3.1 交变电流 课件-高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

第3章

交变电流

用示波器或电压传感器先观察电池供给的电压的波形，再观察学生电源交流挡供给的电压的波形。这两种波形各有什么特点？新课导入第1节交变电流tI0tI0①交流电（AC）：大小和方向都随时间做周期性变化②直流电（DC）：方向不随时间变化。大小不变变化（恒定电流）交变电流的概念学习任务一交变电流的概念学习任务一几种常见的交变电流的种类学习任务一学习任务一交变电流的概念[物理观念]下列6个图，哪些是描述交变电流的?判断依据是什么?C、E、F是交变电流,判断依据是大小和方向随时间周期性变化。

探究F方向呈周期性变化是判断交流的标准。交变电流和直流、恒定电流的区分:电流方向发生变化的是交流电,电流方向始终不变的是直流电,电流大小和方向都不变的是恒定电流,恒定电流也属于直流电.学习任务一观察交变电流的方向

把两个发光颜色不同的发光二极管"并联，注意使两者正、负极的方向不同，然后连接到教学用发电机的两端。转动手柄，两个磁极之间的线圈随着转动。观察发光二极管的发光情况。现象：说明：发电机产生的交流电电流方向在不断变化。两个二极管会交替发光演示1、交流发电机的基本构造EF定子：不动的部分叫定子--磁极(产生匀强磁场)转子：转动的部分叫转子--电枢(产生感应电动势的线圈)作用：将机械能转化为电能转子定子abcd——线圈（切割磁感线）K、L——圆环E、F——电刷｝使线圈在转动时保持与外电路的连接学习任务二交变电流的产生学习任务二[物理建模]I=0,中性面I方向：dcbaI=0,中性面I方向：abcd思考：1、线圈转动一周，电流方向改变多少次？2、线圈转到什么位置时磁通最大？这时感应电动势最大还是最小？3、线圈转到什么位置时磁通最小？这时感应电动势最大还是最小？2次中性面时磁通量最大，感应电动势最小与中性面垂直时磁通量最小，感应电动势最大DCBADACB学习任务二对比分析D(C)A(B)BB⊥SΦ最大E=0I=0B∥SΦ=0E、I最大感应电流方向C到DV//BV⊥BD(C)A(B)B每经过中性面一次，电流方向就改变一次。学习任务二交变电流的产生学习任务二[物理建模][科学推理]分析教材中交流发电机的示意图(如图所示),回答下列问题:(1)请分析线圈转动一周的过程中,线圈中的电流方向的变化情况.

学习任务二交变电流的产生学习任务二[答案]①从甲到乙过程,电流方向为D→C→B→A→D;②从乙到丙过程,电流方向为D→C→B→A→D;③从丙到丁过程,电流方向为A→B→C→D→A;④从丁到甲过程,电流方向为A→B→C→D→A.(2)线圈转动过程中,当产生的感应电动势最大和最小时,线圈分别在什么位置?学习任务二[答案]线圈转到乙、丁瞬间,AB边与CD边都垂直切割磁感线,产生的感应电动势最大;转到甲、丙瞬间,AB边与CD边都不切割磁感线,产生的感应电动势最小.例2

如图所示为交流发电机示意图,线圈的AB边连在金属滑环K上,CD边连在滑环L上,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.下列说法正确的是(

)

A.当线圈平面转到中性面的瞬间,穿过线圈的磁通量最小B.当线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间,穿过线圈的磁通量最小C.当线圈平面转到中性面的瞬间,线圈中的感应电流最大D.当线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间,线圈中的感应电流最小学习任务二B[解析]

当线圈平面转到中性面的瞬间,线圈平面与磁场垂直,穿过线圈的磁通量最大,但磁通量的变化率最小,为零,故感应电流为零,A、C错误;当线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间,线圈平面与磁场平行,穿过线圈的磁通量最小,为零,但磁通量的变化率最大,故感应电流最大,B正确,D错误.学习任务二[科学推理]如图所示,线圈平面从中性面开始绕垂直于匀强磁场的中心轴匀速转动,角速度为ω.经过时间t,线圈转过的角度是ωt,ab边的线速度v的方向跟磁感线方向的夹角也等于ωt.设ab边长为L1,bc边长为L2,线圈面积S=L1L2,磁感应强度为B,则:

(1)ab边产生的感应电动势为多大?学习任务三交变电流的变化规律学习任务三

[科学推理][科学推理]如图所示,线圈平面从中性面开始绕垂直于匀强磁场的中心轴匀速转动,角速度为ω.经过时间t,线圈转过的角度是ωt,ab边的线速度v的方向跟磁感线方向的夹角也等于ωt.设ab边长为L1,bc边长为L2,线圈面积S=L1L2,磁感应强度为B,则:

(2)整个线圈中的感应电动势为多大?学习任务三

[答案]整个线圈中的感应电动势由ab和cd两部分切割磁感线产生的感应电动势组成,且eab=ecd,所以e=eab+ecd=BSωsinωt.[科学推理]如图所示,线圈平面从中性面开始绕垂直于匀强磁场的中心轴匀速转动,角速度为ω.经过时间t,线圈转过的角度是ωt,ab边的线速度v的方向跟磁感线方向的夹角也等于ωt.设ab边长为L1,bc边长为L2,线圈面积S=L1L2,磁感应强度为B,则:(3)若线圈有N匝,则整个线圈的感应电动势为多大?

学习任务三

[答案]若线圈有N匝,则相当于N个完全相同的电源串联,所以e总=NBSωsinωt.以线圈经过中性面开始计时（AB和CD边切割磁感线），在时刻t线圈中的感应电动势e

:为电动势在时刻t的瞬时值Em:为电动势可能达到的最大值——峰值令Em=NBSω

则e=Em

sinωt

若为N匝线圈e=BSωsinωte=NBSωsinωteoEmT/42T/43T/4Tπ/2π3π/22πωtt-Em匝数面积学习任务三交变电流的变化规律学习任务三[科学推理]

Em=NBSω

若从中性面开始计时，则：t

时刻瞬时值峰值（最大值）从瞬时值可以看出：矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的转轴匀速转动时，所产生的交变电流按照正弦函数的规律变化，这种交变电流叫正弦式交变电流，简称正弦式电流。学习任务三交变电流的变化规律学习任务三[物理建模]学习任务三交变电流的变化规律学习任务三[物理建模]若线圈从平行面（峰值面）开始计时，在t时刻线圈中的感应电动势是多少？BvA(B)D(C)中性面ωtt=0

v‖v⊥ωt另一种推导方式：说明：物理学中，正弦交变电流与余弦交变电流(本质规律都相同)统称为正弦式交流电负载两端电压变化规律：流过负载的电流变化规律：例3

有一个10匝正方形线框,边长为20cm,线框总电阻为1Ω,如图所示,垂直于线框平面向里的匀强磁场的磁感应强度为0.5T,OO'轴垂直于磁场方向,线框绕OO'轴以10πrad/s的角速度匀速转动.(1)该线框产生的交变电流的电动势最大值、电流最大值分别是多少?学习任务三[答案]

6.28

V

6.28

A

例3

有一个10匝正方形线框,边长为20cm,线框总电阻为1Ω,如图所示,垂直于线框平面向里的匀强磁场的磁感应强度为0.5T,OO'轴垂直于磁场方向,线框绕OO'轴以10πrad/s的角速度匀速转动.(2)线框从图示位置转过60°角时,感应电动势的瞬时值是多大?学习任务三[答案]

5.44

V[解析]线框转过60°角时,感应电动势e=Emsin60°≈5.44V.例3

有一个10匝正方形线框,边长为20cm,线框总电阻为1Ω,如图所示,垂直于线框平面向里的匀强磁场的磁感应强度为0.5T,OO'轴垂直于磁场方向,线框绕OO'轴以10πrad/s的角速度匀速转动.(3)写出感应电动势随时间变化的表达式(从图示位置开始计时).学习任务三[答案]

e=6.28sin10πt(V)

[解析]

由于线框转动是从中性面位置开始计时的,故感应电动势的瞬时值表达式为e=Emsinωt=6.28sin10πt(V).

学习任务三(2)电动势最大值(峰值)①表达式:Em=NBSω.②由线圈匝数N、磁感应强度B、转动角速度ω和线圈面积S决定,与线圈的形状无关,与转轴的位置无关.如图所示的几种情况,若N、B、S、ω相同,则电动势的最大值相同.学习任务三[科学思维]正弦式交变电流随时间的变化情况可以用图像表示,它是一条正弦(或余弦)曲线,如图所示.从图像中可以获得以下信息:(1)交变电流的最大值Im、Em、Um.(2)根据线圈在中性面时感应电动势、感应电流均为零,磁通量最大可确定线圈位于中性面的时刻.(3)可找出线圈平行于磁感线的时刻.(4)判断线圈中磁通量的变化情况.(5)分析判断i、e、u随时间的变化规律.学习任务四交变电流的图像学习任务四

[物理观念]正弦式电流是最简单、最基本的交变电流。电力系统中应用的大多是正弦式电流。在电子技术中也常遇到其他形式的交流，如图乙、丙所示。学习任务四交变电流的图像学习任务四例4

某交流发电机的线圈在匀强磁场中匀速转动时,产生正弦式交变电流,磁通量Φ随时间t变化的关系如图所示,则下列说法正确的是(

)A.t=0时刻,线圈平面与中性面平行B.t=0.005s时刻,线圈中的感应电动势达到最大值C.t=0.015s时刻,线圈中的感应电流最大D.t=0.01s时刻,图像的切线斜率的绝对值为40πWb/s学习任务四D

学习任务四交变电流的变化规律和正弦式交流电的图像学习任务四物理量函数表达式图像磁通量Φ=Φmcosωt=BScosωt电动势e=Emsinωt=nBSωsinωt续表学习任务四物理量函数表达式图像电压u=Umsinωt=sinωt电流i=Imsinωt=sinωt一、发电机的基本组成：①用来产生感应电动势的线圈（叫电枢）②用来产生磁场的磁极二、发电机的基本种类①旋转电枢式发电机（电枢动磁极不动）②旋转磁极式发电机（磁极动电枢不动）无论哪种发电机，转动的部分叫转子，不动的部分叫定子[物理观念]学习任务五交流发电机学习任务五旋转电枢式的缺点：旋转磁极式的优点：电压高会火花放电、电枢无法做大高电压、高功率输出[物理观念]学习任务五交流发电机学习任务四三峡电站一台正在吊装的发电机转子课堂小结交变电流交变电流交变电流的变化规律交变电流直流交变电流的产生过程分析感应电动势的表达式两个