2018版高中物理第3章交变电流3.2交变电流是怎样产生的学案鲁科版

1、第2讲交变电流是怎样产生的目标定位1.认识交流发电机，了解交流发电机的结构.2.理解交变电流产生的原理，知道中性面的概念.3.能用数学表达式和图象描述正弦交变电流的变化规律，知道最大值、有效值和瞬时值之间的关系.4.能用交变电流的变化规律解决实际问题.了预习导学金小理.识记,点拨一、交流发电机1 .发电机主要由线圈（电枢）和磁极两部分组成.2 .磁极固定不动，让电枢在磁极中旋转，使穿过线圈的磁通量发生变化而产生感应电动势，这种发电机称为旋转电枢式发电机.反之，称为旋转磁极式发电机.二、交变电流的产生原理1 .典型模型内T图1想一想 如图1所示，当线圈在磁场中绕 OO轴转动时，哪些边切割磁感线？

2、线圈转到哪些 位置时没有感应电流？答案 当线圈在磁场中绕 OO轴转动时，AB CD边切割磁感线产生感应电流.线圈转到甲和 丙位置时没有感应电流，我们称之为中性面.2 .在线圈连续转动过程中，感应电流的大小和方向都将随时间做周期性变化.线圈每经过中性面1次，感应电流的方向就改变 1次；线圈每转动1周，感应电流的方向就改变 2次.三、交变电流的变化规律1 .正弦式交变电流瞬时值表达式当从中性面开始计时：瞬时电动势：e=Esin cot,瞬时电压：u= Ursin co t,瞬时电流：i = I msin 3 t.式中Ek Uk Im分别表示电动势、电压、电流的最大”L2 .交流电的图象（如图2所示

3、）图2想一想正弦式交变电流的图象一定是正弦函数曲线吗？答案 不一定，根据计时起点不同，也可能是余弦函数曲线产课堂讲义f理解深化.探究一、交变电流的产生过程1 .正弦式交流电的产生如图3所示，是线圈 ABCDE匀强磁场中绕轴 OO转动时的截面图.线圈从中性面开始转动，角速度为3,经过时间t转过的角度是cot.设AB边长为L1, BC边长为L2,磁感应强度为 B, AB边和CDi转动时切割磁感线产生感应电动势.图3(1)在图甲中，v/ B, eAB= ecD= 0, e= 0(2)在图丙中，eAB= BLv=BL&2L2=2BSco1_同理ec户2BSw 所以 e=eAB+ ecD= BS5w1.

4、 一,在图乙中，eAB= BLvsin w t = 2BL1L2 w sin w t =12BSxo sin 3 t1 .一同理 ec户2BSX0 sin cot所以 e=eAB+ ecD= BS5co sin w t若线圈有n匝，则e=nBSo sin w t2 .两个特殊位置（1）中性面（S B位置） ，一， 一， A 一 一 一线圈平面与磁场垂直的位置，此时取大，工丁为0, e为0, i为0.线圈经过中性面时，电流方向就发生改变，线圈转一圈电流方向改变两次.（2）垂直中性面位置（S/ B位置）、，一 A，一为0, 丁丁为取大,e取大，i取大.3 .正弦式交流电的峰值En= nBSco4

5、.正弦式交流电的瞬时值表达式e= Esin w t , u= Usin w t , i = I msin w t【例11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.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，所以电动势等于零，即此时穿过线框的 磁通量的变化

6、率等于零，感应电动势或感应电流的方向在此时刻改变；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是垂直切割，有效切割速度最大，所以感应 电动势最大，即此时穿过线框的磁通量的变化率最大.故 C D选项正确.针对训练 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（7图4A.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-bD.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

7、面，电流方向改变两次，指针左右摆动一次.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；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，线圈处于竖直位置时，磁通量为零，但磁通量的变化率最大。二、对峰值 Em= nBSo和瞬时值e= Emsin cot的理解1 .对峰值的理解(1)对转轴的要求：在线圈所在平面内且与磁场垂直.当线圈平面与磁场平行时，线圈中的感应电动势达到峰值，且满足 Em= nBSo .(2)决定因素：由线圈匝数 n、磁感应状无关，与轴的位置无关.如图5所示的几种情况中，如果 n、x x j . b， 乂

8、同;x x! x 口 a*:强度 B、转动角速度 3和线圈面积 S决定，与线圈的形R 3、S均相同，则感应电动势的峰值均为Em= nBSo . (X :乂中 X乂B亢X -1 K K X乂 / ; x KIj S p： S | JI,/卜CX A K X XXx3 皿2 .对瞬时值的理解必须明确是从中性面计时，还是从与中性面垂直的位置计时.从中性面计时，e= Esin w t.(2)从与中性面的垂直位置计时，e= Emcos w t.【例2】 如图6所示，匀强磁场磁感应强度B= 0.1T,所用矩形线圈的匝数NH 100,边长1北=0.2m, lbc=0.5m,以角速度 w = 100 u ra

9、d/s绕OO轴匀速转动.试求:o-图6交变电动势的峰值；(2)若从线圈平面垂直磁感线时开始计时，线圈中瞬时感应电动势表达式；(3)若从线圈平面平行磁感线时开始计时，求线圈在t=16时刻的感应电动势大小.答案(1)314V(2)e=314sin (100 % t) V (3)157V解析 (1)由题可知：S= lab - lbc = 0.2 X0.5m 2= 0.1m2,感应电动势的峰值g= NBSo =100X 0.1 X 0.1 X 100 兀=100 兀 V= 314V.(2)感应电动势的瞬时值e= Ensin t所以 e=314sin (100 % t) V(3)从线圈平面平行磁感线时开

10、始计时，感应电动势的瞬时值表达式为当t=T时,e= Ecos 31 ,代入数值得 e= 314cos (100 % t) V兀e= 314cos 万丫= 157 V.三、正弦式交变电流的图象7所示.1 .注意：开始计时时线圈所处的位置不同，得到的图象也不同.如图2 .从图象中可以解读到以下信息: (1)交变电流的峰值Em、Im和周期T.(2)可确定线圈位于中性面的时刻以及根据电流最大找出线圈平行磁感线的时刻.(3)判断线圈中磁通量最小、最大的时刻及磁通量变化率品最大、最小时亥人(4)分析判断i、e大小和方向随时间的变化规律.【例3】 线圈在匀强磁场中匀速转动，产生交流电的图象如图8所示，由图可

11、知（）A.在A和C时刻线圈处于中性面位置B.在B和D时刻穿过线圈的磁通量为零C.在A时刻到D时刻线圈转过的角度为 兀弧度D.在A和C时刻磁通量变化率绝对值最大答案 D解析 当线圈在匀强磁场中转到位于中性面时，磁通量最大，感应电动势为零，感应电流为零，B、D两时刻线圈位于中性面；当线圈平面与磁感线平行时，磁通量为零、磁通量的变化率最大，感应电动势最大，感应电流最大，A C时刻线圈平面与磁感线平行，D正确；在 A3时刻到D时刻线圈转过的角度为 -2-弧度.故选D.T对点练习厚 巩固应用反馈交变电流的产生及规律1.当交流发电机的线圈转到线圈平面与中性面重合时，下列说法中正确的是（）A.电流将改变方向

12、B.磁场方向和线圈平面平行C.线圈的磁通量最大D.线圈产生的感应电动势最大答案 AC解析 当线圈平面与中性面重合时，磁通量最大，磁通量的变化率为零，感应电动势为零，电流将改变方向.故选 A、C.正弦式交变电流的图象2. 一个矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，穿过线圈的磁通量随时间变化的图象如图9甲所示，则下列说法中正确的是 （）图9A. t=0时刻，线圈平面与中性面垂直B. t= 0.01s时刻， 的变化率最大C. t= 0.02s时刻，交变电动势达到最大D.该线圈产生的相应交变电动势的图象如图乙所示答案 B解析 由题图甲可知t=0时亥I,线圈的磁通量最大，线圈处于中性面， t

13、= 0.01s时刻，磁通 量为零，但变化率最大，所以 A项错误，B项正确；t = 0.02s时，交变电动势应为零，C、D项均错误.峰值和瞬时值问题3.交流发电机工作时电动势为e= Ensin cot,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()一， 一 .st_, 一 .cotA. e = EnsinB. e = 2EnsinEn 一，C. e = Ensin2 w tD. e = 2sin2 w t答案 C解析 本题考查交变电压的瞬时值表达式e= Ensint ,而曰=nBco S,当加倍而S减半时，日不变，故正确答案为 C.4.有一 10匝正方形线框，边长为 20cm,线框总电阻为 1Q,线框绕 OO轴以10 71 rad/s的 角速度匀速转动，如图 10所示，垂直于线框平面向里的匀强磁场的磁感应强度为0.5T.问