浙江省版高中物理第五章交变电流第1课时交变电流学案新人教版选修.doc

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[研究选考·把握考情]
知识内容
交变电流
考试要求
加试c
教学要求
,能区分直流和交变电流
,了解中性面的概念

、电压、电流的瞬时值表达式,理解峰值的意义
,理解磁通量变化率与电动势之间的关系
说明
知识点一 交变电流
[基础梳理]
:大小和方向随时间做周期性变化的电流,简称交流。
:方向不随时间变化的电流。
:
(1)恒定电流的图象是一条与时间轴平行的直线。
(2)交变电流的图象随时间做周期性变化,如正弦交变电流的图象:
[即学即练]
如图所示的各电流中不是交变电流的是________。
解析 由于交变电流的大小和方向随时间做周期性的变化,故B、C为交变电流的图象,A、D不是。
答案 AD
知识点二 交变电流的产生
[基础梳理]
:将闭合矩形线圈置于匀强磁场中,并绕垂直磁场方向的轴匀速转动。
——线圈平面与磁感线垂直时的位置。
(1)线圈处于中性面位置时,穿过线圈的Φ最大,但线圈中的电流为零。
(2)线圈每次经过中性面时,线圈中感应电流方向都要改变。线圈转动一周,感应电流方向改变两次。
[要点精讲]
如图1所示为线圈ABCD在磁场中绕轴OO′转动时的截面图,AB和CD两个边切割磁感线,产生电动势,线圈中就有了电流(或者说穿过线圈的磁通量发生变化而产生了感应电流)。具体分析如图2所示,当线圈转动到图甲位置时,导体不切割磁感线,线圈中无电流;当线圈转动到图乙位置时,导体垂直切割磁感线,线圈中有电流,且电流从A端流入;线圈在图丙位置同线圈在图甲位置;线圈在图丁位置时,电流从A端流出,这说明电流方向发生了改变;线圈在图戊位置同在图甲位置。线圈这样转动下去,就在线圈中产生了交变电流。
图1
图2
图示
概念
中性面位置
与中性面垂直的位置
特点
B⊥S
B∥S
Φ=BS,最大
Φ=0,最小
e=n=0,最小
e=n=nBSω,最大
感应电流为零,方向改变
感应电流最大,方向不变
【例1】下列各图中哪些情况线圈中产生了交变电流( )
解析 由交变电流的产生条件可知,轴必须垂直于磁感线,但对线圈的形状及转轴的位置没有特别要求。故选项B、C、D正确。
答案 BCD
知识点三 交变电流的变化规律
[基础梳理]
:
(1)当从中性面开始计时:e=Emsin__ωt。
(2)当从与中性面垂直的位置开始计时:e=Emcos__ωt。
:
Em=nBSω
与线圈的形状及转动轴的位置无关。(填“有关”或“无关”)
[要点精讲]
交变电动势最大值,由线圈匝数n、磁感应强度B、转动角速度ω及线圈面积S决定,与线圈的形状无关,与转轴的位置无关,因此如图3所示的几种情况,若n、B、S、ω相同,则电动势的最大值相同。
图3
由欧姆定律得交变电流的峰值可表示为Im=。
电流的瞬时值变化规律
若线圈给外电阻R供电,设线圈本身的电阻为r,由闭合电路的欧姆定律得
i==sinωt,可写成i=Imsinωt。即线圈中的交变电流按正弦函数规律变化,这种交变电流叫正弦式交变电流。
【例2】有一个正方形线圈的匝数为10匝,边长为20cm,线圈总电阻为1Ω,线圈绕OO′轴以10πrad/s的角速度匀速转动,如图4所示,,问:
图4
(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)若从中性面位置开始计时,写出感应电动势随时间变化的表达式;
(3)线圈从中性面位置开始转过30°时,感应电动势的瞬时值是多大?
解析 (1)交变电流电动势的峰值为
Em=nBSω2×10πV=
电流的峰值为Im==。
(2)从中性面位置开始计时,感应电动势的瞬时值表达式为
e=Emsinωt=(V)。
(3)线圈从中性面位置开始转过30°,感应电动势的瞬时值
e=Emsin30°=。
答案 (1) (2)e=(V)
(3)
名师点睛 交变电流瞬时值表达式的书写技巧
(1)确定正弦交变电流的峰值,根据已知图象读出或由公式Em=nBSω求出相应峰值。
(2)明确线圈的初始位置,找出对应的函数关系式。
①线圈从中性面位置开始转动,则i-t图象为正弦函数图象,函数式为i=Imsinωt。
②线圈从垂直中性面位置开始转动,则i-t图象为余弦函数图象,函数式为i=Imcosωt。
(3)线圈在匀强磁场中匀速转动产生正弦式交变电流,产生的交变电流与线圈的形状无关。如图5所示,若线圈的面积与例2中的图所示的线圈面积相同,则答案完全相同。
图5
知识点四 正弦交变电流的图象
[基础梳理]
正弦交变电流随时间的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6所示,分别是交变电流的e-t图象(如图甲)、u-t图象(如图乙)、i-t图象(如图丙)。
甲
图6
[要点精讲]
由图6甲可以确定出以下信息:
(1)可以读出正弦交变电流的峰值Em。
(2)可根据线圈转至中性面时电动势为零的特点,确定线圈处于中性面的时刻,确定了该时刻,也就确定了磁通量最大的时刻和磁通量变化率最小的时刻,如t=t2,t=t4时刻。
(3)可根据线圈转至与磁场平行时感应电动势最大的特点,确定线圈与中性面垂直的位置,此位置也就是磁通量为零的时刻和磁通量变化率最大的时刻,如t=t1,t=t3时刻。
(4)可以确定某一时刻电动势大小以及某一时刻电动势的变化趋势,如t=t1,t=t2时刻。
【例3】矩形线圈在匀强磁场中匀速转动,所产生的交变电流的波形如图7所示,可知( )
图7
t1时刻穿过线圈的磁通量达到峰值
t2时刻穿过线圈的磁通量达到峰值
t3时刻穿过线圈的磁通量的变化率达到峰值
t4时刻穿过线圈的磁通量的变化率达到峰值
解析 由题图可知,t1和t3时刻,i最大,所以这两个时刻磁通量的变化率最大,线圈处于垂直中性面的位置,穿过线圈的磁通量为0。t2和t4两时刻i=0,即=0,线圈处于中性面位置,此时穿过线圈的磁通量最大。
答案BC
,在线圈平面经过中性面瞬间( )
解析 在线圈平面垂直于磁感线时,各边都不切割磁感线,线圈中没有感应电流,这样的位置叫做中性面。线圈平面经过中性面瞬间,穿过线圈的磁通量最大,线圈中的感应电动势为零,此后,感应电动势方向(即感应电流方向)将与原方向相反。所以选项B、D正确,A、C错误。
答案 BD
,正确的说法是( )
,感应电流方向改变一次
,感应电动势方向改变一次
,感应电流方向改变两次,感应电动势方向改变一次
,感应电流方向和感应电动势方向都改变两次
解析 感应电动势和感应电流的方向,每经过中性面时改变一次,每个周期内方向改变两次,故选项D正确。
答案 D
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( )
′=′=2Emsin
′=′=sin2ωt
解析 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,故选项C正确。
答案 C
,绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定轴转动,线圈中的感应电动势e随时间t的变化如图8所示。下列说法正确的是( )
图8



e转换方向时,通过线圈的磁通量均最大
解析 t1时刻e=0,故线圈位于中性面,磁通量最大,选项A错误;t2时刻e最大,故线圈位于中性面之垂面,磁通量为0,选项B错误;t3时刻e=0,故磁通量变化率为0,选项C错误;e转换方向时,线圈位于中性面,故磁通量均最大,选项D正确。
答案D
一、选择题(在每小题给出的四个备选项中至少有一个是符合题目要求的。)
1.(2019·台州市高二期中)如图所示,属于交变电流的是( )
解析 交变电流是指电流的大小和方向均随时间做周期性变化的电流;由图可知,符合条件的只有C。
答案 C
,则需同时满足( )
解析 磁场中的闭合线圈产生正弦式交变电流,则磁场需是匀强磁场、线圈的轴与磁感线垂直、线圈在磁场中绕轴匀速转动,故选项A、C、D正确,B错误。
答案 ACD
,下列说法正确的是( )
,线框中感应电动势最大
,线框中的感应电动势也为零
,感应电动势或感应电流方向就改变一次
,各边不切割磁感线
解析 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,所以感应电动势等于零,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,有效切割磁感线速度最大,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,故选项C、D正确,A、B错误。
答案 CD
4.(2019·长郡中学)如图1所示,一正方形线圈abcd在匀强磁场中绕垂直于磁感线的对称轴OO′匀速转动,沿着OO′观察,线圈沿逆时针方向转动。已知匀强磁场的磁感应强
度为B,线圈匝数为n,边长为l,电阻为R,转动的角速度为ω。则当线圈转至与中性面垂直位置时( )
图1
abcda
解析 ad向里运动,根据右手定则可知,线圈中的电流方向为adcba,选项A错误;Em=nBl2ω,电流Im=,故Im=,选项B正确;因线圈平面平行于磁感线,故穿过线圈的磁通量为零,选项C正确;因电动势最大,故穿过线圈的磁通量的变化率最大,选项D错误。
答案 BC
5.(2019·金陵中学)处在匀强磁场中的矩形线圈abcd,以恒定的角速度绕ab边转动,磁场方向平行于纸面并与ab边垂直。在t=0时,线圈平面与纸面重合(如图2),线圈的cd边离开纸面向外运动。若规定由a→b→c→d→a方向的感应电流为正,则能反映线圈中感应电流I随时间t变化的图象是( )
图2
解析 因t=0时,线圈平面与纸面重合,故t=0时电流最大;又因t=0时线圈的cd边离开纸面向外运动,故线圈中的电流方向为a→b→c→d→a,与规定的正方向相同,所以选项C正确。
答案 C
,产生交变电流的图象如图3所示,由图可知( )
图3
A、C时刻线圈处于中性面位置
B、D时刻穿过线圈的磁通量为零
A时刻到D时刻线圈转过的角度为π
,则在1s内交变电流的方向改变100次
解析 在A、C时刻,电流最大,线圈平面与中性面垂直,选项A错误;在B、D时刻,电流为0,线圈平面处于中性面位置,磁通量最大,选项B错误;从A时刻到D时刻,线圈转动了T,故转过π,选项C错误;,故T=,而一个周期内交变电流的方向改变2次,所以在1s内交变电流的方向改变100次,选项D正确。
答案 D
,穿过线圈的磁通量随时间变化的图象如图4所示。则下列说法正确的是( )
图4
=0时,线圈平面与中性面垂直
=,Φ的变化率为0
=,感应电动势达到最大
t==
解析 t=0时,Φ最大,故线圈平面位于中性面,选项A错误;t=,图线斜率的绝对值最大,故Φ的变化率最大,选项B错误;t=,图线的斜率为0,故感应电动势达到最小,选项C错误;从t==,故转过的角度是π,选项D正确。
答案 D
,①、②两个并排放置的共轴线圈,①中通有如图所示的交流电,则下列判断错误的是( )