高中物理 2.1-2.2 认识交变电流 交变电流的描述课时训练课件 粤教版选修3-2.ppt

目标导航 预习导引 目标导航 预习导引 一 二 三 四 一 交变电流1 恒定电流强弱和方向不随时间变化的电流称为恒定电流 简称直流 2 交变电流强弱和方向随时间变化的电流称为交变电流 简称交流 3 波形图电流或电压随时间变化的图象 通常利用示波器来观察 日常生活和生产中所用的交变电流是按正弦规律变化的交变电流 目标导航 预习导引 一 二 三 四 把两个发光时颜色不同的发光二极管并联 注意使两者正负极的方向不同 然后连接到教学用的发电机的两端 如图 转动手柄 两个磁极之间的线圈随着转动 观察发光二极管的发光情况 实验现象说明了什么 答案 可以观察到两个发光二极管交替发光 该实验说明了发电机产生的电流的方向随时间变化 不是直流 是交变电流 目标导航 预习导引 一 二 三 四 二 正弦交变电流的产生1 实验装置 1 交流发电机的基本结构 线圈 磁极 滑环及电刷 2 模型装置图 下图 目标导航 预习导引 一 二 三 四 目标导航 预习导引 一 二 三 四 目标导航 预习导引 一 二 三 四 2 过程分析 目标导航 预习导引 一 二 三 四 根据法拉第电磁感应定律 线圈在磁场中转动时 穿过线圈的磁通量就发生变化 从而产生感应电流 用线圈和磁铁做成发电机 线圈中产生的感应电流怎么输出来呢 答案 如下图所示 利用电刷将感应电流输出 目标导航 预习导引 一 二 三 四 三 用函数表达式描述交变电流1 电动势的瞬时值 N匝 面积为S的线圈以角速度 转动 从中性面开始计时 得出 e Emsin t 其中Em NBS 叫做电动势的峰值 3 电压瞬时值 u Umsin t 4 按正弦规律变化的交变电流叫做正弦式交变电流 简称正弦式电流 目标导航 预习导引 一 二 三 四 日常生活中照明电路用的是交变电流 交变电流的大小和方向是周期性变化的 我们为什么感觉白炽灯的明亮程度并没有变化 答案 这主要是因为交变电流的大小和方向变化很快 白炽灯灯丝的温度基本不变 所以灯的亮度基本没有变化 再者人的眼睛有0 1s的视觉暂留 也不能分辨其变化情况 目标导航 预习导引 一 二 三 四 四 用图象描述交变电流1 图象特点正弦式交变电流的电动势e 电压u及电流i随时间按正弦规律变化 2 线圈在匀强磁场中匀速转动一周的过程中 电动势e 电压u及电流i出现两次最大值 知识精要 典题例解 迁移应用 一 二 三 四 一 交变电流的产生及方向1 产生 如图 用矩形线圈在匀强磁场中匀速转动产生交变电流 1 切割磁感线的有效边是图中的ab和cd 2 线圈平面平行磁感线的位置 即通过线圈平面的磁通量为零的位置 图中位置 两个有效边的切割速度方向垂直磁感线 产生的感应电动势最大 3 线圈平面垂直磁感线的位置 即通过线圈平面的磁通量最大的位置 两个有效边的切割速度方向平行磁感线 不切割磁感线 线圈中的感应电动势为零 知识精要 一 二 三 四 2 方向 由线圈平面图 见下面 可以看到 当ab边向右 cd边向左运动时 线圈平面图 感应电流是沿着abcd方向流动的 当ab边向左 cd边向右运动时 线圈平面图 感应电流是沿着dcba方向流动的 这两种情况交替出现 线圈平面每经过中性面一次 感应电流的方向就改变一次 因此线圈转动一周 感应电流的方向改变两次 典题例解 迁移应用 一 二 三 知识精要 四 典题例解 迁移应用 例1 如图为演示交变电流产生的装置图 关于这个实验 正确的说法是 导学号51130027 A 线圈每转动一周 指针左右摆动两次B 图示位置为中性面 线圈中无感应电流C 图示位置 ab边的感应电流方向由a bD 线圈平面与磁场方向平行时 磁通量变化率为零 一 二 三 知识精要 四 典题例解 迁移应用 解析 线圈在磁场中匀速转动时 在电路中产生周期性变化的交变电流 线圈经过中性面时电流改变方向 线圈每转动一周 有两次通过中性面 电流方向改变两次 指针左右摆动一次 故A项错误 线圈平面垂直于磁感线的位置称为中性面 显然图示位置不是中性面 所以B项错误 线圈处于图示位置时 ab边向右运动 由右手定则 ab边的感应电流方向由a b 故C项正确 线圈平面与磁场方向平行时 ab cd边垂直切割磁感线 线圈产生的电动势最大 也可以这样认为 线圈处于竖直位置时 磁通量为零 但磁通量变化率最大 故D项错误 答案 C 一 二 三 知识精要 四 典题例解 迁移应用 一 二 三 知识精要 四 典题例解 迁移应用 如图所示 矩形线框在磁场内做的各种匀速运动中 能够产生交变电流的是 导学号51130028 答案 B解析 产生交变电流的条件是穿过线圈的磁通量发生周期性变化 选项B符合要求 一 二 三 知识精要 典题例解 迁移应用 四 二 中性面及中性面的垂面有何特点 线圈位于中性面时感应电流有什么变化1 由法拉第电磁感应定律可知感应电动势的大小正比于磁通量变化率 而不是正比于磁通量 当线圈位于中性面时 尽管磁通量最大 但磁通量的变化率最小 故感应电动势最小 当线圈位于中性面的垂面时 尽管磁通量最小 为零 但其变化率最大 故该位置感应电动势最大 2 线圈位于中性面时 感应电动势及感应电流为零 通过中性面时 电流的方向发生变化 线圈在一个周期内两次经过中性面 故电流在一个周期内方向改变两次 一 二 三 知识精要 典题例解 迁移应用 四 3 中性面及中性面的垂面比较 一 二 三 知识精要 四 典题例解 迁移应用 例2 多选 矩形线圈在匀强磁场中匀速转动 在线圈平面经过中性面瞬间 下列说法正确的是 A 线圈平面与磁感线平行B 通过线圈的磁通量最大C 线圈中的感应电动势最大D 线圈中感应电动势的方向改变解析 由中性面的定义可知 线圈平面与磁感线垂直 所以A项错误 由于线圈平面与磁感线垂直 所以磁通量最大 B项正确 导线运动方向与磁感线平行 感应电动势为零 所以C项错误 在中性面前后 穿过线圈的磁通量的变化由增加到减少 所以感应电流的方向发生改变 所以D项正确 答案 BD 一 二 三 知识精要 四 典题例解 迁移应用 一 二 三 知识精要 四 典题例解 迁移应用 多选 关于中性面 下列说法正确的是 A 线圈在转动中经中性面位置时 穿过线圈的磁通量最大 磁通量变化率为零B 线圈在转动中经中性面位置时 穿过线圈的磁通量为零 磁通量变化率最大C 线圈每经过一次中性面 感应电流的方向就改变一次D 线圈每转动一周经过中性面一次 所以线圈每转动一周 感应电流的方向就改变一次 一 二 三 知识精要 四 典题例解 迁移应用 答案 AC解析 中性面是线圈平面与磁感线垂直的位置 线圈经过该位置时 穿过线圈的磁通量最大 各边都不切割磁感线 不产生感应电动势 所以磁通量变化率为零 A项正确 B项错误 线圈每经过一次中性面 感应电流的方向改变一次 但线圈每转一周要经过中性面两次 所以每转一周 感应电流方向就改变两次 C项正确 D项错误 一 二 三 知识精要 典题例解 迁移应用 四 三 对e Emsin t的理解1 交变电流的瞬时表达式的形式与开始计时时线圈的初位置有关 若从中性面开始计时 感应电动势的瞬时值表达式为e Emsin t 若从线圈平面与磁场方向平行的位置开始计时 则感应电动势瞬时值表达式为2 最大值 Em NBS Em与转轴的所在位置及线圈形状无关 3 线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时 产生的正弦式交变电流与轴的位置 不一定是对称轴 线圈的形状无关 一 二 三 知识精要 典题例解 迁移应用 四 一 二 三 知识精要 四 典题例解 迁移应用 例3 如图 有一10匝正方形线框 边长为20cm 线框总电阻为1 线框绕OO 轴以10 rad s的角速度匀速转动 垂直于线框平面向里的匀强磁场的磁感应强度为0 5T 问 导学号51130029 1 该线框产生的交变电流电动势最大值 电流峰值分别是多少 2 线框从图示位置转过60 时 感应电动势的瞬时值是多大 3 写出感应电动势随时间变化的表达式 点拨 电动势的峰值可用Em NBS 计算 而计算电动势的瞬时值首先要确定计时起点 然后用e Emsin t或e Emcos t进行计算 一 二 三 知识精要 四 典题例解 迁移应用 解析 1 交变电流电动势峰值为Em NBS 10 0 5 0 22 10 V 6 28V 电流的峰值为 2 线框转过60 时 感应电动势E Emsin60 5 44V 3 由于线框转动是从中性面开始计时的 所以瞬时值表达式为e Emsin t 6 28sin10 t V 答案 1 6 28V6 28A 2 5 44V 3 e 6 28sin10 tV 一 二 三 知识精要 四 典题例解 迁移应用 一 二 三 知识精要 四 典题例解 迁移应用 多选 一单匝闭合线框在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的转轴匀速转动 在转动过程中 线框中的最大磁通量为 m 最大感应电动势为Em 下列说法中正确的是 导学号51130030 A 当磁通量为零时 感应电动势也为零B 当磁通量减少时 感应电动势在增大C 当磁通量等于0 5 m时 感应电动势等于0 5EmD 角速度 等于答案 BD 一 二 三 知识精要 四 典题例解 迁移应用 解析 1 公式法 设从线框位于中性面开始计时 则线框中产生正弦式电流 即e Emsin t 穿过线框的磁通量 随时间按余弦规律变化 即 mcos t 2 图象法 t图象如图所示 图象在某点的斜率表示感应电动势瞬时值 由图可知 A C两项错 B项对 由Em m 知D项对 一 二 三 知识精要 典题例解 迁移应用 四 四 正弦交变电流的图象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 如图所示 交变电流的e t图象 由图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 0 t t2时刻 一 二 三 知识精要 典题例解 迁移应用 四 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时刻 此时刻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 一 二 三 四 知识精要 典题例解 迁移应用 例4 图甲是交流发电机模型示意图 在磁感应强度为B的匀强磁场中 有一矩形线圈abcd可绕线圈平面内垂直于磁感线的轴OO 转动 由线圈引出的导线ae和df分别与两个和线圈一起绕OO 转动的金属圆环相连接 金属圆环又分别与两个固定的电刷保持滑动接触 这样矩形线圈在转动中就可以保持和外电路电阻R形成闭合电路 图乙是线圈的主视图 导线ab和cd分别用它们的横截面来表示 已知ab长度为L1 bc长度为L2 线圈以恒定角速度 逆时针转动 只考虑单匝线圈 导学号51130031 一 二 三 四 知识精要 典题例解 迁移应用 1 线圈平面处于中性面位置时开始计时 试推导t时刻整个线圈中的感应电动势e1的表达式 2 线圈平面处于与中性面成 0夹角位置时开始计时 如图丙所示 试写出t时刻整个线圈中的感应电动势e2的表达式 一 二 三 四 知识精要 典题例解 迁移应用 点拨 解析 1 矩形线圈abcd转动过程中 只有ab和cd切割磁感线 设ab和cd的转动速度为v 则在t时刻 导线ab和cd因切割磁感线而产生的感应电动势均为E1 BL2v 由图可知v vsin t则整个线圈的感应电动势为e1 2E1 BL1L2 sin t 2 当线圈由题图丙位置开始运动时 在t时刻整个线圈的感应电动势为e2 BL1L2 sin t 0 答案 1 e1 BL1L2 sin t 2 e2 BL1L2 sin t 0 一 二 三 四 知识精要 典题例解 迁移应用 一 二 三 四 知识精要 典题例解 迁移应用 多选 如图所示 图线a是线圈在匀强磁场中匀速转动时所产生正弦交变电流的图象 当调整线圈转速后 所产生正弦交变电流的图象如图线b所示 以下关于这两个正弦交变电流的说法正确的是 导学号51130032 A 在图中t 0时刻穿过线圈的磁通量均为零B 线圈先后两次转速之比为3 2C 交变电流a的瞬时值表达式为u 10sin5 t V 一 二 三 四 知识精要 典题例解 迁移应用 答案 BC 知识链接 案例探究 规律方法 平均电动势的求法线圈在转动过程中 某一段时间内从一个位置转到另一个位置所产生的电动势 称为平均电动势 它不等于始 末两时刻瞬时值的平均值 必须用法拉第电磁感应定律计算 即同理 计算交变电流在某段时间内通过导体横截面的电荷量 也必须用平均值 即 知识链接 案例探究 如图所示 匀强磁场的磁感应强度B 0 1T 所用矩形线圈总电阻为R 100 线圈的匝数n 100 边长lab 0 2m lbc 0 5m 以角速度 100 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 知识链接 案例探究 解析 1 线圈平面从图示位置转过90 的过程中 线圈内磁通量的变化量为 Blablbc 答案 1 200V 2 1 10 2C