浙江省2022-2023版高中物理 第五章 交變電流 第1課時 交變電流學案 新人教版選修3-2

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1、浙江省2022-2023版高中物理 第五章 交變電流 第1課時 交變電流學案 新人教版選修3-2 [研究選考·把握考情] 知識內(nèi)容 交變電流 考試要求 加試c 教學要求 1.知道交變電流，能區(qū)分直流和交變電流 2.知道交流發(fā)電機的基本結構與工作原理，了解中性面的概念 3.知道正弦式交變電流的圖象描述 4.知道正弦式交變電動勢、電壓、電流的瞬時值表達式，理解峰值的意義 5.區(qū)分特殊位置的磁通量與磁通量變化率，理解磁通量變化率與電動勢之間的關系 說明 1.不要求知道交流發(fā)電機各部分的名稱 2.不要求推導交流電動勢的瞬時值表達式 3.不要求計算線圈在磁場中轉動時的電動勢

2、 知識點一　交變電流 [基 礎 梳 理] 1.交變電流：大小和方向隨時間做周期性變化的電流，簡稱交流。 2.直流：方向不隨時間變化的電流。 3.圖象特點： (1)恒定電流的圖象是一條與時間軸平行的直線。 (2)交變電流的圖象隨時間做周期性變化，如正弦交變電流的圖象： [即 學 即 練] 如圖所示的各電流中不是交變電流的是________。 解析　由于交變電流的大小和方向隨時間做周期性的變化，故B、C為交變電流的圖象，A、D不是。 答案　AD 知識點二　交變電流的產(chǎn)生 [基 礎 梳 理] 1.正弦式交變電流的產(chǎn)生：將閉合矩形線圈置于勻強磁場中，并繞垂直磁場

3、方向的軸勻速轉動。 2.中性面——線圈平面與磁感線垂直時的位置。 (1)線圈處于中性面位置時，穿過線圈的Φ最大，但線圈中的電流為零。 (2)線圈每次經(jīng)過中性面時，線圈中感應電流方向都要改變。線圈轉動一周，感應電流方向改變兩次。 [要 點 精 講] 1.正弦式交變電流的產(chǎn)生過程分析 如圖1所示為線圈ABCD在磁場中繞軸OO′轉動時的截面圖，AB和CD兩個邊切割磁感線，產(chǎn)生電動勢，線圈中就有了電流(或者說穿過線圈的磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生了感應電流)。具體分析如圖2所示，當線圈轉動到圖甲位置時，導體不切割磁感線，線圈中無電流；當線圈轉動到圖乙位置時，導體垂直切割磁感線，線圈中有電流，且電流

4、從A端流入；線圈在圖丙位置同線圈在圖甲位置；線圈在圖丁位置時，電流從A端流出，這說明電流方向發(fā)生了改變；線圈在圖戊位置同在圖甲位置。線圈這樣轉動下去，就在線圈中產(chǎn)生了交變電流。 圖1 圖2 2.交變電流產(chǎn)生過程中的兩個特殊位置 圖示 概念 中性面位置 與中性面垂直的位置 特點 B⊥S B∥S Φ＝BS，最大 Φ＝0，最小 e＝n＝0，最小 e＝n＝nBSω，最大 感應電流為零，方向改變 感應電流最大，方向不變 【例1】 下列各圖中哪些情況線圈中產(chǎn)生了交變電流(　　) 解析　由交變電流的產(chǎn)生條件可知，軸必須垂直于磁感線，但對線圈的形狀及轉軸

5、的位置沒有特別要求。故選項B、C、D正確。 答案　BCD 知識點三　交變電流的變化規(guī)律 [基 礎 梳 理] 1.正弦式交變電流瞬時值表達式： (1)當從中性面開始計時：e＝Emsin__ωt。 (2)當從與中性面垂直的位置開始計時：e＝Emcos__ωt。 2.正弦式交變電流的峰值表達式： Em＝nBSω 與線圈的形狀及轉動軸的位置無關。(填“有關”或“無關”) [要 點 精 講] 1.交變電動勢的峰值和交變電流的峰值 交變電動勢最大值，由線圈匝數(shù)n、磁感應強度B、轉動角速度ω及線圈面積S決定，與線圈的形狀無關，與轉軸的位置無關，因此如圖3所示的幾種情況，若n、B、S、

6、ω相同，則電動勢的最大值相同。 圖3 由歐姆定律得交變電流的峰值可表示為Im＝。 2.交變電流的瞬時值變化規(guī)律 若線圈給外電阻R供電，設線圈本身的電阻為r，由閉合電路的歐姆定律得i＝＝sin ωt，可寫成i＝Imsin ωt。即線圈中的交變電流按正弦函數(shù)規(guī)律變化，這種交變電流叫正弦式交變電流。 【例2】 有一個正方形線圈的匝數(shù)為10 匝，邊長為20 cm，線圈總電阻為1 Ω，線圈繞OO′軸以10π rad/s的角速度勻速轉動，如圖4所示，勻強磁場的磁感應強度為0.5 T，問： 圖4 (1)該線圈產(chǎn)生的交變電流電動勢的峰值、電流的峰值分別是多少？ (2)若從中性面位置開始

7、計時，寫出感應電動勢隨時間變化的表達式； (3)線圈從中性面位置開始轉過30°時，感應電動勢的瞬時值是多大？ 解析　(1)交變電流電動勢的峰值為 Em＝nBSω＝10×0.5×0.22×10π V＝6.28 V 電流的峰值為Im＝＝6.28 A。 (2)從中性面位置開始計時，感應電動勢的瞬時值表達式為 e＝Emsinωt＝6.28sin 10πt(V)。 (3)線圈從中性面位置開始轉過30°，感應電動勢的瞬時值 e＝Emsin30°＝3.14 V。 答案　(1)6.28 V　6.28 A　(2)e＝6.28sin10 πt(V) (3)3.14 V 名師點睛　交變電流瞬時

8、值表達式的書寫技巧 (1)確定正弦交變電流的峰值，根據(jù)已知圖象讀出或由公式Em＝nBSω求出相應峰值。 (2)明確線圈的初始位置，找出對應的函數(shù)關系式。 ①線圈從中性面位置開始轉動，則i－t圖象為正弦函數(shù)圖象，函數(shù)式為i＝Imsin ωt。 ②線圈從垂直中性面位置開始轉動，則i－t圖象為余弦函數(shù)圖象，函數(shù)式為i＝Imcos ωt。 (3)線圈在勻強磁場中勻速轉動產(chǎn)生正弦式交變電流，產(chǎn)生的交變電流與線圈的形狀無關。如圖5所示，若線圈的面積與例2中的圖所示的線圈面積相同，則答案完全相同。 圖5 知識點四　正弦交變電流的圖象 [基 礎 梳 理] 正弦交變電流隨時間的變化情況可以

9、從圖象上表示出來，圖象描述的是交變電流隨時間變化的規(guī)律，它是一條正弦曲線，如圖6所示，分別是交變電流的e－t圖象(如圖甲)、u－t圖象(如圖乙)、i－t圖象(如圖丙)。 甲 圖6 [要 點 精 講] 由圖6甲可以確定出以下信息： (1)可以讀出正弦交變電流的峰值Em。 (2)可根據(jù)線圈轉至中性面時電動勢為零的特點，確定線圈處于中性面的時刻，確定了該時刻，也就確定了磁通量最大的時刻和磁通量變化率最小的時刻，如t＝t2，t＝t4時刻。 (3)可根據(jù)線圈轉至與磁場平行時感應電動勢最大的特點，確定線圈與中性面垂直的位置，此位置也就是磁通量為零的時刻和磁通量變化率最大的時刻

10、，如t＝t1，t＝t3時刻。 (4)可以確定某一時刻電動勢大小以及某一時刻電動勢的變化趨勢，如t＝t1，t＝t2時刻。 【例3】 矩形線圈在勻強磁場中勻速轉動，所產(chǎn)生的交變電流的波形如圖7所示，可知(　　) 圖7 A.在t1時刻穿過線圈的磁通量達到峰值 B.在t2時刻穿過線圈的磁通量達到峰值 C.在t3時刻穿過線圈的磁通量的變化率達到峰值 D.在t4時刻穿過線圈的磁通量的變化率達到峰值 解析　由題圖可知，t1和t3時刻，i最大，所以這兩個時刻磁通量的變化率最大，線圈處于垂直中性面的位置，穿過線圈的磁通量為0。t2和t4兩時刻i＝0，即＝0，線圈處于中性面位置，此時穿過線圈的

11、磁通量最大。 答案 BC　 1.矩形線圈在勻強磁場中勻速轉動，在線圈平面經(jīng)過中性面瞬間(　　) A.線圈平面與磁感線平行 B.穿過線圈的磁通量最大 C.線圈中的感應電動勢最大 D.線圈中感應電動勢的方向突變 解析　在線圈平面垂直于磁感線時，各邊都不切割磁感線，線圈中沒有感應電流，這樣的位置叫做中性面。線圈平面經(jīng)過中性面瞬間，穿過線圈的磁通量最大，線圈中的感應電動勢為零，此后，感應電動勢方向(即感應電流方向)將與原方向相反。所以選項B、D正確，A、C錯誤。 答案　BD 2.關于矩形線圈在勻強磁場中轉動時產(chǎn)生的正弦交變電流，正確的說法是(　　) A.線圈每轉動一周，感應電流方

12、向改變一次 B.線圈每轉動一周，感應電動勢方向改變一次 C.線圈每轉動一周，感應電流方向改變兩次，感應電動勢方向改變一次 D.線圈每轉動一周，感應電流方向和感應電動勢方向都改變兩次 解析　感應電動勢和感應電流的方向，每經(jīng)過中性面時改變一次，每個周期內(nèi)方向改變兩次，故選項D正確。 答案　D 3.交流發(fā)電機在工作時電動勢為e＝Emsin ωt，若將發(fā)電機的角速度提高一倍，同時將線框所圍面積減小一半，其他條件不變，則其電動勢變?yōu)?　　) A.e′＝Emsin B.e′＝2Emsin C.e′＝Emsin 2ωt D.e′＝sin 2ωt 解析　交變電流的瞬時值表

13、達式e＝Emsin ωt，其中Em＝nBSω，當ω加倍而S減半時，Em不變，故選項C正確。 答案　C 4.一矩形線圈，繞垂直于勻強磁場并位于線圈平面內(nèi)的固定軸轉動，線圈中的感應電動勢e隨時間t的變化如圖8所示。下列說法正確的是(　　) 圖8 A.t1時刻通過線圈的磁通量為零 B.t2時刻通過線圈的磁通量最大 C.t3時刻通過線圈的磁通量的變化率的絕對值最大 D.每當e轉換方向時，通過線圈的磁通量均最大 解析　t1時刻e＝0，故線圈位于中性面，磁通量最大，選項A錯誤；t2時刻e最大，故線圈位于中性面之垂面，磁通量為0，選項B錯誤；t3時刻e＝0，故磁通量變化率為0，選項C錯誤

14、；e轉換方向時，線圈位于中性面，故磁通量均最大，選項D正確。 答案 D　 一、選擇題(在每小題給出的四個備選項中至少有一個是符合題目要求的。) 1.(2017·臺州市高二期中)如圖所示，屬于交變電流的是(　　) 解析　交變電流是指電流的大小和方向均隨時間做周期性變化的電流；由圖可知，符合條件的只有C。 答案　C 2.要使處于磁場中的閉合線圈產(chǎn)生正弦式交變電流，則需同時滿足(　　) A.線圈處于勻強磁場中 B.線圈的軸與勻強磁場的磁感線平行 C.線圈的軸與勻強磁場的磁感線垂直 D.線圈繞軸勻速轉動 解析　磁場中的閉合線圈產(chǎn)生正弦式交變電流，則磁場需是勻強磁場、線圈的軸

15、與磁感線垂直、線圈在磁場中繞軸勻速轉動，故選項A、C、D正確，B錯誤。 答案　ACD 3.矩形線框繞垂直于勻強磁場且在線框平面的軸勻速轉動時產(chǎn)生了交變電流，下列說法正確的是(　　) A.當線框位于中性面時，線框中感應電動勢最大 B.當穿過線框的磁通量為零時，線框中的感應電動勢也為零 C.每當線框經(jīng)過中性面時，感應電動勢或感應電流方向就改變一次 D.線框經(jīng)過中性面時，各邊不切割磁感線 解析　線框位于中性面時，線框平面與磁感線垂直，穿過線框的磁通量最大，但此時切割磁感線的兩邊的速度方向與磁感線平行，即不切割磁感線，所以感應電動勢等于零，此時穿過線框的磁通量的變化率等于零，感應電動勢或

16、感應電流的方向在此時刻變化；垂直于中性面時，穿過線框的磁通量為零，切割磁感線的兩邊的速度方向與磁感線垂直，有效切割磁感線速度最大，所以感應電動勢最大，此時穿過線框的磁通量的變化率最大，故選項C、D正確，A、B錯誤。 答案　CD 4.(2017·長郡中學)如圖1所示，一正方形線圈abcd在勻強磁場中繞垂直于磁感線的對稱軸OO′勻速轉動，沿著OO′觀察，線圈沿逆時針方向轉動。已知勻強磁場的磁感應強度為B，線圈匝數(shù)為n，邊長為l，電阻為R，轉動的角速度為ω。則當線圈轉至與中性面垂直位置時(　　) 圖1 A.線圈中感應電流的方向為abcda B.線圈中的感應電流為 C.穿過線圈的磁通量

17、為零 D.穿過線圈磁通量的變化率為零 解析　ad向里運動，根據(jù)右手定則可知，線圈中的電流方向為adcba，選項A錯誤；Em＝nBl2ω，電流Im＝，故Im＝，選項B正確；因線圈平面平行于磁感線，故穿過線圈的磁通量為零，選項C正確；因電動勢最大，故穿過線圈的磁通量的變化率最大，選項D錯誤。 答案　BC 5.(2017·金陵中學)處在勻強磁場中的矩形線圈abcd，以恒定的角速度繞ab邊轉動，磁場方向平行于紙面并與ab邊垂直。在t＝0時，線圈平面與紙面重合(如圖2)，線圈的cd邊離開紙面向外運動。若規(guī)定由a→b→c→d→a方向的感應電流為正，則能反映線圈中感應電流I隨時間t變化的圖象是(　　

18、) 圖2 解析　因t＝0時，線圈平面與紙面重合，故t＝0時電流最大；又因t＝0時線圈的cd邊離開紙面向外運動，故線圈中的電流方向為a→b→c→d→a，與規(guī)定的正方向相同，所以選項C正確。 答案　C 6.線圈在勻強磁場中勻速轉動，產(chǎn)生交變電流的圖象如圖3所示，由圖可知(　　) 圖3 A.在A、C時刻線圈處于中性面位置 B.在B、D時刻穿過線圈的磁通量為零 C.從A時刻到D時刻線圈轉過的角度為π D.若從0時刻到D時刻用了0.02 s，則在1 s內(nèi)交變電流的方向改變100次 解析　在A、C時刻，電流最大，線圈平面與中性面垂直，選項A錯誤；在B、D時刻，電流為0，線圈

19、平面處于中性面位置，磁通量最大，選項B錯誤；從A時刻到D時刻，線圈轉動了T，故轉過π，選項C錯誤；從0時刻到D時刻用了0.02 s，故T＝0.02 s，而一個周期內(nèi)交變電流的方向改變2次，所以在1 s內(nèi)交變電流的方向改變100次，選項D正確。 答案　D 7.一個矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁感線的軸勻速轉動，穿過線圈的磁通量隨時間變化的圖象如圖4所示。則下列說法正確的是(　　) 圖4 A.t＝0時，線圈平面與中性面垂直 B.t＝0.01 s時，Φ的變化率為0 C.t＝0.02 s時，感應電動勢達到最大 D.從t＝0.01 s至t＝0.04 s線圈轉過的角度是π 解析　t＝0

20、時，Φ最大，故線圈平面位于中性面，選項A錯誤；t＝0.01 s時，圖線斜率的絕對值最大，故Φ的變化率最大，選項B錯誤；t＝0.02 s時，圖線的斜率為0，故感應電動勢達到最小，選項C錯誤；從t＝0.01 s至t＝0.04 s線圈經(jīng)歷了四分之三個周期，故轉過的角度是π，選項D正確。 答案　D 8.如圖5所示，①、②兩個并排放置的共軸線圈，①中通有如圖所示的交流電，則下列判斷錯誤的是(　　) 圖5 A.在t1到t2時間內(nèi)，①②相吸 B.在t2到t3時間內(nèi)，①②相斥 C.t1時刻兩線圈間作用力為零 D.t2時刻兩線圈間吸引力最大 解析　t1到t2時間內(nèi)①線圈中電流正向減小，在線圈

21、②中產(chǎn)生感應電流也為正向，故①②兩線圈相互吸引，故A選項說法正確；t2到t3時間內(nèi)，①線圈中電流負向增大，在②中產(chǎn)生正向的感應電流，①②相互排斥，B選項說法正確；t1時刻①電流最大，但變化率為零，在②中不產(chǎn)生感應電流，兩線圈作用力為零，C選項說法正確；t2時刻①中電流為零，但變化率最大，②中感應電流最大，作用力為零，故D選項說法錯誤。 答案　D 9.矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁感線的軸勻速轉動，產(chǎn)生的感應電動勢的最大值為Em，轉動的角速度為ω。設t＝0時線圈平面與磁場平行，當線圈的匝數(shù)增加一倍，角速度也增大一倍，其他條件不變時，交變電流的感應電動勢瞬時值表達式為(　　) A.e＝2Em

22、sin 2ωt B.e＝4Emsin 2ωt C.e＝Emcos 2ωt D.e＝4Emcos 2ωt 解析　產(chǎn)生感應電動勢的最大值Em＝NBSω，當N′＝2N，ω′＝2ω時，Em′＝4Em，所以交變電流的感應電動勢的瞬時值表達式為e＝4Emcos 2ωt，選項D正確。 答案　D 二、非選擇題 10.矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁感線的對稱軸轉動，線圈匝數(shù)N＝100匝，轉速為n＝ r/s，在轉動過程中穿過線圈磁通量的最大值為Φm＝0.02 Wb，則： (1)線圈平面轉到與磁感線平行時，感應電動勢為多少？ (2)當線圈平面與中性面夾角為時，感應電動勢為多少？ 解析　(

23、1)ω＝2πn＝10 rad/s，根據(jù)Em＝NBSω，Φm＝BS， 得Em＝NΦmω＝100×0.02×10 V＝20 V。 (2)根據(jù)e＝Emsin ωt，ωt＝ 得e＝Emsin ＝20× V≈17.3 V。 答案　(1)20 V　(2)17.3 V 11.(2017·鎮(zhèn)海中學)如圖6所示，一半徑為r＝10 cm的圓形線圈共100匝，在磁感應強度B＝ T的勻強磁場中，繞垂直于磁場方向的中心軸線OO′以n＝600 r/min的轉速勻速轉動，當線圈轉至中性面位置時開始計時。 圖6 (1)寫出線圈內(nèi)所產(chǎn)生的感應電動勢的瞬時值表達式； (2)求t＝ s時線圈所產(chǎn)生的感應電動勢的瞬時值； (3)求從t＝0到t＝ s時間內(nèi)線圈所產(chǎn)生的感應電動勢的平均值。 解析　(1)ω＝2πn＝20π rad/s，Em＝πNBr2ω＝100 V 則e＝100sin 20πt V (2)當t＝ s時，e＝100sin(20π×) V＝50 V (3)＝N，ΔΦ＝Bπr2－Bπr2sin 30°，解得＝ V 答案　(1)e＝100sin 20πt V　(2)50 V　(3) V