51《交变电流》学案全集1(人教版选修3-2).docx

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1、5.1交变电流【学习目标】一知识与技能1使学生理解交变电流的产生原理，知道什么是中性面。2掌握交变电流的变化规律及表示方法。3理解交变电流的瞬时值和最大值及中性面的准确含义。二过程与方法1掌握描述物理量的三种根本方法文字法、公式法、图象法。2培养学生观察能力，空间想象能力以及将立体图转化为平面图形的能力。3培养学生运用数学知识解决物理问题的能力。三情感、态度与价值观通过实验观察，激发学习兴趣，培养良好的学习习惯，体会运用数学知识解决物理问题的重要性【自主学习】想一想：我们的生活用电就是交流电，怎样才能产生这样的生活用电呢填一填：大小和方向都随时间做周期性变化的电流称为交变电流，方向不随时间变化

2、的电流称为直流。点一点：如右图所示，在线圈转动过程中，ab边和cd边切割磁感线运动，图示位置感应电流为零，转过90时感应电流最大，转过180时感应电流为零，转过270时感应电流最大，转过360时感应电流为零，由此可知：此过程产生的是交变电流，且每次经过感应电流为零的位置，感应电流的方向都会变向。填一填：由法拉第电磁感应定律可导出感应电动势e=，那么电动势按正弦规律变化，我们称为正弦式交变电流，我们生活用电就是这样的电流，故负载两端的电压u=，流过负载的电流i=。议一议：正弦式电流是最简单又最根本的交变电流，它有怎样的变化规律呢【典例剖析】【例1】一矩形线圈，绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固

3、定轴转动，线圈中的感应电动势e随时间t的变化如下列图。下面说法中正确的选项是 At1时刻通过线圈的磁通量为零Bt2时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大Ct3时刻通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大D每当e转换方向时，通过线圈的磁通量的绝对值都为最大解析：t1、t3时刻线圈中的感应电动势e=0，即为线圈经过中性面的时刻，此时线圈的磁通量为最大，但磁通量的变化率却为零，所以选项A、C不正确。t2时刻e=-Em，线圈平面转至与磁感线平行，此时通过线圈的磁通量为零，磁通量的变化率却最大，故B也不正确。每当e变换方向时，也就是线圈通过中性面的时刻，通过线圈的磁通量的绝对值为最大，故D正确。答案：D。点评：磁通

4、量、磁通量的变化 及磁通量的变化率属于有关联但内涵完全不同的三个物理量，必须注意区分。另外，由法拉第电磁感应定律可知E，E与和没有直接的对应关系。【例2】在匀强磁场中有一矩形线圈，从中性面开始绕垂直于磁感线的轴以角速度匀速转动时，产生的交变电动势可以表示为e=Emsint。现在把线圈的转速增为原来的2倍，试分析并写出现在的交变电动势的峰值、交变电动势的瞬时值表达式，画出与其相对应的交变电动势随时间变化的图象。解析：当线圈的转速增为2倍时，角速度变为两倍，即=2，据交变电动势的峰值表达式Em=BS，因B、S不变，此时最大值 Em=BS2=2Em。现在的交变电动势的瞬时值表达式为：e=Emsint

5、=2Emsin2t该交变电动势随时间变化的图象如下列图。 点评：图象能应用数学方法表示物理量之间函数关系，要画出交变电动势随时间变化的图象，需要依据一个正确的交变电动势随时间变化的数学表达式，要写出正确的交变电动势瞬时值表达式，需要知道交变电动势的最大值和角速度，而这两个量都与给出的“改变转速这一条件是相关的。分析物理图象的要点：一看：看“轴、看“线、看“斜率、看“点、看“截距、看“面积、看“拐点，并理解其物理意义。二变：掌握“图与图“图与式和“图与物之间的变通关系。三判：在此根底上进行正确的分析和判断。【例3】 如下列图，匀强磁场的磁感应强度B=2 T，匝数n=6的矩形线圈abcd绕中心轴O

6、O匀速转动，角速度=200 rad/s。ab=0.1 m，bc=0.2 m，线圈的总电阻R=40，试求：1感应电动势的最大值，感应电流的最大值；2设时间t=0时线圈平面与磁感线垂直，写出线圈中感应电动势的瞬时值表达式；3画出感应电流的瞬时值i随t变化的图象；4当t=30时，穿过线圈的磁通量和线圈中的电流的瞬时值各是多大5线圈从图示位置转过的过程中，感应电动势的平均值是多大解析：1因为线圈匀速转动，感应电动势的最大值就出现在图示位置Em=nBS=620.10.2200 V=48 V感应电流最大值Im= A=1.2 A2感应电动势的瞬时值表达式：e=Emsint=48sin200t V3i-t图象

7、如下列图。4当线圈从图示位置转过30角时，穿过线圈的磁通量和感应电动势e分别为：=BL1L2sin30=20.10.2Wb=0.02 Wbe=48sin30V=48V=24 V由欧姆定律可得此时电流瞬时值为：i= A=0.6 A5线圈从图示位置转过的过程中，磁通量的变化为=BS线圈转过所用的时间t=此过程中交变电动势的平均值 =n48 V30.6 V。点评：此题信息量大，求解内容多，123问的解答抓住最大值、瞬时表达式的组成的特点。第4问中磁通量与匝数是无关的，通过解第5问注意，交变电动势的平均值不等于最大电动势的一半。【课堂训练】1如下列图各图线中表示交变流电的是 答案：BCD点评：交流电的

8、大小和方向作周期性变化2交流发电机的线圈转到线圈平面与中性面重合时，以下说法中正确的选项是 A电流将改变方向 B磁场方向和线圈平面平行C线圈的磁通量最大 D线圈产生的感应电动势最大答案：AC3矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，产生交变电流，当线圈平面与磁感线方向垂直时穿过线圈的磁通量与产生的感应电动势e的大小正确的选项是 A最大，e最大 B最小，e最小C最小，e最大 D最大，e最小答案：D点评：中性面是线圈平面与磁感线垂直4关于线圈在匀强磁场中转动产生的交变电流，以下说法中正确的选项是 A线圈平面每经过中性面一次，感应电流方向就改变一次，感应电动势方向不变B线圈每转动一周，感应电

9、流方向就改变一次C线圈平面经过中性面一次，感应电动势和感应电流的方向都要改变一次D线圈转动一周，感应电动势和感应电流方向都要改变一次答案：C点评：将线圈在匀强磁场中转动一周进行判断5一束带电粒子沿着通有交流电的螺线管中心轴射入管内，那么粒子在管内的运动状态是A往复运动 B匀速直线运动C匀加速直线运动 D匀速圆周运动解析：尽管有交流电通过螺线管导致管内的磁场强弱、方向做周期性变化，但是管内的磁感线始终与中心轴平行，因此，带电粒子在管内不受洛伦兹力的作用。答案：B点评：管内的磁感线平行于轴线6如下列图，一个位于xOy平面内的矩形线圈abcd，处在匀强磁场中，线圈的四个边分别与x、y轴平行，当线圈绕

10、Ox轴匀速转动到与xOy平面重合时，线圈中感应电流方向为abcda，并且电流最大.那么关于磁场方向及线圈转动方向沿x轴负方向观察，下述说法中正确的选项是A.磁场方向沿x轴正方向，线圈顺时针转动B.磁场方向沿y轴正方向，线圈逆时针转动C.磁场方向沿z轴正方向，线圈逆时针转动D.磁场方向沿y轴正方向，线圈顺时针转动解析：线圈绕Ox轴匀速转动，且有最大值出现，故磁感应强度B方向必定不是沿x轴方向假设是，无感应电流产生；也不是沿z轴方向假设是，此时感应电流最小；只能是沿y轴方向，可根据楞次定律或右手定那么判定磁感应强度方向为y轴正方向.答案：B7如图a所示，U形金属导轨水平放置，导轨上跨接一金属棒ab

11、，与导轨构成闭合回路，并能在导轨上自由滑动，在导轨左侧与ab平行放置的导线cd中通以如图b所示的交流电流，规定电流方向自c向d为正，那么ab棒受到向左的安培力的作用时间是 A0t1Bt1t2Ct2t3Dt3t4 解析：0t1时间内，电流I由cd且逐渐增大，由安培定那么知，穿过abEF回路的磁感应强度垂直纸面向里，且逐渐增强，因此磁通量增大，由楞次定律判定金属棒ab中的电流方向由ab；再由左手定那么可判定，此过程中ab棒所受安培力向左，选项 A正确.同理，可判定出t1t2时间、t3t4时间内ab棒所受安培力向右，t2t3时间内ab棒所受安培力向左.答案：AC点评：应用安培定那么、楞次定律、左手定

12、那么与交变电流变化规律的综合判断，分析时从cd中电流的变化规律出发，分段就各时段内的电流变化引起的磁通量变化、感应电流的产生、电流在磁场中的受力方向逐一作出判断8图为演示用的手摇发电机模型，匀强磁场磁感应强度B= 0.5 T，线圈匝数N=50匝，每匝线圈面积为0.48 m2，转速为150 r/min，在匀速转动过程中，从图示位置线圈转过90开始计时.1写出交流感应电动势瞬时值的表达式；2画出e-t图线。解析：从线圈平面经过中性面开始计时，那么线圈在时间t内转过角度t，于是瞬时感应电动势e=Emsint，其中Em=2NBLv=NBS.根据交流电的方程画图线时，最大值是正弦图线的峰值，由纵轴上的刻

13、度值标出，交流电的角频率与正弦图线的周期相对应，=2/T，而周期由时间轴上的刻度值标出。由题意知：N=50，B=0.5 T，=5 rad/sS=0.48 m2，e=Emsint，Em=NBS=500.50.485 V=188 V所以1e=188sin5t V 2T=2/=0.4 s，e-t图线如下列图点评：算出最大值Em=NBS，写瞬时值表达式时要注意计时时刻。9如下列图，正方形线圈abcd绕对称轴OO在匀强磁场中匀速转动，转动次数n=120 min-1，假设ab=bc=20 cm，匝数=20，磁感应强度B=0.2 T，求：1转动中最大电动势位置；2从图示位置转过90过程中的平均电动势。解析：1N匝线圈转动中的最大电动势为Em=NBS式中=2f=2 rad/s=4 rad/s 代入各数据得：Em=200.20.20.24V=2.01 V与最大电动势所对应的线圈位置如图中所示，即垂直中性面的位置.2图示位置转过90过程中，线圈中发生的磁通量变化=BS，历时t=，由法拉第电磁感应定律得平均电动势=N=4200.20.20.22 V= 1.28 V.