25-26学年物理(人教版)选择性必修二课件：3.1 交变电流

第1节　交变电流第三章　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。会推导交变电流的瞬时值表达式。3.了解发电机的构造及不同类型发电机的优缺点。学习目标知识点1知识点二　交变电流的变化规律　交流发电机知识点一　交变电流　交变电流的产生知识点一　交变电流　交变电流的产生1.交变电流(1)交变电流:电流、电压都随时间做________变化,这样的电流叫作交变电流(AC),简称交流。(2)直流:______不随时间变化的电流称为直流(DC)。2.交变电流的产生交流发电机的线圈在匀强磁场中转动时,转轴与磁场方向______,用______定则判断线圈切割磁感线产生的感应电流方向。周期性方向垂直右手3.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)线圈的转轴垂直于磁场方向。【思考】1.如何区分直流电和交变电流?提示　主要是看电流方向是否变化,电流大小随时间变化,方向不变的电流仍然是直流电,交变电流经过电子电路处理后也能变成直流电。2.线圈绕垂直于磁场方向的轴转动产生交变电流时,如何判断电流的方向?提示　线圈转动时,选择切割磁感线的一条边,根据右手定则进行判断,或根据楞次定律判断。3.线圈绕OO'轴沿逆时针方向匀速转动,如图所示。思考下列问题:(1)线圈转动一周的过程中,分析线圈中的电流方向;提示　(1)(2)线圈转动过程中,当产生的感应电流有最大值和最小值时线圈分别在什么位置?提示　线圈转到乙或丁位置时线圈中的感应电流最大;线圈转到甲或丙位置时线圈中感应电流最小,为零。D例1 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,但磁通量变化率为零,A错误;转到图乙位置时,线圈产生的感应电动势最大,B错误;转到图丙位置时,线圈平面与磁感线垂直,此时感应电流最小,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,D正确。总结提升　中性面、中性面的垂面位置的特点比较B训练1 以下各个选项所示的电流,属于交变电流的是(　　)解析　判断电流是交流还是直流,要看其方向是否随时间周期性变化。选项C中,电流的大小和方向均不变;选项A、D中,尽管电流大小随时间周期性变化,但其方向不变,仍是直流,只有选项B中电流大小和方向都随时间变化,故B正确。训练2 (教材P68A组T1改编)下列各图中,线圈都以角速度ω绕图中转动轴匀速转动,线圈中不能产生交变电流的有(　　)解析　图B中,线圈转动过程,线圈平面始终与磁场平行,磁通量始终为零,不能产生交变电流,B符合题意;图A、C、D中,线圈绕垂直于磁场的轴匀速转动,穿过线圈的磁通量变化,根据交变电流的产生原理可知,能产生交变电流,A、C、D不符合题意。B知识点二　交变电流的变化规律　交流发电机　　　如图所示,线圈平面绕过ad边的中点、垂直磁场方向的轴从中性面开始转动,角速度为ω,经过时间t,线圈转过的角度是ωt,ab边的线速度v的方向跟磁感线方向间的夹角也等于ωt。设ab边长为L1,bc边长为L2,线圈面积S=L1L2,磁感应强度为B,则:(1)ab边产生的感应电动势为多大? (2)整个线圈中的感应电动势为多大?(3)若线圈有N匝,则整个线圈的感应电动势为多大?提示　(2)整个线圈中的感应电动势由ab和cd两边产生的感应电动势组成,且eab=ecd,所以e总=eab+ecd=ωBSsin ωt。(3)若线圈有N匝,则相当于N个完全相同的电源串联,所以e=NωBSsin ωt。1.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=Emsin ωt,Em叫作电动势的______,Em=NωBS。2.正弦式交变电流:按______规律变化的交变电流叫作正弦式交变电流,简称____________。3.正弦式交变电流的电流和电压电流表达式i=________,电压表达式u=__________。其中Im、Um分别是电流和电压的________,也叫______。 峰值正弦正弦式电流Imsin ωtUmsin ωt最大值峰值4.正弦式交变电流随时间变化的图像 说明:电动势峰值Em=NωBS由线圈匝数N、磁感应强度B、转动角速度ω和线圈面积S决定,与线圈的形状无关,与转轴的位置无关。例如,下列几种情况中,如果N、B、ω、S均相同,则感应电动势的峰值均相同。(2)瞬时值表达式①从中性面位置开始计时e=Emsin ωt,i=Imsin ωt,u=Umsin ωt。②从与中性面垂直的位置开始计时e=Emcos ωt,i=Imcos ωt,u=Umcos ωt。6.交流发电机(1)主要构造:______和______。(2)分类①旋转电枢式发电机:______转动,______ 不动。②旋转磁极式发电机:______转动,______ 不动。电枢磁体电枢磁极磁极电枢 (1)转动过程中,线圈中感应电动势的最大值;  (2)从图示位置(线圈平面与磁感线平行)开始计时,感应电动势的瞬时值表达式;(3)由图示位置转过30°角时电路中电流的瞬时值;     求解交变电流的瞬时值问题的答题步骤B角度2　交变电流的图像问题例3 一个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,则下列说法中正确的是(　　)A.t=0时刻,线圈平面与中性面垂直B.t=0.01 s时刻,Φ的变化率最大C.t=0.02 s时刻,感应电动势达到最大D.该线圈产生的感应电动势的图像如图乙所示 随堂对点自测2AC1.(交变电流的产生)(多选)下列各图中能够产生交变电流的是(　　)解析　A项中轴的右侧存在磁场,线圈最长的一条边从刚进入磁场到离开磁场过程中,穿过线圈的磁通量先增大后减小,根据楞次定律知,产生大小、方向都变化的感应电流,A正确;B项中磁感应强度均匀增大,根据ΔΦ=BS可知,通过线框的磁通量均匀增大,即产生大小恒定、方向不变的感应电流,故不能产生交变电流,B错误;C项中扇形线框进磁场和出磁场过程中,磁通量大小改变,产生大小恒定、方向变化的感应电流,C正确;D项中线框绕轴匀速转动时通过线框的磁通量没有发生变化,故不能产生感应电流, D错误。B2.(交变电流的图像)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,穿过线圈的磁通量为零解析　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,选项D错误。3.(交变电流的变化规律)如图所示,矩形线圈匝数N=100匝, ab=30 cm,ad=20 cm,匀强磁场的磁感应强度B=0.8 T,线圈绕轴OO'从图示位置开始匀速转动,角速度ω=100π rad/s,试求:(1)穿过线圈的磁通量最大值Φm;(2)线圈产生的感应电动势最大值Em;(3)写出感应电动势e随时间变化的表达式;(4)从图示位置开始匀速转动30°过程中,线圈中产生的平均电动势。答案　(1)0.048 Wb　(2)480π V (3)e=480πcos(100πt)V　(4)1 440 V 课后巩固训练3C题组一　交变电流的产生1.(2025·江苏盐城高二期中)交流发电机的示意图如图所示,线圈ABCD绕垂直于磁场方向的转轴OO'匀速转动。在图示位置,下列说法正确的是(　　)A.穿过线圈的磁通量变化率最小B.线圈中电流方向将发生改变C.线圈中电流最大,方向为B→AD.穿过线圈的磁通量最大基础对点练解析　在图示位置,线圈平面与磁场平行,穿过线圈的磁通量为零,穿过线圈的磁通量变化率最大,故A、D错误;当线圈在中性面时,线圈平面与磁场垂直,线圈中电流方向将发生改变,故B错误;由右手定则可知线圈中电流最大,此时电流方向为B→A,故C正确。B2.(2025·广东梅州期中)如图甲所示,是我国自主研发的首台兆瓦级漂浮式波浪能发电装置“南鲲号”在广东珠海投入运行,“南鲲号”发电原理可作如下简化:海浪带动浪板上下摆动,驱动发电机转子转动,其中浪板和转子的链接装置使转子只能单方向转动,如图乙所示,若转子带动线圈沿逆时针方向转动,并向外输出电流,下列说法正确的是(　　)A.图乙中线圈所处位置是中性面B.在图乙所示位置时,穿过线圈的磁通量变化率最大C.在图乙所示位置时,线圈b端电势高于a端电势D.在图乙所示位置时,线圈靠近S极的导线受到的安培力方向向上解析　在图乙所示位置时,线圈平面与磁场方向平行,是中性面垂直的位置,穿过线圈的磁通量为0,但穿过线圈的磁通量变化率最大,产生的感应电动势最大,故A错误,B正确;在图乙所示位置时,线圈靠近S极的导线向上切割磁感线,线圈靠近N极的导线向下切割磁感线,根据右手定则可知,线圈中的电流方向由b流向a,由于线圈相当于电源内部,则线圈b端电势低于a端电势,故C错误;在图乙所示位置时,线圈靠近S极的导线电流方向向里,磁场方向向右,根据左手定则可知,安培力方向向下,故D错误。AB题组二　交变电流的变化规律　交流发电机3.(多选)线圈在磁场中匀速转动产生的交流电动势为e=10sin(20πt)V,则下列说法正确的是(　　)A.t=0时,线圈平面位于中性面B.t=0时,穿过线圈的磁通量最大C.t=0时,导线切割磁感线的有效速度最大D.t=0.4 s时,e达到峰值10 V解析　t=0时,感应电动势的瞬时值为e=0,则线圈平面位于中性面,此时穿过线圈的磁通量最大,导线切割磁感线的有效速度最小,A、B正确,C错误;当t=0.4 s时,感应电动势的瞬时值为e=10sin(20π×0.4)V=0,D错误。D4.在匀强磁场中,一矩形金属线框绕与磁场方向垂直的轴匀速转动,如图甲所示,产生的交变电动势随时间变化的规律如图乙所示,则下列说法正确的是(　　)A.t=0.01 s时穿过线框的磁通量最小B.t=0.01 s时穿过线框的磁通量变化率最大C.该线框匀速转动的角速度大小为50π rad/sD.感应电动势瞬时值为22 V时,线框平面与中性面的夹角为45° B5.(2025·宁夏银川一中高二期末)单匝矩形线圈在匀强磁场中匀速转动,转轴垂直于磁场。若线圈所围面积里磁通量随时间变化的规律如图所示,则(　　)A.线圈中D时刻磁通量的变化率最大B.线圈在0.1 s时有最大的感应电动势C.线圈中0时刻与0.1 s时刻电流的方向相同D.线圈中0到D时间内平均感应电动势为0.314 V C6.如图所示为交流发电机模型的示意图。位于磁场中的矩形导线框abcd可绕过其对称轴的轴线(图中虚线)转动。已知在t=0时刻,线框的平面与磁场方向垂直(图示位置),并从此位置开始以恒定的角速度绕转轴沿逆时针方向转动。若规定通过电阻的电流方向为由e到f为正,则下列i-t图像正确的是(　　)