高中物理5.1交变电流导学案(新人教版)选修3-2.doc

第五章 交变电流
第一节 交变电流

【学习目标】
1、知道什么是交变流电，并理解交变电流的产生原理，知道什么是中性面；
2、掌握交变电流的变化规律，及表示方法；
3、理解交变电流的瞬时值和最大值及中性面的准确含义；
4、知道几种常见的交变电流。如正弦式交变电流、锯齿形交变电流、矩形脉冲电流。
5、掌握描述物理量的三种基本方法（文字法、公式法、图象法）。
【重点、难点】
重点：1、交变电流产生的物理过程的分析.
2、交变电流的变化规律的图象描述。
难点：１、交变电流的变化规律及应用.
２、图象与实际发动机转动时的一一对应关系的理解。
预习案
【自主学习】
1．强弱和方向都不随时间改变的电流叫做________电流，简称________；强弱和方向都随时间作周期性变化的电流叫做________电流，简称交流。
2．交变电流是由________发电机产生的．当线圈在________磁场中绕________________的轴匀速转动时，产生交变电流．线圈平面跟磁感线________时，线圈所处的这个位置叫做中性面，线圈平面每经过一次中性面，线圈中感应电流的方向就____________。
3．交流发电机的线圈在磁场中匀速转动，感应电动势e的变化规律为____________。
若把线圈和电阻R′连成闭合电路，设总电阻为R，则电路中电流的瞬时值
i＝________________，电阻R′上的电压瞬时值u＝________________.
4．家庭电路中的交变电流是________电流，它是一种最________、最________的交变电流。
5．(双选)右图所示的4种电流随时间变化的图中，属于交变电流的有(　　)

6．下列各图中，哪些情况线圈中不能产生交流电(　　)

7．矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动，下列说法中正确的是(　　)
A．在中性面时，通过线圈的磁通量最大
B．在中性面时，感应电动势最大
C．穿过线圈的磁通量为零时，感应电动势也为零
D．穿过线圈的磁通量为零时，磁通量的变化率也为零
【学始于疑】

探究案
【合作探究一】交变电流的产生
问题1：一矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，当线圈通过中性面时(　　)
A．线圈平面与磁感线方向平行
B．通过线圈的磁通量达到最大值
C．通过线圈的磁通量变化率达到最大值
D．线圈中的电动势达到最大值
问题2：如图1所示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(　　)

图1
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边的感应电流方向为a→b
D．线圈平面与磁场方向平行时，磁通量变化率为零
归纳总结

【合作探究二】用函数表达式描述交变电流
问题1：闭合线圈在匀强磁场中匀速转动，转速为240 r/min，若线圈平面转至与磁场方向平行时的电动势为2 V，则从中性面开始计时，所产生的交流电动势的表达式为e＝________ V，电动势的峰值为________ V，从中性面起经 s，交流电动势的大小为________ V.
问题2：有一个10匝正方形线框，边长为20 cm，线框总电阻为1 Ω，线框绕OO′轴以10π rad/s的角速度匀速转动，如图2所示，垂直于线框平面向里的匀强磁场的磁感应强度为0.5 T．问：
(1)该线框产生的交变电流电动势最大值、电流最大值分别是多少？
(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。
图2

归纳总结：

【合作探究三】用图象描述交变电流
问题1：处在匀强磁场中的矩形线圈abcd，以恒定的角速度绕ab边转动，磁场方向平行于纸面并与ab垂直。在t=0时刻，线圈平面与纸面重合(如图3所示)，线圈的cd边离开纸面向外运动。若规定由a→b→c→d→a方向的感应电流为正，则能反映线圈中感应电流I随时间t变化的图线是 (　　)

图3

图4
问题2：矩形线圈，绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定轴转动．线圈中的感应电动势e随时间t的变化如图4所示．下面说法中正确的是(　　)
A．t1时刻通过线圈的磁通量为零
B．t2时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大
C．t3时刻通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大
D．每当e变换方向时，通过线圈的磁通量绝对值都为最大
归纳总结：
【课堂小结】

【思考】

【当堂检测】
1、如图所示，一线圈在匀强磁场中匀速转动，经过图所示位置时，（ ）
A.穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率最小
B.穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率最大
C.穿过线圈的磁通量最小，磁通量的变化率最大
D.穿过线圈的磁通量最小，磁通量的变化率最小
2、交流发电机在工作时的电动势为e＝Emsinωt，若将其线框的转速提高到原来的两倍，其他条件不变，则其电动势变为（ ）
　　A.Emsinωt/2　 　B.2Emsinωt/2 　　C.Emsin2ωt　 　D.2Emsin2ωt
3、如图所示，若线框abcd不闭合，当磁铁转动时，下列说法中正确的是（ ）
A.线框中产生感应电动势，可跟随磁铁转动
B线框中不产生感应电动势，可跟随磁铁转动
C.线框中产生感应电动势，不跟随磁铁转动
D.线框中不产生感应电动势，不跟随磁铁转动
4、闭合线圈在匀强磁场中匀速转动，产生的交流电瞬时值的表达式为i=0.2sin100πt，从t＝0到第一次出现通过线圈的磁通量变化率最大值的时间为（ ）
　A.1/50 s　　　 B.1/100 s　　　C.1/200 s　　　 D.1/400 s
5、矩形线圈的面积为S，匝数为n，在磁感应强度为B的匀强磁场中，绕垂直于磁场的轴OO以角速度ω匀速转动。当转到线圈平面与磁场垂直的图示位置时（ ）
A.线圈中的电动势为0 B.线圈中的电动势为nBSω
C.穿过线圈的磁通量为0 D.线圈不受安培力作用
6、线圈在磁场中转动时产生的交变电流如图所示，从图中可知：（ ）
A.在A和C时刻线圈平面与磁场垂直
B.在B和D时刻穿过线圈的磁通量最大
C.在A和C时刻，感应电流改变方向
D.若从O时刻到D时刻的时间为0.02s，则在1s内交变电流的方向改变50次
7、一个交变电流发电机产生的电动势为e=200sin100πt（V），如果把线圈和一个阻值为100Ω的电阻组成闭合回路，线圈的电阻可略去不计，那么，流过电阻的电流瞬时表达式为i= A，电阻两端电压瞬时表达式u= V。

【课后巩固】
1．一个阻值为2 Ω的线圈在匀强磁场中转动，产生的交变电动势为e＝10sin 20πt V，当该线圈与一阻值为8 Ω的电阻组成闭合回路时，下列说法正确的是(　　)
A．t＝0时，线圈平面位于中性面
B．t＝0时，穿过线圈的磁通量为0
C．电阻的热功率为16 W
D．用电压表测路端电压时读数为11.3 V
2．如图所示为一正弦交变电压随时间变化的图象，由图可知(　　)
A．交流电的周期为2 s
B．用电压表测量该交流电压时，读数为311 V
C．交变电压的有效值为220 V
D．将它加在电容器上时，电容器的耐压值必须等于311 V
3．交流发电机正常工作时产生的电动势e＝Emsin ωt，下面说法正确的是(　　)
A．线圈匝数减为原来的一半，而转速增为原来的2倍，其他条件不变，则感应电动势的峰值不变
B．线圈匝数减为原来的一半，而转速增为原来的2倍，其他条件不变，则感应电流的有效值不变
C．线圈匝数减为原来的一半，而磁感应强度增为原来的2倍，其他条件不变，则感应电动势的瞬时值表达式不变
D．线圈由矩形变为圆形，其他条件不变，则感应电动势的峰值、有效值、瞬时值的表达式均发生变化
4.一正弦交流电的电压随时间变化的规律如图所示．由图可知(　　)
A．该交流电的电压瞬时值的表达式为u＝100sin (25t) V
B．该交流电的频率为50 Hz
C．该交流电的电压的有效值为100 V
D．若将该交流电压加在阻值R＝100 Ω的电阻两端，则电阻消耗的功率为50 W
5.实验室里的交流发电机可简化为如图所示的模型，正方形线圈在水平匀强磁场中，绕垂直于磁感线的OO′轴匀速转动．今在发电机的输出端接一个电阻R和理想电压表，并让线圈每秒转25圈，读出电压表的示数为10 V．已知R＝10 Ω，线圈电阻忽略不计，下列说法正确的是(　　)
A．线圈平面与磁场平行时，线圈中的瞬时电流为零
B．从线圈平面与磁场平行开始计时，线圈中感应电流瞬时值表达式为i＝sin 50πt A
C．流过电阻R的电流每秒钟方向改变25次
D．电阻R上的热功率等于10 W
6．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流电的图象，当调整线圈转速后，所产生正弦交流电的图象如图线b所示，以下关于这两个正弦交流电的说法正确的是(　　)
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∶2
C．交流电a的瞬时值为u＝10 sin 5πt(V)
D．交流电b的最大值为5 V
7.如图所示，面积为S、匝数为N、电阻为r的线圈与阻值为R的电阻构成闭合回路，理想交流电压表并联在电阻R的两端．线圈在磁感应强度为B的匀强磁场中绕垂直于磁场的转动轴以角速度ω匀速转动．设线圈转动到图示位置的时刻t＝0.则(　　)
A．在t＝0时刻，线圈处于中性面，流过电阻R的电流为0，电压表的读数也为0
B．1秒钟内流过电阻R的电流方向改变次
C．在电阻R的两端再并联一只电阻后，电压表的读数将减小
D．在电阻R的两端再并联一只电容较大的电容器后，电压表的读数不变
8．某兴趣小组设计了一种发电装置，如图所示．在磁极和圆柱状铁芯之间形成的两磁场区域的圆心角α均为4π/9，磁场均沿半径方向．匝数为N的矩形线圈abcd的边长ab＝cd＝l、bc＝ad＝2l.线圈以角速度ω绕中心轴匀速转动，bc和ad边同时进入磁场．在磁场中．两条边所经过处的磁感应强度大小均为B、方向始终与两边的运动方向垂直．线圈的总电阻为r，外接电阻为R.求：
(1)线圈切割磁感线时，感应电动势的大小Em；
(2)线圈切割磁感线时，bc边所受安培力的大小F；
(3)外接电阻上电流的有效值I.

【答案】
自主学习：
1．恒定　直流　交变
2．交流　匀强　垂直于磁感线　垂直　改变一次
3．e＝Emsin ωt　sin ωt　sin ωt
4．正弦式　简单　基本
5．CD
6．A　
7．A　

当堂检测:
1 .C 2.D 3.C 4.C 5.AD 6.B 7. 2sin100πt 200sin100πt

课后巩固：
1．A　 2．C　3．ACD　4．D　5．D 6．BC　7．BC　
8．解析：　(1)bc、ad边的运动速度v＝ω　感应电动势Em＝4NBlv
解得Em＝2NBl2ω.
(2)电流Im＝　安培力F＝2NBIml
解得F＝.
(3)一个周期内，通电时间t＝T
R上消耗的电能W＝IRt且W＝I2RT
解得I＝.