
1.知道交變電流、直流的概念,理解正弦式交變電流的產(chǎn)生原理。2.知道交變電流的峰值、瞬時值的含義。3.掌握交變電流的變化規(guī)律,會用函數(shù)和圖像表述交變電流。4.了解交流發(fā)電機和交流發(fā)電機中的能量轉(zhuǎn)化。
必備知識·自主預(yù)習(xí)儲備
知識點一 交變電流及其產(chǎn)生1.交變電流(1)交變電流:大小和方向都隨時間做______變化的電流,簡稱交流電。(2)直流:____不隨時間變化的電流。大小和方向都不隨時間變化的電流,稱為恒定電流。(3)正弦交流電:電流的大小和方向都隨時間按________規(guī)律變化的交變電流。
2.正弦交變電流的產(chǎn)生(1)產(chǎn)生條件:在勻強磁場中,閉合矩形線圈繞__________方向的軸勻速轉(zhuǎn)動時,線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流是正弦交流電。(2)過程分析(如圖所示):
(3)中性面:線圈在磁場中轉(zhuǎn)動的過程中,線圈平面與磁場____時所在的平面。
思考 線圈所在區(qū)域磁場特點?
提示:可看作是勻強磁場。
知識點二 交變電流的變化規(guī)律1.從兩個特殊位置開始計時瞬時值的表達(dá)式
2.正弦交變電流的圖像
3.幾種不同類型的交變電流
思考 正弦交流電的電動勢、電流按正弦規(guī)律變化,對應(yīng)的e-t、i-t圖像形狀有什么特點?
提示:都是正弦函數(shù)圖像。
知識點三 發(fā)電機與電動機中的能量轉(zhuǎn)化1.發(fā)電機(1)定義:把機械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。(2)發(fā)電方式:火力發(fā)電,水力發(fā)電,____發(fā)電,太陽能發(fā)電,____發(fā)電等。2.電動機(1)定義:將電能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置。(2)優(yōu)點:高效易控,__________等。
思考 發(fā)電機和電動機工作過程中的能量轉(zhuǎn)化有何不同?
提示:發(fā)電機是通過電磁感應(yīng),把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能;電動機是通過安培力做功,把電能轉(zhuǎn)化為機械能。
[預(yù)習(xí)體驗]1.思考辨析(正確的打“√”,錯誤的打“×”)(1)線圈轉(zhuǎn)動一周有兩次經(jīng)過中性面,每轉(zhuǎn)一周電流方向改變一次。( )(2)當(dāng)線圈中的磁通量最大時,產(chǎn)生的感應(yīng)電流也最大。( )(3)線圈繞垂直于磁場的軸勻速轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的電流是交變電流。( )
2.填空(1)交流發(fā)電機在工作時電動勢為e=Emsin ωt,若將發(fā)電機的轉(zhuǎn)速提高一倍,同時將電樞所圍面積減小一半,其他條件不變,則其電動勢變?yōu)開_____________。(2)如圖所示,100匝的線框abcd在圖示磁場(勻強磁場)中勻速轉(zhuǎn)動,角速度為ω,其電動勢的瞬時值為e=100cs (100πt) V,那么感應(yīng)電動勢的最大值為_____,當(dāng)從圖示位置轉(zhuǎn)過60°角時線圈中的感應(yīng)電動勢為 _____,此時穿過線圈的磁通量的變化率為_________。(3)發(fā)電機的分類可分為____發(fā)電機、____發(fā)電機。(4)發(fā)電機將______轉(zhuǎn)化為____,輸送給外電路。
e'=Emsin 2ωt
關(guān)鍵能力·情境探究達(dá)成
1.如圖所示,線圈此刻所在的位置是什么位置,磁通量最大還是最???是否有感應(yīng)電動勢?
2.如圖所示,線圈此刻所在的位置是什么位置,磁通量最大還是最???是否有感應(yīng)電動勢?
提示:1.中性面;磁通量最大;無感應(yīng)電動勢。2.與中性面垂直的位置;磁通量最小為零;感應(yīng)電動勢最大。
考點1 正弦交變電流的產(chǎn)生1.兩個特殊位置的特點
2.正弦交變電流的產(chǎn)生條件(1)勻強磁場。(2)線圈勻速轉(zhuǎn)動。(3)線圈的轉(zhuǎn)軸垂直于磁場方向。
【典例1】 如圖甲和乙是交流發(fā)電機的示意圖,線圈ABCD在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動。下列說法正確的是( )A.圖甲中穿過線圈的磁通量最大,電路中的感應(yīng)電流最大B.圖乙中穿過線圈的磁通量最大,電路中的感應(yīng)電流最大C.圖甲中穿過線圈的磁通量變化率為零,電路中的感應(yīng)電流為零D.圖乙中穿過線圈的磁通量變化率為零,電路中的感應(yīng)電流為零
C [圖甲中線圈位于中性面位置,穿過線圈的磁通量最大,磁通量的變化率為零,產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為零,電路中的感應(yīng)電流為0,故A錯誤,C正確;圖乙中線圈位于與中性面垂直的位置,穿過線圈的磁通量為零,磁通量的變化率最大,產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大,電路中的感應(yīng)電流最大,故B、D錯誤。]
[注意事項] 產(chǎn)生正弦交變電流的條件是:線圈繞垂直于勻強磁場的軸勻速轉(zhuǎn)動,與線圈的形狀和轉(zhuǎn)軸的位置無關(guān)。
[跟進訓(xùn)練]1.交流發(fā)電機發(fā)電過程示意圖如圖所示,線圈勻速轉(zhuǎn)動過程中,下列說法正確的是( )A.轉(zhuǎn)到圖甲位置時,線圈位于中性面B.轉(zhuǎn)到圖乙位置時,線圈中電流方向發(fā)生改變C.轉(zhuǎn)到圖丙位置時,CD邊感應(yīng)電流方向為D→CD.轉(zhuǎn)到圖丁位置時,線圈中的磁通量變化率最大
B [轉(zhuǎn)到題圖甲位置時,線圈為與中性面垂直的位置,故A錯誤;轉(zhuǎn)到題圖乙位置時,即線圈為中性面位置,此時線圈中電流方向發(fā)生改變,故B正確;轉(zhuǎn)到題圖丙位置時,由右手定則可得,CD邊感應(yīng)電流方向為C→D,故C錯誤;轉(zhuǎn)到題圖丁位置時,線圈中的磁通量最大,磁通量變化率為零,故D錯誤。故選B。]
2.峰值(1)由e=NBSωsin ωt可知,電動勢的峰值Em=NBSω。(2)交變電動勢的最大值,由線圈匝數(shù)N、磁感應(yīng)強度B、轉(zhuǎn)動角速度ω及線圈面積S決定,與線圈的形狀無關(guān),與轉(zhuǎn)軸的位置無關(guān),但轉(zhuǎn)軸必須垂直于磁場,因此如圖所示的幾種情況,若N、B、S、ω相同,則電動勢的最大值相同。
[答案] (1)e=375sin 5πt(V) (2)375 V
[母題變式]在[典例2]中,若線圈從處于垂直于中性面的位置開始計時,其他條件不變,結(jié)果如何呢?
考點3 交變電流的圖像1.對交變電流圖像的認(rèn)識如圖所示,正弦交變電流隨時間的變化情況可以從圖像上表示出來,圖像描述的是交變電流的電動勢、電流、電壓隨時間變化的規(guī)律,它們是正弦曲線。
2.交變電流圖像的應(yīng)用從圖像中可以解讀到以下信息:(1)交變電流的最大值Im、Em、Um、周期T。(2)因線圈在中性面時感應(yīng)電動勢、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刻。(3)找出線圈平行于磁感線的時刻。(4)判斷線圈中磁通量的變化情況。(5)分析判斷e、i、u隨時間的變化規(guī)律。
規(guī)律方法 交變電流圖像的分析方法一看:看“軸”、看“線”、看“斜率”、看“點”,并理解其物理意義。二變:掌握“圖與圖”“圖與式”和“圖與物”之間的變通關(guān)系。三判:在此基礎(chǔ)上進行正確的分析和判斷。
[跟進訓(xùn)練]3.一矩形線圈繞垂直于勻強磁場并位于線圈平面內(nèi)的固定軸勻速轉(zhuǎn)動,線圈中的感應(yīng)電動勢e隨時間t變化的規(guī)律如圖所示,則下列說法正確的是( )A.圖像是從線圈平面位于中性面開始計時的B.t2時刻穿過線圈的磁通量為零C.t2時刻穿過線圈的磁通量的變化率為零D.感應(yīng)電動勢e的方向變化時,穿過線圈的磁通量的方向也變化
B [由題圖可知,當(dāng)t=0時,感應(yīng)電動勢最大,說明穿過線圈的磁通量的變化率最大,磁通量為零,即是從線圈平面與磁場方向平行時開始計時的,選項A錯誤;t2時刻感應(yīng)電動勢最大,穿過線圈的磁通量的變化率最大,磁通量為零,選項B正確,C錯誤;感應(yīng)電動勢e的方向變化時,線圈通過中性面,穿過線圈的磁通量最大,但方向并不變化,選項D錯誤。]
學(xué)習(xí)效果·隨堂評估自測
1.如圖所示的圖像中屬于直流的是( )
D [方向不變的電流為直流,電流方向發(fā)生周期性變化的為交流,A、B、C選項中電流方向發(fā)生周期性變化為交流電,故A、B、C錯誤,D項中電流方向不變,為直流,故D正確。故選D。]
2.如圖所示,關(guān)于電磁現(xiàn)象,下列說法正確的是( )
A.甲圖,用細(xì)金屬絲將直導(dǎo)線水平懸掛在磁鐵的兩極間,當(dāng)通以如圖所示的電流時,導(dǎo)線會向左擺動一定角度B.乙圖,是真空冶煉爐,當(dāng)爐外線圈通入高頻交流電時,鐵塊中產(chǎn)生渦流,從而產(chǎn)生大量熱量,冶煉金屬C.丙圖,通電線圈在磁場作用下轉(zhuǎn)動,機械能轉(zhuǎn)化為電能D.丁圖,當(dāng)用力讓線圈發(fā)生轉(zhuǎn)動時,電流表就有電流通過,利用此原理可制成電動機
B [題圖甲,用細(xì)金屬絲將直導(dǎo)線水平懸掛在磁鐵的兩極間,當(dāng)通以如圖所示的電流時,根據(jù)左手定則可知導(dǎo)線受到向右的安培力,導(dǎo)線會向右擺動一定角度,A錯誤;題圖乙,是真空冶煉爐,當(dāng)爐外線圈通入高頻交流電時,鐵塊中產(chǎn)生渦流,鐵塊中產(chǎn)生大量熱量,從而冶煉金屬,B正確;題圖丙,通電線圈在磁場作用下轉(zhuǎn)動,電能轉(zhuǎn)化為機械能,C錯誤;題圖丁,當(dāng)用力讓線圈發(fā)生轉(zhuǎn)動時,線圈的磁通量發(fā)生變化,產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,電流表就有電流通過,利用此原理可制成發(fā)電機,D錯誤。故選B。]
3.一閉合矩形線圈abcd繞垂直于磁感線的固定軸OO′勻速轉(zhuǎn)動,線圈平面位于圖甲所示的勻強磁場中。通過線圈的磁通量Φ隨時間t的變化規(guī)律如圖乙所示,則( )A.t1、t3時刻通過線圈的磁通量變化率最大B.t1、t3時刻前后線圈中感應(yīng)電流方向相同C.t2、t4時刻通過線圈的磁通量變化率最小D.t2、t4時刻線圈中感應(yīng)電動勢最大
D [t1、t3時刻通過線圈的磁通量最大,而磁通量的變化率等于零,故A錯誤;t1、t3時刻通過線圈的磁通量最大,處于中性面,線圈中感應(yīng)電流方向改變,故B錯誤;t2、t4時刻磁通量為零,線圈與磁場平行,磁通量的變化率最大,線圈中感應(yīng)電動勢最大,故C錯誤,D正確。故選D。]
回歸本節(jié)知識,自我完成以下問題:(1)在線圈轉(zhuǎn)動過程中,磁通量最大時,磁通量變化率為多少?磁通量為零時,磁通量變化率為多少?
提示:磁通量變化率恰好為0;磁通量變化率恰好最大。
(2)感應(yīng)電動勢的大小由磁通量變化率決定,與磁通量的大小有無關(guān)系?
(3)從垂直于中性面的位置開始計時,若線圈給外電阻R供電,設(shè)線圈本身的電阻為r,則閉合回路的電流的表達(dá)式如何?
課時分層作業(yè)(九) 交變電流
題組一 正弦交變電流的產(chǎn)生1.關(guān)于線圈在勻強磁場中轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的交變電流,以下說法中正確的是( )A.線圈平面每經(jīng)過中性面一次,感應(yīng)電流方向就改變一次,感應(yīng)電動勢方向不變B.線圈每轉(zhuǎn)動一周,感應(yīng)電流方向就改變一次,感應(yīng)電動勢方向不變C.線圈平面每經(jīng)過中性面一次,感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流的方向都要改變一次D.線圈每轉(zhuǎn)動一周,感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流的方向都要改變一次
C [線圈轉(zhuǎn)至中性面時,線圈平面垂直于磁感線,磁通量最大,但磁通量的變化率、感應(yīng)電動勢、感應(yīng)電流均為零,電流方向恰好發(fā)生變化,因此,線圈在勻強磁場中轉(zhuǎn)動產(chǎn)生交變電流時,每經(jīng)過中性面一次,感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流的方向都要改變一次,線圈每轉(zhuǎn)動一周,兩次經(jīng)過中性面,感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流的方向都改變兩次,只有C正確。]
2.交流發(fā)電機發(fā)電過程示意圖如圖所示,線圈轉(zhuǎn)動過程中,下列說法正確的是( )
A.轉(zhuǎn)到圖甲位置時,通過線圈的磁通量變化率最大B.轉(zhuǎn)到圖乙位置時,線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為零C.轉(zhuǎn)到圖丙位置時,線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流最大D.轉(zhuǎn)到圖丁位置時,AB邊感應(yīng)電流方向為A→B
D [轉(zhuǎn)到題圖甲位置時,線圈平面與磁感線垂直,磁通量最大,但磁通量變化率最小,A錯誤;轉(zhuǎn)到題圖乙位置時,線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大,B錯誤;轉(zhuǎn)到題圖丙位置時,線圈位于中性面位置,此時感應(yīng)電流為零,C錯誤;轉(zhuǎn)到題圖丁位置時,根據(jù)右手定則可知AB邊感應(yīng)電流方向為A→B,D正確。]
題組二 對交變電流的變化規(guī)律的理解3.如圖所示,一單匝矩形線圈abcd,已知ab邊長為l1,bc邊長為l2,在磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中繞OO′軸以角速度ω從圖示位置開始勻速轉(zhuǎn)動,則t時刻線圈中的感應(yīng)電動勢為( )A.0.5Bl1l2ωsin ωt B.0.5Bl1l2ωcs ωtC.Bl1l2ωsin ωt D.Bl1l2ωcs ωt
D [線圈從題圖所示位置開始轉(zhuǎn)動,電動勢瞬時值的表達(dá)式為e=Emcs ωt,由題意知Em=BSω=Bl1l2ω,所以e=Bl1l2ωcs ωt。故選D。]
5.如圖所示,矩形線圈abcd在勻強磁場中可以分別繞垂直于磁場方向的軸P1和P2以相同的角速度勻速轉(zhuǎn)動,當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)到與磁場方向平行時( )A.線圈繞P1轉(zhuǎn)動時的電流等于繞P2轉(zhuǎn)動時的電流B.線圈繞P1轉(zhuǎn)動時的電動勢小于繞P2轉(zhuǎn)動時的電動勢C.線圈繞P1和P2轉(zhuǎn)動時電流的方向相同,都是a→b→c→d→aD.線圈繞P1轉(zhuǎn)動時dc邊受到的安培力大于繞P2轉(zhuǎn)動時dc邊受到的安培力
A [線圈繞垂直于磁場方向的軸轉(zhuǎn)動產(chǎn)生交變電流,產(chǎn)生的電流、電動勢及線圈各邊所受安培力大小與轉(zhuǎn)軸所在位置無關(guān),故選項A正確,選項B、D錯誤;題圖所示時刻產(chǎn)生電流的方向為a→d→c→b→a,故選項C錯誤。]
題組三 交變電流的圖像6.一閉合矩形線圈abcd繞垂直于磁感線的固定軸OO′勻速轉(zhuǎn)動,線圈平面位于如圖甲所示的勻強磁場中。通過線圈的磁通量Φ隨時間t的變化規(guī)律如圖乙所示,下列說法正確的是( )A.t1、t3時刻通過線圈的磁通量的變化率最大B.t1、t3時刻線圈中感應(yīng)電流方向改變C.t2、t4時刻通過線圈的磁通量最大D.t2、t4時刻線圈中感應(yīng)電動勢最小
7.線圈在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動,產(chǎn)生交變電流的圖像如圖所示,由圖可知( )?A.在A和C時刻線圈處于中性面位置B.在B和D時刻穿過線圈的磁通量為零C.從A時刻到D時刻線圈轉(zhuǎn)過的角度為π radD.在A和C時刻磁通量變化率的絕對值最大
8.已知矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁感線的軸勻速轉(zhuǎn)動,穿過線圈的磁通量隨時間變化的圖像如圖甲所示,則下列說法正確的是( )A.t=0時刻線圈平面與中性面垂直B.t=0.01 s時刻Φ的變化率達(dá)最大C.t=0.02 s時刻感應(yīng)電動勢達(dá)到最大D.該線圈相應(yīng)的感應(yīng)電動勢圖像如圖乙所示
B [t=0時刻磁通量最大,線圈位于中性面位置,故A錯誤;t=0.01 s時刻磁通量為零,線圈位于垂直中性面的位置,電動勢最大,磁通量的變化率最大,故B正確;t=0.02 s時刻磁通量最大,磁通量的變化率為零,感應(yīng)電動勢為零,故C錯誤;感應(yīng)電動勢與磁通量的變化率成正比,電動勢隨時間變化的圖像為正弦曲線,D錯誤。]
9.如圖所示,N=50匝的矩形線圈abcd,ab邊長l1=20 cm,ad邊長l2=25 cm,放在磁感應(yīng)強度B=0.4 T的勻強磁場中,外力使線圈繞垂直于磁感線且通過線圈中線的OO′軸以n=3 000 r/min 的轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動,線圈電阻r=1 Ω,外電路電阻R=9 Ω,t=0時線圈平面與磁感線平行,ab邊正轉(zhuǎn)出紙外、cd邊轉(zhuǎn)入紙里,求:(1)t=0時感應(yīng)電流的方向;(2)感應(yīng)電動勢的瞬時值表達(dá)式;(3)從圖示位置轉(zhuǎn)過90°的過程中流過電阻R的電荷量。
[解析] (1)根據(jù)“t=0時平面與磁感線平行,ab邊正轉(zhuǎn)出紙外、cd邊轉(zhuǎn)入紙里”,運用右手定則,得出感應(yīng)電流的方向是a→d→c→b→a,如圖所示。(2)以n=3 000 r/min的轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動,所以線圈的角速度ω=100π rad/s感應(yīng)電動勢的最大值為Em=NBSω≈314 V所以感應(yīng)電動勢的瞬時值表達(dá)式為e=NBSωcs ωt=314cs 100πt(V)。
[答案] (1)a→d→c→b→a (2)e=314cs 100πt(V) (3)0.1 C
10.(多選)水力發(fā)電站和火力發(fā)電站都采用旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機,但是發(fā)電機的結(jié)構(gòu)一般不同。水力發(fā)電站常采用圖甲所示原理的發(fā)電機,A、B、C、D均為線圈;火力發(fā)電站常采用圖乙所示原理的發(fā)電機,A、B、C、D均為沿軸方向的導(dǎo)線。當(dāng)圖中固定有磁鐵的轉(zhuǎn)子順時針勻速旋轉(zhuǎn)到圖示位置時,某同學(xué)在兩圖中標(biāo)示了電流方向,下列說法正確的是( )A.圖甲中A、C線圈電流標(biāo)示方向正確B.圖甲中B、D線圈電流標(biāo)示方向正確C.圖乙中A、B導(dǎo)線電流標(biāo)示方向正確D.圖乙中C、D導(dǎo)線電流標(biāo)示方向正確
AC [題圖甲中,A、B、C、D線圈中磁場均減弱,根據(jù)磁場減弱方向,結(jié)合楞次定律和安培定則,可知A、C線圈電流標(biāo)示方向正確,B、D線圈電流標(biāo)示方向錯誤,A正確,B錯誤;題圖乙中,磁鐵運動,導(dǎo)線切割磁感線產(chǎn)生電流,由右手定則可知,A、B導(dǎo)線電流標(biāo)示方向正確,C、D導(dǎo)線電流標(biāo)示方向錯誤,C正確,D錯誤。故選AC。]
12.如圖所示是交流發(fā)電機模型示意圖。在磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中,矩形線圈abcd可繞線圈平面內(nèi)垂直于磁感線的OO′軸轉(zhuǎn)動,線圈在轉(zhuǎn)動中保持和外電路電阻R形成閉合電路。已知ab長度為L1,bc長度為L2,線圈電阻為r,線圈以恒定角速度ω逆時針轉(zhuǎn)動。求:(只考慮單匝線圈,不計其他電阻)(1)線圈轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的最大感應(yīng)電動勢Em;(2)若線圈經(jīng)過圖示位置時開始計時,寫出電流的瞬時值表達(dá)式;(3)線圈從圖示位置轉(zhuǎn)過90°的過程中電阻R上通過的電荷量。
這是一份高中物理教科版 (2019)選擇性必修 第二冊第三章 交流電2 正弦交變電流的描述圖片ppt課件,共59頁。PPT課件主要包含了變化快慢,熱效應(yīng)等內(nèi)容,歡迎下載使用。
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