2019-2020学年高二物理人教版选修3-2课件第五章 1交变电流

Φ为0,
������ ������
最大,e最大,i最大。
穿过线圈平面的磁通量最大,感应电动势为零;穿过线
圈平面的磁通量为零,感应电动势最大。
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典例剖析 【例题1】 (多选)如图所示,线圈在匀强磁场中绕垂直于匀强磁 场且在线圈平面内的轴匀速转动时产生交变电流,则下列说法中正 确的是( )
(2)若从线圈平面垂直磁感线时开始计时,感应电动势的瞬时值
e=Emsin ωt 所以e=314sin(100πt) V。
(3)若从线圈平面平行磁感线时开始计时,感应电动势的瞬时值表
达式为
e=Emcos ωt,代入数据得e=314cos(100πt) V
当 t=���6���时,e=314cos
π 3
第五章 交变电流
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核心素养培养目标
核心素养思维导图
1.会观察电流(或电压)的波形, 理解交变电流和直流的概念。
2.理解交变电流的产生过程, 会分析电动势和电流方向的
变化规律。
3.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、峰值的物理含义。
变式训练2如图所示,匝数为100的圆形线圈绕与匀强磁场垂直的 轴OO'以50 r/s的转速转动,穿过线圈的最大磁通量为0.01 Wb。从 图示的位置开始计时,则线圈中感应电动势瞬时值的表达式为
()
A.e=50sin ωt V B.e=314cos 314t V C.e=50cos ωt V D.e=314sin 314t V
(2)交变电流变化的周期等于线圈转动的周期。线圈每经过中性 面一次,电流方向就改变一次,线圈每转一周,经过中性面两次,因此 线圈每转一周,电流方向改变两次。
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变式训练1(多选)如图所示,矩形线圈在匀强磁场中匀速转动,在 线圈平面经过中性面瞬间( )
A.当线圈位于中性面时,线圈中感应电流最大 B.当穿过线圈的磁通量为零时,线圈中感应电动势最大 C.线圈在磁场中每转一周,产生的感应电流方向改变一次 D.每当线圈经过中性面时,感应电流的方向就改变一次
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解析:线圈位于中性面时,线圈平面与磁场垂直,此时磁通量最大, 但是各边都不切割磁感线,或者说磁通量的变化率为零,所以感应 电动势为零。而穿过线圈的磁通量为零时,切割磁感线的有效速度 最大,磁通量的变化率最大,所以感应电动势最大,故选项A错误,B正 确;线圈在磁场中每转一周,产生的感应电流方向改变两次,选项C 错误;很明显选项D正确。
甲:e=0 乙:e=eAB+eCD=BSω·sin ωt 丙:e=BSω。
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(3)若线圈有N匝,则相当于N个完全相同的电源串联,所以 甲:e=0 乙:e=NBSωsin ωt 丙:e=NBSω。
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图a
图b
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(1)甲、乙、丙中AB边产生的感应电动势各为多大? (2)甲、乙、丙中整个线圈中的感应电动势各为多大? (3)若线圈有N匝,则甲、乙、丙中整个线圈的感应电动势各为多 大? 要点提示:(1)甲:eAB=0 乙:eAB=BL1vsin ωt=BL1·������22������sin ωt=12BL1L2ωsin ωt=12BSω·sin ωt 丙:eAB=BL1v=BL1·������2������2 = 12BL1L2ω=12BSω。 (2)整个线圈中的感应电动势由AB和CD两部分组成,且eAB=eCD, 所以
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(1)图中,在线圈由甲转到乙的过程中,AB边中电流向哪个方向流 动?
(2)在线圈由丙转到丁的过程中,AB边中电流向哪个方向流动? (3)当线圈转到什么位置时线圈中没有电流,转到什么位置时线圈 中的电流最大? (4)大致画出通过电流表的电流随时间变化的曲线,从E经过负载 流向F的电流记为正,反之为负。在横坐标上标出线圈到达甲、乙、 丙、丁几个位置时对应的时刻。
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正弦式交变电流的变化规律
问题探究 图b是图a中线圈ABCD在磁场中绕轴OO'转动时三个不同时刻的 截面图。线圈平面从中性面开始转动,角速度为ω,经过时间t,线圈 转过的角度是ωt,设AB边长为L1,BC边长为L2,线圈面积S=L1L2,磁感 应强度为B,则:
答案:BD
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(1)对于交变电流产生过程中各物理量的变化情况分 析,应抓住中性面这个关键位置,特别注意的是此时穿过线圈平面 的磁通量虽最大,但磁通量的变化率却最小,等于零,电动势等于零, 电流等于零。因此磁通量的变化规律与感应电动势(感应电流)的 变化规律恰好相反,一方增大时另一方恰好减小。
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知识归纳
1.中性面(S⊥B位置;如问题探究图中的甲、丙)——线圈平面与
磁场垂直的位置,此时 Φ 最大,ΔΔ������������为 0,e 为 0,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.垂直于中性面位置(S∥B位置,如问题探究图中的乙、丁),此时
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自我检测 1.正误判断。 (1)只要线圈在磁场中转动,就可以产生交变电流。 ( ) 解析:如果线圈绕与磁场平行的轴转动,则不会产生感应电流。
答案:×
(2)当线圈中的磁通量最大时,产生的电流也最大。 ( ) 解析:线圈与磁场平行时,电动势最大,此时磁通量为零。
答案:×
(3)当线圈平面与磁场垂直时,线圈中没有电流。 ( ) 解析:线圈与磁场垂直时,线圈中电流为零。 答案:√
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2.正弦式交变电流:按正弦规律变化的交变电流,简称正弦式电流。 3.几种不同类型的交变电流 在实际应用中,交变电流有不同的变化规律,常见的有以下几种, 如图所示。
交变电流之父——特斯拉
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解析:线圈在匀强磁场中匀速转动产生正弦式交变电流,产生的
交流与线圈形状无关,由Em=nBSω可知,Em与线圈面积S、角速度ω
有关,角速度ω=2×3.14×50 rad/s=314 rad/s。最大值
Em=nBSω=nΦ
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知识归纳 1.正弦式交变电流的表达式 e=Emsin ωt,u=Umsin ωt,i=Imsin ωt,其中Em为最大值,也叫峰值。 2.正弦式交变电流的峰值 (1)转轴在线圈所在平面内且与磁场垂直。当线圈平面与磁场平 行时,线圈中的感应电动势达到峰值,且满足Em=nBSω。 (2)决定因素:由线圈匝数n、磁感应强度B、转动角速度ω和线圈 面积S决定,与线圈的形状无关,与转轴的位置无关。 (3)如图所示的几种情况中,如果n、B、ω、S均相同,则感应电动 势的峰值均为Em=nBSω。
4.通过对交变电流的认识,领 略自然界的奇妙与和谐,发展 对科学的好奇心与求知欲,培 养学生的科学素养。
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一、交变电流 1.交变电流:大小和方向都随时间做周期性变化的电流,简称交流。 2.直流:方向不随时间变化的电流。大小和方向都不随时间变化 的电流称为恒定电流。 二、交变电流的产生 1.产生条件:在匀强磁场中,矩形线圈绕垂直于磁场方向的轴匀速 转动。 2.中性面:线圈在磁场中转动的过程中,线圈平面与磁场垂直时所 在的平面。
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要点提示:如图所示。
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知识归纳 1.用图象描述交变电流的变化规律(在中性面时t=0)如下:
函数
图象
说明
磁通量 Φ =Φ mcos ωt =BScos ωt
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(4)表达式为e=Emsin ωt的交变电流为正弦式交变电流,表达式为
e=Emsin
������������ + π
2
的交变电流也是正弦式交变电流。
(
)
解析:按正弦函数变化规律变化的交变电流都是正弦式交变电流。
答案:√
2.如图所示,属于交变电流的是( )
解析:交变电流是指电流的大小和方向均随时间做周期性变化, 由图可知,符合条件的只有C。
答案:C
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交变电流的产生
问题探究 假定线圈沿逆时针方向匀速转动,如图甲至丁所示。请分析判断:
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要点提示:(1)由B到A (2)由A到B (3)线圈转到甲或丙位置时线圈中没有电流,称为中性面。线圈转 到乙或丁位置时线圈中的电流最大。
(4)
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nω=314
V。线圈从图示位置即与中性面成
π 2
的位置
开始计时,此时感应电动势达到最大值,据三角函数关系可得出
e=314cos 314t V。B对。
答案:B
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正弦式交变电流的图象
问题探究 如图所示,线圈ABCD在匀强磁场中绕OO'匀速转动。若线圈平 面从中性面开始转动为计时起点,角速度为ω。设线圈面积为S,磁 感应强度为B,图(a)中各图与图(b)时间轴上各时刻对应,在图(b)中 作出线圈在磁场中转动一周的过程中,感应电流随时间的变化关系 图象。
(2)若从线圈平面垂直磁感线时开始计时,线圈中瞬时感应电动势
的表达式。
(3)若从线圈平面平行磁感线时开始计时,求线圈在t=
������ 6
时刻的感
应电动势大小。
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解析:(1)由题可知,S=lab·lbc=0.2×0.5 m2=0.1 m2,感应电动势的峰 值Em=nBSω=100×0.1×0.1×100π V=100π V=314 V。
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三、交变电流的变化规律 1.从两个特殊位置开始计时瞬时值的表达式
从中性面位置开始计时 从与中性面垂直的位置开始 计时
感应电 动势 电压 电流
e=Emsin ωt
u=Umsin ωt i=Imsin ωt
e=Emcos ωt
u=Umcos ωt i=Imcos ωt
V=157 V。
答案:(1)314 V (2)e=314sin(100πt) V (3)157 V
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求解交变电流的瞬时值问题的答题步骤
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典例剖析 【例题2】如图所示,匀强磁场磁感应强度B=0.1 T,所用矩形线圈 的匝数n=100,边长lab=0.2 m,lbc=0.5 m,以角速度ω=100π rad/s绕OO' 轴匀速转动。试求:
(1)感应电动势的峰值。
A.线圈平面与磁感线平行 B.通过线圈的磁通量最大 C.线圈中的感应电动势最大 D.线圈中感应电动势的方向突变 解析:根据中性面的定义,线圈平面经过中性面瞬间,通过线圈的 磁通量最大,线圈中的感应电动势为零,此后,感应电动势方向(即感 应电流方向)将与原方向相反。 答案:BD
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