为l2，在磁感应强度为B的匀强磁场中绕OO′轴以角速度ω从图示位置开始匀速转动，则t时刻线圈中的感应电动势为(　　)A．0.5Bl1l2ωsin ωt 　B．0.5Bl1l2ωcs ωtC．Bl1l2ωsin ωt 　D．Bl1l2ωcs ωt
D　[线圈从题图所示位置开始转动，电动势瞬时值的表达式为e＝Emcs ωt，由题意知Em＝BSω＝Bl1l2ω，所以e＝Bl1l2ωcs ωt。故选D。]
5．如图所示，矩形线圈abcd在匀强磁场中可以分别绕垂直于磁场方向的轴P1和P2以相同的角速度匀速转动，当线圈平面转到与磁场方向平行时(　　)A．线圈绕P1转动时的电流等于绕P2转动时的电流B．线圈绕P1转动时的电动势小于绕P2转动时的电动势C．线圈绕P1和P2转动时电流的方向相同，都是a→b→c→d→aD．线圈绕P1转动时dc边受到的安培力大于绕P2转动时dc边受到的安培力
A　[线圈绕垂直于磁场方向的轴转动产生交变电流，产生的电流、电动势及线圈各边所受安培力大小与转轴所在位置无关，故选项A正确，选项B、D错误；题图所示时刻产生电流的方向为a→d→c→b→a，故选项C错误。]
题组三　交变电流的图像6．一闭合矩形线圈abcd绕垂直于磁感线的固定轴OO′匀速转动，线圈平面位于如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，下列说法正确的是(　　)A．t1、t3时刻通过线圈的磁通量的变化率最大B．t1、t3时刻线圈中感应电流方向改变C．t2、t4时刻通过线圈的磁通量最大D．t2、t4时刻线圈中感应电动势最小
7．线圈在匀强磁场中匀速转动，产生交变电流的图像如图所示，由图可知(　　) A．在A和C时刻线圈处于中性面位置B．在B和D时刻穿过线圈的磁通量为零C．从A时刻到D时刻线圈转过的角度为π radD．在A和C时刻磁通量变化率的绝对值最大
8．已知矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，穿过线圈的磁通量随时间变化的图像如图甲所示，则下列说法正确的是(　　)A．t＝0时刻线圈平面与中性面垂直B．t＝0.01 s时刻Φ的变化率达最大C．t＝0.02 s时刻感应电动势达到最大D．该线圈相应的感应电动势图像如图乙所示
B　[t＝0时刻磁通量最大，线圈位于中性面位置，故A错误；t＝0.01 s时刻磁通量为零，线圈位于垂直中性面的位置，电动势最大，磁通量的变化率最大，故B正确；t＝0.02 s时刻磁通量最大，磁通量的变化率为零，感应电动势为零，故C错误；感应电动势与磁通量的变化率成正比，电动势随时间变化的图像为正弦曲线，D错误。]
9．如图所示，N＝50匝的矩形线圈abcd，ab边长l1＝20 cm，ad边长l2＝25 cm，放在磁感应强度B＝0.4 T的匀强磁场中，外力使线圈绕垂直于磁感线且通过线圈中线的OO′轴以n＝3 000 r/min 的转速匀速转动，线圈电阻r＝1 Ω，外电路电阻R＝9 Ω，t＝0时线圈平面与磁感线平行，ab边正转出纸外、cd边转入纸里，求：(1)t＝0时感应电流的方向；(2)感应电动势的瞬时值表达式；(3)从图示位置转过90°的过程中流过电阻R的电荷量。
[解析]　(1)根据“t＝0时平面与磁感线平行，ab边正转出纸外、cd边转入纸里”，运用右手定则，得出感应电流的方向是a→d→c→b→a，如图所示。(2)以n＝3 000 r/min的转速匀速转动，所以线圈的角速度ω＝100π rad/s感应电动势的最大值为Em＝NBSω≈314 V所以感应电动势的瞬时值表达式为e＝NBSωcs ωt＝314cs 100πt(V)。
[答案]　(1)a→d→c→b→a　(2)e＝314cs 100πt(V)　(3)0.1 C
10．(多选)水力发电站和火力发电站都采用旋转磁极式发电机，但是发电机的结构一般不同。水力发电站常采用图甲所示原理的发电机，A、B、C、D均为线圈；火力发电站常采用图乙所示原理的发电机，A、B、C、D均为沿轴方向的导线。当图中固定有磁铁的转子顺时针匀速旋转到图示位置时，某同学在两图中标示了电流方向，下列说法正确的是(　　)A．图甲中A、C线圈电流标示方向正确B．图甲中B、D线圈电流标示方向正确C．图乙中A、B导线电流标示方向正确D．图乙中C、D导线电流标示方向正确
AC　[题图甲中，A、B、C、D线圈中磁场均减弱，根据磁场减弱方向，结合楞次定律和安培定则，可知A、C线圈电流标示方向正确，B、D线圈电流标示方向错误，A正确，B错误；题图乙中，磁铁运动，导线切割磁感线产生电流，由右手定则可知，A、B导线电流标示方向正确，C、D导线电流标示方向错误，C正确，D错误。故选AC。]
12．如图所示是交流发电机模型示意图。在磁感应强度为B的匀强磁场中，矩形线圈abcd可绕线圈平面内垂直于磁感线的OO′轴转动，线圈在转动中保持和外电路电阻R形成闭合电路。已知ab长度为L1，bc长度为L2，线圈电阻为r，线圈以恒定角速度ω逆时针转动。求：(只考虑单匝线圈，不计其他电阻)(1)线圈转动过程中产生的最大感应电动势Em；(2)若线圈经过图示位置时开始计时，写出电流的瞬时值表达式；(3)线圈从图示位置转过90°的过程中电阻R上通过的电荷量。