人教版物理選修3-2 第5章第一節(jié)

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歡迎進(jìn)入物理課堂 第一節(jié)交變電流 課標(biāo)定位學(xué)習(xí)目標(biāo) 1 知道什么是交變電流 2 理解交變電流的產(chǎn)生及變化規(guī)律 3 了解正弦式交變電流的圖象和三角函數(shù)表達(dá)式 重點(diǎn)難點(diǎn) 1 交變電流產(chǎn)生的物理過程的分析及中性面的特點(diǎn) 2 交變電流產(chǎn)生的物理過程的分析及圖象的表達(dá) 核心要點(diǎn)突破 課堂互動(dòng)講練 知能優(yōu)化訓(xùn)練 第一節(jié)交變電流 課前自主學(xué)案 課前自主學(xué)案 一 交變電流1 交變電流 大小和方向都隨時(shí)間做 變化的電流 稱為交變電流 簡(jiǎn)稱交流 2 直流 方向不隨時(shí)間變化的電流稱為直流 二 交變電流的產(chǎn)生1 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)的線圈里產(chǎn)生的是 2 線圈平面垂直于磁感線時(shí) 線圈中的感應(yīng)電流 這一位置叫 線圈平面經(jīng)過中性面時(shí) 就發(fā)生改變 線圈繞軸轉(zhuǎn)一周經(jīng)過中性面 因此感應(yīng)電流方向改變 周期性 交變電流 為零 中性面 感應(yīng)電流方向 兩次 兩次 三 交變電流的變化規(guī)律1 正弦式交變電流的瞬時(shí)值表達(dá)式i u e 其中i u e分別表示電流 電壓 電動(dòng)勢(shì)的 Im Um Em分別表示電流 電壓 電動(dòng)勢(shì)的 Imsin t Umsin t Emsin t 瞬時(shí)值 最大值 2 正弦式交變電流的圖象 如圖5 1 1所示 圖5 1 1 3 幾種不同類型的交變電流實(shí)際應(yīng)用中 交變電流有不同的變化規(guī)律 常見的有以下幾種 如圖5 1 2所示 圖5 1 2 核心要點(diǎn)突破 一 兩個(gè)特定位置的特點(diǎn) 特別提醒 矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng) 僅是產(chǎn)生交變電流的一種方式但不是唯一方式 例如線圈不動(dòng) 磁場(chǎng)按正弦規(guī)律變化也可以產(chǎn)生正弦式電流 即時(shí)應(yīng)用 即時(shí)突破 小試牛刀 1 矩形線框繞垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)且在線框平面的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了交變電流 下列說法正確的是 A 當(dāng)線框位于中性面時(shí) 線框中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大B 當(dāng)穿過線框的磁通量為零時(shí) 線框中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也為零C 每當(dāng)線框經(jīng)過中性面時(shí) 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或感應(yīng)電流方向就改變一次D 線框經(jīng)過中性面時(shí) 各邊不切割磁感線 解析 選CD 線框位于中性面時(shí) 線框平面與磁感線垂直 穿過線框的磁通量最大 但此時(shí)切割磁感線的兩邊的速度方向與磁感線平行 即不切割磁感線 所以電動(dòng)勢(shì)等于零 此時(shí)穿過線框的磁通量的變化率等于零 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或感應(yīng)電流的方向在此時(shí)刻變化 垂直于中性面時(shí) 穿過線框的磁通量為零 切割磁感線的兩邊的速度方向與磁感線垂直 有效切割速度最大 所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大 此時(shí)穿過線框的磁通量的變化率最大 故C D正確 二 正弦交變電流瞬時(shí)值 峰值表達(dá)式的推導(dǎo)1 瞬時(shí)值表達(dá)式的推導(dǎo)設(shè)線圈從中性面起經(jīng)時(shí)間t轉(zhuǎn)過角度 則 t 此時(shí)兩邊ab cd速度方向與磁感線方向的夾角分別為 t和 180 t 如圖5 1 3所示 它們產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)同向相加 整個(gè)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 圖5 1 3 2 峰值表達(dá)式由e NBS sin t可知 電動(dòng)勢(shì)的峰值Em NBS N m 與線圈的形狀及轉(zhuǎn)軸位置無關(guān) 特別提醒 1 瞬時(shí)值與開始計(jì)時(shí)的位置及線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間有關(guān) 若線圈從中性面開始計(jì)時(shí) e Emsin t 若線圈從位于與中性面垂直的位置開始計(jì)時(shí) e Emcos t 2 峰值與開始計(jì)時(shí)的位置及線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間無關(guān) 與線圈形狀無關(guān) 與轉(zhuǎn)軸的位置無關(guān) 即時(shí)應(yīng)用 即時(shí)突破 小試牛刀 2 交流發(fā)電機(jī)在工作時(shí)電動(dòng)勢(shì)為e Emsin t 若將發(fā)電機(jī)的角速度提高一倍 同時(shí)將線框所圍面積減小一半 其他條件不變 則其電動(dòng)勢(shì)變?yōu)?解析 選C 交變電流的瞬時(shí)值表達(dá)式e Emsin t 其中Em NBS 當(dāng) 加倍而S減半時(shí) Em不變 故C正確 三 對(duì)正弦式交變電流的圖象的理解正弦式交變電流隨時(shí)間變化情況可以從圖象上表示出來 圖象描述的是交變電流隨時(shí)間變化的規(guī)律 它是一條正弦曲線 如圖5 1 4所示 圖5 1 4 從圖象中可以解讀到以下信息 1 交變電流的最大值Im Em 周期T 2 因線圈在中性面時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 感應(yīng)電流均為零 磁通量最大 所以可確定線圈位于中性面的時(shí)刻 3 找出線圈平行磁感線的時(shí)刻 4 判斷線圈中磁通量的變化情況 5 分析判斷i e隨時(shí)間的變化規(guī)律 特別提醒 用物理圖象反映某些物理量的變化過程 既可使該變化的整體特征一目了然 還可將變化過程中的暫態(tài) 定格 從而對(duì)變化過程中的某一瞬態(tài)進(jìn)行深入研究 即時(shí)應(yīng)用 即時(shí)突破 小試牛刀 3 矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)e t圖象如圖5 1 5所示 則 A t1 t3時(shí)刻線圈通過中性面B t2 t4時(shí)刻線圈中磁通量最大C t1 t3時(shí)刻線圈中磁通量變化率最大D t2 t4時(shí)刻線圈平面與中性面垂直圖5 1 5 解析 選AD t1 t3時(shí)刻電動(dòng)勢(shì)為零 線圈處在中性面位置 此時(shí)穿過線圈的磁通量最大 磁通量變化率最小 A對(duì) C錯(cuò) t2 t4時(shí)刻電動(dòng)勢(shì)最大 線圈平面與中性面垂直 穿過線圈的磁通量為零 B錯(cuò) D對(duì) 有一個(gè)正方形線圈的匝數(shù)為10匝 邊長(zhǎng)為20cm 線圈總電阻為1 線圈繞OO 軸以10 rad s的角速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng) 如圖5 1 6 勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0 5T 問 課堂互動(dòng)講練 圖5 1 6 1 該線圈產(chǎn)生的交變電流電動(dòng)勢(shì)的峰值 電流的峰值分別是多少 2 寫出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化的表達(dá)式 3 線圈從圖示位置轉(zhuǎn)過60 時(shí) 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值是多大 思路點(diǎn)撥 先根據(jù)Em NBS 計(jì)算電動(dòng)勢(shì)的最大值 再根據(jù)計(jì)時(shí)起點(diǎn)確定瞬時(shí)值表達(dá)式是e Emsin t還是e Emcos t 答案 1 6 28V6 28A 2 e 6 28cos10 tV 3 3 14V 規(guī)律總結(jié) 確定交變電流的電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值表達(dá)式時(shí) 首先要確定線圈轉(zhuǎn)動(dòng)是從哪個(gè)位置開始計(jì)時(shí) 以便確定表達(dá)式是正弦式還是余弦式 其次是確定線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度 再次是確定感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的峰值Em nBS 最后寫瞬時(shí)值表達(dá)式e Emsin t 或e Emcos t 變式訓(xùn)練1單匝矩形線圈面積為S 如圖5 1 7所示 一半在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 另一半沒有磁場(chǎng) 當(dāng)線圈繞OO 軸以角速度 勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 求回路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式 圖5 1 7 如圖5 1 8所示 勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B 0 1T 所用矩形線圈總電阻為R 100 線圈的匝數(shù)n 100 邊長(zhǎng)lab 0 2m lbc 0 5m 以角速度 100 rad s繞OO 軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng) 試求當(dāng)線圈平面從圖示位置 與中性面垂直 轉(zhuǎn)過90 的過程中 1 線圈中的平均電動(dòng)勢(shì) 2 通過線圈某一截面的電荷量 圖5 1 8 答案 1 200V 2 1 10 2C 規(guī)律總結(jié) 平均電動(dòng)勢(shì)既不是電動(dòng)勢(shì)峰值的一半 也不是歷時(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 計(jì)算通過線圈某一截面的電荷量 必須根據(jù)電流的平均值進(jìn)行求解 矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng) 所產(chǎn)生的交變電流的圖象如圖5 1 9所示 下列說法中正確的是 圖5 1 9 A 在t1時(shí)刻穿過線圈的磁通量達(dá)到峰值B 在t2時(shí)刻穿過線圈的磁通量達(dá)到峰值C 在t3時(shí)刻穿過線圈的磁通量的變化率達(dá)到峰值D 在t4時(shí)刻穿過線圈的磁通量的變化率達(dá)到峰值 思路點(diǎn)撥 磁通量最大時(shí) 變化率為0 電動(dòng)勢(shì)為0 電流為0 磁通量為0時(shí) 變化率最大 電動(dòng)勢(shì)最大 電流最大 精講精析 從題圖可知 t1時(shí)刻線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)達(dá)到峰值 則磁通量變化率達(dá)到峰值 而磁通量最小 此時(shí)線圈平面應(yīng)與磁感線平行 t2時(shí)刻感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于零 則磁通量變化率為零 線圈處于中性面位置 磁通量達(dá)到峰值 t3時(shí)刻感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)達(dá)到峰值 則線圈中的磁通量變化率達(dá)到峰值 正確選項(xiàng)為B C 答案 BC 規(guī)律總結(jié) 解決圖象問題的基本方法是 一看 二變 三判斷 即 一看 看 軸 看 線 看 斜率 看 點(diǎn) 二變 掌握 圖與圖 圖與式 和 圖與物 之間的變通能力 三判斷 結(jié)合圖象和公式進(jìn)行正確分析和判斷 變式訓(xùn)練3如圖5 1 10甲所示 一矩形線圈abcd放置在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 并繞過ab cd中點(diǎn)的軸OO 以角速度 逆時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng) 若以線圈平面與磁場(chǎng)夾角 45 時(shí) 如圖乙 為計(jì)時(shí) 圖5 1 10 起點(diǎn) 并規(guī)定當(dāng)電流自a流向b時(shí)電流方向?yàn)檎?則圖5 1 11的四幅圖中正確的是 圖5 1 11 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全