新教材2025版高中物理第三章交流電1.交變電流學生用書教科版選擇性必修第二冊

1.交變電流課標要求1．知道交變電流、直流的概念．2．了解中性面的概念，駕馭正弦溝通電的產生和變更規(guī)律．3．了解發(fā)電機與電動機中的能量轉化．思維導圖必備學問·自主學習——突出基礎性素養(yǎng)夯基一、交變電流及其產生1．交變電流(1)交變電流：大小和方向都隨時間做________變更的電流，簡稱溝通電．(2)直流：________不隨時間變更的電流．大小和方向都不隨時間變更的電流，稱為恒定電流．(3)正弦溝通電：電流的大小和方向都隨時間按________規(guī)律變更的交變電流．(4)幾種不同類型的溝通電2．交變電流的產生(1)產生條件：在勻強磁場中，矩形線圈繞____________方向的軸勻速轉動．(2)中性面：線圈在磁場中轉動的過程中，線圈平面與磁場________時所在的平面．二、交變電流的變更規(guī)律1．從兩個特別位置起先計時瞬時值的表達式從中性面位置起先計時從與中性面垂直的位置起先計時磁通量Φ＝Φmcosωt＝BScosωtΦ＝Φmsinωt＝BSsinωt感應電動勢e＝Emsinωt＝NBSωsinωte＝Emcosωt＝NBSωcosωt電壓u＝Umsinωt＝RNBSωR+ru＝Umcosωt＝RNBSωR+r電流i＝Imsinωt＝NBSωR+ri＝Imcosωt＝NBSωR+r2.正弦溝通電的圖像三、發(fā)電機與電動機中的能量轉化1．發(fā)電機(1)定義：把機械能轉化為電能的裝置．(2)發(fā)電方式：火力發(fā)電、水力發(fā)電、________發(fā)電、太陽能發(fā)電、________發(fā)電等．2．電動機(1)定義：將電能轉化成機械能的裝置．(2)優(yōu)點：高效易控、________________等．[導學1]交變電流最突出的特征是電流的方向發(fā)生變更，如圖甲為交變電流，圖乙則為直流電．[導學2](1)線圈在轉動一圈的過程中，兩次經過中性面位置，電流方向變更兩次．(2)線圈經過中性面位置時，穿過線圈的磁通量最大，磁通量的變更率為零，感應電動勢為零；線圈經過垂直中性面位置時，穿過線圈的磁通量為零，磁通量的變更率最大，感應電動勢最大．[導學3]發(fā)電機克服安培力做功，把機械能轉化為電能；電動機安培力做正功，把電能轉化為機械能．關鍵實力·合作探究——突出綜合性素養(yǎng)形成探究點一正弦溝通電的產生導學探究(1)如圖，此位置是什么位置，磁通量最大還是最小？是否有感應電動勢？(2)如圖，此位置是什么位置，磁通量最大還是最??？是否有感應電動勢？歸納總結1.兩個特別位置的特點中性面中性面的垂面位置線圈平面與磁場垂直線圈平面與磁場平行磁通量最大零磁通量變更率零最大感應電動勢零最大感應電流零最大電流方向變更不變2.正弦溝通電的產生條件(1)勻強磁場．(2)線圈勻速轉動．(3)線圈的轉軸垂直于磁場方向．典例示范例1(多選)如圖所示，一矩形閉合線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的轉軸OO′以恒定的角速度ω轉動，從線圈平面與磁場方向平行時起先計時，則在0～π2A．線圈中的感應電流始終在減小B．線圈中的感應電流先增大后減小C．穿過線圈的磁通量始終在減小D．穿過線圈的磁通量的變更率始終在減小素養(yǎng)訓練1(多選)矩形線框繞垂直于勻強磁場且在線框平面內的軸勻速轉動時產生了交變電流，下列說法正確的是()A．當線框位于中性面時，線框中感應電動勢最大B．當穿過線框的磁通量為零時，線框中的感應電動勢也為零C．當線框經過中性面時，感應電動勢或感應電流的方向就變更一次D．線框經過中性面時，各邊切割磁感線的速度為零思維方法產生正弦式交變電流的條件是：線圈繞垂直于勻強磁場的軸勻速轉動，與線圈的形態(tài)和轉軸的位置無關．探究點二交變電流的變更規(guī)律導學探究如圖所示，矩形線圈在勻強磁場中繞垂直磁場的軸勻速轉動．(1)導體切割磁感線產生的感應電動勢與什么因素有關？(2)多匝線圈不垂直切割磁感線產生的感應電動勢如何表達？歸納總結1.推導正弦溝通電瞬時值的表達式若線圈平面從中性面起先轉動，如圖所示，則經時間t：(1)線圈轉過的角度為ωt.(2)ab邊的線速度跟磁感線方向的夾角θ＝ωt.(3)ab邊轉動的線速度大小v＝ωLad(4)ab邊產生的感應電動勢eab＝BLabvsinθ＝BSω2sin(5)整個線圈產生的感應電動勢e＝2eab＝BSωsinωt，若線圈為N匝，e＝NBSωsinωt.(6)若線圈給外電阻R供電，設線圈本身電阻為r，由閉合電路歐姆定律得i＝eR+r＝EmR+rsinωt，即i＝Imsinωt，R兩端的電壓可記為u＝Um2．最大值(1)由e＝NBSωsinωt可知，電動勢的最大值Em＝NBSω.(2)交變電動勢的最大值，由線圈匝數N、磁感應強度B、轉動角速度ω及線圈面積S確定，與線圈的形態(tài)無關，與轉軸的位置無關，但轉軸必需垂直于磁場，因此如圖所示幾種狀況，若N、B、S、ω相同，則電動勢的最大值相同．(3)電流的最大值可表示為Im＝NBSω典例示范例2如圖所示，正方形線圈abcd的邊長是0.5m，共150匝，勻強磁場的磁感應強度為B＝2πT，當線圈以150r/min的轉速繞中心軸線OO(1)若從線圈處于中性面起先計時，寫出線圈中感應電動勢的瞬時值表達式；(2)線圈轉過110素養(yǎng)訓練2(多選)如圖所示，abcd為一邊長為L、匝數為N的正方形閉合線圈，繞對稱軸OO′勻速轉動，角速度為ω.空間中只有OO′左側存在垂直紙面對里的勻強磁場，磁感應強度大小為B.若閉合線圈的總電阻為R，則()A．線圈中電動勢的最大值為22NBL2B．線圈中電動勢的最大值為12NBL2C．在線圈轉動一圈的過程中，線圈中有一半時間沒有電流D．當線圈轉到圖中所處的位置時，穿過線圈的磁通量為12BL素養(yǎng)訓練3某旋轉電樞式溝通發(fā)電機，當轉子的旋轉角速度為ω時，其產生的電動勢隨時間變更的關系式為e＝Emsinωt.那么當轉子的旋轉角速度減為12ω的關系式為()A．e′＝12Emsinω2tB．e′＝EmsinC．e′＝2Emsinω2tD．e′＝12Em思維方法(1)求解交變電流的瞬時值問題的答題模型(2)若線圈給外電阻R供電，設線圈本身電阻為r，由閉合電路歐姆定律得i＝eR+r＝EmR+rsinωt＝Imsinωt，R兩端的電壓可記為u＝Um探究點三交變電流的圖像歸納總結1.對交變電流圖像的相識如圖所示，正弦交變電流隨時間的變更狀況可以從圖像上表示出來，圖像描述的是交變電流的電動勢、電流、電壓隨時間變更的規(guī)律，它們是正弦曲線．2．交變電流圖像的應用從圖像中可以解讀到以下信息：(1)交變電流的最大值Im、Em、Um、周期T.(2)因線圈在中性面時感應電動勢、感應電流均為零，磁通量最大，所以可確定線圈位于中性面的時刻．(3)找出線圈平行于磁感線的時刻．(4)推斷線圈中磁通量的變更狀況．(5)分析推斷e、i、u隨時間的變更規(guī)律．典例示范例3一矩形線圈在勻強磁場中勻速轉動時，產生的交變電動勢的圖像如圖所示，則()A．溝通電的頻率是4πHzB．當t＝0時，線圈平面與磁感線垂直，磁通量最大C．當t＝πs時，e有最大值D．t＝32πs時，e素養(yǎng)訓練4一矩形線圈繞垂直于勻強磁場并位于線圈平面內的固定軸勻速轉動，線圈中的感應電動勢e隨時間t變更的規(guī)律如圖所示，則下列說法正確的是()A．圖像是從線圈平面位于中性面起先計時的B．t2時刻穿過線圈的磁通量為零C．t2時刻穿過線圈的磁通量的變更率為零D．感應電動勢e的方向變更時，穿過線圈的磁通量的方向也變更素養(yǎng)訓練5一矩形線圈繞垂直于勻強磁場并位于線圈平面內的固定轉軸勻速轉動，線圈中產生的感應電動勢e隨時間t的變更規(guī)律如圖所示．下列說法中正確的是()A．t1時刻穿過線圈的磁通量最大B．t2時刻穿過線圈的磁通量為0C．t3時刻穿過線圈的磁通量的變更率最大D．每當電流方向變更時，線圈平面就會與中性面垂直思維方法圖像的分析方法一看：看“軸”、看“線”、看“斜率”、看“點”，并理解其物理意義．二變：駕馭“圖與圖”“圖與式”和“圖與物”之間的變通關系．三判：在此基礎上進行正確的分析和推斷．隨堂演練·自主檢測——突出創(chuàng)新性素養(yǎng)達標1．(多選)下列各圖中，表示交變電流的是()2．(多選)下列各圖中(A、B、C選項中的虛線為轉軸；D選項中O點為固定點，線圈在紙面內繞O點轉動，且勻強磁場區(qū)域足夠大)，線圈中能產生溝通電的是()3.(多選)一矩形線圈繞與勻強磁場垂直的中心軸旋轉，切割磁感線的兩邊通過導體圓環(huán)外接電阻R，自圖示位置起先以角速度ω勻速轉動，則通過R的電流()A．大小和方向都不斷變更B．方向不變，大小不斷變更C．變更的規(guī)律i＝ImsinωtD．變更的規(guī)律i＝Imcosωt4．一矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁感線的軸勻速轉動，穿過線圈的磁通量隨時間變更的圖像如圖所示，則下列說法中正確的是()A.t＝0時刻線圈平面與中性面垂直B．t＝0.01s時刻Φ的變更率最大C．t＝0.02s時刻感應電動勢最大D．t＝0.03s時刻感應電動勢為零5．(多選)線圈在勻強磁場中轉動產生電動勢e＝10sin20πtV，則下列說法正確的是()A．t＝0時，線圈平面位于中性面B．t＝0時，穿過線圈的磁通量最大C．t＝0時，導線切割磁感線的有效速率最大D．t＝0.4s時，e有最大值為102V6.如圖所示，一正方形閉合線圈在水平勻強磁場中繞OO′軸勻速轉動．若要使線圈中的電流最大值減半，不行行的方法是()A．只將線圈的轉速減半B．只將線圈的匝數減半C．只將勻強磁場的磁感應強度減半D．只將線圈的邊長都減半1．交變電流必備學問·自主學習一、1．(1)周期性(2)方向(3)正弦函數2．(1)垂直于磁場(2)垂直三、1．(2)風力核能2．(2)清潔無污染關鍵實力·合作探究探究點一【導學探究】提示：(1)中性面磁通量最大無感應電動勢(2)與中性面垂直的位置磁通量為零感應電動勢最大【典例示范】例1解析：計時起先時線圈平面與磁場平行，感應電流最大，在0～π2答案：AD素養(yǎng)訓練1解析：線框位于中性面時，線框平面與磁感線垂直，穿過線框的磁通量最大，但此時切割磁感線的兩邊的速度方向與磁感線平行，即不切割磁感線，所以感應電動勢等于零，也即此時穿過線框的磁通量的變更率等于零，感應電動勢或感應電流的方向在此時刻變更．線框垂直于中性面時，穿過線框的磁通量為零，但切割磁感線的兩邊都是垂直切割，有效切割速度最大，所以感應電動勢最大，即此時穿過線框的磁通量的變更率最大，C、D正確．答案：CD探究點二【導學探究】提示：(1)感應電動勢與線圈的匝數N、磁感應強度B、線圈的面積S和線圈平面與中性面的夾角有關．(2)E＝NBSωsinωt.【典例示范】例2解析：分別把Em、ω的數值求出，代入一般式e＝Emsinωt就得出了瞬時值表達式．求瞬時值時，只需把t的時刻代入表達式就可以了．(1)e＝Emsinωt＝NBS·2πnsin2πnt，代入數據可得e＝375sin5πt(V)．(2)當t＝110s時，電動勢的瞬時值e＝375sin(5π×1答案：(1)e＝375sin5πt(V)(2)375V素養(yǎng)訓練2解析：最大值Em＝12NBL2ω，A錯誤，B正確；在線圈轉動的過程中，線圈始終有一半在磁場中運動，不會有一半時間沒有電流，C錯誤；題圖中所示位置中，穿過線圈的磁通量為12BL答案：BD素養(yǎng)訓練3解析：線圈中產生的感應電動勢的最大值為Em＝NBSω.當轉子的旋轉角速度減為ω′＝12ω時，感應電動勢的最大值變?yōu)镋′m＝NBSω2＝12Em.電動勢隨時間變更的關系式變?yōu)閑′＝E′msinω′t＝12Em答案：A探究點三【典例示范】例3解析：從題圖像可知溝通電的周期為2πs，頻率為12πHz，t＝πs時，e＝0最小，A、C錯誤；t＝0時，e最小，Φ最大，B正確；t＝32πs時，e＝－10V，e答案：B素養(yǎng)訓練4解析：由題圖可知，當t＝0時，感應電動勢最大，說明穿過線圈的磁通量的變更率最大，磁通量為零，即是從線圈平面與磁場方向平行時起先計時的，A錯誤；t2時刻感應電動勢最大，穿過線圈的磁通量的變更率最大，磁通量為零，B正確，C錯誤；感應電動勢e的方向變更時，線圈通過中性面，穿過線圈的磁通量最大，但方向并不變更，D錯誤．答案：B素養(yǎng)訓練5解析：t1時刻感應電動勢最大，線圈通過與中性面垂直的位置，穿過線圈的磁通量最小，A錯誤；t2時刻感應電動勢為零，線圈位于中性面位置，穿過線圈的磁通量最大，B錯誤；t3時刻感應電動勢最大，穿過線圈的磁通量的變更率最大，C正確；每當電流方向變更時，線圈平面與磁場垂直，即線圈轉到中性面位置，D錯誤．答案：C隨堂演練·自主檢測1．解析：方向隨時間做周期性變更是交變電流的重要特征，選項A、B中，電流的大小變更，但方向不變，不是交變電流，故A、B錯誤，C、D正確．答案：CD2．解析：A、C選項中線圈繞轉軸轉動時，磁通量發(fā)生變更，能產生交變電流，故A、C正確．答案：AC3．解析：線圈在勻強磁場中勻速轉動時產生正弦式交變電流，和電阻R構成閉合回路，電流的大小、方向均發(fā)生變更，A正確，B錯誤．由于線圈起先時位于垂直于中性面的平面，所以i＝Imcosωt，D正確，C錯誤．答案：AD4．解析：t＝0時刻磁通量最大，此時線圈平面在中性面，選項A錯誤；t＝0.01s時刻，磁通量為零，此時磁通量的變更率最大，選項B正確；t＝0.02s時刻，磁通量最大，但是磁通量的變更率為零，感應電動勢為