高中物理第三章交变电流1交变电流课件新人教版选择性必修第二册

例 2 一矩形线圈，面积为 S，匝数为 N，在磁感应强度为 B 的匀强磁 场中绕轴 OO′匀速转动，角速度为 ω，磁场方向与转轴垂直，当线圈转到 中性面位置时开始计时，求：
(1)线圈中感应电动势的最大值，线圈中感应电动势随时间变化的表达 式；
[规范解答] (1)N 匝线圈感应电动势的最大值 Em＝NBSω， 线圈中感应电动势随时间变化的表达式 e＝Emsinωt＝NBSωsinωt。
4．正弦式交变电流的图像 (1)正弦式交变电流的图像的理解 正弦式交变电流的图像描述的是正弦式交变电流随时间变化的规律，它 是一条正弦(或余弦)曲线，如图所示。
(2)从图像中可以得到的信息 ①交变电流的峰值 Em、Im、Um 和周期 T； ②因线圈在中性面位置时感应电动势、感应电流均为零，磁通量最大， 所以可据此确定线圈位于中性面位置的时刻； ③线圈平行磁感线的时刻； ④判断线圈中磁通量的变化情况； ⑤分析判断 e、i、u 的大小和方向随时间的变化规律。 注：有时给出 Φ-t 图像，由 E＝nΔΔΦt 可以判断感应电动势的变化情况。
三、交变电流的变化规律 1 ． 如 图 所 示 发 电 机 产 生 的 交 流 表 达 式 ： e ＝ □01 Emsinωt ， u ＝ □02 Umsinωt ，i＝ □03 Imsinωt 。[从中性面(如甲图)开始计时]
2．峰值与瞬时值：表达式中，Em、Um、Im 分别是电动势、电压、电流 的最大值，也叫 □04 峰值 ，而 e、u、i 则是相应的物理量的 □05 瞬时 值。
提示：根据右手定则可知，AB 边中电流从 B 向 A 流动。
活动 3：在线圈由丙图转到丁图所示位置的过程中，AB 边中电流向哪个 方向流动？
提示：根据右手定则可知，AB 边中电流从 A 向 B 流动。
活动 4：转到什么位置时线圈中没有电流，转到什么位置时线圈中的电 流最大？
提示：AB 边或 CD 边运动时，垂直于磁感线方向的速度不断变化，根 据 E＝Blv，可知感应电动势也在变化，感应电流同时发生变化。当转到甲、 丙图所示位置时，AB 边和 CD 边的速度方向刚好与磁感线平行，线圈中没 有电流；当转到乙、丁图所示位置时，AB 边和 CD 边的速度方向刚好与磁 感线垂直，线圈中的电流最大。
二、交变电流的产生 1．教学用发电机产生的电流，大小和方向不断地变化，是一种 □01 交变
电流。
2．如图所示，线圈在匀强磁场中
□02 匀速
转动，可以根据
□03 右手定则 来判断线圈运动时，AB 边或 CD 边上感应电流的方向。因为
AB 边或 CD 边运动时，垂直于磁感线方向的速度不断变化，所以感应电 流 □04 也发生变化 。
想一想 (1)下图所示图像中不属于交变电流的是哪个？
提示：判断电流为交变电流还是直流电就看电流方向是否随时间变化。如 图丁，尽管电流大小随时间做周期性变化，但因其方向不变，故仍是直流电。
(2)若从垂直中性面的位置开始计时，电动机的电动势还是按正弦规律变 化吗？
提示：按余弦规律变化。
课堂探究评价
[变式训练1] (多选)矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，在线圈平面经过 中性面瞬间( )
A．线圈平面与磁感线平行 B．通过线圈的磁通量最大 C．线圈中的感应电动势最大 D．线圈中感应电动势的方向改变
答案 BD
解析 在中性面处，线圈平面与磁感线垂直，磁通量最大，磁通量变化 率最小，为 0，感应电动势最小，为 0，故 A、C 错误，B 正确；线圈经过中 性面瞬间，感应电流方向改变，故感应电动势方向改变，D 正确。
课堂任务 交变电流的变化规律 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。
活动 1：பைடு நூலகம்课堂任务 1 画出的 i-t 曲线可看出，学生电源中的交变电流似 乎在按正弦函数的规律变化，下面我们从理论上进行检验。对于图 1 所示发 电机，设 t＝0 时线圈刚好转到甲图中性面位置，此时的感应电动势是多大？
提示：此时导线 AB 的速度方向刚好与磁感线平行，因此感应电动势为 0。
活动 4：设感应电动势的最大值为 Em，请写出感应电动势 e 的表达式。 如果线圈匝数为 N，则 Em 是多少？
提示：设 Em＝ωBS，则 e 的表达式可写成 e＝Emsinωt。对于单匝线圈， Em＝ωBS；如果线圈匝数为 N，则 Em＝NωBS。
活动 5：若发电机所接负载为电灯等纯电阻用电器，请写出负载两端的 电压 u、流过的电流 i 的表达式。
活动 5：假设电流从 E 经过负载流向 F 的方向记为正，反之为负，在图 3 横坐标轴上已标出线圈到达图 2 中甲、乙、丙、丁几个位置时对应的时刻， 大致画出感应电流随时间变化的曲线。
提示：由活动 2、3、4 的结论可画出曲线如图所示。
1．交变电流的理解 (1)大小和方向随时间做周期性变化的电流叫作交变电流，简称交流，用 AC 表示；方向不随时间变化的电流称为直流，用 DC 表示。 ①大小不变、方向随时间做周期性变化的电流也叫交流电。 ②大小和方向都不变的电流称为恒定电流。 (2)区分交流电和直流电的方法就是看电流的方向是否随时间变化。
提 示 ： 根 据 闭 合 电 路 欧 姆 定 律 及 串 联 电 路 的 知 识 ， u ＝ Umsinωt ， i ＝ Imsinωt。
1．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 e＝Emsinωt，i＝Imsinωt，u＝Umsinωt。 (2)从与中性面垂直的位置开始计时 e＝Emcosωt，i＝Imcosωt，u＝Umcosωt。
活动 3：t 时刻线框上产生的感应电动势 e 是多少？活动 1 中的猜想是否 正确？
提示：根据右手定则，t 时刻 AB 边和 CD 边产生的感应电动势在线圈中 沿相同的方向，再根据法拉第电磁感应定律，线框上产生的感应电动势 e＝ 2Blvsinθ＝ωBldsinωt＝ωBSsinωt，其中 S 表示线框的面积。可知线框的电动 势确实是随时间按正弦函数规律变化的，即猜想正确。
活动 2：设图 1 中线圈旋转的角速度为 ω，AB 和 CD 的长度为 l，AD 和 BC 的长度为 d，则经过时间 t，线圈转到图 2 所示位置时，AB 边或 CD 边与 磁感线垂直的速度是多少？
提示：经过时间 t，线框转过的角度 θ＝ωt，线框旋转过程中 AB 和 CD 的速度 v＝ωd2，与磁感线垂直的速度为 vsinθ，即ω2dsinωt。
[完美答案] A
线圈转动过程经过的两个特殊平面是什么？特点是什么？
提示：中性面和中性面的垂面。中性面的特点：磁感线与线圈平面垂直， 磁通量最大，感应电流为零，电流方向发生变化。中性面的垂面的特点：磁 感线与线圈平面平行，磁通量为零，感应电流最大，电流方向不变。
规律点拨 (1)线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动，磁通量最大时， 磁通量变化率为零，感应电动势为零；磁通量为零时，磁通量变化率最大， 感应电动势最大。 (2)线圈每经过中性面一次，线圈中感应电流方向就要改变一次。线圈每 转一周，感应电流方向改变两次。
3．正弦式交变电流 (1)定义：按 □06 正弦 规律变化的交变电流叫作正弦式交变电流，简 称 □07 正弦式电流 。 (2)正弦式电流是最 □08 简单 、最 □09 基本 的交变电流。电力系统 中应用的大多是 □10 正弦式 电流。在电子技术中也常遇到其他形式的交流。
四、交流发电机 1．交流发电机的基本组成部分：产生感应电动势的 叫作 □02 电枢 )，产生磁场的 □03 磁体 。
2．正弦式交变电流的峰值表达式 Em＝NBSω，Im＝RE＋mr＝NRB＋Sωr ，Um＝ImR＝NRB＋SωrR。以上三式中 N 均 为线圈匝数，S 均为线圈在磁场中的面积。
3．峰值 Em＝NBSω 的理解 当线圈绕位于线圈所在平面且与磁场垂直的轴匀速转动到线圈平面与 磁场方向平行时，线圈中的感应电动势达到峰值，且 Em＝NBSω。峰值的大 小由线圈匝数 N、磁感应强度 B、线圈转动角速度 ω 和线圈在磁场中的面积 S 共同决定，与线圈的形状、转轴在线圈平面内的位置无关，如图所示的几 种情况中，如果 N、B、ω、S 均相同，则感应电动势的峰值均为 Em＝NBSω。
A．线圈平面每经过中性面一次，感应电流方向就改变一次 B．线圈每转动一周，感应电流的方向就改变一次 C．当线圈平面与磁感线垂直时，线圈中感应电动势最大 D．当线圈平面与磁感线平行时，穿过线圈的磁通量最大
[规范解答] 线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时，在 中性面位置时，磁通量最大，感应电流为 0，电流方向改变，故 A 正确；线 圈每转动一周，就经过中性面两次，电流方向就改变两次，故 B 错误；线 圈平面与磁感线垂直时，处于中性面位置，此时感应电动势为 0，故 C 错误； 当线圈平面与磁感线平行时，穿过线圈的磁通量为 0，故 D 错误。
第1节 电源和电流
1．知道什么是交变电流，理解交变电流的产生原理。2.知道什么是中 性面，知道什么是交变电流的瞬时值和最大值。3.掌握正弦式交变电流的变 化规律。4.了解生产、生活中的交流发电机的构造及特点。
课前自主学习
一、交变电流 1．交变电流：大小和方向随时间 □01 做周期性变化 的电流叫作交变电流， 简称 □02 交流 (AC)。 2．直流： □03 方向 不随时间变化的电流称为直流(DC)。
2．交变电流的产生 (1)产生原理：线圈绕垂直于磁场的轴转动过程中，穿过线圈的磁通量周 期性变化，产生大小和方向周期性变化的感应电动势，如果是闭合电路，则 产生大小和方向周期性变化的电流。
(2)两个特殊位置 名称 位置
图示
中性面 中性面的垂面 线圈平面与 线圈平面与 磁感线垂直 磁感线平行
磁通量 磁通量的变化率 线圈 AB 或 CD 边切割磁感线的有效速度
感应电动势 感应电流 电流方向
最大 零 零 零 零
改变
零 最大 最大 最大 最大 不变
(3)闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动，仅是产生交 变电流的一种方式，并不是唯一方式。例如保持线圈不动，使穿过线圈的磁 通量变化也可以产生交变电流。
例 1 如图所示，矩形线圈在匀强磁场中绕 OO′轴匀速转动，产生交 变电流。以下说法正确的是( )
□01 线圈
(通常
2．交流发电机的分类 分类
旋转电枢式发电机 旋转磁极式发电机
转子 □04 电枢 □06 磁极
定子 □05 磁极 □07 电枢
3．两种发电机的比较 (1)旋转电枢式发电机转子产生的电流，必须经过裸露的 □08 滑环 和 □09 电刷 引到外电路，如果电压很高，可能发生火花放电，烧坏器件。 (2)旋转电枢式发电机转动的 □10 电枢 无法做得很大，□11 线圈匝数 也 不可能很多，所以产生的感应电动势也不能 □12 很高 。
(3)旋转磁极式发电机克服了上述缺点。 4．发电机中的能量转化：蒸汽轮机、水轮机等将 □13 机械 能传递给 发电机，发电机将 □14 机械 能转化为 □15 电 能，输送给外电路。
判一判 (1)方向周期性变化、大小不变的电流也是交流电。( √ ) (2)只有大小和方向按正弦规律变化的电流才是交流电。( × ) (3)当闭合矩形线圈在匀强磁场中绕线圈所在平面内且垂直于磁感线的 轴匀速转动时，闭合线圈中就会有交流电产生。( √ ) (4)当线圈转动至线圈平面垂直于磁感线位置时，各边都不切割磁感线， 线圈中没有感应电流，这个特定位置叫作中性面。( √ ) (5)发电厂大多数发电机是旋转电枢式的。( × )
变电流的产生 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。
活动 1：如图 1 所示，把两个发光颜色不同的发光二极管并联，使两者 正、负极的方向不同，转动手摇发电机 的手柄，两个磁极之间的线圈随着 转动，你能观察到什么现象？说明了什么？
提示：两个发光二极管轮流发光。说明电流的方向是变化的。
活动 2：如图 2 所示，装置中两磁极之间产生的磁场可近似为匀强磁场， 假定发电机的线圈沿逆时针方向匀速转动。在线圈由甲图转到乙图所示位置 的过程中，AB 边中电流向哪个方向流动？