高中物理人教版 (2019)選擇性必修第二冊(cè)1 交變電流優(yōu)質(zhì)導(dǎo)學(xué)案-學(xué)案下載-教習(xí)網(wǎng)

【學(xué)習(xí)目標(biāo)】
1.通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)交變電流，知道生產(chǎn)生活中使用的大多是正弦式交變電流，會(huì)用圖像和公式描述正弦式交變電流。
2.經(jīng)歷建立正弦式交變電流模型、用右手定則和法拉第電磁感應(yīng)定律推理得出正弦式交變電流方向和大小的規(guī)律的過(guò)程，體會(huì)建立模型與推理分析的思維方法。
3.了解發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，各種發(fā)電機(jī)的區(qū)別在于機(jī)械能產(chǎn)生的形式不同。
【學(xué)習(xí)重難點(diǎn)】
1.教學(xué)重點(diǎn)：理解交變電流產(chǎn)生的物理過(guò)程，熟悉正弦式交電流各參數(shù)的物理意義。
2.教學(xué)難點(diǎn)：交變電流的變化規(guī)律及正弦式交變電流瞬時(shí)值、峰值的推導(dǎo)過(guò)程。
【知識(shí)回顧】
一、右手定則
1．內(nèi)容
伸開右手，使拇指與其余四個(gè)手指垂直，并且都與手掌在同一個(gè)平面內(nèi)；讓磁感線從掌心進(jìn)入，并使拇指指向?qū)Ь€運(yùn)動(dòng)的方向，這時(shí)四指所指的方向就是感應(yīng)電流的方向，如圖所示。
2．適用范圍
適用于閉合電路部分導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況。
二、導(dǎo)線切割磁感線時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)
1．動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)
由于導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)叫動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)。切割磁感線的導(dǎo)線相當(dāng)于一個(gè)電源。
2．動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的大小
(1)導(dǎo)線垂直于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，B、l、v兩兩垂直時(shí)，如圖甲所示，E＝Blv。
(2)導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)方向與導(dǎo)線本身垂直，但與磁感線方向夾角為θ時(shí)，如圖乙所示，E＝Blvsin_θ。
【自主預(yù)習(xí)】
一、交變電流
1．恒定電流
大小和方向都不隨時(shí)間變化的電流。
2．直流
方向不隨時(shí)間變化的電流。
3．交變電流
大小和方向都隨時(shí)間做周期性變化的電流，簡(jiǎn)稱交流。
4．交變電流的圖像
(1)波形圖：電壓或電流隨時(shí)間變化的圖像。
(2)觀察方法：用示波器或電壓傳感器觀察。
5．日常使用的各種充電器能把交變電流變成低壓直流。
二、交變電流的產(chǎn)生和變化規(guī)律
1．交變電流的產(chǎn)生
(1)產(chǎn)生條件：在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，矩形線圈繞垂直于磁場(chǎng)方向的軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
(2)過(guò)程分析(如圖所示)
(3)感應(yīng)電流隨時(shí)間變化的曲線
2．正弦式交變電流
①表達(dá)式：e＝Emsin_ωt
u＝Umsin_ωt
i＝Imsin_ωt
其中Em、Um、Im分別為電動(dòng)勢(shì)、電壓、電流的峰值。
②圖像(如圖所示)
三、交流發(fā)電機(jī)
1．基本組成：產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的線圈(電樞)和產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁體。
2．分類
(1)旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)：電樞轉(zhuǎn)動(dòng)，磁極不動(dòng)，輸出電壓一般不超過(guò)500 V。
(2)旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)：磁極轉(zhuǎn)動(dòng)，電樞不動(dòng)，能夠產(chǎn)生幾千伏到幾萬(wàn)伏的電壓，輸出功率可達(dá)幾百兆瓦。
3．工作過(guò)程：發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子由蒸汽輪機(jī)、水輪機(jī)等帶動(dòng)，蒸汽輪機(jī)、水輪機(jī)將機(jī)械能傳遞給發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，輸送給外電路。
【課堂探究】
【新課導(dǎo)入】
你知道下圖中仿佛由天際而來(lái)，向天際而去的輸電線始于哪里，最終又輸送到哪里嗎？
始于：發(fā)電廠、變電站
輸送到：鄉(xiāng)村、工廠... ...
你知道發(fā)電廠發(fā)電機(jī)利用什么原理發(fā)出來(lái)的電？它具有哪些特點(diǎn)？
學(xué)生根據(jù)自己的了解回答問(wèn)題
【新課教學(xué)】
任務(wù)一、交流發(fā)電機(jī)
交流發(fā)電機(jī)
組成發(fā)電機(jī)的兩部分中一部分不動(dòng)（叫定子），另一部分繞著軸線做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)（叫轉(zhuǎn)子）便可以發(fā)出電來(lái)。
你能用已學(xué)知識(shí)解釋以下交流發(fā)電機(jī)的工作原理嗎？它產(chǎn)生的電流有什么特點(diǎn)？
學(xué)生嘗試解答交變電流的工作原理和特點(diǎn)。
任務(wù)二、交變電流的產(chǎn)生
交流發(fā)電機(jī)示意圖
K
A
F
E
L
D
C
B
交流電的產(chǎn)生原理
請(qǐng)判斷出下列四個(gè)位置時(shí)電流方向？并總結(jié)這樣的發(fā)電機(jī)在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生電流方向有什么特點(diǎn)？
電流方向具有周期性變化的特點(diǎn)。
設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度是B，AB、CD長(zhǎng)為l，AD、BC寬為d，線圈勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度是ω，設(shè)t＝0時(shí)線圈所在平面與磁場(chǎng)反向剛好垂直，則t=t時(shí)刻線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)為多少？
①線圈與中性面的夾角是多少？
②AB邊的速度多大？
③AB邊速度方向與磁場(chǎng)方向夾角是多大？
ωt
④AB邊中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)多大？
⑤此時(shí)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)多大？
⑥若線圈由N匝組成，此時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)多大？
這樣的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流大小和方向有什么特點(diǎn)？
學(xué)生回答電流大小和方向的特點(diǎn)。
任務(wù)三、交變電流的變化規(guī)律
（一）交變電流
若設(shè)回路中的總電阻為R，則根據(jù)閉合回路歐盟定律得：
電流方向和大小隨時(shí)間做周期性變化，其符合正弦函數(shù)變化規(guī)律，這樣的交變電流叫做正弦式交變電流。
交變電流，簡(jiǎn)稱交流（AC)
方向不隨時(shí)間變化的電流叫做直流電，簡(jiǎn)稱直流(DC)。
正弦式交變電流的變化規(guī)律
正弦式交變電流是怎樣產(chǎn)生的？
當(dāng)線圈繞著與勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向垂直的軸線勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生正弦式交變電流。
電動(dòng)勢(shì)的最大值為多少？當(dāng)電動(dòng)勢(shì)最大時(shí)線圈處于什么位置時(shí)？電動(dòng)勢(shì)為0時(shí)，線圈又處于什么位置。
電動(dòng)勢(shì)最大時(shí)：
電動(dòng)勢(shì)為0時(shí)：
中性面
若電路中的負(fù)載為純電阻電路時(shí)，負(fù)載兩端的電壓和流過(guò)的電流變化規(guī)律如何？
負(fù)載兩端的電壓和流過(guò)的電流也按正弦規(guī)律變化
其中Um 、 Im分別叫電壓和電流的最大值，也叫峰值。
而u、i 則是相應(yīng)的物理量的瞬時(shí)值。
以上表達(dá)形式是不是什么情況下都成立？
若線圈從中性面的垂面（峰值面）開始計(jì)時(shí)，在t 時(shí)刻線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是多少？
另一種推導(dǎo)方式：
負(fù)載兩端電壓變化規(guī)律：
流過(guò)負(fù)載的電流變化規(guī)律：
說(shuō)明：物理學(xué)中，正弦交變電流與余弦交變電流(本質(zhì)規(guī)律都相同)統(tǒng)稱為正弦式交流電。
【自我測(cè)評(píng)】
1．如圖所示，屬于交變電流的是( )
【答案】C
【詳解】方向隨時(shí)間周期性變化是交變電流最重要的特征。A、B、D三個(gè)選項(xiàng)中電流大小隨時(shí)間周期性變化，但其方向不變，不是交變電流，它們是直流電，故A、B、D錯(cuò)誤；C選項(xiàng)中電流符合交變電流的特征，故C正確。
2．[多選]如圖所示，一面積為S的單匝矩形線圈處于有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，能使線圈中產(chǎn)生交變電流的是( )
A．將線圈水平向右勻速拉出磁場(chǎng)
B．使線圈以O(shè)O′為軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)
C．使線圈以ab邊為軸勻速運(yùn)動(dòng)
D．使磁感應(yīng)強(qiáng)度以B＝B0sin ωt的規(guī)律變化
【答案】BCD
【詳解】將線圈水平向右勻速拉出磁場(chǎng)的過(guò)程中，穿過(guò)線圈的磁通量均勻減小，產(chǎn)生的感應(yīng)電流大小和方向均不變，A錯(cuò)誤。線圈繞垂直于磁感線方向的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，穿過(guò)線圈的磁通量發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生交變電流，B、C正確。如果磁感應(yīng)強(qiáng)度按正弦規(guī)律發(fā)生周期性變化，而線圈面積不變，則穿過(guò)線圈的磁通量也按正弦規(guī)律發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生交變電流，D正確。
3．如圖所示，面積均為S的單匝線圈繞軸在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。從圖中所示位置開始計(jì)時(shí)，下圖中能產(chǎn)生正弦式交變電動(dòng)勢(shì)e＝BSωsin ωt的是( )
【答案】A
【詳解】由題圖知，只有A、B圖中線圈在切割磁感線，穿過(guò)線圈的磁通量在變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。但B圖中線圈在t＝0時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，不按正弦規(guī)律變化，故只有A圖中線圈產(chǎn)生正弦式交變電動(dòng)勢(shì)e＝BSωsin ωt，A正確。
4．[多選]如圖所示，一矩形閉合線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)方向的轉(zhuǎn)軸OO′以恒定的角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)。從線圈平面與磁場(chǎng)方向平行時(shí)開始計(jì)時(shí)，則在0～eq \f(π,2ω)這段時(shí)間內(nèi)( )
A．線圈中的感應(yīng)電流一直在減小
B．線圈中的感應(yīng)電流先增大后減小
C．穿過(guò)線圈的磁通量一直在減小
D．穿過(guò)線圈的磁通量的變化率一直在減小
【答案】AD
【詳解】根據(jù)題圖位置可知，線圈平面與磁場(chǎng)方向平行，感應(yīng)電流最大。因?yàn)閑q \f(π,2ω)＝eq \f(T,4)，在0～eq \f(π,2ω)時(shí)間內(nèi)線圈轉(zhuǎn)過(guò)四分之一周，感應(yīng)電流從最大減小為零，穿過(guò)線圈的磁通量逐漸增大，穿過(guò)線圈的磁通量的變化率一直在減小，故A、D正確。
5．如圖所示，線圈abcd的面積是0.05 m2，共100匝，線圈的總電阻r＝1 Ω，外接電阻R＝9 Ω，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝eq \f(1,π) T，線圈以角速度ω＝100π rad/s勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。
(1)若線圈經(jīng)過(guò)圖示位置(線圈平面與磁感線垂直)時(shí)開始計(jì)時(shí)，寫出線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值的表達(dá)式。
(2)寫出交變電流的瞬時(shí)值表達(dá)式。
【答案】(1)e＝500sin 100πt(V) (2)i＝50sin 100πt(A)
【解析】(1)線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值
Em＝NBSω＝100×eq \f(1,π)×0.05×100π V＝500 V，
線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值e＝Emsin ωt，
所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值表達(dá)式為e＝500sin 100πt(V)。
(2)交變電流的最大值Im＝eq \f(Em,R＋r)＝eq \f(500,9＋1) A＝50 A，
所以交變電流的瞬時(shí)值表達(dá)式為i＝50sin 100πt(A)。
【學(xué)后反思】本節(jié)課學(xué)習(xí)中，你有哪些收獲，還有哪些問(wèn)題？

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