高中物理-第五章-交變電流第一節(jié)-交變電流課件-新人教版選修3-2

●知識導航本章研究的交變電流知識，有著廣泛的應用，與生產(chǎn)和生活實際有著密切的聯(lián)系．交變電流的產(chǎn)生及其描述方法，交變電流的根本規(guī)律及其應用——變壓器、電能的輸送等知識是前面所學知識的具體應用，有綜合性，又能廣泛聯(lián)系實際，對于開闊思路、提高思維能力是非常有益的．交變電流的變化規(guī)律和描述交變電流特征的物理量是交變電流的根本知識，是這一局部的核心內(nèi)容．交變電流的產(chǎn)生是根據(jù)電磁感應知識引伸而來，起了承前啟后的作用．變壓器是對交變電流知識和前面知識的擴展和應用，又為后續(xù)將要學習的電磁振蕩和電磁波等知識奠定了重要的根底．本章可分為三個單元：第一單元(第1、2節(jié))講授交流電的產(chǎn)生和變化規(guī)律；講授表征交變電流的物理量．第二單元(第3節(jié))講授電感和電容對交變電流的影響．第三單元(第4、5節(jié))講授變壓器的工作原理和遠距離輸電．本章的重點是交變電流的產(chǎn)生、變化規(guī)律和變壓器的工作原理，難點是正弦交流電的描述及變壓器的實際應用．●學法指導為了學好本章知識，首先要聯(lián)系前面所學的電磁感應的有關知識，理解交流電的產(chǎn)生和變化規(guī)律．其次要比較交流電與直流電通過電阻、電感、電容器等元件所表現(xiàn)出來的性質(zhì)和特點．最后要聯(lián)系生產(chǎn)生活實際，聯(lián)系現(xiàn)代科技成果，輸電工程屬于知識密集型工程，在學習的過程中，要注意理論聯(lián)系實際，要善于知識的遷移、綜合和應用．●考綱須知考點內(nèi)容要求1.交變電流、交變電流的圖象Ⅰ2.正弦交變電流的函數(shù)表達式、峰值和有效值Ⅰ3.理想變壓器Ⅰ4.遠距離輸電Ⅰ※知道什么是交變電流※※掌握交變電流的產(chǎn)生及變化規(guī)律※理解正弦交流電的圖象及表達式我們的日常生活離不開電，城市的燈火輝煌、工廠里的機器轟鳴，一切都離不開電．(如下圖是實驗室手搖發(fā)電機)長江三峽水力發(fā)電站已投入生產(chǎn)，各地火力發(fā)電廠比比皆是，它們的共同之處就是生產(chǎn)和輸送的大多都是交變電流．什么是交變電流？與直流電流有什么不同？它又是如何產(chǎn)生的呢？1．大小和方向都________，這樣的電流叫做交變電流，例如家庭電路中的電流．2．以下圖是交流發(fā)電機的示意圖．為了觀察清楚，圖中只畫出了一匝線圈，它的ab邊連在金屬滑環(huán)K上，cd邊連在滑環(huán)L上；兩個滑環(huán)通過金屬片做的電刷A、B和外電路相連．線圈沿逆時針方向轉(zhuǎn)動．我們觀察ab這段導線．根據(jù)右手定那么可以判斷，當線圈轉(zhuǎn)到圖乙的位置時，電流________流動，而當線圈轉(zhuǎn)到圖丁的位置時，那么________流動；在圖丙和圖戊的位置，因為__________，電路中沒有感應電流．線圈在不斷轉(zhuǎn)動，電路中電流的方向也就________．交變電流就是這樣產(chǎn)生的．3．對正弦式交變電流，線圈的電動勢瞬時值表達式e＝________；用電器兩端的電壓瞬時值表達式u＝________；流過用電器的電流瞬時值表達式i＝________.答案：1.隨時間做周期性變化的電流．2．由a向b；由b向a；導線ab的運動方向和磁感線平行；不斷改變．3．Emsinωt；Umsinωt；Imsinωt(1)交變電流：大小和方向都隨時間做周期性變化的電流，叫做交變電流，簡稱交流(AC)．說明：①方向不變的電流叫直流電(DC)②大小不變方向改變的電流也是交變電流．如以下圖所示圖象中屬于交流電的有 ()答案：ABC解析：圖A、B、C中e的方向均發(fā)生了變化，故它們屬于交流電．正確答案為A、B、C.點評：判斷電流為交變電流還是直流電就看方向是否變化．如D選項，盡管大小隨時間變化的圖象與A相似，但因其方向不變，仍是直流電.(1)按正弦規(guī)律變化的交變電流叫做正弦式交變電流，簡稱正弦式電流，是一種最簡單又是最根本的交變電流．(2)產(chǎn)生原理：線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的軸勻速轉(zhuǎn)動時，線圈中就會產(chǎn)生大小和方向均隨時間作周期性變化的電動勢，即交變電動勢，如下圖．(3)中性面：當線圈轉(zhuǎn)動到其平面與磁感線垂直的位置時，線圈所在的平面叫做中性面．①線圈位于中性面時，線圈中的各個邊均不切割磁感線，穿過線圈的磁通量最大，磁通量的變化率為零，感應電動勢、感應電流的瞬時值均為零．②線圈每次通過中性面時，其內(nèi)部的電流方向就要發(fā)生改變．線圈轉(zhuǎn)動一周經(jīng)過中性面兩次，感應電流的方向改變兩次．(4)我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活使用的交變電流(即市電)都是正弦式電流．特別提醒：〔1〕在線圈轉(zhuǎn)動過程中，磁通量最大時，磁通量變化率恰好為零；磁通量為零時，磁通量變化率恰好最大.〔2〕感應電動勢的大小由磁通量變化率決定，與磁通量的大小沒有直接關系.以下圖中哪些情況線圈中產(chǎn)生了交流電 ()答案：BCD解析：緊扣正弦交流電產(chǎn)生的條件可知，軸必須垂直于磁感線，但對線圈的形狀沒有特別要求.(1)函數(shù)形式：電動勢瞬時值e＝Emsinωt；電壓的瞬時值u＝Umsinωt；電流的瞬時值i＝Imsinωt；(2)圖象形式：用正弦(或余弦)曲線表示交變電流隨時間的變化規(guī)律，如以下圖所示．(3)特點分析：線圈轉(zhuǎn)動過程中的平均電動勢如何求？答案：線圈在轉(zhuǎn)動過程中某一段時間內(nèi)或從一個位置到另一個位置的過程中所產(chǎn)生的電動勢，稱為平均電動勢，它不等于始、末兩時刻瞬時值的平均值，必須用法拉第電磁感應定律計算，即

同理，計算交變電流在某段時間內(nèi)通過導體橫截面的電荷量，也必須用平均值，即

如下圖，虛線OO′的左邊存在著方向垂直于紙面向里的勻強磁場，右邊沒有磁場．單匝矩形線圈abcd的對稱軸恰與磁場右邊界重合，線圈平面與磁場垂直．線圈沿圖示方向繞OO′軸以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動(即ab邊先向紙外、cd邊先向紙里轉(zhuǎn)動)，規(guī)定沿a→b→c→d→a方向為感應電流的正方向．假設從圖示位置開始計時，以下四個圖象中能正確表示線圈內(nèi)感應電流i隨時間t變化規(guī)律的是()解析： ab一側(cè)的線框在磁場中繞OO′轉(zhuǎn)動產(chǎn)生正弦交變電流，由楞次定律得電流方向為d→c→b→a且越來越大； ，ab一側(cè)線框在磁場外，而dc一側(cè)線框又進入磁場，產(chǎn)生交變電流，電流方向為d→c→b→a且越來越小，以此類推，可知i－t圖象為B.答案：B

如下圖，一面積為S的單匝矩形線圈處于有界磁場中，能使線圈中產(chǎn)生交變電流的是 ()A．將線圈水平向右勻速拉出磁場B．使線圈以OO′為軸勻速轉(zhuǎn)動C．使線圈以ab為軸勻速轉(zhuǎn)動D．磁場以B＝B0sinωt規(guī)律變化答案：BCD解析：將線圈向右拉出磁場時，線圈中電流方向不變，A錯，B、C兩種情況下產(chǎn)生交變電流，只是在C情況下當線圈全部位于磁場外的一段時間內(nèi)線圈內(nèi)沒有電流，由法拉第電磁感應定律可知D種情況下產(chǎn)生按余弦規(guī)律變化的電流，B、C、D對.如以下圖(a)所示，“匚”形金屬導軌水平放置，導軌上跨接一金屬棒ab，與導軌構(gòu)成閉合回路，并能在導軌上自由滑動．在導軌左側(cè)與ab平行放置的導線cd中通以以下圖(b)所示的交變電流，規(guī)定電流方向自c向d為正，那么ab棒受到向左的安培力的時間是 ()A．0→t1 B．t1→t2C．t2→t3 D．t3→t4解析：0→t1時間內(nèi)，電流i由c→d且逐漸增大，由安培定那么及楞次定律可判定：閉合回路中的磁場方向垂直紙面向里，金屬棒ab中的電流方向由a→b，再由左手定那么可判定，此時ab棒所受安培力向左．選項A正確．同理可判斷出t1→t2時間內(nèi)，t3→t4時間內(nèi)ab棒所受安培力向右，t2→t3時間內(nèi)ab棒所受安培力向左．答案：AC點評：此題是安培定那么、楞次定律及左手定那么與交流電變化規(guī)律的綜合判斷題．分析時從cd中電流的變化規(guī)律出發(fā)，對各時間段內(nèi)的電流變化引起的磁通量變化、感應電流的產(chǎn)生、電流在磁場中的受力方向逐一做出判斷．(2010·南京六中高二期中)一矩形線圈，繞垂直于勻強磁場并位于線圈平面內(nèi)的固定軸轉(zhuǎn)動，線圈中的感應電動勢e隨時間t變化如下圖，下面說法正確的選項是 ()A．t1時刻通過線圈的磁通量為零B．t2時刻通過線圈的磁通量的絕對值最大C．t3時刻通過線圈的磁通量變化率的絕對值最大D．每當e變換方向時，通過線圈的磁通量絕對值都為最大答案：D解析：t1、t3時刻線圈中的感應電動勢e＝0，故為線圈通過中性面的時刻，此時線圈的磁通量應為最大，磁通量的變化率為零．故A、C不正確．t2時刻e＝Em，應為線圈平面轉(zhuǎn)至與磁感線平行時刻，磁通量為零，磁通量的變化率最大，B也不正確．每當e變換方向時，也就是線圈通過中性面的時刻，通過線圈的磁通量絕對值最大，D正確.如下圖，勻強磁場B＝0.1T，所用矩形線圈的匝數(shù)N＝100，邊長ab＝0.2m，bc＝0.5m，以角速度ω＝100πrad/s繞OO′軸勻速轉(zhuǎn)動．當線圈平面通過中性面時開始計時，試求：(1)線圈中感應電動勢的大?。馕觯?1)解法一：線圈經(jīng)過時間t轉(zhuǎn)過角度θ＝ωt，這時bc和da邊不切割磁感線，ab和cd邊切割磁感線產(chǎn)生感應電動勢eab＝ecd＝NBabvsinωt答案：(1)e＝314sin100πtV(2)200V點評：解決此類題目首先要搞清正弦式電流產(chǎn)生的原理，其次要搞清題意：第(1)問沒有給出時間，即要求寫出感應電動勢隨時間t變化的函數(shù)關系；第(2)問要理解平均電動勢既不是最大電動勢值的一半，也不是等于歷時一半時間的瞬時電動勢，必須由法拉第電磁感應定律求解．有一10匝正方形線框，邊長為20cm，線框總電阻為1Ω，線框繞OO′軸以10πrad/s的角速度勻速轉(zhuǎn)動，如下圖垂直于線框平面向里的勻強磁場的磁感應強度為0.5T.問：(1)該線框產(chǎn)生的交變電流電動勢最大值、電流最大值分別是多少？(2)線框從圖示位置轉(zhuǎn)過60°時，感應電動勢的瞬時值是多大？(3)寫出感應電動勢隨時間變化的表達式．解析：(1)交變電流電動勢最大值為Em＝nBSω＝10×0.5×0.22×10πV＝6.28V，電流的最大值為Im＝Em/R＝6.28/1A＝6.28A.(2)線框轉(zhuǎn)過60°時，感應電動勢E＝Emsin60°＝5.44V.(3)由于線框轉(zhuǎn)動是從中性面開始計時的，所以瞬時值表達式為e＝Emsinωt＝6.28sin10πtV.磁鐵在電器中有廣泛的應用，如發(fā)電機，如下圖，一臺單相發(fā)電機轉(zhuǎn)子導線框共有N匝，線框長為L1，寬為L2，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角速度為ω，磁極間的磁感應強度為B.導出發(fā)電機的瞬時電動勢E的表達式．現(xiàn)在知道有一種強永磁材料釹鐵硼，用它制成發(fā)電機的磁極時，磁感應強度可增大到原來的k倍，如果保持發(fā)電機結(jié)構(gòu)和尺寸、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動角速度、產(chǎn)生的電動勢都不變，那么這時轉(zhuǎn)子上的導線框需要多少匝？解析：設切割磁感線線圈邊長是L1，線圈從中性面開始經(jīng)過時間t轉(zhuǎn)過的角度為θ，那么θ＝ωt，如下圖，由幾何關系知，線圈繞軸轉(zhuǎn)動的線速度v在t時刻與磁場B的夾角也為θ當矩形線圈在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動時，會產(chǎn)生正弦交變電流，讓電