新教材同步系列2024春高中物理第3章交變電流第1節(jié)認識交變電流學生用書粵教版選擇性必修第二冊

第一節(jié)認識交變電流1．觀察交變電流的圖像，理解交變電流和直流的概念。2．理解交變電流的產(chǎn)生過程，會分析電動勢和電流方向的變化規(guī)律。3．知道交變電流的變化規(guī)律及表示方法，知道交變電流的瞬時值、峰值的物理含義。4．知道交流發(fā)電機的構(gòu)造。知識點一交變電流1．恒定電流：____和____都不隨時間改變的電流，簡稱__流(DC)。2．交變電流：____和____都隨時間做____性變化的電流，簡稱__流(AC)。3．波形圖：____或____隨時間變化的圖像。4．日常生活和生產(chǎn)中所使用的交變電流是按____規(guī)律變化的交變電流。知識點二交變電流的產(chǎn)生1．交流發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)：____、磁極、滑環(huán)及____。2．過程分析3．中性面(1)定義：線圈平面與磁感線____時的位置。(2)特點：①穿過線圈的Φ____，但線圈中的感應(yīng)電流為__；②線圈平面每經(jīng)過一次中性面，感應(yīng)電流方向就________。知識點三交變電流的變化規(guī)律1．正弦式交變電流定義：按____規(guī)律變化的交變電流叫作正弦式交變電流，簡稱正弦式交流電。2．瞬時值表達式從中性面開始計時，瞬時電動勢：e＝________________瞬時電壓：u＝________________瞬時電流：i＝________________注：表達式中Em、Um、Im分別是電動勢、電壓、電流的____，而e、u、i則是這幾個量的______。3．幾種不同類型的交變電流1．思考判斷(正確的畫“√”，錯誤的畫“×”)(1)交變電流是方向隨時間作周期性變化的電流。 ()(2)只有按正弦規(guī)律變化的電流才是交變電流。 ()(3)交流電源沒有正、負極之分。 ()(4)只要閉合線圈在磁場中轉(zhuǎn)動就會產(chǎn)生交變電流。 ()(5)交變電流是矩形線圈繞平行于磁場方向的軸在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的電流。 ()2．(多選)如圖所示圖像中屬于交變電流的有()ABCD3．關(guān)于線圈在勻強磁場中轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的交變電流，下列說法中正確的是()A．線圈每轉(zhuǎn)動一周，感應(yīng)電流方向就改變一次B．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C．線圈平面每經(jīng)過中性面一次，感應(yīng)電流和感應(yīng)電動勢方向都要改變一次D．線圈轉(zhuǎn)動一周，感應(yīng)電流和感應(yīng)電動勢方向都要改變一次(1)探究交變電流的特點如圖所示，把電流表接入到模型發(fā)電機的輸出端，搖動發(fā)電機的手柄，觀察電流表的指針擺動情況是怎樣的？電流表指針的擺動情況說明什么問題？(2)如圖所示，此位置磁通量為多少？是否有感應(yīng)電流？如果有，判斷感應(yīng)電流的方向。交流與直流1．直流、交流、恒定電流的特點(1)電流分類：按電流的方向是否變化分直流和交流兩種，方向不變的電流稱為直流，方向變化的電流稱為交流。(2)直流分類：分為恒定電流和脈動直流，其中大小、方向都不隨時間改變的電流叫恒定電流，方向不隨時間改變而大小隨時間改變的電流叫脈動直流。(3)交流分類：按交流電圖像特點分正弦(或余弦)式交變電流、矩形波交變電流、鋸形波交變電流等。2．交流與直流的本質(zhì)區(qū)別(1)交變電流的大小不一定變化，如矩形波交變電流，其大小可以是不變的；直流的大小不一定不變。(2)交變電流與直流的最大區(qū)別在于交變電流的方向發(fā)生周期性變化，而直流的方向不變?！镜淅?】對于如圖所示的電流i隨時間t做周期性變化的圖像，下列描述正確的是()A．電流的大小變化，方向也變化，是交流電B．電流的大小變化，方向不變，不是交流電C．電流的大小不變，方向不變，是直流電D．以上說法都不正確[聽課記錄]識別交變電流的兩點技巧(1)只要電流的方向發(fā)生周期性變化即為交變電流。(2)在i-t或u-t圖中，正負表示方向，在讀圖時不僅要注意圖像中的坐標原點是否為0，還要觀察i(u)的值有無正負變化。[跟進訓練]1．下列各圖中不屬于交變電流的是()ABCD交變電流的產(chǎn)生比較內(nèi)容中性面中性面的垂直面位置線圈平面與磁場垂直線圈平面與磁場平行圖示磁通量最大零磁通量變化率零最大感應(yīng)電動勢零最大感應(yīng)電流零最大電流方向改變不變【典例2】(多選)圖甲是交流發(fā)電機的示意圖，兩磁極之間的磁場可視為勻強磁場，金屬線圈ABCD繞轉(zhuǎn)軸OO′勻速轉(zhuǎn)動。G為電流傳感器(與計算機相連)，R為定值電阻，線圈電阻為r，其余電阻不計。圖乙為計算機上顯示的電流數(shù)據(jù)隨時間變化的圖像，下列說法中正確的是()A．金屬線圈恰好處于圖甲所示的位置時感應(yīng)電動勢為0，對應(yīng)圖乙中t1或t3時刻B．金屬線圈恰好處于圖甲所示的位置時感應(yīng)電動勢最大，對應(yīng)圖乙中t2或t4時刻C．t1、t3時刻穿過線圈的磁通量的絕對值最大，磁通量變化率最小D．t2、t4時刻穿過線圈的磁通量的絕對值最大，磁通量變化率最小[聽課記錄]線圈在勻強磁場中轉(zhuǎn)動問題的三點注意(1)矩形線框在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動，僅是產(chǎn)生交變電流的一種方式，但不是唯一方式。(2)線圈平面與中性面重合時，S⊥B，Φ最大，ΔΦΔt＝0，e＝0，i(3)線圈平面與中性面垂直時，S∥B，Φ＝0，ΔΦΔt最大，e[跟進訓練]2．交流發(fā)電機發(fā)電示意圖如圖所示，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正弦交變電流的變化規(guī)律1．瞬時值的推導(dǎo)若線圈平面從中性面開始轉(zhuǎn)動，如圖所示。則經(jīng)時間t：(1)線圈轉(zhuǎn)過的角度為ωt。(2)ab邊的線速度跟磁感線方向的夾角θ＝ωt。(3)ab邊轉(zhuǎn)動的線速度為v＝ωLad(4)ab邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為eab＝BLabvsinθ＝BSω2sinωt(5)整個線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為e＝2eab＝BSωsinωt，若線圈為N匝，e＝NBSωsinωt。(6)若線圈給外電阻R供電，設(shè)線圈本身電阻為r，由閉合電路歐姆定律得i＝eR+r＝EmR+rsinωt，即i＝Imsinωt，R兩端的電壓可記為u＝Um2．峰值(1)由e＝NBSωsinωt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，因此如圖所示幾種情況，若N、B、S、ω相同，則電動勢的最大值相同。(3)電流的峰值可表示為Im＝NBSωR+r【典例3】如圖所示，一邊長為l的正方形線圈abcd繞對稱軸OO′在勻強磁場中轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為n＝120轉(zhuǎn)/分，若已知邊長l＝20cm，匝數(shù)N＝20匝，磁感應(yīng)強度B＝0.2T，求：(1)轉(zhuǎn)動中的最大電動勢及位置；(2)從中性面開始計時的電動勢瞬時值表達式；(3)從圖示位置轉(zhuǎn)過90°過程中的平均電動勢。[思路點撥](1)電動勢峰值公式為Em＝NBSω，電流的最大值為Im＝Em(2)從中性面開始計時的電動勢表達式為e＝Emsinωt。(3)求某段時間內(nèi)的平均電動勢可根據(jù)E＝NΔΦ[聽課記錄]求解交變電流的瞬時值問題的答題模型[跟進訓練]3．如圖所示，一半徑為r＝10cm的圓形線圈共100匝，在磁感應(yīng)強度為B＝5π2T的勻強磁場中，繞垂直于磁場方向的中心軸線OO′以n＝600r/min的轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動，當線圈轉(zhuǎn)至中性面位置(圖中位置(1)寫出線圈內(nèi)所產(chǎn)生的交變電動勢的瞬時值表達式；(2)求線圈從圖示位置開始在160s1．甲、乙兩電路中電流與時間關(guān)系如圖所示，屬于交變電流的是()A．甲、乙都是 B．甲是，乙不是C．乙是，甲不是 D．甲、乙都不是2．下列關(guān)于交變電流和直流的說法中，正確的是()A．如果電流大小隨時間做周期性變化，則一定是交變電流B．直流的大小和方向一定不變C．交變電流一定是按正弦規(guī)律變化的D．交變電流的最大特征就是電流方向隨時間做周期性的變化3．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，線圈位于中性面位置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4．閉合矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的某一固定軸勻速轉(zhuǎn)動，穿過線圈的磁通量Φ隨時間t的變化規(guī)律如圖所示，下列說法正確的是()A．t1時刻線圈中感應(yīng)電流為零B．t2時刻線圈通過中性面C．t3時刻穿過線圈的磁通量變化率最大D．t4時刻線圈中感應(yīng)電動勢最小回歸本節(jié)內(nèi)容，自我完成以下問題：1．交流與直流的本質(zhì)區(qū)別是什么？2．正弦式交變電流的產(chǎn)生條件是什么？3．線圈轉(zhuǎn)至中性面位置的特點是什么？第三章交變電流第一節(jié)認識交變電流[必備知識·自主預(yù)習儲備]知識梳理知識點一1．大小方向直2．大小方向周期交3．電流電壓4．正弦知識點二1．線圈電刷2．(a)(c)3．(1)垂直(2)最大零改變一次知識點三1．正弦2．EmsinωtUmsinωtImsinωt峰值瞬時值基礎(chǔ)自測1．(1)√(2)×(3)√(4)×(5)×2．ABC[交變電流是大小、方向都隨時間做周期性變化的電流，所以A、B、C正確；D僅是電流的大小發(fā)生變化而方向不變，故不屬于交變電流。]3．C[當線圈在勻強磁場中轉(zhuǎn)動產(chǎn)生交變電流時，線圈平面每經(jīng)過中性面一次，感應(yīng)電流與感應(yīng)電動勢方向均改變一次，轉(zhuǎn)動一周，感應(yīng)電流與感應(yīng)電動勢方向改變兩次。故只有C正確。][關(guān)鍵能力·情境探究達成]情境探究(1)提示：隨著線圈的轉(zhuǎn)動，電流表的指針不停地在“0”刻度線兩側(cè)左右擺動，說明手搖發(fā)電機產(chǎn)生的電流大小、方向都處于變化中。(2)提示：此位置磁通量為0，有感應(yīng)電流，且感應(yīng)電流最大，方向為abcd。典例1B[由i-t圖像可知，電流的大小變化，但電流方向一直為正，故電流方向不變，根據(jù)交變電流、直流的定義可知，該電流是直流，B正確。]跟進訓練1．A[B、C、D中i的方向均做周期性變化，故它們屬于交流，A中i的大小變化而方向不變，屬于直流。]典例2AC[金屬線圈恰好處于題圖甲所示的位置時，為中性面，磁通量最大，感應(yīng)電動勢為0，此時瞬時電流為0，對應(yīng)題圖乙中t1或t3時刻，A正確，B錯誤；t1、t3時刻電流為0，感應(yīng)電動勢為0，此時線圈平面處于中性面，穿過線圈的磁通量的絕對值最大，磁通量變化率最小，C正確；t2、t4時刻電流最大，感應(yīng)電動勢最大，此時線圈平面與磁感線平行，穿過線圈的磁通量為0，磁通量變化率最大，D錯誤。]跟進訓練2．D[轉(zhuǎn)到圖甲位置時，線圈平面與磁感線垂直，磁通量最大，但磁通量變化率為零，A錯誤；轉(zhuǎn)到圖乙位置時，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大，B錯誤；轉(zhuǎn)到圖丙位置時，線圈位于中性面位置，此時感應(yīng)電流最小，C錯誤；轉(zhuǎn)到圖丁位置時，根據(jù)楞次定律可知AB邊感應(yīng)電流方向為A→B，D正確。]典例3解析：(1)當線圈平面轉(zhuǎn)到與磁場平行時，ab、cd兩邊均垂直切割磁感線，這時線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大Em＝NBSω＝20×0.2×0.22×2π×2V≈2.0V。(2)電動勢瞬時值表達式為e＝Emsinωt＝2sin4πt(V)。(3)E＝NΔΦΔt＝NBS＝4NBSf＝4×20×0.2×0.22×2V＝1.28V。答案：(1)2.0V線圈平面與磁場平行(2)e＝2sin4πt(V)(3)1.28V跟進訓練3．解析：線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的軸線勻速轉(zhuǎn)動時，線圈內(nèi)產(chǎn)生正弦式交變電動勢，當線圈平面在中性面時開始計時，其表達式為e＝Emsinωt，而在某段時間內(nèi)的平均電動勢可根據(jù)E＝NΔΦ(1)e＝Emsinωt，ω＝20πrad/s，Em＝NBSω＝100×5π2×π×0.