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 Word版含答案.pdf
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1、1 交变电流 交变电流 知识内容选考要求课时要求 交变电流c 1.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
2、场中,并绕垂直于磁场方向的轴匀速转动. 三、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.( )
3、 (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 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 V 6.28 A 6.28 V 0 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 Em R 题图所示位置线圈中产
4、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)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 t 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. t 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,
5、正确的 说法是( ) 图 4 A.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 ab D.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
6、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
7、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 Em Rr NBS Rr NBSR Rr 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 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
8、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, 1 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; 1 30 (3)外电路 R 两端电压瞬时值的表达式. 答案 (1)e50sin 10t (V) (2) A 53 2 (3)u40sin 10t (V) 解析 (1)线圈转速 n300 r/min5 r/s, 角
9、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, 1 30 得 e50sin (10) V25 V, 1 30 3 对应的感应电流 i A. e Rr 53 2 (3)由闭合电路欧姆定律得 uR40sin 10t (V). e Rr 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
10、入时间求瞬时值. 2.线圈在匀强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. t e 最大(或 i 最大)时:线圈平行于磁感线,此时最大,0. t (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
11、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
12、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 t s 末,e0,0, 最大,线框位于中性面上,C 错,D 对. t 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
13、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 11 A.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
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