2019-2020學年高中物理 第五章 交變電流 1 交變電流課件 新人教版選修3-2.ppt

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第五章交變電流 1交變電流 一 交變電流1 交變電流 大小和方向都隨時間做周期性變化的電流 簡稱交流 2 直流 方向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 二 交變電流的產生1 產生條件 在勻強磁場中 矩形線圈繞垂直于磁場方向的軸勻速轉動 2 中性面 線圈在磁場中轉動的過程中 線圈平面與磁場垂直時所在的平面 三 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式 2 正弦式交變電流 按正弦規(guī)律變化的交變電流 簡稱正弦式電流 3 幾種不同類型的交變電流在實際應用中 交變電流有不同的變化規(guī)律 常見的有以下幾種 如圖所示 交變電流之父 特斯拉 自我檢測1 正誤判斷 1 只要線圈在磁場中轉動 就可以產生交變電流 解析 如果線圈繞與磁場平行的軸轉動 則不會產生感應電流 答案 2 當線圈中的磁通量最大時 產生的電流也最大 解析 線圈與磁場平行時 電動勢最大 此時磁通量為零 答案 3 當線圈平面與磁場垂直時 線圈中沒有電流 解析 線圈與磁場垂直時 線圈中電流為零 答案 4 表達式為e Emsin t的交變電流為正弦式交變電流 表達式為 解析 按正弦函數(shù)變化規(guī)律變化的交變電流都是正弦式交變電流 答案 2 如圖所示 屬于交變電流的是 解析 交變電流是指電流的大小和方向均隨時間做周期性變化 由圖可知 符合條件的只有C 答案 C 探究一 探究二 探究三 交變電流的產生問題探究假定線圈沿逆時針方向勻速轉動 如圖甲至丁所示 請分析判斷 探究一 探究二 探究三 1 圖中 在線圈由甲轉到乙的過程中 AB邊中電流向哪個方向流動 2 在線圈由丙轉到丁的過程中 AB邊中電流向哪個方向流動 3 當線圈轉到什么位置時線圈中沒有電流 轉到什么位置時線圈中的電流最大 4 大致畫出通過電流表的電流隨時間變化的曲線 從E經過負載流向F的電流記為正 反之為負 在橫坐標上標出線圈到達甲 乙 丙 丁幾個位置時對應的時刻 探究一 探究二 探究三 要點提示 1 由B到A 2 由A到B 3 線圈轉到甲或丙位置時線圈中沒有電流 稱為中性面 線圈轉到乙或丁位置時線圈中的電流最大 4 探究一 探究二 探究三 知識歸納1 中性面 S B位置 如問題探究圖中的甲 丙 線圈平面與 線圈經過中性面時 電流方向發(fā)生改變 線圈轉一圈 電流方向改變兩次 2 垂直于中性面位置 S B位置 如問題探究圖中的乙 丁 此時 為0 最大 e最大 i最大 穿過線圈平面的磁通量最大 感應電動勢為零 穿過線圈平面的磁通量為零 感應電動勢最大 探究一 探究二 探究三 典例剖析 例題1 多選 如圖所示 線圈在勻強磁場中繞垂直于勻強磁場且在線圈平面內的軸勻速轉動時產生交變電流 則下列說法中正確的是 A 當線圈位于中性面時 線圈中感應電流最大B 當穿過線圈的磁通量為零時 線圈中感應電動勢最大C 線圈在磁場中每轉一周 產生的感應電流方向改變一次D 每當線圈經過中性面時 感應電流的方向就改變一次 探究一 探究二 探究三 解析 線圈位于中性面時 線圈平面與磁場垂直 此時磁通量最大 但是各邊都不切割磁感線 或者說磁通量的變化率為零 所以感應電動勢為零 而穿過線圈的磁通量為零時 切割磁感線的有效速度最大 磁通量的變化率最大 所以感應電動勢最大 故選項A錯誤 B正確 線圈在磁場中每轉一周 產生的感應電流方向改變兩次 選項C錯誤 很明顯選項D正確 答案 BD 探究一 探究二 探究三 1 對于交變電流產生過程中各物理量的變化情況分析 應抓住中性面這個關鍵位置 特別注意的是此時穿過線圈平面的磁通量雖最大 但磁通量的變化率卻最小 等于零 電動勢等于零 電流等于零 因此磁通量的變化規(guī)律與感應電動勢 感應電流 的變化規(guī)律恰好相反 一方增大時另一方恰好減小 2 交變電流變化的周期等于線圈轉動的周期 線圈每經過中性面一次 電流方向就改變一次 線圈每轉一周 經過中性面兩次 因此線圈每轉一周 電流方向改變兩次 探究一 探究二 探究三 變式訓練1 多選 如圖所示 矩形線圈在勻強磁場中勻速轉動 在線圈平面經過中性面瞬間 A 線圈平面與磁感線平行B 通過線圈的磁通量最大C 線圈中的感應電動勢最大D 線圈中感應電動勢的方向突變解析 根據中性面的定義 線圈平面經過中性面瞬間 通過線圈的磁通量最大 線圈中的感應電動勢為零 此后 感應電動勢方向 即感應電流方向 將與原方向相反 答案 BD 探究一 探究二 探究三 正弦式交變電流的變化規(guī)律問題探究圖b是圖a中線圈ABCD在磁場中繞軸OO 轉動時三個不同時刻的截面圖 線圈平面從中性面開始轉動 角速度為 經過時間t 線圈轉過的角度是 t 設AB邊長為L1 BC邊長為L2 線圈面積S L1L2 磁感應強度為B 則 圖a圖b 探究一 探究二 探究三 1 甲 乙 丙中AB邊產生的感應電動勢各為多大 2 甲 乙 丙中整個線圈中的感應電動勢各為多大 3 若線圈有N匝 則甲 乙 丙中整個線圈的感應電動勢各為多大 要點提示 1 甲 eAB 0 2 整個線圈中的感應電動勢由AB和CD兩部分組成 且eAB eCD 所以甲 e 0乙 e eAB eCD BS sin t丙 e BS 探究一 探究二 探究三 3 若線圈有N匝 則相當于N個完全相同的電源串聯(lián) 所以甲 e 0乙 e NBS sin t丙 e NBS 探究一 探究二 探究三 知識歸納1 正弦式交變電流的表達式e Emsin t u Umsin t i Imsin t 其中Em為最大值 也叫峰值 2 正弦式交變電流的峰值 1 轉軸在線圈所在平面內且與磁場垂直 當線圈平面與磁場平行時 線圈中的感應電動勢達到峰值 且滿足Em nBS 2 決定因素 由線圈匝數(shù)n 磁感應強度B 轉動角速度 和線圈面積S決定 與線圈的形狀無關 與轉軸的位置無關 3 如圖所示的幾種情況中 如果n B S均相同 則感應電動勢的峰值均為Em nBS 探究一 探究二 探究三 典例剖析 例題2 如圖所示 勻強磁場磁感應強度B 0 1T 所用矩形線圈的匝數(shù)n 100 邊長lab 0 2m lbc 0 5m 以角速度 100 rad s繞OO 軸勻速轉動 試求 1 感應電動勢的峰值 2 若從線圈平面垂直磁感線時開始計時 線圈中瞬時感應電動勢的表達式 3 若從線圈平面平行磁感線時開始計時 求線圈在t 時刻的感應電動勢大小 探究一 探究二 探究三 解析 1 由題可知 S lab lbc 0 2 0 5m2 0 1m2 感應電動勢的峰值Em nBS 100 0 1 0 1 100 V 100 V 314V 2 若從線圈平面垂直磁感線時開始計時 感應電動勢的瞬時值e Emsin t所以e 314sin 100 t V 3 若從線圈平面平行磁感線時開始計時 感應電動勢的瞬時值表達式為e Emcos t 代入數(shù)據得e 314cos 100 t V 答案 1 314V 2 e 314sin 100 t V 3 157V 探究一 探究二 探究三 求解交變電流的瞬時值問題的答題步驟 探究一 探究二 探究三 變式訓練2如圖所示 匝數(shù)為100的圓形線圈繞與勻強磁場垂直的軸OO 以50r s的轉速轉動 穿過線圈的最大磁通量為0 01Wb 從圖示的位置開始計時 則線圈中感應電動勢瞬時值的表達式為 A e 50sin tVB e 314cos314tVC e 50cos tVD e 314sin314tV 探究一 探究二 探究三 解析 線圈在勻強磁場中勻速轉動產生正弦式交變電流 產生的交流與線圈形狀無關 由Em nBS 可知 Em與線圈面積S 角速度 有關 角速度 2 3 14 50rad s 314rad s 最大值Em nBS n n 314V 線圈從圖示位置即與中性面成的位置開始計時 此時感應電動勢達到最大值 據三角函數(shù)關系可得出e 314cos314tV B對 答案 B 探究一 探究二 探究三 正弦式交變電流的圖象問題探究如圖所示 線圈ABCD在勻強磁場中繞OO 勻速轉動 若線圈平面從中性面開始轉動為計時起點 角速度為 設線圈面積為S 磁感應強度為B 圖 a 中各圖與圖 b 時間軸上各時刻對應 在圖 b 中作出線圈在磁場中轉動一周的過程中 感應電流隨時間的變化關系圖象 探究一 探究二 探究三 要點提示 如圖所示 探究一 探究二 探究三 知識歸納1 用圖象描述交變電流的變化規(guī)律 在中性面時t 0 如下 探究一 探究二 探究三 探究一 探究二 探究三 2 從圖象中可以解讀到以下信息 1 交變電流的最大值Im Em 2 因線圈在中性面時感應電動勢 感應電流均為零 磁通量最大 所以可確定線圈位于中性面的時刻 3 可找出線圈平行磁感線的時刻 4 判斷線圈中磁通量的變化情況 5 分析判斷i e隨時間的變化規(guī)律 探究一 探究二 探究三 典例剖析 例題3 一矩形線圈在勻強磁場中勻速轉動時 產生的交變電動勢的圖象如圖所示 則 A 交變電流的頻率是4 HzB 當t 0時 線圈平面與磁感線垂直 磁通量最大C 當t s時 e有最大值 答案 B 探究一 探究二 探究三 正弦式交變電流圖象的分析方法一看 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 之間的變通關系 三判 在此基礎上進行正確地分析和判斷 探究一 探究二 探究三 變式訓練3一個矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁感線的軸勻速轉動 穿過線圈的磁通量隨時間變化的圖象如圖所示 則下列說法正確的是 A t 0時 線圈平面與中性面垂直B t 0 01s時 的變化率為0C t 0 02s時 感應電動勢達到最大 解析 t 0時 最大 故線圈平面位于中性面 選項A錯誤 t 0 01s時 圖線斜率的絕對值最大 故 的變化率最大 選項B錯誤 t 0 02s時 圖線的斜率為0 故感應電動勢達到最小 為0 選項C錯誤 從t 0 01s至t 0 04s線圈經歷了四分之三個周期 故轉過的角度是 選項D正確 答案 D 1 2 3 1 如圖所示 一矩形線圈繞與勻強磁場垂直的中心軸OO 沿順時針方向轉動 引出線的兩端分別與相互絕緣的兩個半圓形銅環(huán)M和N相連 M和N又通過固定的電刷P和Q與電阻R相連 在線圈轉動過程中 通過電阻R的電流 A 大小和方向都隨時間做周期性變化B 大小和方向都不隨時間做周期性變化C 大小不斷變化 方向總是P R QD 大小不斷變化 方向總是Q R P解析 半圓環(huán)交替接觸電刷 從而使輸出電流方向不變 這是一個直流發(fā)電機模型 由右手定則知 外電路中電流方向是P R Q 答案 C 1 2 3 2 如圖甲所示 一單匝矩形線圈abcd放置在勻強磁場中 并繞過ab cd中點的軸OO 以角速度 逆時針勻速轉動 若以線圈平面與磁場夾角 45 時 如圖乙所示 為計時起點 并規(guī)定當電流自a流向b時 方向為正 則下列四幅圖中正確的是 1 2 3 解析 由題圖乙看出 此時感應電動勢不是最大值 也不是0 所以A B項錯 從圖示位置轉至中性面的過程中 e減小 故C錯 D正確 答案 D 1 2 3 3 如圖甲所示 矩形線圈匝數(shù)N 100 ab 30cm ad 20cm 勻強磁場的磁感應強度B 0 8T 繞軸OO 從圖示位置開始勻速轉動 角速度 100 rad s 試求 1 穿過線圈的磁通量最大值 m為多大 線圈轉到什么位置時取得此值 2 線圈產生的感應電動勢最大值Em為多大 線圈轉到什么位置時取得此值 3 寫出感應電動勢e隨時間變化的表達式 并在圖乙中作出圖象 1 2 3 解析 1 當線圈轉至與磁感線垂直時 磁通量有最大值 m BS 0 8 0 3 0 2Wb 0 048Wb 2 線圈與磁感線平行時 感應電動勢有最大值Em NBS 480 V 3 感應電動勢的表達式e Emcos t 480 cos 100 t V圖象如圖所示 答案 見解析