【2020秋备课】高中物理学案新人教版选修3-2-5.1-交变电流.docx

5.1交变电流

策略与反思
纠错与归纳
【学习目标】
1．理解交变电流的产生原理，把握交变电流的变化规律．
2．知道正弦式电流的图象．
3．知道沟通发电机的构造和分类．
重点：交变电流的变化规律
难点：交变电流的产生原理
【自主学习】
一、交变电流
1．定义： 和 随时间作周期性变化的电流，叫做交变电流，简称沟通．
说明： 随时间周期性变化是交变电流的最重要的特征．如图中______ 均为交变电流，而 就不是交变电流．

2．正弦式电流
（1）定义：随时间按 规律变化的电流叫做正弦式电流．
说明：①在我国工农业生产及生活中使用的交变电流都是正弦式电流，但并非只有按正弦规律变化的电流才叫交变电流．②正弦式交变电流的图象是 曲线
（2）正弦式电流产生：当线圈在 磁场中绕 于磁场方向的轴做 转动时，线圈中就产生正弦式电流．
令线圈abcd的边长Lab＝Lcd，Lad＝Lbc＝L．在线圈以角速度ω转动过程中，ad、bc边切割磁感线产生感应电动势，其大小相同，且对线圈中电流而言，两电动势相当于 联．用e表示线圈转动中产生的感应电动势，则线圈从与磁感线垂直的平面（叫做中性面）经过时间t转动到如图所示位置时：
θ＝ v＝
v1＝ e＝
所以 e＝BSωsinωt
若线圈为N匝　e＝
其中S为线圈的面积，NBSω为交变电动势的峰值Em，ωt为线圈和中性面夹角．
（3）正弦式电流的规律：假定线圈从跟磁感线垂直的平面（也叫中性面）开头转动，则产生的交变电流的瞬时值表达式为i＝Imsinωt；电动势瞬时值的表达式为e＝ ；电压瞬时值表达式为u＝

二、中性面
1．定义：与磁感线 的平面叫做中性面．
2．中性面特点：
（1）穿过线圈的磁通量Φ最 ；
（2）磁通量的变化率最 ；
（3）电动势e及电流I均为 ；
（4）线圈经此位置电流方向 转变．
说明：除中性面之外，在沟通电产生过程中还有一个特殊位置，那就是与磁感线平行的平面（或叫与中性面垂直的平面）．该平面的特点：
（1）穿过线圈的磁通量最 （Φ＝0）；
（2）磁通量的变化率最 ；
【例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

三、沟通发电机
1．构成：沟通发电机的基本组成部分是产生感应电动势的 （通常叫电枢）和产生磁场的 ．
2．分类：按转动部分不同，沟通发电机分为旋转 式发电机和旋转 式发电机．旋转磁极式发电机能够产生几千伏到几万伏的电压，输出功率可达几百兆瓦，大多数发电机都是该类型．旋转电枢式发电机产生的电压一般不超过500 V．
3．能量转化：发电机的转子由动力机（如水轮机、蒸汽轮机等）带动，把机械能传递给发电机，发电机将得到的 转化为 输送给外电路．

【合作探究】
一、磁通量与交变电流的产生
[问题] 1、线圈中感应电动势的大小与什么有关？

2、感应电动势的方向如何推断？

【例2】 某线圈在匀强磁场中匀速转动，穿过它的磁通量Φ随时间的变化规律可用图5－1－7表示，则(　　)
A．t1和t2时刻，穿过线圈磁通量的变化率最大
B．t2时刻，穿过线圈的磁通量变化率为零
C．t3时刻，线圈中的感应电动势为零
D．t4时刻，线圈中的感应电动势达最大值
【练习3】 矩形线圈在匀强磁场中匀速转动产生的电动势e-t图像如图所示，则在时刻 （ ）
A．t1、t3线圈通过中性面
B．t2、t4线圈中磁通量最大
C．t1、t3线圈中磁通量变化率最大
D．t2、t4线圈平面与中性面垂直

二、交变电流图象的应用
【例4】大小和方向都随时间做周期性变化的电流叫做交变电流．如图3所示都属于交变电流．下列几个图中哪个是正弦式沟通电，哪个是方波，说法正确的是(　　)

A．a是正弦式沟通电，c是方波
B．b是正弦式沟通电，d是方波
C．a是正弦式沟通电，b是方波
D．d是正弦式沟通电，b是方波

【当堂测试】
1.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

2．沟通发电机在工作时电动势为e＝Emsin ωt，若将发电机的转速提高一倍，同时将电枢所围面积减小一半，其他条件不变，则其电动势变为(　　)
A．e′＝Emsin　　　　　　B．e′＝2Emsin
C．e′＝Emsin 2ωt D．e′＝sin 2ωt

3．如图3所示，矩形线圈abcd在匀强磁场中可以分别绕垂直于磁场方向的轴P1和P2以相同的角速度匀速转动，当线圈平面转到与磁场方向平行时(　　)
A．线圈绕P1或P2转动时电流的方向相同，都是a→d→c→b→a
B．线圈绕P1转动时的电动势小于绕P2转动时的电动势
C．线圈绕P1转动时的电流等于绕P2转动时的电流
D．线圈绕P1转动时dc边受到的安培力大于绕P2转动时dc边受到的安培力
4．如图4所示，一单匝闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的转轴匀速转动，转动过程中线框中产生的感应电动势的瞬时值为e＝0.5sin 20t V，由该表达式可推知以下哪些物理量(　　)
A．匀强磁场的磁感应强度
B．线框的面积
C．穿过线框的磁通量的最大值
D．线框转动的角速度

5．如图5甲所示，“匚”形金属框导轨水平放置．导轨上跨接一金属棒ab，与导轨构成闭合回路，并能在导轨上自由滑动，在导轨左侧与ab平行放置的导线cd中通以如图乙所示的交变电流，规定电流方向自c向d为正，则ab棒受到向左的安培力的作用时间是(　　)
A．0→t1　　　　
B．t1→t2
C．t2→t3
D．t3→t4

6．有一10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9垂直于线框平面对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．