《2019-2020学年物理人教版选修3-2（浙江新高考专用）讲义：第五章 交变电流 1 .docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2019-2020学年物理人教版选修3-2（浙江新高考专用）讲义：第五章 交变电流 1 .docx（17页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、1交变电流知识内容选考要求课时要求交变电流c1.知道交变电流，能区分直流和交变电流.2.知道交流发电机的基本结构与工作原理，了解中性面的概念.3.知道正弦式交变电流的图象描述.4.知道正弦式交变电动势、电压、电流的瞬时值表达式，理解峰值的意义.5.区分特殊位置的磁通量与磁通量变化率，理解磁通量变化率与电动势之间的关系.一、交变电流1.交变电流：大小和方向随时间做周期性变化的电流叫交变电流，简称交流.2.直流：方向不随时间变化的电流称为直流.3.正弦式交变电流：按正弦规律变化的交变电流叫正弦式交变电流，简称正弦式电流.二、交变电流的产生闭合线圈置于匀强磁场中，并绕垂直于磁场方向的轴匀速转动.三、
2、交变电流的变化规律1.中性面(1)中性面：与磁感线垂直的平面.(2)当线圈平面位于中性面时，线圈中的磁通量最大，线圈中的电流为零，且线圈平面经过中性面时，电流方向就发生改变，故线圈转动一周电流方向改变两次.2.从中性面开始计时，线圈中产生的电动势的瞬时值表达式：eEmsin t，Em叫做电动势的峰值.1.判断下列说法的正误.(1)如图1所示的电流为交流电.()图1(2)如图2所示的电流为交流电.()图2(3)只要线圈在磁场中转动，就可以产生交变电流.()(4)线圈在通过中性面时磁通量最大，电流也最大.()(5)线圈在通过中性面时电流的方向发生改变.()2.有一个正方形线圈的匝数为10匝，边长为
3、20 cm，线圈总电阻为1 ，线圈绕垂直磁场方向的OO轴以10 rad/s的角速度匀速转动，如图3所示，匀强磁场的磁感应强度为0.5 T，该线圈产生的感应电动势的峰值为 ，感应电流的峰值为 ，在图示位置时感应电动势为 ，从图示位置转过90时感应电动势为 (取3.14).图3答案6.28 V6.28 A6.28 V0解析感应电动势的峰值为EmNBS100.50.2210 V6.28 V感应电流的峰值为Im6.28 A题图所示位置线圈中产生的感应电动势最大，为6.28 V从题图所示位置转过90时，位于中性面上，切割磁感线的两边的速度与磁感线平行，感应电动势为0.一、交变电流的产生两个特殊位置(1)
4、中性面(SB位置)线圈平面与磁场垂直的位置，此时通过线圈的磁通量最大，磁通量变化率为0，电动势e为0，电流i为0.线圈经过中性面时，电流方向发生改变，线圈转一圈电流方向改变两次.(2)垂直中性面位置(SB位置)此时通过线圈的磁通量为0，磁通量变化率最大，电动势e最大，电流i最大.例1(2017温州市期末)如图4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4A.线圈从任意位置转过180过程，穿过线圈的磁通量变化量一定为零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abD.线圈平面与磁场方向平行时，磁通量变化率为零答案C解析线圈从中性面位置转过180
5、过程，穿过线圈的磁通量变化量不为零，故A错误；图示位置线圈平面与磁场平行，磁通量为零，不是中性面，故B错误；由楞次定律判断图示位置ab边的感应电流方向为ab，故C正确；线圈平面与磁场方向平行时，磁通量为零，磁通量变化率最大，故D错误.针对训练(多选)矩形线框绕垂直于匀强磁场且在线框平面内的轴匀速转动时产生了交变电流，下列说法正确的是 ()A.当线框位于中性面时，线框中感应电动势最大B.当穿过线框的磁通量为零时，线框中的感应电动势也为零C.每当线框经过中性面时，感应电动势或感应电流的方向就改变一次D.线框经过中性面时，各边切割磁感线的速度为零答案CD解析线框位于中性面时，线框平面与磁感线垂直，穿
6、过线框的磁通量最大，但此时切割磁感线的两边的速度与磁感线平行，即不切割磁感线，所以感应电动势等于零，此时穿过线框的磁通量的变化率也等于零，感应电动势或感应电流的方向也就在此时刻发生变化.线框垂直于中性面时，穿过线框的磁通量为零，但切割磁感线的两边都垂直切割，有效切割速度最大，所以感应电动势最大，也可以说此时穿过线框的磁通量的变化率最大，故C、D选项正确.二、交变电流的变化规律1.峰值EmNBS，Im，UmImR说明：峰值由线圈匝数N、磁感应强度B、转动角速度和线圈面积S决定，与线圈的形状无关，与转轴的位置无关.如图5所示的几种情况中，如果N、B、S均相同，则感应电动势的峰值均为EmNBS.图5
7、2.正弦式交变电流的瞬时值表达式(1)从中性面位置开始计时eEmsin t，iImsin t，uUmsin t(2)从与中性面垂直的位置开始计时eEmcos t，iImcos t，uUmcos t.例2一矩形线圈，面积是0.05 m2，共100匝，线圈电阻r2 ，外接电阻R8 ，线圈在磁感应强度B T的匀强磁场中以n300 r/min的转速绕垂直于磁感线的轴匀速转动，如图6所示，若从中性面开始计时，求：图6(1)线圈中感应电动势的瞬时值表达式；(2)从开始计时经过 s时线圈中感应电流的瞬时值；(3)外电路R两端电压瞬时值的表达式.答案(1)e50sin 10t (V)(2) A(3)u40si
8、n 10t (V)解析(1)线圈转速n300 r/min5 r/s，角速度2n10 rad/s，线圈产生的感应电动势最大值EmNBS50 V，由此得到的感应电动势瞬时值表达式为eEmsin t50sin 10t (V).(2)将t s代入感应电动势瞬时值表达式中，得e50sin (10) V25 V，对应的感应电流i A.(3)由闭合电路欧姆定律得uR40sin 10t (V).1.求交变电流瞬时值的方法(1)确定线圈转动从哪个位置开始计时；(2)确定表达式是正弦函数还是余弦函数；(3)确定转动的角速度2n(n的单位为r/s)、峰值EmNBS；(4)写出表达式，代入时间求瞬时值.2.线圈在匀强
9、磁场中绕垂直磁场方向的轴匀速转动，产生的交变电流与线圈的形状无关.如图7所示，若线圈的面积与例2题图所示线圈面积相同，则答案完全相同.图7三、交变电流的图象如图8甲、乙所示，从图象中可以解读到以下信息：图8(1)交变电流的峰值Em、Im和周期T.(2)两个特殊值对应的位置：e0(或i0)时：线圈位于中性面上，此时0，最大.e最大(或i最大)时：线圈平行于磁感线，此时最大，0.(3)分析判断e、i大小和方向随时间的变化规律.例3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边垂直.在t0时刻，线圈平面与纸面重合，如图9所示，线圈的cd边离开纸面向外运动.若
10、规定沿abcda方向的感应电流为正，则图中能反映线圈中感应电流i随时间t变化的图象是()图9答案C解析线圈在磁场中从题图位置开始匀速转动时可以产生按余弦规律变化的交流电.对于题图起始时刻，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，产生的感应电动势的瞬时值最大；用右手定则判断出感应电流方向为abcda，与规定的正方向相同，所以C正确.例4(多选)矩形线框在匀强磁场内绕垂直磁场方向的轴匀速转动的过程中，线框输出的交流电压随时间变化的图象如图10所示，下列说法正确的是()A.第1 s末线框平面垂直于磁场，通过线框的磁通量变化率最大B.第1 s末线框平面平行于磁场，通过线框的磁通量变化率
11、最大C.第2 s末线框平面平行于磁场，通过线框的磁通量最小D.第2 s末线框平面垂直于磁场，通过线框的磁通量最大图10答案BD解析第1 s末，u最大，e最大，则最大，线框平面平行于磁感线，A错，B对；第2 s末，e0，0，最大，线框位于中性面上，C错，D对.学科素养通过以上例题，使学生进一步熟悉：1.中性面是线圈平面与磁场垂直的位置；2.当线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动，且从中性面位置开始计时时，线圈中产生的感应电流是正弦交流电，满足表达式eEmsin t，iImsin t，uUmsin t，也可用正弦图象表示et、it、ut的变化规律.通过这样的提炼和升华，较好地体现了“物理观
12、念”和“科学思维”的学科素养.1.(对交变电流的认识)当摇动如图11所示的手摇交流发电机时，发现小灯泡闪烁.此时流过小灯泡的电流是()图11A.交流电 B.直流电C.恒定电流 D.涡流答案A解析交流电是指方向随时间发生周期性变化的电流，直流电的方向不变，而恒定电流是指大小与方向均不变的电流，涡流是感应电流.手摇交流发电机产生的是交流电，故A正确，B、C、D错误.2.(交变电流的产生)(多选)(2017杭州市高二检测)下列各图中，线圈中能产生交变电流的有()答案BCD3.(交变电流的图象)(2017温州市高二检测)如图12所示是磁电式电流表的结构图和磁场分布图，若磁极与圆柱间的磁场都是沿半径方向
13、，且磁场有理想的边界，线圈经过有磁场的位置处磁感应强度大小相等.某同学用此种电流表中的线圈和磁体做成发电机使用，让线圈匀速转动，若从图中水平位置开始计时，取起始电流方向为正方向，表示产生的电流随时间变化关系的下列图象中正确的是()图12答案C解析由于线圈在磁场中切割磁感线，切割速度方向总是与磁场方向垂直，磁感应强度B、导线有效长度L和导线切割速率v等都不变化，由EBLv可知产生的感应电动势大小不变，感应电流大小不变.根据右手定则，电流方向做周期性变化，C正确.4.(交变电流的变化规律)一台发电机产生正弦式电流，如果e400sin 314t(V)，那么电动势的峰值是多少？线圈匀速转动的角速度是多
14、少？如果这个发电机的外电路只有电阻元件，内、外电路的总电阻为2 k，写出电流瞬时值的表达式.答案400 V100 rad/si0.2sin 314t(A)解析根据电动势的瞬时值表达式可知，电动势的峰值Em400 V，线圈匀速转动的角速度314 rad/s100 rad/s由闭合电路欧姆定律得Im0.2 A，所以电流瞬时值表达式为i0.2sin 314t(A).一、选择题考点一交变电流的产生1.(2017温州中学高二上学期期中)在下列几种电流的波形图中，不能表示交变电流的是()答案A解析A图中电流均为正值，说明电流的方向不随时间变化，则此电流不是交变电流，故A正确；B、C、D这三种电流的大小和方
15、向都随时间做周期性变化，都是交变电流，故B、C、D错误.2.(多选)(2017宁波市高二检测)如图1所示，形状或转轴位置不同，但面积均为S的单匝线圈处在同一个磁感应强度为B的匀强磁场中，以相同的角速度匀速转动，从图示的位置开始计时，则下列说法正确的是()图1A.感应电动势最大值相同B.感应电动势瞬时值不同C.感应电动势最大值、瞬时值都不同D.感应电动势最大值、瞬时值都相同答案AD解析感应电动势的最大值为EmBS，A正确；感应电动势的瞬时值eEmsin t与转轴位置无关，图中都从中性面位置计时，故瞬时值相同，D正确，B、C错误.3.(2017丽水市高二检测)一闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴
16、匀速转动，在如图2所示位置(线圈平面与磁感线平行)时()图2A.穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率最小B.穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率最大C.穿过线圈的磁通量最小，磁通量的变化率最大D.穿过线圈的磁通量最小，磁通量的变化率最小答案C解析当线圈平面平行于磁感线时，穿过线圈的磁通量最小，但Em最大，即最大，故正确答案为C.4.如图3所示，一矩形线圈绕与匀强磁场垂直的中心轴OO沿顺时针方向转动，引出线的两端分别与相互绝缘的两个半圆形铜环M和N相连.M和N又通过固定的电刷P和Q与电阻R相连.在线圈转动过程中，通过电阻R的电流 ()图3A.大小和方向都随时间做周期性变化B.大小和方向都不随时间
17、做周期性变化C.大小不断变化，方向总是PRQD.大小不断变化，方向总是QRP答案C解析半圆形铜环交替接触电刷，从而使输出电流方向不变，这是一个直流发电机模型，由右手定则知，外电路中电流方向是PRQ，故C正确.考点二交变电流的变化规律5.交流发电机工作时电动势为eEmsin t，若将发电机的转速提高一倍，同时将电枢所围面积减小一半，其他条件不变，则其电动势变为()A.eEmsin B.e2EmsinC.eEmsin 2t D.esin 2t答案C解析感应电动势的瞬时值表达式eEmsin t，而EmNBS，当加倍而S减半时，Em不变，故正确答案为C.6.有一单匝闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向
18、的轴匀速转动，在转动过程中，线圈中的最大磁通量为m，最大感应电动势为Em，下列说法中正确的是()A.当磁通量为零时，感应电动势也为零B.当磁通量减小时，感应电动势也减小C.当磁通量等于0.5m时，感应电动势为0.5EmD.角速度答案D7.(多选)(2017杭州市高二检测)如图4所示，一单匝闭合线框在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动，转动过程中线框中产生的感应电动势的瞬时值表达式为e0.5sin 20t (V)，由该表达式可推知以下哪些物理量()图4A.匀强磁场的磁感应强度B.线框的面积C.穿过线框的磁通量的最大值D.线框转动的角速度答案CD解析根据正弦式交变电流的感应电动势的瞬时值表达式
19、：eNBSsin t，可得20 rad/s，而穿过线框的磁通量的最大值为mBS，所以可以根据NBS0.5 V求出磁通量的最大值m0.025 Wb，无法求出匀强磁场的磁感应强度和线框的面积，故C、D正确.考点三交变电流的图象8.一矩形线圈绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定转轴匀速转动，线圈中产生的感应电动势e随时间t的变化规律如图5所示.下列说法中正确的是()图5A.t1时刻通过线圈的磁通量最大B.t2时刻通过线圈的磁通量为0C.t3时刻通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大D.每当电流方向变化时，线圈平面就会与中性面垂直答案C解析题图t1时刻，感应电动势为最大值，通过线圈的磁通量为零，故A错误
20、；t2时刻感应电动势为零，线圈处于中性面位置，通过线圈的磁通量最大，故B错误；t3时刻感应电动势最大，由法拉第电磁感应定律知感应电动势En，可知此时通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大，故C正确；每当电流方向变化时，线圈与磁场垂直，处于中性面位置，故D错误.9.如图6所示是一台发电机的结构示意图，其中N、S是永久磁铁的两个磁极，它们的表面呈半圆柱面形状.M是圆柱形铁芯，它与磁极的柱面共轴，铁芯上有一矩形线框，可绕与铁芯M共轴的固定转轴旋转.磁极与铁芯之间的缝隙中形成方向沿半径、大小近似均匀的磁场.若从图示位置开始计时，当线框绕固定转轴匀速转动时，下列图象中能正确反映线框中感应电动势e随时间t变化
21、规律的是()图6答案D解析因发电机的两个磁极N、S呈半圆柱面形状，磁极间的磁感线如图所示，磁感应强度的大小不变，仅方向发生改变，故线框在磁场中转动时垂直切割磁感线，产生的感应电动势的大小不变，线框越过空隙段后，由于线框切割磁感线的方向发生变化，所以感应电动势的方向发生变化，综上所述，选项D正确.10.在垂直纸面向里的有界匀强磁场中放置了矩形线圈abcd.线圈cd边沿竖直方向且与磁场的右边界重合.线圈平面与磁场方向垂直.从t0时刻起，线圈以恒定角速度绕cd边沿如图7所示方向转动，规定线圈中电流沿abcda方向为正方向，则从t0到tT时间内，线圈中的电流i随时间t变化关系图象为()图7答案B解析在
22、0内，线圈在匀强磁场中匀速转动，故产生正弦式交流电，由楞次定律知，电流为负；在T，线圈中无感应电流；在T时，ab边垂直切割磁感线，感应电流最大，且电流为正，故只有B项正确.二、非选择题11.如图8甲、乙、丙、丁所示是交流发电机的示意图.为了清楚，老师只画出了一匝线圈(实际共有N匝).线圈AB边(长为l1)连在金属环K上，CD边(长也为l1)连在滑环L上；导体做的两个电刷E、F分别压在两个滑环上，线圈在转动时可以通过滑环和电刷保持与外电路的连接.假定线圈沿逆时针方向以角速度0匀速转动(左边为N极，右边为S极；外面是K环，里面是L环).那么：图8(1)线圈转到上述图示的 位置时，线圈中电流最大.(
23、2)线圈由丙转到丁的过程中，AB边中电流的方向为 .(3)当AD边和BC边长均为l2，磁场可视为磁感应强度为B的匀强磁场，整个电路总电阻设为R，以图丙位置计时t0，则线圈中电流随时间变化的规律为i .答案(1)乙和丁(2)AB(3)sin 0t解析(1)当穿过线圈平面的磁通量为零时电流最大.(2)由楞次定律可判断电流方向为AB.(3)电流峰值为Im，瞬时值iImsin 0tsin 0t.12.如图9所示，匀强磁场的磁感应强度为B0.50 T，矩形线圈的匝数N100匝，边长Lab0.20 m，Lbc0.10 m，以3 000 r/min的转速匀速转动，若从线圈平面通过中性面时开始计时，试求：图9(1)交变电动势的瞬时值表达式；(2)若线圈总电阻为2 ，线圈外接阻值为8 的电阻R，写出交变电流的瞬时值表达式；(3)线圈由图示位置转过的过程中，交变电动势的平均值.答案(1)e314sin 314t (V)(2)i31.4sin 314t (A)(3)200 V解析(1)线圈的角速度2n314 rad/s线圈中感应电动势的最大值EmNBS314 V故交变电动势的瞬时值表达式为：eEmsin t314sin 314t (V)(2)Im31.4 A所以交变电流的瞬时值表达式为：i31.4sin 314t (A)(3)NN4NBSn200 V