高中物理1 交变电流优秀导学案

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3.1 交变电流
基础知识梳理

一、交变电流
1．交变电流： 和 随时间做周期性变化的电流叫作 电流，简称交流．
2．直流：方向不随时间变化的电流称为 ．
二、交变电流的产生
交流发电机的线圈在磁场中转动时，转轴与磁场方向 ，用右手定则判断线圈切割磁感线产生的感应电流方向．
三、交变电流的变化规律
1．中性面
(1)中性面：与 垂直的平面．
(2)当线圈平面位于中性面时，线圈中的 最大，线圈中的电流为 ．
2．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＝ ，Em叫作电动势的 ，Em＝ .
3．正弦式交变电流：按正弦规律变化的交变电流叫作 交变电流，简称正弦式电流．
4．正弦式交变电流和电压
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最大值，也叫 ．
四、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．
典型例题分析

考点一：交变电流与直流的区别
【例1】把发光颜色不同的两个二极管并联（该类二极管具有单向导电性，导通时发光），使两者正负极方向不同。当摇动如图所示的手摇发电机时，两个二极管交替发光，则流过其中一个二极管的电流是（　　）

A．交流电 B．直流电
C．恒定电流 D．涡流
【变式练习】
1．对于如图所示的电流i随时间t作周期性变化的图象，下列说法中正确的是（　　）

A．电流大小变化，方向不变，是直流电
B．电流大小、方向都变化，是交流电
C．电流最大值为0.2A，周期为0.02s
D．电流大小变化，方向不变，不是直流电，是交流电
2．对于如图所示的电流i随时间t做周期性变化的图像，下列描述哪些是正确的（ ）

A．电流的大小变化，方向也变化，是交流电
B．电流的大小不变，方向不变，是直流电
C．电流的大小变化，方向不变，不是交流电
D．以上说法都不正确
考点二：交流发电机原理和示意图
【例2】关于交流发电机和直流电动机，下列说法正确的是（　　）
A．电动机是利用电磁感应现象制成的，工作时把机械能转化为电能
B．电动机是利用磁场对电流的作用制成的，工作时把电能转化为机械能
C．发电机是利用电磁感应现象制成的，工作时把电能转化为机械能
D．发电机是利用磁场对电流的作用制成的，工作时把机械能转化为电能
【变式练习】
1．如图所示，把小灯泡与教学用发电机相连接。转动手柄，两个磁极之间的线圈随着转动，小灯泡发光。下列说法正确的是（　　）

A．线圈转动的快慢程度不会影响小灯泡的亮度
B．线圈转动过程中，通过小灯泡的电流大小不随时间变化
C．线圈每转动一周，通过小灯泡的电流方向改变一次
D．当线圈平面转到中性面时，通过线圈的磁通量变化率最小
2．科技小组在探究交变电流的产生及变化规律时，将电流计（0刻度在正中央）与一个保护电阻R0串联后，接到交流发电机模型的两个输出端，如图所示。发电机模型线圈匝数可调。转动手柄使线圈在磁场中匀速转动，观察电流计指针的偏转情况，下列叙述与观察结果相符的是（　　）

A．电流计指针总是左、右摆动
B．当转速很小时，电流计指针左、右摆动
C．当转速很大时，电流计指示的为交变电流的有效值
D．当线圈匝数少时，电流计指针左、右摆动，当线圈匝数多时，电流计指针指向某一侧不为零的定值
考点三：判断线圈转到不同位置的电流方向
【例3】如图是交流发电机的示意图，线圈边连接在金属滑环上，边连接在金属滑环上，左右两个导体电刷分别压在滑环、上，线圈转动时可以通过滑环和电刷保持与外电路的连接。若线圈绕转轴顺时针匀速转动，取从左向右通过电流表为电流正方向，从图示位置开始计时，下列图中能正确表示电流表中电流随时间变化关系的是（　　）

A． B．
C． D．
【变式练习】
1．一闭合矩形线圈在匀强磁场中绕垂直磁场的轴匀速转动，产生的感应电流随时间变化的规律如图所示。则（　　）

A．t=0.005s时线圈平面处于中性面位置
B．t=0.02s时穿过线圈的磁通量为零
C．线圈转动的角速度为50πrad/s
D．1s内电流的方向变化100次
2．如图为电动机模型图，左侧为N极，右侧为S极。电动机线框通过换向器连入电路中，线框abcd的面积为S，匝数为n，匀强磁场磁感应强度为B，线框平面与磁场平行。若此时闭合开关，则下列说法正确的是（　　）

A．从正前方看去，该线框将会逆时针转动
B．若同时调转电极和磁极方向，则线圈的转动方向改变
C．转动过程中线圈中电流方向变化，流过R的电流方向不变
D．线框转过时，穿过线框平面的磁通量最大，且为nBS
考点四：中性面及其性质
【例4】图甲、乙是交流发电机示意图，线圈ABCD在磁场中匀速转动。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为零，电路中的感应电流为零
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最大，电路中的感应电流为零
【变式练习】
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，线圈为中性面
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→C
D．转到图丁位置时，线圈中的磁通量变化率最大
2．一闭合矩形线圈abcd绕垂直于磁感线的固定轴匀速转动，线圈平面位于图甲所示的匀强磁场中。通过线圈的磁通量随时间t的变化规律如图乙所示，则（　　）

A．、时刻通过线圈的磁通量变化率最大 B．、时刻前后线圈中感应电流方向相同
C．、时刻通过线圈的磁通量变化率最小 D．、时刻线圈中感应电动势最大
方法探究

一、交变电流与直流
1．交变电流：大小和方向随时间做周期性变化的电流叫作交变电流，简称交流．
2．常见的交变电流的波形图：实际应用中，交变电流有着不同的变化规律，常见的有以下几种，如图．

3．直流：方向不随时间变化的电流叫作直流，大小和方向都不随时间变化的电流叫作恒定电流．
二、交变电流的产生
1．中性面位置：线圈平面与磁场垂直的位置，此时Φ最大，为0，e为0，i为0.
线圈经过中性面时，电流方向发生改变，线圈转一圈电流方向改变两次．
2．垂直中性面位置：此时Φ为0，最大，e最大，i最大．
三、交变电流的变化规律
1．正弦交变电流的瞬时值表达式
(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.
2．交变电流的峰值：Em＝NωBS，Im＝，Um＝.
四、确定正弦式交变电流电动势瞬时值表达式的基本方法
1．确定线圈转动到哪个位置开始计时，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＝NωBS.
4．写出瞬时值表达式e＝Emsin ωt或e＝Emcos ωt.
五、交变电流的图像
如图甲、乙所示：

(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．

课后小练

一、单选题
1．关于交流发电机和直流电动机，下列说法正确的是（　　）
A．发电机是利用磁场对电流的作用制成的，工作时把机械能转化为电能
B．电动机是利用磁场对电流的作用制成的，工作时把电能转化为机械能
C．发电机是利用电磁感应现象制成的，工作时把电能转化为机械能
D．电动机是利用电磁感应现象制成的，工作时把机械能转化为电能
2．在交变电流产生的实验中，关于中性面，下列说法正确的是（　　）
A．此时线圈垂直切割磁感线，感应电流最大
B．磁感线垂直该时刻的线圈平面，所以磁通量最大，磁通量的变化率也最大
C．线圈平面每次经过中性面时，感应电流的方向一定会发生改变
D．线圈平面处于跟中性面垂直的位置时，磁通量的变化率为零，感应电动势、感应电流均最大，电流方向不变
3．下列图像中不属于交流电的是（　　）
A． B．
C． D．
4．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
5．如图所示，边长为L、阻值为R的正方形单匝金属线圈abcd从图示位置（线圈平面与纸面相平行）开始绕通过b、d两点的轴EF以角速度ω匀速转动，EF的左侧有垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为B，右侧没有磁场，下列说法正确的是（　　）

A．在图示位置线圈的磁通量最大，磁通量的变化率也最大
B．从图示位置转出磁场的过程中，线圈中产生a→d→c→b→a方向的感应电流
C．线圈中产生的感应电动势的最大值为
D．线圈中产生的感应电动势的最大值为
6．一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，产生的正弦式交变电压的波形图如图所示，下列说法正确的是（　　）

A．交变电压的最大值是220V
B．线圈转动的周期是1s
C．第2s末通过线圈的磁通量绝对值最大
D．第2s末通过线圈的磁通量变化率绝对值最大
7．一台发电机的结构示意图如图所示，N、S是磁铁的两个磁极，M是圆柱形铁芯，铁芯外套有一矩形导线圈，线圈在绕过铁芯M中心的固定转轴匀速转动。磁极与铁芯之间的缝隙中形成方向沿半径的辐向磁场，磁感应强度大小处处相等。若从线圈处于图示位置开始计时，设此时电动势为正值，图中能正确反映线圈中感应电动势e随时间t变化规律的是（　　）

A． B．
C． D．
8．如图所示，在匀强磁场中有一个矩形单匝线圈ABCD，AB边与磁场垂直，MN边始终与金属滑环K相连，PQ边始终与金属滑环L相连。金属滑环L、交流电流表A、定值电阻R、金属滑环K通过导线串联。现使矩形线圈以恒定角速度绕过BC、AD中点的轴从与磁感线平行的位置开始旋转，下列说法中正确的是（　　）

A．线圈位于图中所示的位置时，穿过线圈的磁通量为0，磁通量的变化率也为0
B．线圈位于图中所示的位置时，穿过线圈的磁通量为0，但磁通量的变化率最大
C．线圈从图中所示的位置转过90°时，穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率也最大
D．线圈从图中所示的位置转过90°时，流经定值电阻R的电流最大
二、多选题
9．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，、、、均为线圈；火力发电站常采用图乙所示原理的发电机，、、、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、线圈电流标示方向正确
B．图甲中、线圈电流标示方向正确
C．图乙中、导线电流标示方向正确
D．图乙中、导线电流标示方向正确
10．两人在赤道上站立。各自手握金属绳OPO'的一端，绕东西方向的水平轴沿顺时针方向匀速摇动，周期为T，将金属绳连入电路，闭合回路如图所示，取金属绳在图示的最高位置时为t=0时刻，则下列说法正确的是（　　）

A．电路中存在周期为T的变化电流
B．时刻，回路磁通量最大，电路中电流最大
C．时刻，电流向左通过灵敏电流计
D．时刻，电路中电流为零
11．图甲是交流发电机的示意图，两磁极之间的磁场可视为匀强磁场，金属线圈绕转轴匀速转动。A为电流传感器（与计算机相连），为定值电阻，线圈电阻为，其余电阻不计。图乙为计算机上显示的电流数据随时间变化的图像，下列说法中正确的是（　　）

A．金属线圈恰好处于图甲所示的位置时感应电动势为0，对应图乙中或时刻
B．金属线圈恰好处于图甲所示的位置时感应电动势最大，对应图乙中或时刻
C．、时刻穿过线圈的磁通量的绝对值最小，磁通量变化率最大
D．、时刻穿过线圈的磁通量的绝对值最小，磁通量变化率最大
三、实验题
12．示波器面板如图所示，图甲图为一信号源。

（1）若要观测此信号源发出的正弦交流信号的波形（正弦交流信号的电流i随时间t做周期性变化的图像如图乙所示），应将信号源的a端与示波器面板上的___________接线柱相连，b端与___________接线柱相连。
（2）若示波器所显示的输入波形如图丙所示，要将波形上移，应调节面板上的___________旋钮；要使此波形横向展宽，应调节___________旋钮。
四、解答题
13．如图甲为小型旋转电枢式交流发电机的原理图,其矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的固定轴OO'按如图所示方向匀速转动,线圈的匝数n=100、电阻r=10 Ω,线圈的两端经集流环与电阻R连接,电阻R=90 Ω,与R并联的交流电压表为理想电表。在t=0时刻,线圈平面与磁场方向平行,穿过每匝线圈的磁通量Φ随时间t按图乙所示正弦规律变化。（取π=3.14）求:
（1）交流发电机产生的电动势的最大值;
（2）从t=0时刻开始计时,线圈转过60°时线圈中感应电流瞬时值及回路中的电流方向。