高中物理 2.1-2.2 認識交變電流 交變電流的描述課時訓(xùn)練課件 粵教版選修3-2.ppt

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目標(biāo)導(dǎo)航,預(yù)習(xí)導(dǎo)引,目標(biāo)導(dǎo)航,預(yù)習(xí)導(dǎo)引,一,二,三,四,一、交變電流 1.恒定電流 強弱和方向不隨時間變化的電流稱為恒定電流,簡稱直流. 2.交變電流 強弱和方向隨時間變化的電流稱為交變電流,簡稱交流. 3.波形圖 電流或電壓隨時間變化的圖象.通常利用示波器來觀察. 日常生活和生產(chǎn)中所用的交變電流是按正弦規(guī)律變化的交變電流.,,,,,,目標(biāo)導(dǎo)航,預(yù)習(xí)導(dǎo)引,一,二,三,四,把兩個發(fā)光時顏色不同的發(fā)光二極管并聯(lián),注意使兩者正負極的方向不同,然后連接到教學(xué)用的發(fā)電機的兩端(如圖).轉(zhuǎn)動手柄,兩個磁極之間的線圈隨著轉(zhuǎn)動.觀察發(fā)光二極管的發(fā)光情況.實驗現(xiàn)象說明了什么? 答案：可以觀察到兩個發(fā)光二極管交替發(fā)光.該實驗說明了發(fā)電機產(chǎn)生的電流的方向隨時間變化,不是直流,是交變電流.,目標(biāo)導(dǎo)航,預(yù)習(xí)導(dǎo)引,一,二,三,四,二、正弦交變電流的產(chǎn)生 1.實驗裝置 (1)交流發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu):線圈、磁極、滑環(huán)及電刷. (2)模型裝置圖(下圖):,,,目標(biāo)導(dǎo)航,預(yù)習(xí)導(dǎo)引,一,二,三,四,目標(biāo)導(dǎo)航,預(yù)習(xí)導(dǎo)引,一,二,三,四,目標(biāo)導(dǎo)航,預(yù)習(xí)導(dǎo)引,一,二,三,四,2.過程分析,,,,,,,,,,目標(biāo)導(dǎo)航,預(yù)習(xí)導(dǎo)引,一,二,三,四,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,線圈在磁場中轉(zhuǎn)動時,穿過線圈的磁通量就發(fā)生變化,從而產(chǎn)生感應(yīng)電流.用線圈和磁鐵做成發(fā)電機,線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流怎么輸出來呢? 答案：如下圖所示,利用電刷將感應(yīng)電流輸出.,目標(biāo)導(dǎo)航,預(yù)習(xí)導(dǎo)引,一,二,三,四,三、用函數(shù)表達式描述交變電流 1.電動勢的瞬時值:N匝、面積為S的線圈以角速度ω轉(zhuǎn)動,從中性面開始計時,得出: e=Emsin ωt,其中Em=NBSω,叫做電動勢的峰值.,3.電壓瞬時值:u=Umsin ωt . 4.按正弦規(guī)律變化的交變電流叫做正弦式交變電流,簡稱正弦式電流.,,,,,,目標(biāo)導(dǎo)航,預(yù)習(xí)導(dǎo)引,一,二,三,四,日常生活中照明電路用的是交變電流,交變電流的大小和方向是周期性變化的.我們?yōu)槭裁锤杏X白熾燈的明亮程度并沒有變化? 答案：這主要是因為交變電流的大小和方向變化很快,白熾燈燈絲的溫度基本不變,所以燈的亮度基本沒有變化,再者人的眼睛有0.1 s的視覺暫留,也不能分辨其變化情況.,目標(biāo)導(dǎo)航,預(yù)習(xí)導(dǎo)引,一,二,三,四,四、用圖象描述交變電流 1.圖象特點 正弦式交變電流的電動勢e,電壓u及電流i隨時間按正弦規(guī)律變化. 2.線圈在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動一周的過程中,電動勢e,電壓u及電流i出現(xiàn)兩次最大值.,,,知識精要,典題例解,遷移應(yīng)用,一,二,三,四,一、交變電流的產(chǎn)生及方向 1.產(chǎn)生:如圖,用矩形線圈在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生交變電流. (1)切割磁感線的有效邊是圖中的ab和cd;(2)線圈平面平行磁感線的位置,即通過線圈平面的磁通量為零的位置(圖中位置),兩個有效邊的切割速度方向垂直磁感線,產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大;(3)線圈平面垂直磁感線的位置,即通過線圈平面的磁通量最大的位置,兩個有效邊的切割速度方向平行磁感線,不切割磁感線,線圈中的感應(yīng)電動勢為零.,知識精要,一,二,三,四,2.方向:由線圈平面圖(見下面)可以看到,當(dāng)ab邊向右、cd邊向左運動時(線圈平面圖②),感應(yīng)電流是沿著abcd方向流動的;當(dāng)ab邊向左、cd邊向右運動時(線圈平面圖④),感應(yīng)電流是沿著dcba方向流動的.這兩種情況交替出現(xiàn),線圈平面每經(jīng)過中性面一次,感應(yīng)電流的方向就改變一次,因此線圈轉(zhuǎn)動一周,感應(yīng)電流的方向改變兩次.,典題例解,遷移應(yīng)用,一,二,三,知識精要,四,典題例解,遷移應(yīng)用,【例1】 如圖為演示交變電流產(chǎn)生的裝置圖,關(guān)于這個實驗,正確的說法是( ) (導(dǎo)學(xué)號51130027) A.線圈每轉(zhuǎn)動一周,指針左右擺動兩次 B.圖示位置為中性面,線圈中無感應(yīng)電流 C.圖示位置,ab邊的感應(yīng)電流方向由a→b D.線圈平面與磁場方向平行時,磁通量變化率為零,一,二,三,知識精要,四,典題例解,遷移應(yīng)用,解析：線圈在磁場中勻速轉(zhuǎn)動時,在電路中產(chǎn)生周期性變化的交變電流,線圈經(jīng)過中性面時電流改變方向,線圈每轉(zhuǎn)動一周,有兩次通過中性面,電流方向改變兩次,指針左右擺動一次,故A項錯誤;線圈平面垂直于磁感線的位置稱為中性面,顯然圖示位置不是中性面,所以B項錯誤;線圈處于圖示位置時,ab邊向右運動,由右手定則,ab邊的感應(yīng)電流方向由a→b,故C項正確;線圈平面與磁場方向平行時,ab、cd邊垂直切割磁感線,線圈產(chǎn)生的電動勢最大,也可以這樣認為,線圈處于豎直位置時,磁通量為零,但磁通量變化率最大,故D項錯誤. 答案：C,一,二,三,知識精要,四,典題例解,遷移應(yīng)用,一,二,三,知識精要,四,典題例解,遷移應(yīng)用,如圖所示,矩形線框在磁場內(nèi)做的各種勻速運動中,能夠產(chǎn)生交變電流的是( ) (導(dǎo)學(xué)號51130028),答案：B 解析：產(chǎn)生交變電流的條件是穿過線圈的磁通量發(fā)生周期性變化,選項B符合要求.,一,二,三,知識精要,典題例解,遷移應(yīng)用,四,二、中性面及中性面的垂面有何特點,線圈位于中性面時感應(yīng)電流有什么變化 1.由法拉第電磁感應(yīng)定律可知感應(yīng)電動勢的大小正比于磁通量變化率,而不是正比于磁通量.當(dāng)線圈位于中性面時,盡管磁通量最大,但磁通量的變化率最小,故感應(yīng)電動勢最小;當(dāng)線圈位于中性面的垂面時,盡管磁通量最小(為零),但其變化率最大,故該位置感應(yīng)電動勢最大. 2.線圈位于中性面時,感應(yīng)電動勢及感應(yīng)電流為零.通過中性面時,電流的方向發(fā)生變化,線圈在一個周期內(nèi)兩次經(jīng)過中性面,故電流在一個周期內(nèi)方向改變兩次.,一,二,三,知識精要,典題例解,遷移應(yīng)用,四,3.中性面及中性面的垂面比較,一,二,三,知識精要,四,典題例解,遷移應(yīng)用,【例2】 (多選)矩形線圈在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動,在線圈平面經(jīng)過中性面瞬間,下列說法正確的是( ) A.線圈平面與磁感線平行 B.通過線圈的磁通量最大 C.線圈中的感應(yīng)電動勢最大 D.線圈中感應(yīng)電動勢的方向改變 解析：由中性面的定義可知,線圈平面與磁感線垂直,所以A項錯誤.由于線圈平面與磁感線垂直,所以磁通量最大,B項正確.導(dǎo)線運動方向與磁感線平行,感應(yīng)電動勢為零,所以C項錯誤.在中性面前后,穿過線圈的磁通量的變化由增加到減少,所以感應(yīng)電流的方向發(fā)生改變,所以D項正確. 答案：BD,一,二,三,知識精要,四,典題例解,遷移應(yīng)用,一,二,三,知識精要,四,典題例解,遷移應(yīng)用,(多選)關(guān)于中性面,下列說法正確的是( ) A.線圈在轉(zhuǎn)動中經(jīng)中性面位置時,穿過線圈的磁通量最大,磁通量變化率為零 B.線圈在轉(zhuǎn)動中經(jīng)中性面位置時,穿過線圈的磁通量為零,磁通量變化率最大 C.線圈每經(jīng)過一次中性面,感應(yīng)電流的方向就改變一次 D.線圈每轉(zhuǎn)動一周經(jīng)過中性面一次,所以線圈每轉(zhuǎn)動一周,感應(yīng)電流的方向就改變一次,一,二,三,知識精要,四,典題例解,遷移應(yīng)用,答案：AC 解析：中性面是線圈平面與磁感線垂直的位置,線圈經(jīng)過該位置時,穿過線圈的磁通量最大,各邊都不切割磁感線,不產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,所以磁通量變化率為零,A項正確,B項錯誤;線圈每經(jīng)過一次中性面,感應(yīng)電流的方向改變一次,但線圈每轉(zhuǎn)一周要經(jīng)過中性面兩次,所以每轉(zhuǎn)一周,感應(yīng)電流方向就改變兩次,C項正確,D項錯誤.,一,二,三,知識精要,典題例解,遷移應(yīng)用,四,三、對e=Emsin ωt的理解 1.交變電流的瞬時表達式的形式與開始計時時線圈的初位置有關(guān).若從中性面開始計時,感應(yīng)電動勢的瞬時值表達式為e=Emsin ωt;若從線圈平面與磁場方向平行的位置開始計時,則感應(yīng)電動勢瞬時值表達式為 2.最大值:Em=NBSω,Em與轉(zhuǎn)軸的所在位置及線圈形狀無關(guān). 3.線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的軸勻速轉(zhuǎn)動時,產(chǎn)生的正弦式交變電流與軸的位置(不一定是對稱軸)、線圈的形狀無關(guān).,一,二,三,知識精要,典題例解,遷移應(yīng)用,四,一,二,三,知識精要,四,典題例解,遷移應(yīng)用,【例3】 如圖,有一10匝正方形線框,邊長為20 cm,線框總電阻為1 Ω,線框繞OO軸以10π rad/s的角速度勻速轉(zhuǎn)動,垂直于線框平面向里的勻強磁場的磁感應(yīng)強度為0.5 T.問: (導(dǎo)學(xué)號51130029) (1)該線框產(chǎn)生的交變電流電動勢最大值、電流峰值分別是多少? (2)線框從圖示位置轉(zhuǎn)過60時,感應(yīng)電動勢的瞬時值是多大? (3)寫出感應(yīng)電動勢隨時間變化的表達式. 點撥：電動勢的峰值可用Em=NBSω計算,而計算電動勢的瞬時值首先要確定計時起點,然后用e=Emsin ωt或e=Emcos ωt進行計算.,一,二,三,知識精要,四,典題例解,遷移應(yīng)用,解析：(1)交變電流電動勢峰值為 Em=NBSω=100.50.2210π V=6.28 V, 電流的峰值為 (2)線框轉(zhuǎn)過60時,感應(yīng)電動勢 E=Emsin 60≈5.44 V. (3)由于線框轉(zhuǎn)動是從中性面開始計時的,所以瞬時值表達式為e=Emsin ωt=6.28sin 10πt(V). 答案：(1)6.28 V 6.28 A (2)5.44 V (3)e=6.28sin 10πt V,一,二,三,知識精要,四,典題例解,遷移應(yīng)用,一,二,三,知識精要,四,典題例解,遷移應(yīng)用,(多選)一單匝閉合線框在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動.在轉(zhuǎn)動過程中,線框中的最大磁通量為Φm,最大感應(yīng)電動勢為Em.下列說法中正確的是 ( )(導(dǎo)學(xué)號51130030) A.當(dāng)磁通量為零時,感應(yīng)電動勢也為零 B.當(dāng)磁通量減少時,感應(yīng)電動勢在增大 C.當(dāng)磁通量等于0.5Φm時,感應(yīng)電動勢等于0.5Em D.角速度ω等于 答案：BD,一,二,三,知識精要,四,典題例解,遷移應(yīng)用,解析：(1)公式法.設(shè)從線框位于中性面開始計時,則線框中產(chǎn)生正弦式電流,即e=Emsin ωt.穿過線框的磁通量Φ隨時間按余弦規(guī)律變化,即Φ=Φmcos ωt.,(2)圖象法.Φ-t圖象如圖所示,圖象在某點的斜率表示感應(yīng)電動勢瞬時值.由圖可知,A、C兩項錯,B項對.由Em=Φmω知D項對.,一,二,三,知識精要,典題例解,遷移應(yīng)用,四,四、正弦交變電流的圖象 正弦交變電流隨時間的變化情況可以從圖象上表示出來,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,如圖所示,交變電流的e-t圖象. 由圖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(zhuǎn)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=0,t=t2時刻.,一,二,三,知識精要,典題例解,遷移應(yīng)用,四,3.可根據(jù)線圈轉(zhuǎn)至與磁場平行時感應(yīng)電動勢最大的特點,確定線圈與中性面垂直的時刻,此時刻也就是磁通量為零的時刻和磁通量變化率最大的時刻,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.,一,二,三,四,知識精要,典題例解,遷移應(yīng)用,【例4】 圖甲是交流發(fā)電機模型示意圖.在磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中,有一矩形線圈abcd可繞線圈平面內(nèi)垂直于磁感線的軸OO轉(zhuǎn)動.由線圈引出的導(dǎo)線ae和df分別與兩個和線圈一起繞OO轉(zhuǎn)動的金屬圓環(huán)相連接,金屬圓環(huán)又分別與兩個固定的電刷保持滑動接觸,這樣矩形線圈在轉(zhuǎn)動中就可以保持和外電路電阻R形成閉合電路.圖乙是線圈的主視圖,導(dǎo)線ab和cd分別用它們的橫截面來表示.已知ab長度為L1,bc長度為L2,線圈以恒定角速度ω逆時針轉(zhuǎn)動.(只考慮單匝線圈) (導(dǎo)學(xué)號51130031),一,二,三,四,知識精要,典題例解,遷移應(yīng)用,(1)線圈平面處于中性面位置時開始計時,試推導(dǎo)t時刻整個線圈中的感應(yīng)電動勢e1的表達式. (2)線圈平面處于與中性面成φ0夾角位置時開始計時,如圖丙所示,試寫出t時刻整個線圈中的感應(yīng)電動勢e2的表達式.,一,二,三,四,知識精要,典題例解,遷移應(yīng)用,點撥：,解析：(1)矩形線圈abcd轉(zhuǎn)動過程中,只有ab和cd切割磁感線, 設(shè)ab和cd的轉(zhuǎn)動速度為v,則 在t時刻,導(dǎo)線ab和cd因切割磁感線而產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢均為E1=BL2v⊥ 由圖可知v⊥=vsin ωt 則整個線圈的感應(yīng)電動勢為e1=2E1=BL1L2ωsin ωt. (2)當(dāng)線圈由題圖丙位置開始運動時, 在t時刻整個線圈的感應(yīng)電動勢為e2=BL1L2ωsin(ωt+φ0). 答案：(1)e1=BL1L2ωsin ωt (2)e2=BL1L2ωsin(ωt+φ0),一,二,三,四,知識精要,典題例解,遷移應(yīng)用,一,二,三,四,知識精要,典題例解,遷移應(yīng)用,(多選)如圖所示,圖線a是線圈在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動時所產(chǎn)生正弦交變電流的圖象,當(dāng)調(diào)整線圈轉(zhuǎn)速后,所產(chǎn)生正弦交變電流的圖象如圖線b所示,以下關(guān)于這兩個正弦交變電流的說法正確的是( ) (導(dǎo)學(xué)號51130032) A.在圖中t=0時刻穿過線圈的磁通量均為零 B.線圈先后兩次轉(zhuǎn)速之比為3∶2 C.交變電流a的瞬時值表達式為u=10sin 5πt(V),一,二,三,四,知識精要,典題例解,遷移應(yīng)用,答案：BC,知識鏈接,案例探究,規(guī)律方法:平均電動勢的求法 線圈在轉(zhuǎn)動過程中,某一段時間內(nèi)從一個位置轉(zhuǎn)到另一個位置所產(chǎn)生的電動勢,稱為平均電動勢.它不等于始、末兩時刻瞬時值的平均值,必須用法拉第電磁感應(yīng)定律計算,即 同理,計算交變電流在某段時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量,也必須用平均值,即,知識鏈接,案例探究,如圖所示,勻強磁場的磁感應(yīng)強度B=0.1 T,所用矩形線圈總電阻為R=100 Ω.線圈的匝數(shù)n=100,邊長lab=0.2 m,lbc=0.5 m,以角速度ω=100π rad/s繞OO軸勻速轉(zhuǎn)動,試求當(dāng)線圈平面從圖示位置(與中性面垂直)轉(zhuǎn)過90的過程中, (1)線圈中的平均電動勢. (2)通過線圈某一截面的電荷量.,知識鏈接,案例探究,解析：(1)線圈平面從圖示位置轉(zhuǎn)過90的過程中,線圈內(nèi)磁通量的變化量為 ΔΦ=Blablbc,,答案：(1)200 V (2)110-2 C,