【配套K12】高中物理第二章交变电流第一节认识交变电流第二节交变电流的描述学案粤教版选修3_2

第一节 认识交变电流 第二节 交变电流的描述

一、交变电流

1．恒定电流

强弱和方向不随时间变化的电流．称为恒定电流．

2．交变电流

强弱和方向随时间变化的电流．称为交变电流．

3．波形图

电流或电压随时间变化的图象．通常利用示波器来观察．

日常生活和生产中所用的交变电流是按正弦规律变化的交变电流．

预习交流1

把两个发光时颜色不同的发光二极管并联，注意使两者正负极的方向不同，然后连接到教学用的发电机的两端（如图）．转动手柄，两个磁极之间的线圈随着转动．观察发光二极管的发光情况．实验现象说明了什么？

答案：可以观察到两个发光二极管交替发光．该实验说明了发电机产生的电流的方向随时间变化，不是直流电，是交变电流．

二、正弦交变电流的产生

1．实验装置：

（1）交流发电机的基本结构：线圈、磁极、滑环及电刷．

（2）模型装置图（下图）：

2

3．

预习交流2

根据法拉第电磁感应定律，线圈在磁场中转动时，穿过线圈的磁通量就发生变化，从而产生感应电流．用线圈和磁铁做成发电机，线圈中产生的感应电流怎么输出来呢？

答案：如下图所示，利用电刷将感应电流输出．

三、用函数表达式描述交变电流

1．电动势的瞬时值

N匝面积为S的线圈以角速度ω转动，从中性面开始计时，得出：

e＝E m sin_ωt，其中E m＝NBSω，叫做电动势的峰值．

2．感应电流的瞬时值

i＝e/R＝I m sin ωt．

3．电压瞬时值

u＝U m sin_ωt．

4．按正弦规律变化的交变电流叫做正弦式交变电流，简称正弦式交流电．

预习交流3

日常生活中照明电路用的是交流电，交流电的大小和方向是周期性变化的．我们为什么感觉白炽灯的明亮程度并没有变化？为什么？

答案：这主要是因为交流电的大小和方向变化过快，白炽灯灯丝的温度基本不变，所以灯的亮度基本没有变化，再者人的眼睛有0.1 s的视觉暂留，也不能分辨其变化情况．

四、用图象描述交变电流

1．图象特点

正弦式交变电流的电动势e，电压u及电流i随时间按正弦规律变化．

2．线圈在匀强磁场中匀速转动一周的过程中，电动势e，电压u及电流i出现两次最大值．

一、交变电流

1．交变电流的大小一定是变化的吗？交变电流与直流电的最大区别是什么？

答案：交变电流的大小不一定变化，如方波形交变电流，其大小可以是不变的，交变电流与直流电的最大区别在于交变电流的方向发生周期性变化，而直流电的方向不变．2．交变电流是否都是由矩形线框在匀强磁场中匀速转动的过程中产生的？

答案：矩形线框在匀强磁场中匀速转动时，产生正弦交变电流，它仅是产生交变电流的一种形式，但不是唯一方式．

如图所示，线圈中不能产生交变电流的是（）．

答案：A

解析：选项A中线圈的转动轴与磁场方向平行，不能产生交变电流；选项B、C、D中，线圈的转动轴都与磁场方向垂直，能够产生交变电流．

发电机发出的及家庭电路中应用的均为交流电，但在超高压输电线上传输的为直流电，直流电便于传输，交流电方便应用．

二、正弦交变电流的产生

1．如图是交流发电机的示意图，线圈沿逆时针方向转动，请思考讨论以下问题：

（1）线圈在由甲转到乙的过程中，AB边中电流向哪个方向流动？

答案：磁感线的方向由N指向S，当线圈由甲转到乙的过程中，向右穿过线圈ABCD的磁通量减少，根据楞次定律和安培定则可判断AB中的电流方向为由B流向A．（2）线圈在由丙转到丁的过程中，AB边中电流向哪个方向流动？

答案：磁感线的方向由N指向S，当线圈由丙转到丁的过程中，向右穿过线圈DABC的磁通量减少，根据楞次定律和安培定则可判断AB中的电流方向为由A流向B．（3）当线圈转到什么位置时线圈中没有电流？

答案：当线圈转到甲和丙位置（中性面位置）时，AB、CD的速度方向都与磁感线方向平行，不切割磁感线，故线圈中没有感应电动势，没有感应电流．

（4）线圈转到什么位置时线圈中的电流最大？

答案：当线圈转到乙和丁位置（垂直中性面的位置）时，AB、CD的速度方向都与磁感线方向垂直，此时两边垂直切割磁感线，且两边都切割磁感线产生感应电动势，所以线圈中的感应电动势最大，感应电流最大．

（5）设从E经过负载流向F的电流方向为正，大致画出通过电流表的电流随时间变化的曲线，并在横轴上标出线圈到达甲、乙、丙、丁几个位置时对应的时刻．答案：根据电流的正方向，在坐标系中描出甲、乙、丙、丁四个位置的电流，并结合电

流的变化情况，用平滑的曲线大致画出电流随时间变化的曲线为正弦曲线，如图．

2．通过上面问题的讨论，试分析正弦交变电流有什么特点．试探究产生正弦交变电流的条件．

答案：交变电流的大小随时间做正弦规律变化．线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀

速转动时，线圈中就产生正弦交变电流．

e随时间t的变化如图所示．下列说法中正确的是（）．

A ．t 1时刻通过线圈的磁通量为零

B ．t 2时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大

C ．t 3时刻通过线圈的磁通量变化率的绝对值为零

D ．t 4时刻线圈位于中性面

答案：C

解析：t 1、t 3时刻电动势为零，线圈处于中性面位置，此时磁通量最大，磁通量的变化率为零，A 错误，C 正确；t 2、t 4时刻电动势值最大，线圈处于与中性面垂直的位置，磁通量为零，B 、D 错误．

中性面、中性面垂直位置的特性比较

1．中性面：线圈平面与磁感线垂直的位置．

2．线圈平面与中性面重合时，S ⊥B ，Φ最大，ΔΦΔt

＝0，e ＝0，i ＝0，电流方向将发生改变．

3．线圈平面与中性面垂直时，S ∥B ，Φ＝0，ΔΦΔt

最大，e 最大，i 最大，电流方向不变．

在这两个特殊位置上，穿过线圈的磁通量Φ和磁通量的变化率ΔΦΔt

均不同． 三、对e ＝E m sin ωt 的理解

如图甲所示，当单匝线圈ABCD 在匀强磁场中以恒定的角速度ω绕中心轴转动，从经过中性面时开始计时，经过时间t ，转过角θ＝ωt ，此时相当于电源的线圈ABCD 四个边都产生电动势吗？此时ABCD 产生的感应电动势怎样计算大小？

答案：设AD ＝l 1，AB ＝l 2，则矩形面积为S ＝l 1l 2 作其俯视图如图乙所示，在t 时刻，AD 边、BC 边分别切割磁感线，其速度为v ＝12

ωl 2，产生的电动势分别为e 1，e 2

则e 1＝Bl 1v sin θ＝Bl 1·12ωl 2sin ωt ＝12Bl 1l 2ωsin ωt ，e 2＝12

Bl 1l 2ωsin ωt 由右手定则可判定它们在电路中串联连接，

故整个电路的电动势为

e ＝e 1＋e 2＝2Bl 1v sin ωt ＝BS ωsin ωt ．

因此并不是四个边都产生电动势．