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(shí)導(dǎo)航本章研究的交變電流知識(shí)，有著廣泛的應(yīng)用，與生產(chǎn)和生活實(shí)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(yīng)用——變壓器、電能的輸送等知識(shí)是前面所學(xué)知識(shí)的具體應(yīng)用，有綜合性，又能廣泛聯(lián)系實(shí)際，對(duì)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(shí)，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(yīng)知識(shí)引伸而來，起了承前啟后的作用．變壓器是對(duì)交變電流知識(shí)和前面知識(shí)的擴(kuò)展和應(yīng)用，又為后續(xù)將要學(xué)習(xí)的電磁振蕩和電磁波等知識(shí)奠定了重要的根底．本章可分為三個(gè)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(duì)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(yuǎn)距離輸電．本章的重點(diǎn)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(diǎn)是正弦交流電的描述及變壓器的實(shí)際應(yīng)用．●學(xué)法指導(dǎo)為了學(xué)好本章知識(shí)，首先要聯(lián)系前面所學(xué)的電磁感應(yīng)的有關(guān)知識(shí)，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(diǎn)．最后要聯(lián)系生產(chǎn)生活實(shí)際，聯(lián)系現(xiàn)代科技成果，輸電工程屬于知識(shí)密集型工程，在學(xué)習(xí)的過程中，要注意理論聯(lián)系實(shí)際，要善于知識(shí)的遷移、綜合和應(yīng)用．●考綱須知考點(diǎn)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(dá)式、峰值和有效值Ⅰ3.理想變壓器Ⅰ4.遠(yuǎn)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(dá)式我們的日常生活離不開電，城市的燈火輝煌、工廠里的機(jī)器轟鳴，一切都離不開電．(如下圖是實(shí)驗(yàn)室手搖發(fā)電機(jī))長(zhǎng)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(jī)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(gè)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(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)．我們觀察ab這段導(dǎo)線．根據(jù)右手定那么可以判斷，當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到圖乙的位置時(shí)，電流________流動(dòng)，而當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到圖丁的位置時(shí)，那么________流動(dòng)；在圖丙和圖戊的位置，因?yàn)開_________，電路中沒有感應(yīng)電流．線圈在不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，電路中電流的方向也就________．交變電流就是這樣產(chǎn)生的．3．對(duì)正弦式交變電流，線圈的電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值表達(dá)式e＝________；用電器兩端的電壓瞬時(shí)值表達(dá)式u＝________；流過用電器的電流瞬時(shí)值表達(dá)式i＝________.答案：1.隨時(shí)間做周期性變化的電流．2．由a向b；由b向a；導(dǎo)線ab的運(yùn)動(dòng)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(shí)間做周期性變化的電流，叫做交變電流，簡(jiǎn)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(diǎn)評(píng)：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(xiàng)，盡管大小隨時(shí)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(jiǎn)稱正弦式電流，是一種最簡(jiǎn)單又是最根本的交變電流．(2)產(chǎn)生原理：線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)方向的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈中就會(huì)產(chǎn)生大小和方向均隨時(shí)間作周期性變化的電動(dòng)勢(shì)，即交變電動(dòng)勢(shì)，如下圖．(3)中性面：當(dāng)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)到其平面與磁感線垂直的位置時(shí)，線圈所在的平面叫做中性面．①線圈位于中性面時(shí)，線圈中的各個(gè)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(yīng)電動(dòng)勢(shì)、感應(yīng)電流的瞬時(shí)值均為零．②線圈每次通過中性面時(shí)，其內(nèi)部的電流方向就要發(fā)生改變．線圈轉(zhuǎn)動(dòng)一周經(jīng)過中性面兩次，感應(yīng)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(dòng)過程中，磁通量最大時(shí)，磁通量變化率恰好為零；磁通量為零時(shí)，磁通量變化率恰好最大.〔2〕感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小由磁通量變化率決定，與磁通量的大小沒有直接關(guān)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(duì)線圈的形狀沒有特別要求.(1)函數(shù)形式：電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值e＝Emsinωt；電壓的瞬時(shí)值u＝Umsinωt；電流的瞬時(shí)值i＝Imsinωt；(2)圖象形式：用正弦(或余弦)曲線表示交變電流隨時(shí)間的變化規(guī)律，如以下圖所示．(3)特點(diǎn)分析：線圈轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的平均電動(dòng)勢(shì)如何求？答案：線圈在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中某一段時(shí)間內(nèi)或從一個(gè)位置到另一個(gè)位置的過程中所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，稱為平均電動(dòng)勢(shì)，它不等于始、末兩時(shí)刻瞬時(shí)值的平均值，必須用法拉第電磁感應(yīng)定律計(jì)算，即

同理，計(jì)算交變電流在某段時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)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(qiáng)磁場(chǎng)，右邊沒有磁場(chǎng)．單匝矩形線圈abcd的對(duì)稱軸恰與磁場(chǎng)右邊界重合，線圈平面與磁場(chǎng)垂直．線圈沿圖示方向繞OO′軸以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動(dòng)(即ab邊先向紙外、cd邊先向紙里轉(zhuǎn)動(dòng))，規(guī)定沿a→b→c→d→a方向?yàn)楦袘?yīng)電流的正方向．假設(shè)從圖示位置開始計(jì)時(shí)，以下四個(gè)圖象中能正確表示線圈內(nèi)感應(yīng)電流i隨時(shí)間t變化規(guī)律的是()解析： ab一側(cè)的線框在磁場(chǎng)中繞OO′轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生正弦交變電流，由楞次定律得電流方向?yàn)閐→c→b→a且越來越大； ，ab一側(cè)線框在磁場(chǎng)外，而dc一側(cè)線框又進(jìn)入磁場(chǎng)，產(chǎn)生交變電流，電流方向?yàn)閐→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(chǎng)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(chǎng)B．使線圈以O(shè)O′為軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)C．使線圈以ab為軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)D．磁場(chǎng)以B＝B0sinωt規(guī)律變化答案：BCD解析：將線圈向右拉出磁場(chǎng)時(shí)，線圈中電流方向不變，A錯(cuò)，B、C兩種情況下產(chǎn)生交變電流，只是在C情況下當(dāng)線圈全部位于磁場(chǎng)外的一段時(shí)間內(nèi)線圈內(nèi)沒有電流，由法拉第電磁感應(yīng)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(duì).如以下圖(a)所示，“匚”形金屬導(dǎo)軌水平放置，導(dǎo)軌上跨接一金屬棒ab，與導(dǎo)軌構(gòu)成閉合回路，并能在導(dǎo)軌上自由滑動(dòng)．在導(dǎo)軌左側(cè)與ab平行放置的導(dǎo)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(shí)間是 ()A．0→t1 B．t1→t2C．t2→t3 D．t3→t4解析：0→t1時(shí)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(chǎng)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(shí)ab棒所受安培力向左．選項(xiàng)A正確．同理可判斷出t1→t2時(shí)間內(nèi)，t3→t4時(shí)間內(nèi)ab棒所受安培力向右，t2→t3時(shí)間內(nèi)ab棒所受安培力向左．答案：AC點(diǎn)評(píng)：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(shí)從cd中電流的變化規(guī)律出發(fā)，對(duì)各時(shí)間段內(nèi)的電流變化引起的磁通量變化、感應(yīng)電流的產(chǎn)生、電流在磁場(chǎng)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(qiáng)磁場(chǎng)并位于線圈平面內(nèi)的固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e隨時(shí)間t變化如下圖，下面說法正確的選項(xiàng)是 ()A．t1時(shí)刻通過線圈的磁通量為零B．t2時(shí)刻通過線圈的磁通量的絕對(duì)值最大C．t3時(shí)刻通過線圈的磁通量變化率的絕對(duì)值最大D．每當(dāng)e變換方向時(shí)，通過線圈的磁通量絕對(duì)值都為最大答案：D解析：t1、t3時(shí)刻線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e＝0，故為線圈通過中性面的時(shí)刻，此時(shí)線圈的磁通量應(yīng)為最大，磁通量的變化率為零．故A、C不正確．t2時(shí)刻e＝Em，應(yīng)為線圈平面轉(zhuǎn)至與磁感線平行時(shí)刻，磁通量為零，磁通量的變化率最大，B也不正確．每當(dāng)e變換方向時(shí)，也就是線圈通過中性面的時(shí)刻，通過線圈的磁通量絕對(duì)值最大，D正確.如下圖，勻強(qiáng)磁場(chǎng)B＝0.1T，所用矩形線圈的匝數(shù)N＝100，邊長(zhǎng)ab＝0.2m，bc＝0.5m，以角速度ω＝100πrad/s繞OO′軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)．當(dāng)線圈平面通過中性面時(shí)開始計(jì)時(shí)，試求：(1)線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大?。馕觯?1)解法一：線圈經(jīng)過時(shí)間t轉(zhuǎn)過角度θ＝ωt，這時(shí)bc和da邊不切割磁感線，ab和cd邊切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)eab＝ecd＝NBabvsinωt答案：(1)e＝314sin100πtV(2)200V點(diǎn)評(píng)：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(shí)間，即要求寫出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間t變化的函數(shù)關(guān)系；第(2)問要理解平均電動(dòng)勢(shì)既不是最大電動(dòng)勢(shì)值的一半，也不是等于歷時(shí)一半時(shí)間的瞬時(shí)電動(dòng)勢(shì)，必須由法拉第電磁感應(yīng)定律求解．有一10匝正方形線框，邊長(zhǎng)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(dòng)，如下圖垂直于線框平面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.5T.問：(1)該線框產(chǎn)生的交變電流電動(dòng)勢(shì)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(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值是多大？(3)寫出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化的表達(dá)式．解析：(1)交變電流電動(dòng)勢(shì)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(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E＝Emsin60°＝5.44V.(3)由于線框轉(zhuǎn)動(dòng)是從中性面開始計(jì)時(shí)的，所以瞬時(shí)值表達(dá)式為e＝Emsinωt＝6.28sin10πtV.磁鐵在電器中有廣泛的應(yīng)用，如發(fā)電機(jī)，如下圖，一臺(tái)單相發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)線框共有N匝，線框長(zhǎng)為L(zhǎng)1，寬為L(zhǎng)2，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為ω，磁極間的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B.導(dǎo)出發(fā)電機(jī)的瞬時(shí)電動(dòng)勢(shì)E的表達(dá)式．現(xiàn)在知道有一種強(qiáng)永磁材料釹鐵硼，用它制成發(fā)電機(jī)的磁極時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度可增大到原來的k倍，如果保持發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和尺寸、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)角速度、產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)都不變，那么這時(shí)轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)線框需要多少匝？解析：設(shè)切割磁感線線圈邊長(zhǎng)是L1，線圈從中性面開始經(jīng)過時(shí)間t轉(zhuǎn)過的角度為θ，那么θ＝ωt，如下圖，由幾何關(guān)系知，線圈繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度v在t時(shí)刻與磁場(chǎng)B的夾角也為θ當(dāng)矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生正弦交變電流，讓電