1、,第五章交变电流,1交变电流,学科素养与目标要求,物理观念：,1.理解交变电流和直流的概念. 2.知道交变电流的变化规律及表示方法，知道交变电流的瞬时值、峰值的物理意义.,科学思维：,1.从法拉第电磁感应定律和楞次定律分析感应电流的产生过程，会推导电动势和交变电流随时间的变化规律. 2.认识交变电流的图象，并根据图象解决具体问题.,NEIRONGSUOYIN,内容索引,自主预习 预习新知 夯实基础,重点探究 启迪思维 探究重点,达标检测 检测评价 达标过关,自主预习,1.交变电流：大小和方向随时间做 变化的电流叫交变电流，简称 . 2.直流： 不随时间变化的电流称为直流. 3.正弦式交变电流：
2、按 规律变化的交变电流叫正弦式交变电流，简称_ .,一、交变电流,周期性,交流,方向,正弦,正弦,式电流,闭合线圈置于 磁场中，并绕 方向的轴 转动.,二、交变电流的产生,匀强,垂直于磁场,匀速,1.中性面 (1)中性面：与磁感线 的平面. (2)当线圈平面位于中性面时，线圈中的磁通量 ，线圈中的电流 ，且线圈平面经过中性面时，电流方向就发生 ，故线圈转动一周电流方向改变 次. 2.从中性面开始计时，线圈中产生的电动势的瞬时值表达式：e ，Em叫做电动势的 .,三、交变电流的变化规律,垂直,最大,为零,改变,两,Emsin t,峰值,即学即用,1.判断下列说法的正误. (1)如图1所示的电流为
3、交流电.() 图1 (2)如图2所示的电流为交流电.() 图2,(3)只要线圈在磁场中转动，就可以产生交变电流.() (4)线圈在通过中性面时磁通量最大，电流也最大.() (5)线圈在通过中性面时电流的方向发生改变.(),2.有一个正方形线圈的匝数为10匝，边长为20 cm，线圈总电阻为1 ，线圈绕垂直磁场方向的OO轴以10 rad/s的角速度匀速转动，如图3所示，匀强磁场的磁感应强度为0.5 T，该线圈产生的感应电动势的峰值为_，感应电流的峰值为_，在图示位置时感应电动势为_，从图示位置转过90时感应电动势为_. 图3,6.28 V,6.28 A,6.28 V,0,解析电动势的峰值为EmnB
4、S100.50.2210 V6.28 V,题图所示位置线圈中产生的感应电动势最大，为6.28 V 从题图所示位置转过90时，位于中性面上，切割磁感线的两边的速度与磁感线平行，感应电动势为0.,重点探究,一、交变电流的产生,1.交变电流的产生过程分析 假定线圈绕OO轴沿逆时针方向匀速转动，如图4甲至丁所示，在四个过程中线圈中的电流方向如下表所示. 图4,2.两个特殊位置 (1)中性面(SB位置，如图中的甲、丙) 线圈平面与磁场垂直的位置，此时通过线圈的磁通量最大，磁通量变化率 为0，电动势e为0，电流i为0. 线圈经过中性面时，电流方向发生改变，线圈转一圈电流方向改变两次. (2)垂直中性面位置
5、(SB位置，如图中的乙、丁) 此时通过线圈的磁通量为0，磁通量变化率 最大，电动势e最大，电流i最大.,例1(多选)矩形线框绕垂直于匀强磁场且在线框平面内的轴匀速转动时产生了交变电流，下列说法正确的是 A.当线框位于中性面时，线框中感应电动势最大 B.当穿过线框的磁通量为零时，线框中的感应电动势也为零 C.每当线框经过中性面时，感应电动势或感应电流的方向就改变一次 D.线框经过中性面时，各边切割磁感线的速度为零,解析线框位于中性面时，线框平面与磁感线垂直，穿过线框的磁通量最大，但此时切割磁感线的两边的速度与磁感线平行，即不切割磁感线，所以感应电动势等于零，此时穿过线框的磁通量的变化率也等于零，
6、感应电动势或感应电流的方向也就在此时刻发生变化.线框垂直于中性面时，穿过线框的磁通量为零，但切割磁感线的两边都垂直切割，有效切割速度最大，所以感应电动势最大，也可以说此时穿过线框的磁通量的变化率最大，故C、D选项正确.,二、交变电流的变化规律,1.感应电动势随时间的变化规律 如图5所示，线圈平面绕OO(O为bc边的中点，O为ad边的中点)所在直线从中性面开始转动，角速度为.ab边长为L1，bc边长为L2，磁感应强度为B. (1)经过时间t，线圈转过的角度是t，ab边的线速度v的方向跟磁感线方向间的夹角为t，则ab边切割磁感线产生的感应电动势,图5,cd边切割磁感线产生的感应电动势ecdeab
7、整个线圈中的感应电动势eeabecdBSsin t. (2)若线圈的匝数为N，则整个线圈产生的感应电动势eNBSsin t.,2.峰值,说明：峰值由线圈匝数n、磁感应强度B、转动角速度和线圈面积S决定，与线圈的形状无关，与转轴的位置无关. 如图6所示的几种情况中，如果n、B、S均相同，则感应电动势的峰值均为EmnBS. 图6,3.正弦式交变电流的瞬时值表达式 (1)从中性面位置开始计时 eEmsin t，iImsin t，uUmsin t (2)从与中性面垂直的位置开始计时 eEmcos t，iImcos t，uUmcos t.,例2一矩形线圈，面积是0.05 m2，共100匝，线圈电阻r2
8、，外接电阻R8 ，线圈在磁感应强度B 的匀强磁场中以n300 r/min的转速绕垂直于磁感线的轴匀速转动，如图7所示，若从中性面开始计时，求： (1)线圈中感应电动势的瞬时值表达式；,答案e50sin 10t (V),解析线圈转速n300 r/min5 r/s， 角速度2n10 rad/s， 线圈产生的感应电动势最大值EmNBS50 V， 由此得到的感应电动势瞬时值表达式为eEmsin t50sin 10t (V).,图7,(2)从开始计时经 时线圈中感应电流的瞬时值；,(3)外电路R两端电压瞬时值的表达式.,答案u40sin 10t (V),提示注意确定线圈转动从哪个位置开始计时，从而确定表
9、达式是正弦函数还是余弦函数.,三、交变电流的图象,如图8甲、乙所示，从图象中可以解读到以下信息： 图8 (1)交变电流的峰值Em、Im和周期T. (2)两个特殊值对应的位置： e0(或i0)时：线圈位于中性面上，此时 0，最大. e最大(或i最大)时：线圈平行于磁感线，此时 最大，0. (3)分析判断e、i大小和方向随时间的变化规律.,例3(2017海安高级中学高二上学期期中)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边垂直.在t0时刻，线圈平面与纸面重合，如图9所示，线圈的cd边离开纸面向外运动.若规定沿abcda方向的感应电流为正，则图中能反映线
10、圈中感应电流i随时间t变化的图象是 图9,解析线圈在磁场中从题图位置开始匀速转动时可以产生按余弦规律变化的交流电.对于题图起始时刻，线圈的cd边离开纸面向纸外运动，速度方向和磁场方向垂直，产生的电动势的瞬时值最大；用右手定则判断出电流方向为abcda，与规定的正方向相同，所以C正确.,例4(多选)矩形线框在匀强磁场内绕垂直磁场方向的轴匀速转动的过程中，线框输出的交流电压随时间变化的图象如图10所示，下列说法正确的是 A.第1 s末线圈平面垂直于磁场，通过线圈的磁 通量变化率最大 B.第1 s末线圈平面平行于磁场，通过线圈的磁 通量变化率最大 C.第2 s末线圈平面平行于磁场，通过线圈的磁通量最
11、小 D.第2 s末线圈平面垂直于磁场，通过线圈的磁通量最大,图10,学科素养通过以上例题，使学生进一步熟悉： 1.中性面是线圈平面与磁场垂直的位置. 2.当线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动，且从中性面位置开始计时时，线圈中产生的感应电流是正弦交流电，满足表达式eEmsin t，iImsin t，uUmsin t，也可用正弦图象表示et、it、ut的变化规律.通过这样的提炼和升华，较好地体现了“物理观念”和“科学思维”的学科素养.,达标检测,1.(交变电流的产生)(多选)如图中哪些情况线圈中产生了交变电流,解析由交变电流的产生条件可知，轴必须垂直于磁感线，但对线圈的形状及转轴的位置没
12、有特殊要求，故选项B、C、D正确.,1,2,3,4,2.(交变电流的产生和变化规律)(2018北京市丰台区下学期综合练习)如图11所示，(a)(b)(c)(d)(e)过程是交流发电机发电的示意图，线圈的ab边连在金属滑环K上，cd边连在金属滑环L上，用导体制成的两个电刷分别压在两个滑环上，线圈在转动时可以通过滑环和电刷保持与外电路连接.下列说法正确的是 图11 A.图(a)中，线圈平面与磁感线垂直，磁通量变化率最大 B.从图(b)开始计时，线圈中电流i随时间t变化的关系是iImsin t C.当线圈转到图(c)位置时，感应电流最小，且感应电流方向改变 D.当线圈转到图(d)位置时，感应电动势最
13、小，ab边感应电流方向为ba,1,2,3,4,解析题图(a)中，线圈在中性面位置，故穿过线圈的磁通量最大，磁通量变化率为0，故A错误； 从线圈在中性面位置开始计时的表达式才是iImsin t，故B错误； 当线圈转到题图(c)位置时，线圈在中性面位置，故穿过线圈的磁通量最大，产生的感应电流最小，为零，电流方向将改变，故C正确； 当线圈转到题图(d)位置时，穿过线圈的磁通量最小，磁通量的变化率最大，故感应电动势最大，ab边感应电流方向为ba，故D错误.,1,2,3,4,3.(交变电流的图象)一个矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，穿过线圈的磁通量随时间变化的图象如图12甲所示，则下列说
14、法中正确的是 A.t0时刻，线圈平面与中性面垂直 B.t0.01 s时刻，的变化率最大 C.t0.02 s时刻，感应电动势达到最大 D.该线圈产生的相应感应电动势的图象如 图乙所示,解析由题图甲可知t0时刻，穿过线圈的磁通量最大，线圈处于中性面，t0.01 s时刻，穿过线圈的磁通量为零，但变化率最大，故A项错误，B项正确； t0.02 s时刻，感应电动势应为零，故C、D项错误.,1,2,3,4,图12,4.(交变电流的变化规律)如图13所示，匀强磁场的磁感应强度B ，边长L 10 cm的正方形线圈abcd共100匝，线圈总电阻r1 ，线圈绕垂直于磁感线的轴OO匀速转动，角速度2 rad/s，外电路电阻R4 .求： (1)转动过程中线圈中感应电动势的最大值.,图13,解析设转动过程中线圈中感应电动势的最大值为Em，,1,2,3,4,(2)从图示位置(线圈平面与磁感线平行)开始感应电动势的瞬时值表达式.,解析从图示位置开始感应电动势的瞬时值表达式为,(3)由图示位置转过30角电路中电流的瞬时值.,1,2,3,4,
