新教材適用2024-2025學(xué)年高中物理第3章交變電流1.交變電流學(xué)案新人教版選擇性必修第二冊(cè)

1．交變電流課程標(biāo)準(zhǔn)1．通過試驗(yàn)，相識(shí)交變電流，了解交變電流的產(chǎn)生過程，理解交變電流和直流的概念。2．能用公式和圖像描述正弦交變電流。3．知道交變電流的變更規(guī)律及表示方法，知道交變電流的瞬時(shí)值、峰值的物理含義。4．了解溝通發(fā)電機(jī)的工作原理。素養(yǎng)目標(biāo)1．物理觀念：能區(qū)分溝通和直流；知道峰值、瞬時(shí)值等物理量的意義。2．科學(xué)思維：經(jīng)驗(yàn)建立正弦式交變電流模型的過程，用右手定則和法拉第電磁感應(yīng)定律推理得出正弦式交變電流方向和大小的規(guī)律。3．科學(xué)看法與責(zé)任：知道交變電流在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，體會(huì)物理學(xué)科在社會(huì)生產(chǎn)生活方面的作用和意義。學(xué)問點(diǎn)1交變電流1．交變電流大小和方向都隨時(shí)間做_周期性變更__的電流。注：大小不變方向變更的電流也是交變電流。2．直流電_方向__不隨時(shí)間變更的電流。3．圖像特點(diǎn)(1)恒定電流的圖像是一條與時(shí)間軸_平行的直線__。(2)交變電流的圖像有時(shí)會(huì)在時(shí)間軸的上方，有時(shí)會(huì)在時(shí)間軸的下方，即隨_時(shí)間__做周期性變更?！号幸慌小?1)假如電流的大小做周期性變更，則肯定是交變電流。(×)(2)直流電的大小可以變更，但方向肯定不變。(√)(3)交變電流肯定是按正弦或余弦規(guī)律變更的。(×)學(xué)問點(diǎn)2交變電流的產(chǎn)生1．產(chǎn)生方法閉合線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)的軸_勻速__轉(zhuǎn)動(dòng)。2．產(chǎn)生過程(示意圖)。(在下面橫線上填“ABCD”或“DCBA”)注：在甲、丙位置時(shí)線圈中沒有電流，在乙、丁位置時(shí)線圈中電流最大。3．中性面線圈平面與磁場(chǎng)_垂直__的位置?！号幸慌小?4)當(dāng)穿過線圈的磁通量為0時(shí)，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也為0。(×)(5)每當(dāng)線圈經(jīng)過中性面時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或感應(yīng)電流的方向就變更一次。(√)(6)當(dāng)線圈位于中性面位置時(shí)，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大。(×)『想一想』手電筒中干電池能給小燈泡供應(yīng)電流，家用日光燈工作時(shí)也有電流通過，這兩種電流除大小不同外，還有何區(qū)分？解析：手電筒中的電流為直流；日光燈中的電流為交變電流。學(xué)問點(diǎn)3交變電流的變更規(guī)律1．正弦式交變電流(1)定義：按_正弦規(guī)律__變更的交變電流，簡(jiǎn)稱正弦式電流。(2)函數(shù)表達(dá)式和圖像函數(shù)圖像瞬時(shí)電動(dòng)勢(shì)：e＝Emsinωt瞬時(shí)電壓：u＝_Umsin_ωt__瞬時(shí)電流：i＝_Imsin_ωt__2．常見的幾種不同類型的交變電流『選一選』(2024·黑龍江哈爾濱市高二月考)下列圖像中不屬于溝通電的是(D)ABCD解析：電流大小和方向做周期性變更的叫作交變電流，D選項(xiàng)中的電動(dòng)勢(shì)大小周期性變更，方向沒有變更，不屬于交變電流，故選D。學(xué)問點(diǎn)4溝通發(fā)電機(jī)1．構(gòu)造由產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的_線圈__(通常叫作電樞)和產(chǎn)生磁場(chǎng)的_磁體__組成。2．工作原理發(fā)電機(jī)的形式有許多，但其工作原理都基于_電磁感應(yīng)現(xiàn)象__?！哼x一選』一臺(tái)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖甲所示，其中N、S是永久磁鐵的兩個(gè)磁極，它們的表面呈半圓柱面形態(tài)。M是圓柱形鐵芯，鐵芯外套有一矩形線圈，線圈繞鐵芯M中心的固定轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。磁極與鐵芯之間的縫隙中形成方向沿半徑的輻向磁場(chǎng)。若從圖甲所示位置起先計(jì)時(shí)，此時(shí)電動(dòng)勢(shì)為正值，圖乙中能正確反映線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e隨時(shí)間t的變更規(guī)律的是(D)解析：由于磁場(chǎng)為沿半徑的輻向磁場(chǎng)，線圈始終垂直切割磁感線，而且可以認(rèn)為切割的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小不變，所以產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小不變，由于每個(gè)周期磁場(chǎng)方向要變更兩次，所以產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向也要變更兩次，選項(xiàng)D正確。探究交變電流的產(chǎn)生過程情境導(dǎo)入線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)處于如圖所示位置時(shí)，請(qǐng)視察并思索：切割磁感線的兩條邊的速度方向與磁場(chǎng)方向是什么關(guān)系？此時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為多少？提示：(1)圖示位置左右兩條邊的速度方向與磁場(chǎng)方向平行，不切割磁感線，不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。(2)從磁通量變更的角度分析，圖示位置磁通量最大，但變更率為0，所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為0。要點(diǎn)提煉1．產(chǎn)生在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，繞垂直于磁場(chǎng)方向的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的線圈里產(chǎn)生的是交變電流，試驗(yàn)裝置如圖所示。2．過程分析如圖所示。圖A圖B(1)如圖A所示：線圈由甲位置轉(zhuǎn)到乙位置過程中，電流方向?yàn)閍→b→c→d。線圈由乙位置轉(zhuǎn)到丙位置過程中，電流方向?yàn)閍→b→c→d。線圈由丙位置轉(zhuǎn)到丁位置過程中，電流方向?yàn)閎→a→d→c。線圈由丁位置轉(zhuǎn)到戊位置過程中，電流方向?yàn)閎→a→d→c。(2)如圖B所示：在乙位置和丁位置時(shí)，線圈垂直切割磁感線，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)和電流最大；在甲位置和丙位置時(shí)，線圈不切割磁感線，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)和電流均為零。3．兩個(gè)特別位置物理量的特點(diǎn)名稱中性面中性面的垂面位置線圈平面與磁場(chǎng)垂直線面平面與磁場(chǎng)平行磁通量最大零磁通量的變更率零最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)零最大線圈邊框切割磁感線的有效速度零最大感應(yīng)電流零最大電流方向變更不變(1)線圈每一次經(jīng)過中性面，線圈中感應(yīng)電流就要變更方向。(2)線圈轉(zhuǎn)一周，感應(yīng)電流方向變更兩次。典例剖析典例1溝通發(fā)電機(jī)發(fā)電示意圖如圖所示，線圈轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，下列說法正確的是(D)A．轉(zhuǎn)到圖甲位置時(shí)，通過線圈的磁通量變更率最大B．轉(zhuǎn)到圖乙位置時(shí)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零C．轉(zhuǎn)到圖丙位置時(shí)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流最大D．轉(zhuǎn)到圖丁位置時(shí)，AB邊感應(yīng)電流方向?yàn)锳→B解析：轉(zhuǎn)到圖甲位置時(shí)，線圈平面與磁感線垂直，磁通量最大，但磁通量變更率為零，A錯(cuò)誤；轉(zhuǎn)到圖乙位置時(shí)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，B錯(cuò)誤；轉(zhuǎn)到圖丙位置時(shí)，線圈位于中性面位置，此時(shí)感應(yīng)電流最小，C錯(cuò)誤；轉(zhuǎn)到圖丁位置時(shí)，依據(jù)楞次定律或右手定則可推斷AB邊感應(yīng)電流方向?yàn)锳→B，D正確。對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練?(多選)如圖所示，視察電流表的指針，可以看到(ACD)A．指針隨著線圈轉(zhuǎn)動(dòng)而搖擺，并且線圈旋轉(zhuǎn)一周，指針左右搖擺一次B．當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)到跟磁感線垂直的平面位置時(shí)，電流表的指針偏轉(zhuǎn)最大C．當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)到跟磁感線平行的位置時(shí)，電流表的指針偏轉(zhuǎn)最大D．在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的線圈里產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流是按正弦規(guī)律變更的解析：當(dāng)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)磁通量變更，產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)致指針搖擺；每當(dāng)線圈通過中性面位置時(shí)，電流方向變更，則線圈旋轉(zhuǎn)一周電流方向變更兩次，指針左右搖擺一次，故A正確；當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)到跟磁感線垂直的平面位置時(shí)，即中性面位置，磁通量變更率為零，故感應(yīng)電流為零，則電流表的指針讀數(shù)為零，故B錯(cuò)誤；當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)到跟磁感線平行的位置時(shí)，線框切割速度最大，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，電流表的指針偏轉(zhuǎn)最大，故C正確；在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的線圈里產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流是按正弦規(guī)律變更的，故D正確。探究交變電流的變更規(guī)律情境導(dǎo)入如圖是在示波器中視察到的家庭電路中正弦交變電流圖像，(1)只有圖像為正弦曲線的才叫正弦式交變電流嗎？(2)若用公式表示此圖像，其表達(dá)形式是怎樣的？提示：(1)不是，圖像的形態(tài)與計(jì)時(shí)起先的時(shí)刻有關(guān)。(2)e＝Emsinωt。要點(diǎn)提煉1．交變電流的瞬時(shí)值表達(dá)式推導(dǎo)線圈平面從中性面起先轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖所示，則經(jīng)過時(shí)間t：(1)線圈轉(zhuǎn)過的角度為ωt。(2)ab邊的線速度跟磁感線方向的夾角θ＝ωt。(3)ab邊轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度大小v＝ωeq\f(Lad,2)。(4)ab邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(設(shè)線圈面積為S)eab＝BLabvsinθ＝eq\f(BSω,2)sinωt。(5)整個(gè)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e＝2eab＝BSωsinωt，若線圈為n匝，則e＝nBSωsinωt。2．峰值表達(dá)式Em＝nBSω，Im＝eq\f(Em,R＋r)＝eq\f(nBSω,R＋r)，Um＝ImR＝eq\f(nBSωR,R＋r)。3．正弦交變電流的瞬時(shí)值表達(dá)式(1)從中性面位置起先計(jì)時(shí)e＝Emsinωt，i＝Imsinωt，u＝Umsinωt。(2)從與中性面垂直的位置起先計(jì)時(shí)e＝Emcosωt，i＝Imcosωt，u＝Umcosωt。(1)從不同的位置起先計(jì)時(shí)，得到的交變電流的表達(dá)式不同。(2)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的峰值與線圈的形態(tài)和轉(zhuǎn)軸的位置沒有關(guān)系。如圖所示，三個(gè)不同形態(tài)的線圈產(chǎn)生的交變電流的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的峰值相同。典例剖析典例2(2024·江西師大附中高二期末)一矩形線圈，面積是0.05m2，共100匝，線圈電阻為1Ω，外接電阻為R＝4Ω，線圈在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B＝eq\f(1,π)T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中以300r/min的轉(zhuǎn)速繞垂直于磁感線的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖所示，若從中性面起先計(jì)時(shí)，求：(1)線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值；(2)線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式；(3)線圈從起先計(jì)時(shí)經(jīng)eq\f(1,30)s時(shí)，線圈中電流的瞬時(shí)值。解析：(1)線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值為Em＝NBSω，ω＝2πn聯(lián)立，可得Em＝50V。(2)線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式為e＝Emsinωt(V)代入數(shù)據(jù)，得e＝50sin10πt(V)。(3)線圈從起先計(jì)時(shí)經(jīng)eq\f(1,30)s時(shí)，線圈中電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值為e′＝50sin10π×eq\f(1,30)(V)依據(jù)閉合電路歐姆定律，有i＝eq\f(e′,R＋r)聯(lián)立，可得i＝5eq\r(3)A。答案：(1)50V(2)e＝50sin10πt(V)(3)5eq\r(3)A對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練?(多選)如圖所示，矩形線圈abcd在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中分別繞垂直于磁場(chǎng)方向的軸P1和P2以相同的角速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)到與磁場(chǎng)方向平行時(shí)(BD)A．線圈繞P1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流等于繞P2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流，且均為0B．線圈繞P1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于繞P2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)C．線圈繞P1和P2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向相同，都是a→b→c→dD．線圈繞P1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)cd邊受到的安培力等于繞P2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)cd邊受到的安培力解析：依據(jù)交變電流的產(chǎn)生規(guī)律可知，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大值Em＝NBSω，當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)到與磁場(chǎng)方向平行時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，由于兩次轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度相同，線圈面積相同，則產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大值相同，即線圈繞P1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)等于繞P2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，由此可知，線圈繞P1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電流等于繞P2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電流，此時(shí)感應(yīng)電流最大，不為0。A錯(cuò)誤，B正確；由右手定則可知，在圖示位置時(shí)，線圈繞P1和P2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)感應(yīng)電流的方向相同，都是a→d→c→b。C錯(cuò)誤；當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)到與磁場(chǎng)方向平行時(shí)，線圈繞P1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電流等于繞P2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電流，而安培力F＝ILB，則線圈繞P1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)cd邊受到的安培力等于繞P2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)cd邊受到的安培力，D正確。正弦式交變電流的圖像及應(yīng)用1．圖像意義反映了交變電流的電流(電壓)隨時(shí)間變更的規(guī)律，如圖所示。2．從圖像中可以解讀到以下信息(1)交變電流的最大值Im、Em。(2)因線圈在中性面時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、感應(yīng)電流均為零，磁通量最大，所以可確定線圈位于中性面的時(shí)刻。(3)可找出線圈平行磁感線的時(shí)刻。(4)推斷線圈中磁通量的變更狀況。(5)分析推斷i、e隨時(shí)間的變更規(guī)律。3．解決圖像問題的基本方法一看：看“軸”、看“線”、看“斜率”、看“點(diǎn)”。二變：駕馭“圖與圖”“圖與式”和“圖與物”之間的變通實(shí)力。三推斷：結(jié)合圖像和公式進(jìn)行正確分析和推斷。案例1線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生交變電流的圖像如圖所示，由圖可知(D)A．在A、C時(shí)刻線圈處于中性面位置B．在B、D時(shí)刻穿過線圈的磁通量為零C．從A時(shí)刻到D時(shí)刻線圈轉(zhuǎn)過的角度為πD．若從0時(shí)刻到D時(shí)刻經(jīng)過0.02s，則在1s內(nèi)交變電流的方向變更100次解析：A、C時(shí)刻感應(yīng)電流最大，線圈位置與中性面垂直，B、D時(shí)刻感應(yīng)電流為零，線圈在中性面，此時(shí)磁通量最大。從A時(shí)刻到D時(shí)刻線圈轉(zhuǎn)過角度為eq\f(3π,2)。若從0時(shí)刻到D時(shí)刻經(jīng)過0.02s，則T＝0.02s，則在1s內(nèi)交變電流的方向變更eq\f(1,0.02)×2＝100次，故D正確。案例2(2024·黑龍江齊齊哈爾高二期末)一閉合矩形線圈abcd繞垂直于磁感線的固定軸OO′勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈平面位于如圖甲所示的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中。通過線圈的磁通量Φ隨時(shí)間t的變更規(guī)律如圖乙所示，下列說法正確的是(B)A．t1、t3時(shí)刻通過線圈的磁通量變更率最大B．t1、t3時(shí)刻線圈中感應(yīng)電流方向變更C．t2、t4時(shí)刻線圈中磁通量最大D．t3、t4時(shí)刻線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最小解析：從圖乙中可以看出t1、t3時(shí)刻通過線圈的磁通量最大，但斜率為0，即磁通量變更率最小，A錯(cuò)誤；t1、t3時(shí)刻線圈的磁通量最大，感應(yīng)電流為0，線圈處于中性面，感應(yīng)電流方向變更，B正確；從圖乙中可以看出t2、t4時(shí)刻線圈中磁通量最小，C錯(cuò)誤；t3時(shí)刻線圈中磁通量最大，磁通量變更率最小即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最小，但t4時(shí)刻線圈中磁通量最小，磁通量變更率卻是最大，即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，D錯(cuò)誤。一、交變電流1．關(guān)于交變電流的理解，下列說法正確的是(C)A．大小隨時(shí)間周期性變更的電流叫交變電流B．交變電流就是正弦交變電流C．我們的照明用電是溝通電D．電池也是供應(yīng)的交變電流解析：大小和方向隨時(shí)間周期性變更的電流叫交變電流，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；正弦交變電流是溝通電的一種，并非交變電流就是正弦交變電流，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；我們的照明用電是正弦溝通電，選項(xiàng)C正確；電池供應(yīng)的是恒定不變的穩(wěn)恒電流，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。故選C。2．對(duì)于如圖所示的電流i隨時(shí)間t作周期性變更的圖像，下列描述正確的是(A)A．電流的大小變更，方向不變，是直流電B．電流的大小不變，方向變更，是交變電流C．電流的大小和方向都變更，是交變電流D．電流的大小和方向都不變，是直流電解析：由圖像可知，電流的方向不變，而大小作周期性變更，所以不是溝通，而是直流，但不是恒定直流。故選A。二、交變電流的產(chǎn)生3．(2024·山東高二期中)如圖所示，邊長為L的正方形線框在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B0的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，以周期T繞OO′軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，從圖示位置起先計(jì)時(shí)，下列說法正確的是(D)A．圖示位置與中性面垂直B．回路中產(chǎn)生穩(wěn)恒直流電C．t＝eq\f(T,4)時(shí)，電流方向?qū)l(fā)生變更D．t＝eq\f(T,4)時(shí)刻穿過線框的磁通量為0解析：題中圖示的位置穿過線框的磁通量最大，為中性面，A錯(cuò)誤；回路中將產(chǎn)生正弦式交變電流，B錯(cuò)誤；t＝eq\f(T,4)時(shí)，穿過線框的磁通量為零，感應(yīng)電流最大，電流方向不發(fā)生變更，C錯(cuò)誤，D正確。4．(多選)(2024·云南曲靖市高二期中)矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生溝通電，如圖所示，下列說法中正確的是(BC)A．當(dāng)穿過線圈的磁通量最大時(shí)，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)最大B．當(dāng)穿過線圈的磁通量為零時(shí)，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)最大C．在圖示位置時(shí)，A邊產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向垂直紙面對(duì)里D．在圖示位置時(shí)，A邊產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向垂直紙面對(duì)外解析：當(dāng)穿過線圈的磁通量最大時(shí)，線圈位于中性面，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)為零；當(dāng)穿過線圈的磁通量為零時(shí)，線圈與中性面垂直，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)最大，A錯(cuò)誤，B正確；依據(jù)右手定則可知，在圖示位置時(shí)，A邊產(chǎn)