人教版选择性必修第二册 3.1交变电流 学案

2020-2021学年人教版（2019）选择性必修第二册
3.1交变电流学案
1、学会观察电流（或电压）的波形图，理解交变电流、直流的概念。

2、分析线圈转动1周中电动势和电流方向的变化，能对交变电流的产生有比较清楚的了解，具有运用基本原理解决新情境问题的能力。

3、知道交变电流的变化规律及表示方法，知道交变电流的峰值、瞬时值的物理意义。

1、交变电流的产生过程的物理分析。

（重点）
2、交变电流的变化规律的探究。

（重点）
3、交变电流的产生原理的理解。

（难点）
4、交变电流的变化规律的理解及应用。

（难点）
一、交变电流
1、交变电流：大小和方向随时间做周期性变化的电流叫交变电流，简称交流。

2、直流：方向不随时间变化的电流称为直流。

3、正弦式交变电流：按正弦规律变化的交变电流叫正弦式交变电流，简称正弦式电流。

二、交变电流的产生
闭合线圈置于匀强磁场中，并绕垂直于磁场方向的轴匀速转动。

三、交变电流的变化规律
1、中性面
（1）中性面：与磁感线垂直的平面。

（2）当线圈平面位于中性面时，线圈中的磁通量最大，线圈中的电流为零，且线圈平面经过中性面时，电流方向就发生改变，故线圈转动一周电流方向改变两次。

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＝E m sinωt，E m叫做电动势的峰值。

一、正弦式交变电流的产生
1、正弦式交变电流的产生条件
（1）匀强磁场。

（2）线圈匀速转动。

（3）线圈的转轴垂直于磁场方向。

2、中性面、中性面的垂面位置的特点比较
中性面中性面的垂面远离中性面靠近中性面图示
位置
线圈平面与磁场
垂直线圈平面与磁
场平行
线圈方向与磁场
夹角变小（小于
90°）
线圈平面与磁场
夹角变大（小于
90°）
磁通量最大零变小变大
磁通量变化
率
零最大变大变小
感应电动势零最大变大变小
线圈边缘线
速度与磁场
方向夹角（夹
角在90°范围
内的那条边）
0 90°变大变小
感应电流零最大变大变小
电流方向改变不变不变不变
【典例一】1、矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动时，产生的感应电动势最大值为50 V，那么该线圈由图示位置(线圈平面与磁场方向平行)转过30°时，线圈中的感应电动势大小为( )
A.50V
B.25V
C.253V
D.10V
解题思路：线圈绕垂直于磁感线的轴匀速转动，从垂直中性面的位置开始计时，感应电动势的瞬时值为m cos e E θ=，故当30θ=°时，感应电动势的瞬时值为m 3
cos3050V 253V 2
e E ==⨯
=°，故选C. 答案：C
二、交变电流的变化规律
1、从两个特殊位置开始计时的瞬时值表达式
项目 从中性面位置开始计时
从垂直中性面的位置开始计时
磁通量
m =cos cos t BS t ωωΦΦ= m =sin sin t BS t ωωΦΦ=
磁通量对应图像t ωΦ-图像
感应电动势 m =sin sin e E t NBS t ωωω=
m =cos cos e E t NBS t ωωω=
电压（外电路为纯电阻R ） m =sin sin R NBS u U t t R r
ω
ωω=
+
m =cos cos R NBS u U t t R r
ω
ωω=
+
电流
m =sin sin NBS i I t t R r
ω
ωω=
+ m =cos cos NBS i I t t R r
ω
ωω=
+
对应电动势、电
压、电流—时间
图像
2、交变电流瞬时值表达式问题的解题程序
（1）观察线圈的转动轴是否与匀强磁场磁感线垂直。

（2）从中性面开始计时，电动势按正弦规律变化；从垂直于中性面的位置开始计时，电动势按余弦规律变化。

（3）写出电动势的瞬时值表达式。

3、确定交变电流电动势的瞬时值表达式时应注意以下三个方面
（1）用
m
E NBSω
=确定峰值。

（2）确定角速度ω，若题中已知转速为n，则2n
ωπ
=。

（3）确定计时起点位置，从而确定瞬时值表达式。

【典例二】2、一个闭合矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，产生的感应电流如图所示.下列判断正确的是( )
A.0.01s
t=时刻，线圈平面处于中性面位置
B.0.02s
t=时刻，线圈的磁通量变化率最大
C.该交变电流的频率为100 Hz
D.1 s内电流的方向变化100次
解题思路：由图像知0.01s
t=和0.02s
t=时，电动势为零，线圈的磁通量变化率最小且为零，线圈平面与磁场方向垂直，线圈平面处于中性面位置，A正确，B错误;由图像知该交变电流的周期0.02s
T=，所以频率50Hz
f=，C错误;一个周期内电流方向变化两次，1 s内电流的方向变化100次，D正确.
答案：AD
1、下列各图中不属于交变电流的是( )
A. B. C. D.
答案：A
2、如图所示，单匝闭合金属线框abcd在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴OO'匀速转动，设
穿过线框的最大磁通量为
m
Φ，线框中产生的最大感应电动势为
m
E，从线框平面与磁场平行时刻(图示位置)开始计时，下列说法正确的是( )
A.线框转动的角速度为m
m
E
Φ
B.线框中的电流方向在图示位置发生变化
C.当穿过线框的磁通量为
m
Φ时，线框中的感应电动势为
m
E
D.若线框的转动周期减小一半，线框中的感应电动势也减小一半
答案：A
3、单匝线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动，穿过线圈的磁通量Φ随时间t的变化关系如图所示，则( )
A.在0
t=时刻，穿过线圈的磁通量最大，感应电动势也最大
B.在2
110s
t-
=⨯时刻，感应电动势最大
C.在2
210s
t-
=⨯时刻，感应电动势为零
D.在2
0~210s
-
⨯时间内，线圈中感应电动势的平均值为零
答案：BC
4、在磁感应强度为1 T 的匀强磁场中有一匝数为10匝的矩形线圈ABCD ，如图所示，线圈绕OO '轴以转速50
r/s π
n =
匀速转动.20cm,25cm AB BC ==，线圈的总电阻为1r =Ω，定值电阻的阻值为9R =Ω，从图示位置开始计时.
(1)写出t 时刻整个线圈中的感应电动势e 的表达式. (2)线圈转过30°，流过R 的电荷量为多少? (3)线圈转过30°时，磁通量的变化率为多少? 答案：(1)50cos100(V)e t = (2)0.025 C (3)4.33 Wb/s。