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  • 2021-05-25 发布

人教版物理选修3-2 第5章第1节 交变电流

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第5章 第一节 交变电流 课标定位 学习目标:1.知道什么是交变电流. 2.理解交变电流的产生及变化规律. 3.了解正弦式交变电流的图象和三角函数表达 式. 重点难点:1.交变电流产生的物理过程的分析及中 性面的特点. 2.交变电流产生的物理过程的分析及图象的表 达. 核心要点突破 课堂互动讲练 知能优化训练 第 一 节  交 变 电 流 课前自主学案 课前自主学案 一、交变电流 1.交变电流:大小和方向都随时间做_______变 化的电流,称为交变电流,简称交流. 2.直流:方向不随时间变化的电流称为直流. 二、交变电流的产生 1.在匀强磁场中,绕垂直于磁场方向的轴匀速转 动的线圈里产生的是_________. 2.线圈平面垂直于磁感线时,线圈中的感应电流 _____,这一位置叫_______.线圈平面经过中性 面时,______________就发生改变.线圈绕轴转 一周经过中性面______,因此感应电流方向改变 ______. 周期性 交变电流 为零 中性面 感应电流方向 两次 两次 三、交变电流的变化规律 1.正弦式交变电流的瞬时值表达式 i=_________ u=__________ e=________ 其中i、u、e分别表示电流、电压、电动势的 ________,Im、Um、Em分别表示电流、电压、 电动势的_______. Imsinωt Umsinωt Emsinωt 瞬时值 最大值 2.正弦式交变电流的图象:如图5-1-1所示. 图5-1-1 3.几种不同类型的交变电流 实际应用中,交变电流有不同的变化规律,常见 的有以下几种,如图5-1-2所示. 图5-1-2 核心要点突破 一、两个特定位置的特点 图示 概念 中性面位置 与中性面垂直的位置 特别提醒:矩形线圈在匀强磁场中匀速转动,仅 是产生交变电流的一种方式但不是唯一方式.例 如线圈不动,磁场按正弦规律变化也可以产生正 弦式电流. 即时应用 (即时突破,小试牛刀) 1.矩形线框绕垂直于匀强磁场且在线框平面的 轴匀速转动时产生了交变电流,下列说法正确的 是(  ) A.当线框位于中性面时,线框中感应电动势最 大 B.当穿过线框的磁通量为零时,线框中的感应 电动势也为零 C.每当线框经过中性面时,感应电动势或感应 电流方向就改变一次 D.线框经过中性面时,各边不切割磁感线 解析:选CD.线框位于中性面时,线框平面与磁感 线垂直,穿过线框的磁通量最大,但此时切割磁感 线的两边的速度方向与磁感线平行,即不切割磁感 线,所以电动势等于零,此时穿过线框的磁通量的 变化率等于零,感应电动势或感应电流的方向在此 时刻变化.垂直于中性面时,穿过线框的磁通量为 零,切割磁感线的两边的速度方向与磁感线垂直, 有效切割速度最大,所以感应电动势最大,此时穿 过线框的磁通量的变化率最大.故C、D正确. 二、正弦交变电流瞬时值、峰值表 达式的推导 1.瞬时值表达式的推导设线圈从 中性面起经时间t转过角度θ,则θ= ωt,此时两边ab、cd速度方向与磁 感线方向的夹角分别为ωt和(180° -ωt),如图5-1-3所示,它们产 生的感应电动势同向相加,整个线 圈中的感应电动势为: 图5-1-3 2.峰值表达式 由e=NBSωsinωt可知,电动势的峰值Em=NBSω= NΦmω,与线圈的形状及转轴位置无关. 特别提醒:(1)瞬时值与开始计时的位置及线圈转动 的时间有关. ①若线圈从中性面开始计时,e=Emsinωt. ②若线圈从位于与中性面垂直的位置开始计时,e= Emcosωt. (2)峰值与开始计时的位置及线圈转动的时间无关, 与线圈形状无关,与转轴的位置无关. 即时应用 (即时突破,小试牛刀) 2.交流发电机在工作时电动势为e=Emsinωt,若 将发电机的角速度提高一倍,同时将线框所围面积 减小一半,其他条件不变,则其电动势变为(  ) 解析:选C.交变电流的瞬时值表达式e=Emsinωt, 其中Em=NBSω,当ω加倍而S减半时,Em不变, 故C正确. 三、对正弦式交变电流的图象的理解 正弦式交变电流随时间变化情况可以从图象上表 示出来,图象描述的是交变电流随时间变化的规 律,它是一条正弦曲线,如图5-1-4所示. 图5-1-4 从图象中可以解读到以下信息: 1.交变电流的最大值Im、Em、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i、e随时间的变化规律. 特别提醒:用物理图象反映某些物理量的变化过 程,既可使该变化的整体特征一目了然,还可将变 化过程中的暂态“定格”,从而对变化过程中的 某一瞬态进行深入研究. 即时应用(即时突破,小试牛刀) 3.矩形线圈在匀强磁场中匀速转动产生的电动势e -t图象如图5-1-5所示,则(  ) A.t1、t3时刻线圈通过中性面 B.t2、t4时刻线圈中磁通量最大 C.t1、t3时刻线圈中磁通量变化率最大 D.t2、t4时刻线圈平面与中性面垂直 图5-1-5 解析:选AD.t1、t3时刻电动势为零,线圈处在 中性面位置,此时穿过线圈的磁通量最大,磁 通量变化率最小,A对,C错.t2、t4时刻电动 势最大,线圈平面与中性面垂直,穿过线圈的 磁通量为零,B错,D对. 有一个正方形线圈的匝 数为10匝,边长为20 cm,线圈 总电阻为1 Ω,线圈绕OO′轴以 10π rad/s的角速度匀速转动,如 图5-1-6,匀强磁场的磁感应 强度为0.5 T,问: 课堂互动讲练 交变电流瞬时值的计算 图5-1-6 (1)该线圈产生的交变电流电动势的峰值、电流的 峰值分别是多少? (2)写出感应电动势随时间变化的表达式. (3)线圈从图示位置转过60°时,感应电动势的瞬 时值是多大? 【思路点拨】 先根据Em=NBSω计算电动势的 最大值,再根据计时起点确定瞬时值表达式是e= Emsinωt还是e=Emcosωt. 【答案】 (1)6.28 V 6.28 A (2)e=6.28cos10πt V (3)3.14 V 【规律总结】 确定交变电流的电动势瞬时值表达 式时,首先要确定线圈转动是从哪个位置开始计时, 以便确定表达式是正弦式还是余弦式;其次是确定 线圈转动的角速度ω;再次是确定感应电动势的峰 值Em=nBSω;最后写瞬时值表达式e=Emsinωt(或 e=Emcosωt). 变式训练1 单匝矩形线圈面积为S,如图5-1-7 所示,一半在匀强磁场中,磁感应强度为B,另一 半没有磁场,当线圈绕OO′轴以角速度ω匀速转动 时,求回路中感应电动势的瞬时值表达式. 图5-1-7 如图5-1-8所示,匀强磁 场的磁感应强度B=0.1 T,所用矩 形线圈总电阻为R=100 Ω,线圈 的匝数n=100,边长lab=0.2 m, lbc=0.5 m,以角速度ω=100π rad/s绕OO′轴匀速转动,试求当线 圈平面从图示位置(与中性面垂直) 转过90°的过程中: (1)线圈中的平均电动势. (2)通过线圈某一截面的电荷量. 交变电流平均值的计算 图5-1-8 【答案】 (1)200 V (2)1×10-2 C 【规律总结】 平均电动势既不是电动势峰值的一 半,也不是历时一半时间的瞬时电动势,必须由法 拉第电磁感应定律求解.计算通过线圈某一截面的 电荷量,必须根据电流的平均值进行求解. 矩形线圈在匀强磁场中匀速转动,所产生的 交变电流的图象如图5-1-9所示,下列说法中正 确的是(  ) 图5-1-9 交变电流的图象 A.在t1时刻穿过线圈的磁通量达到峰值 B.在t2时刻穿过线圈的磁通量达到峰值 C.在t3时刻穿过线圈的磁通量的变化率达到峰 值 D.在t4时刻穿过线圈的磁通量的变化率达到峰 值 【思路点拨】 磁通量最大时,变化率为0,电 动势为0,电流为0;磁通量为0时,变化率最大, 电动势最大,电流最大. 【精讲精析】 从题图可知,t1时刻线圈中感应电 动势达到峰值,则磁通量变化率达到峰值,而磁通 量最小,此时线圈平面应与磁感线平行.t2时刻感 应电动势等于零,则磁通量变化率为零,线圈处于 中性面位置,磁通量达到峰值.t3时刻感应电动势 达到峰值,则线圈中的磁通量变化率达到峰值.正 确选项为B、C. 【答案】 BC 【规律总结】 解决图象问题的基本方法是: “一看”、“二变”、“三判断”.即: 一看:看“轴”、看“线”、看“斜率”、看 “点”. 二变:掌握“图与图”、“图与式”和“图与 物”之间的变通能力. 三判断:结合图象和公式进行正确分析和判 断. 变式训练3 如图5-1-10甲所 示,一矩形线圈abcd放置在匀 强磁场中,并绕过ab、cd中点 的轴OO′以角速度ω逆时针匀速 转动.若以线圈平面与磁场夹 角θ=45°时(如图乙)为计时 图5-1-10 起点,并规定当电流自a流向b时电流方向为正.则 图5-1-11的四幅图中正确的是(  ) 图5-1-11