2020高中物理 2.1 认识交变电流、2.2 交变电流的描述 学案（粤教版选修3-2）

2020高中物理 2.1 认识交变电流、2.2 交变电流的描述 学案（粤教版选修3-2）

‎2.1 认识交变电流、2.2 交变电流的描述 学案（粤教版选修3-2） ‎ ‎1．强弱和方向都不随时间改变的电流叫做________电流，简称________；强弱和方向都随时间作周期性变化的电流叫做________电流，简称交流．‎ ‎2．交变电流是由________发电机产生的．当线圈在________磁场中绕________________的轴匀速转动时，产生交变电流．线圈平面跟磁感线________时，线圈所处的这个位置叫做中性面，线圈平面每经过一次中性面，线圈中感应电流的方向就____________．‎ ‎3．交流发电机的线圈在磁场中匀速转动，感应电动势e的变化规律为____________．‎ 若把线圈和电阻R′连成闭合电路，设总电阻为R，则电路中电流的瞬时值 i＝________________，电阻R′上的电压瞬时值u＝________________.‎ ‎4．家庭电路中的交变电流是________电流，它是一种最________、最________的交变电流．‎ ‎5．(双选)下图所示的4种电流随时间变化的图中，属于交变电流的有(　　)‎ ‎6．下列各图中，哪些情况线圈中不能产生交流电(　　)‎ ‎7．矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动，下列说法中正确的是(　　)‎ A．在中性面时，通过线圈的磁通量最大 B．在中性面时，感应电动势最大 C．穿过线圈的磁通量为零时，感应电动势也为零 D．穿过线圈的磁通量为零时，磁通量的变化率也为零 ‎【概念规律练】‎ 知识点一　交变电流的产生 ‎1．一矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，当线圈通过中性面时(　　)‎ A．线圈平面与磁感线方向平行 B．通过线圈的磁通量达到最大值 C．通过线圈的磁通量变化率达到最大值 D．线圈中的电动势达到最大值 ‎2．如图1所示为演示交变电流产生的装置图，关于这个实验，正确的说法是(　　)‎ 图1‎ A．线圈每转动一周，指针左右摆动两次 B．图示位置为中性面，线圈中无感应电流 C．图示位置ab边的感应电流方向为a→b D．线圈平面与磁场方向平行时，磁通量变化率为零 知识点二　用函数表达式描述交变电流 ‎3．闭合线圈在匀强磁场中匀速转动，转速为240 r/min，若线圈平面转至与磁场方向平行时的电动势为2 V，则从中性面开始计时，所产生的交流电动势的表达式为e＝________ V，电动势的峰值为________ V，从中性面起经 s，交流电动势的大小为________ V.‎ ‎4．有一个10匝正方形线框，边长为‎20 cm，线框总电阻为1 Ω，线框绕OO′轴以10π rad/s的角速度匀速转动，如图2所示，垂直于线框平面向里的匀强磁场的磁感应强度为0.5 T．问：‎ 图2‎ ‎(1)该线框产生的交变电流电动势最大值、电流最大值分别是多少？‎ ‎(2)线框从图示位置转过60°时，感应电动势的瞬时值是多大？‎ ‎(3)写出感应电动势随时间变化的表达式．‎ 知识点三　用图象描述交变电流 ‎5．处在匀强磁场中的矩形线圈abcd，以恒定的角速度绕ab边转动，磁场方向平行于纸面并与ab垂直。在t=0时刻，线圈平面与纸面重合(如图2所示)，线圈的cd边离开纸面向外运动。若规定由a→b→c→d→a方向的感应电流为正，则能反映线圈中感应电流I随时间t变化的图线是 (　　)‎ ‎6．矩形线圈，绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定轴转动．线圈中的感应电动势e随时间t的变化如图4所示．下面说法中正确的是(　　)‎ 图4‎ A．t1时刻通过线圈的磁通量为零 B．t2时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大 C．t3时刻通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大 D．每当e变换方向时，通过线圈的磁通量绝对值都为最大 ‎【方法技巧练】‎ 瞬时值、平均值的计算方法 ‎7．矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的对称轴转动，线圈共100匝，转速为 r/min，在转动过程中穿过线圈的磁通量的最大值为0.03 Wb，则线圈平面转到与磁感线平行时，感应电动势为多少？当线圈平面与中性面夹角为时，感应电动势为多少？‎ ‎8．如图5所示，匝数为n，面积为S的矩形线圈在匀强磁场B中匀速转动，角速度为ω，求线圈从图示位置转过180°时间内的平均感应电动势．‎ 图5‎ 参考答案 课前预习练 ‎1．恒定　直流　交变 ‎2．交流　匀强　垂直于磁感线　垂直　改变一次 ‎3．e＝Emsin ωt　sin ωt　sin ωt ‎4．正弦式　简单　基本 ‎5．CD　[恒定电流是强弱和方向都不随时间改变，交变电流是强弱和方向都随时间改变，正弦式交变电流是按正弦规律变化的交变电流，图象中数值的正、负表示电流方向．A选项中电流数值总为正，表示电流方向不变，是恒定电流．B选项中图象虽为正弦，但由于电流总是正值，表示电流方向不变，电流大小随时间变化，也是恒定电流．C、D选项中电流强度和方向都随时间作周期性变化，是交变电流．因此，是交变电流的只有C和D，是正弦式交变电流的只有D.]‎ ‎6．A　[A中线圈中的磁通量始终是零，故无感应电流产生；B、C、D中都是线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，故能产生交流电．]‎ ‎7．A　[中性面和磁场方向垂直，通过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率为零．]‎ 课堂探究练 ‎1．B　[中性面是穿过线圈的磁通量最大的位置，也是磁通量变化率为零的位置，在该位置上穿过线圈的磁通量最大，感应电动势为零，无感应电流．]‎ 点评　磁通量大不代表磁通量的变化率大，线圈通过中性面时不切割磁感线，表明此时磁通量不变．‎ ‎2．C　[线圈在磁场中匀速转动时，在电路中产生呈周期性变化的交变电流，线圈经过中性面时电流改变方向，线圈每转动一周，有两次通过中性面，电流方向改变两次，指针左右摆动一次，故A错；线圈处于图示位置时，ab边向右运动，由右手定则，ab边的感应电流方向为a→b，故C对；线圈平面与磁场方向平行时，ab、cd边垂直切割磁感线，线圈产生的电动势最大，也可以这样认为，线圈平面与磁场方向平行时，磁通量为零，但磁通量的变化率最大，B、D错误。]‎ 点评　(1)线圈平面垂直于磁感线时，线圈中的感应电流为零，这一位置叫中性面．线圈平面经过中性面时，电流方向就发生改变．线圈绕轴转一周经过中性面两次，因此感应电流方向改变两次．‎ ‎(2)线圈经过中性面时，穿过线圈的磁通量最大，但磁通量的变化率为零(即各边都不切割)，所以感应电动势为零．‎ ‎3．2sin 8πt　2　1‎ 解析　当线圈平面与磁场平行时(S//B)，感应电动势最大，即Em＝2 V，ω＝2πn＝2π× rad/s＝8π rad/s，则从中性面开始计时，瞬时值表达式：e＝Emsin ωt＝2sin 8πt V，当t＝ s时，e＝2sin(8π×) V＝1 V.‎ 点评　当闭合线圈绕垂直于磁场的轴匀速转动，且从中性面开始计时时产生正弦式交流电，电动势的表达式e＝Emsin ωt，Em为最大值即线圈平面与磁场方向平行时的瞬时值，ω为转动角速度．‎ ‎4．(1)6.28 V　‎6.28 A　(2)5.44 V ‎(3)e＝6.28sin 10πt V 解析　(1)交变电流电动势的最大值为 Em＝nBSω＝10×0.5×0.22×10π V＝6.28 V，‎ 电流的最大值为 Im＝Em/R＝ A＝‎6.28 A.‎ ‎(2)线框转过60°时，感应电动势e＝Emsin 60°＝5.44 V.‎ ‎(3)由于线框转动是从中性面开始计时的，所以电动势的瞬时值表达式为e＝Emsin ωt＝6.28sin 10πt V.‎ 点评　(1)电动势最大值Em＝nBSω.‎ ‎(2)当计时起点为中性面位置时电动势的表达式为e＝Emsin ωt 当计时起点为线圈平面与磁场方向平行时，电动势的表达式为e＝Emcos ωt.‎ ‎5．C　[线圈在磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时，可以产生按正弦规律变化的交流电．对于图示起始时刻，线圈的cd边离开纸面向纸外运动，速度方向和磁场方向垂直，产生的电动势的瞬时值最大；用右手定则判断出电流方向为逆时针方向，与规定的正方向相同．所以C对．]‎ 点评　线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时，可以产生按正弦规律变化的交流电．其中“线圈”无特殊要求，即矩形线圈、圆形线圈等其他形状都可，“绕某一轴匀速转动”，只要求此轴垂直于磁场方向，没有其他限制条件．‎ ‎6．D　[t1、t3时刻感应电动势为零，线圈位于中性面位置，所以穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率为零，A、C错误；t2时刻感应电动势最大，线圈位于中性面的垂面位置，穿过线圈的磁通量为零，B错误；由于线圈每过一次中性面时，穿过线圈的磁通量的绝对值最大，e变换方向，所以D正确．]‎ 点评　当感应电动势最大时，磁通量的变化率最大，磁通量却最小．‎ ‎7．1 V　 V 解析　由题意知：Φm＝0.03 Wb ω＝2πn＝2π×× rad/s＝ rad/s.‎ 线圈转至与磁感线平行时，感应电动势最大，故 Em＝NBSω＝NΦmω＝100×0.03× V＝1 V 瞬时值表达式e＝Emsin ωt＝sin V 当θ＝ωt＝时，e＝sin V＝ V.‎ 方法总结　(1)要记住两个特殊位置感应电动势的瞬时值，即中性面位置e＝0；线圈平面与磁感线平行的位置e＝Em＝nBSω.‎ ‎(2)确定线圈从哪个位置开始计时的，从而确定电动势的瞬时值表达式是正弦形式还是余弦形式．‎ ‎8. nBSω 解析　由楞次定律可判断线圈从图示位置转过180°时间内，线圈中的平均感应电动势E≠0.磁通量是没有方向的标量，但却有正负．如果我们规定磁感线从线圈的一侧穿入另一侧，穿出磁通量为正，那么从另一侧穿入这一侧穿出时，磁通量就为负了．设线圈转过180°时，穿过它的磁通量Φ′＝BS，那么图示位置时穿过它的磁通量Φ＝－BS.由法拉第电磁感应定律得：＝n＝n＝n＝nBSω.‎ 方法总结　平均感应电动势不等于始、末两瞬时电动势值的平均值，必须用法拉第电磁感应定律计算即＝n. ‎