【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1．通過實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)交變電流，了解交變電流的產(chǎn)生過程，理解交變電流和直流的概念。2．能用公式和圖像描述正弦交變電流。3．知道交變電流的變化規(guī)律及表示方法，知道交變電流的瞬時(shí)值、峰值的物理含義。4．了解交流發(fā)電機(jī)的工作原理。
1．交變電流大小和方向都隨時(shí)間做____________的電流。注：大小不變方向改變的電流也是交變電流。2．直流電______不隨時(shí)間變化的電流。3．圖像特點(diǎn)(1)恒定電流的圖像是一條與時(shí)間軸____________。(2)交變電流的圖像有時(shí)會(huì)在時(shí)間軸的上方，有時(shí)會(huì)在時(shí)間軸的下方，即隨______做周期性變化。
1．產(chǎn)生方法閉合線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)的軸______轉(zhuǎn)動(dòng)。
2．產(chǎn)生過程(示意圖)。(在下面橫線上填“ABCD”或“DCBA”)注：在甲、丙位置時(shí)線圈中沒有電流，在乙、丁位置時(shí)線圈中電流最大。3．中性面線圈平面與磁場(chǎng)______的位置。
1．正弦式交變電流(1)定義：按__________變化的交變電流，簡(jiǎn)稱正弦式電流。(2)函數(shù)表達(dá)式和圖像：
2．常見的幾種不同類型的交變電流
1．構(gòu)造由產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的______(通常叫作電樞)和產(chǎn)生磁場(chǎng)的______組成。2．工作原理發(fā)電機(jī)的形式有很多，但其工作原理都基于______________。
『判一判』(1)如果電流的大小做周期性變化，則一定是交變電流。(　　)(2)直流電的大小可以變化，但方向一定不變。(　　)(3)交變電流一定是按正弦或余弦規(guī)律變化的。(　　)(4)當(dāng)穿過線圈的磁通量為0時(shí)，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也為0。(　　)
(5)每當(dāng)線圈經(jīng)過中性面時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或感應(yīng)電流的方向就改變一次。(　　)(6)當(dāng)線圈位于中性面位置時(shí)，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大。(　　)
『選一選』(2020·山東師大附中高二上學(xué)期學(xué)分認(rèn)定)如圖所示圖像中屬于交流電的有(　　)解析：交流電是指電流的方向發(fā)生變化的電流，電流的大小是否變化對(duì)其沒有影響，電流的方向變化的是ABC，故ABC是交流電，D是直流電。
『想一想』如圖一矩形線圈，繞垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)并位于線圈平面的固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e隨時(shí)間t的變化如圖，試討論t1、t2、t3、t4時(shí)刻線圈處于什么位置？答案：t1、t3時(shí)刻線圈平面處于與磁場(chǎng)垂直的位置；t2、t4時(shí)刻線圈平面與磁場(chǎng)平行。
解析：t1、t3時(shí)刻感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零，線圈位于中性面位置，所以穿過線圈的磁通量最大，線圈平面垂直于磁場(chǎng)；t2、t4時(shí)刻感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，線圈位于中性面的垂直位置，穿過線圈的磁通量為零，線圈平面平行于磁場(chǎng)(即題圖中位置)。
線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)處于如圖所示位置時(shí)，請(qǐng)觀察并思考：切割磁感線的兩條邊的速度方向與磁場(chǎng)方向是什么關(guān)系？此時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為多少？
提示：(1)圖示位置左右兩條邊的速度方向與磁場(chǎng)方向平行，不切割磁感線，不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。(2)從磁通量變化的角度分析，圖示位置磁通量最大，但變化率為0，所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為0。
1．產(chǎn)生在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，繞垂直于磁場(chǎng)方向的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的線圈里產(chǎn)生的是交變電流，實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。
2．過程分析如圖所示。
(1)如圖A所示：線圈由甲位置轉(zhuǎn)到乙位置過程中，電流方向?yàn)閍→b→c→d。線圈由乙位置轉(zhuǎn)到丙位置過程中，電流方向?yàn)閍→b→c→d。線圈由丙位置轉(zhuǎn)到丁位置過程中，電流方向?yàn)閎→a→d→c。線圈由丁位置轉(zhuǎn)到戊位置過程中，電流方向?yàn)閎→a→d→c。(2)如圖B所示：在乙位置和丁位置時(shí)，線圈垂直切割磁感線，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)和電流最大；在甲位置和丙位置時(shí)，線圈不切割磁感線，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)和電流均為零。
3．兩個(gè)特殊位置物理量的特點(diǎn)
(1)線圈每一次經(jīng)過中性面，線圈中感應(yīng)電流就要改變方向。 (2)線圈轉(zhuǎn)一周，感應(yīng)電流方向改變兩次。
交流發(fā)電機(jī)發(fā)電示意圖如圖所示，線圈轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，下列說法正確的是(　　)
A．轉(zhuǎn)到圖甲位置時(shí)，通過線圈的磁通量變化率最大B．轉(zhuǎn)到圖乙位置時(shí)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零C．轉(zhuǎn)到圖丙位置時(shí)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流最大D．轉(zhuǎn)到圖丁位置時(shí)，AB邊感應(yīng)電流方向?yàn)锳→B
思路引導(dǎo)：交變電流的產(chǎn)生屬于電磁感應(yīng)的特例，可根據(jù)楞次定律和法拉第電磁感應(yīng)定律判定各選項(xiàng)。
解析：轉(zhuǎn)到圖甲位置時(shí)，線圈平面與磁感線垂直，磁通量最大，但磁通量變化率最小，故 A錯(cuò)誤；轉(zhuǎn)到圖乙位置時(shí)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，故B錯(cuò)誤；轉(zhuǎn)到圖丙位置時(shí)，線圈位于中性面位置，此時(shí)感應(yīng)電流為零，故C錯(cuò)誤；轉(zhuǎn)到圖丁位置時(shí)，根據(jù)楞次定律可知AB邊感應(yīng)電流方向?yàn)锳→B，故D正確。
1．(多選)下圖中，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(duì)線圈的形狀及轉(zhuǎn)軸的位置沒有特別要求。
若線圈平面從中性面開始轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖所示，則經(jīng)時(shí)間t(1)線圈轉(zhuǎn)過的角度為ωt(2)ab邊的線速度跟磁感線方向的夾角θ＝ωt(3)ab邊轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度大?。簐＝ωR＝_____(4)ab邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：eab＝BLabvsinθ＝_________(5)整個(gè)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：e＝2eab＝__________，若線圈為n匝，e＝　___________。
1．正弦式交變電流的瞬時(shí)值表達(dá)式e＝Emsinωt，u＝Umsinωt，i＝Imsinωt，其中Em、Um、Im為最大值，也叫峰值。
2．正弦式交變電流的峰值(1)轉(zhuǎn)軸在線圈所在平面內(nèi)且與磁場(chǎng)垂直。當(dāng)線圈平面與磁場(chǎng)平行時(shí)，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)達(dá)到峰值，且滿足Em＝nBSω。(2)決定因素：由線圈匝數(shù)n、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω和線圈面積S決定，與線圈的形狀無關(guān)，與轉(zhuǎn)軸的位置無關(guān)。(3)如圖所示的幾種情況中，如果n、B、ω、S均相同，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的峰值均為Em＝nBSω。
如圖所示，勻強(qiáng)磁場(chǎng)B＝0.1 T，所用矩形線圈的匝數(shù)N＝100，邊長(zhǎng)lab＝0.2 m，lbc＝0.5 m，以角速度ω＝100π rad/s繞OO′軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)線圈平面通過中性面時(shí)開始計(jì)時(shí)，試求：(1)線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化的表達(dá)式；(2)由t＝0至t＝ 過程中的平均電動(dòng)勢(shì)值。思路引導(dǎo)：要理解平均電動(dòng)勢(shì)既不是最大電動(dòng)勢(shì)值的一半，也不是等于歷時(shí)一半時(shí)間的瞬時(shí)電動(dòng)勢(shì)，必須由法拉第電磁感應(yīng)定律求解。
答案：(1)e＝314sin100πt(V)　(2)200 V=
2. (2020·廣東省實(shí)驗(yàn)中學(xué)高二下學(xué)期期中)如圖所示，左側(cè)豎直長(zhǎng)導(dǎo)線通有向下方向的恒定電流，一矩形線圈abcd可繞其豎直對(duì)稱軸O1O2 轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)線圈繞軸以角速度ω沿逆時(shí)針(沿軸線從上往下看)方向勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，從圖示位置開始計(jì)時(shí)，下列說法正確的是(　　)A．t＝0時(shí)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大B．0～時(shí)間內(nèi)，線圈中感應(yīng)電流方向?yàn)?abcdaC．t＝時(shí)，線圈的磁通量為零，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也為零D．線圈每轉(zhuǎn)動(dòng)一周電流方向改變一次
解析：由安培定則可知，直導(dǎo)線右側(cè)的磁場(chǎng)方向垂直紙面向外，則t＝0時(shí)，線圈中的磁通量最大，磁通量的變化率最小，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最小，選項(xiàng) A錯(cuò)誤；由楞次定律可知0～時(shí)間內(nèi)，線圈轉(zhuǎn)過90°角，此時(shí)線圈中感應(yīng)電流方向?yàn)閍bcda，選項(xiàng)B正確； t＝時(shí)，線圈的磁通量為零，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不為零，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；線圈每轉(zhuǎn)動(dòng)一周電流方向改變兩次，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。
正弦式交變電流的圖像及應(yīng)用1．圖像意義反映了交變電流的電流(電壓)隨時(shí)間變化的規(guī)律，如圖所示。
2．從圖像中可以解讀到以下信息(1)交變電流的最大值Im、Em。(2)因線圈在中性面時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、感應(yīng)電流均為零，磁通量最大，所以可確定線圈位于中性面的時(shí)刻。(3)可找出線圈平行磁感線的時(shí)刻。(4)判斷線圈中磁通量的變化情況。(5)分析判斷i、e隨時(shí)間的變化規(guī)律。
3．解決圖像問題的基本方法：一看：看“軸”、看“線”、看“斜率”、看“點(diǎn)”。二變：掌握“圖與圖”“圖與式”和“圖與物”之間的變通能力。三判斷：結(jié)合圖像和公式進(jìn)行正確分析和判斷。
一只矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁感線的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，穿過線圈的磁通量隨時(shí)間變化的圖像如圖甲所示。則下列說法正確的是 (　　)A． t＝0時(shí)刻，線圈平面與中性面垂直B． t＝0.01 s時(shí)刻，Φ的變化率最大C． t＝0.02 s時(shí)刻，交流電動(dòng)勢(shì)達(dá)到最大D．該線圈相應(yīng)產(chǎn)生的交流電動(dòng)勢(shì)的圖像如圖乙所示
解析：由題圖甲可知，t＝0和t＝0.02 s時(shí)刻，Φ值最大，線圈平面恰在中性面位置，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零，而Φ－t圖像在t＝0.01 s和t＝0.03 s時(shí)刻切線的斜率最大，即Φ的變化率最大，交流電動(dòng)勢(shì)達(dá)到最大值。故B正確。
1. (多選)(2020·北京市昌平區(qū)臨川學(xué)校高二下學(xué)期期中)如圖所示，觀察電流表的指針，可以看到(　　)A．指針隨著線圈轉(zhuǎn)動(dòng)而擺動(dòng)，并且線圈旋轉(zhuǎn)一周，指針左右擺動(dòng)一次B．當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)到跟磁感線垂直的平面位置時(shí)，電流表的指針偏轉(zhuǎn)最大C．當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)到跟磁感線平行的位置時(shí)，電流表的指針偏轉(zhuǎn)最大D．在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的線圈里產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流是按正弦規(guī)律變化的
解析：當(dāng)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)磁通量變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)致指針擺動(dòng)；每當(dāng)線圈通過中性面位置時(shí)，電流方向改變，則線圈旋轉(zhuǎn)一周電流方向改變兩次，指針左右擺動(dòng)一次，故 A正確；當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)到跟磁感線垂直的平面位置時(shí)，即中性面位置磁通量變化率為零，故感應(yīng)電流為零，則電流表的指針讀數(shù)為零，故B錯(cuò)誤； 當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)到跟磁感線平行的位置時(shí)，線框切割速度最大，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，電流表的指針偏轉(zhuǎn)最大，故C正確； 在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的線圈里產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流是按正弦規(guī)律變化的，故D正確。
2．(多選)(2020·河南省鄭州市高二調(diào)研)如圖甲所示，矩形線圈abcd在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中逆時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈中產(chǎn)生的交變電流如圖乙所示，設(shè)沿abcda方向?yàn)殡娏髡较?，則下列說法正確的是(　　)A．乙圖中Oa時(shí)間段對(duì)應(yīng)甲圖中A至B圖的過程B．乙圖中c時(shí)刻對(duì)應(yīng)甲圖中的C圖C．若乙圖中d等于0.02 s，則1 s內(nèi)電流的方向改變50次D．若乙圖中b等于0.02 s，則1 s內(nèi)電流的方向改變50次
解析：乙圖中Oa時(shí)間段對(duì)應(yīng)電流為abcda方向且從零逐漸變大，則根據(jù)楞次定律，此過程對(duì)應(yīng)甲圖中A至B圖的過程，選項(xiàng) A正確；乙圖中c時(shí)刻，感應(yīng)電流最大，則磁通量的變化率最大，而C圖的磁通量變化率最小，故B錯(cuò)誤；若乙圖中d等于0.02 s，則周期為0.02 s，則交流電1 s內(nèi)電流的方向改變了100次；故C錯(cuò)誤；若b等于0.02 s，則周期為0.04 s,1 s內(nèi)電流方向改變了50次，故D正確。
3．(2021·浙江省金華高三模擬)一臺(tái)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖甲所示，其中N、S是永久磁鐵的兩個(gè)磁極，它們的表面呈半圓柱面形狀。M是圓柱形鐵芯，鐵芯外套有一矩形線圈，線圈繞鐵芯M中心的固定轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。磁極與鐵芯之間的縫隙中形成方向沿半徑的輻向磁場(chǎng)。若從圖甲所示位置開始計(jì)時(shí)，此時(shí)電動(dòng)勢(shì)為正值，圖乙中能正確反映線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e隨時(shí)間t的變化規(guī)律的是(　　)
解析：由于磁場(chǎng)為沿半徑的輻向磁場(chǎng)，線圈始終垂直切割磁感線，而且可以認(rèn)為切割的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小不變，所以產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小不變，由于每個(gè)周期磁場(chǎng)方向要改變兩次，所以產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向也要改變兩次，選項(xiàng)D正確。
4．(2020·遼寧沈陽一七○中學(xué)高二上學(xué)期期末)如圖甲所示為小型旋轉(zhuǎn)電樞式交流發(fā)電機(jī)的原理圖，矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)方向的固定軸OO′勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈的匝數(shù)n＝100匝，電阻r＝10 Ω，線圈的兩端經(jīng)集流環(huán)與電阻R連接，R＝90 Ω，與R并聯(lián)的交流電壓表為理想電表。在t＝0時(shí)刻，線圈平面與磁場(chǎng)方向平行，穿過每匝線圈的磁通量Φ隨時(shí)間t按圖乙所示正弦規(guī)律變化。求：

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