2019-2020年高二物理交变电流的产生和变化规律教案人教版

2019-2020 年高二物理交变电流的产生和变化规律教案人教版
一、教学目标：
l、理解交变电流产生的原理。

2、知道什么是中性面。

3、会用公式和图像表示交变电流。

二、教学重点：
用公式和图像表示交变电流
三、教学难点：
用公式表示交变电流的方法
四、教具
1．手摇式交流发电机模型．该发电机可使 2.5V 小灯泡发光，可使电流表指针摆动．
2．可拆式发电机模型．
3．多媒体课件
五、教学过程：
一、交变电流的产生
1、直流电的产生
如图所示：当导体棒 ab 垂直于磁场方向在导轨上滑动时，流
G
过电流表 G的电流方向是不变的，这叫直流电。

[演示 1] 出示手摇发电机模型，并连接演示电流表
当线圈在磁场中转动时，电流表的指针随着线圈的转动而摆
动，线圈每转动一周指针左右摆动一次。

2、大小和方向都随时间作周期性变化的电流叫做交流电。

3、交变电流的变化规律
课件演示：矩形线圈在匀强磁场中匀速转动的四个过程
分析：线圈bc、 da 始终在平行磁感线方向转动，因而不产生
感应电动势，只起导线作用。

（1）线圈平面垂直于磁感线（ a 图）， ab、cd 边此时速度方向与磁感线平行，线圈中没有感应电动势，没有感应电流。

强调指出：这时线圈平面所处的位置叫中性面。

（ 2）当线圈平面逆时针转过
ab、cd 边的线速度90 时（ b 图），即线圈平面与磁感线平行时，
方向都跟磁感线垂直，即两边都垂直切割磁感线，这时感应电动势最大，线圈中的感应电流也最大。

（ 3）再转过90 时（ c 图），线圈又处于中性面位置，线圈中没有感应电动势。

（ 4）当线圈再转过
（图90 时，处于图 d 位置，ab、cd 边的瞬时速度方向，跟线圈经过
2）位置时的速度方向相反，产生的感应电动势方向也跟在（图2）位置相反。

（ 5）再转过90 线圈处于起始位置（ e 图），与 a 图位置相同，线圈中没有感应电动势。

小结：（ 1）中性面：线圈平面垂直于磁感线的位置叫中性面。

中性面的特点：线圈平面与磁感线垂直，磁通量最大，感应电动势最小为零，感应电流为零。

线圈每经过中性面一次感应电流方向就改变一次，线圈每转过一周感应电流方向改变两次。

二、交流电的图象和变化规律。

1、在场强为 B 的匀强磁场中，矩形线圈边长为l ，逆时针绕中轴匀速转动，角速度为ω，从中性面开始计时，经过时间t 。

线圈转动的线速度为 v=ω l/2 ，转过的角度为θ =ω t ，此时 ab 边线速度 v 以磁感线的夹角也等于ωt ，这时 ab 边中的感应电动势为
e ab BLVBl l sint1Bl 2sin t
22
同理， cd 边切割磁感线的感应电动势为：
e cd BLV Bl l
sin t 1 Bl2sin t 22
就整个线圈来看，因ab、cd边产生的感应电势方向相同，是串联，所以
e Bl 2sin t BS sin t
当线圈平面跟磁感线平行时，即ω t= π /2 ，这时感应电动势最大值ε=BSω
m
感应电动势的瞬时表达式为e= εm sin ω t 。

如线圈匝数为N，则εm=N BSω则， e= ε m sin t（ε m=NBSω )
可见在匀强磁场中，匀速转动的线圈中产生的感应电动势是按正弦规律变化的。

即感应电动
势的大小和方向是以一定的时间间隔做周期性变化。

当线圈跟外电路组成闭合回路时，设整个
回路的电阻为 R，则电路的感应电流的瞬时值为表达式
i eε
m sin t R R
感应电流瞬时值表达式i=I m
sin ωt，这种按正弦规律变化的交变电流叫正弦式电流
2、交流电的图像
交流电的变化规律还可以用图像来表示，在直角坐标系中，横轴表示线圈平面跟中性面的夹角（或者表示线圈转动经过的时间 t ），纵坐标表示感应电动势 e （或电
流 i ）
三、交流发电机
（1）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（2）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
板书设计：
一、交流电的产生：强度和方向都随时间做周期性变化的电流叫做交变电流，简称交流，俗称交流电。

二、正弦交流的产生及变化规律。

1、产生：当线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时，线圈中产生的交流是随时间按正弦规律变化的。

即正弦交流。

2、中性面：线圈平面垂直于磁感线的位置叫中性面。

3、规律：（1）、函数表达式：计时，则 e=NBSωsin ω t 。

用ε表示峰值t=Isin ω t ，电压 u=Usin ω t 。

4、交流电的图像N 匝面积为 S 的线圈以角速度ω转动，从中性面开始NBSω, 则 e=ε sin ω t 在纯电阻电路中 , 电流 I=sin ω
三、交流发电机：发电机的基本组成：①电枢②磁极
发电机的基本种类: ①旋转电枢式发电机②旋转磁极式发电机
讲练互动
例 1、矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，产生交流电，当线圈与磁感线
方向垂直时穿过线圈的磁通量与产生的感应电动势的大小正确的是（D）
A、最大， e最大
B、最小，e最小
C、最小， e最大
D、最大，e最小
［例 2］在匀强磁场中的矩形线圈从中性面开始匀速转动，穿过线圈平面的磁通量与时间的图像是（C）．
思路点拨：本题是考查正弦交流电的图像问题，所以只要把从中性面开始计时的四个特殊位
置的各个物理量的变化规律掌握了也就迎刃而解了。

完全解答：设匀强磁场的磁感强度为，矩形线圈abcd 的面积为，如下图所示从中性面位置开始
逆时针方向匀速转动．设经时间转过的角度，转到位置，画出它的正视图如下图所示．由磁通量计算式（S 为垂直磁感线方向的面积）可知，在时刻t通过线圈平面的磁通量为：．即与的关系按余弦函数规律变化．
故选 C
解后深思：磁通量是标量．磁通量的正、负表示它穿过平面的
方向．得出的上述表达式，是规定从左向右穿过平面（用实线表
示）的方向为正．当转过后，磁感线将从平面的右侧面（用虚线
表示）穿过，磁通量为负．
练习 1．一矩形线圈，绕与匀强磁场垂直的中
心轴 OO′按顺时针方向旋转．引出线的两端与互相绝缘的半圆铜环连接，两个
半圆环分别与固定电刷A、B 滑动接触，电刷间接有电阻，如图所示，在线圈转
动过程中，通过电阻的电流(C)
Ａ．大小和方向都不断变化．
Ｂ．大小和方向都不变．
Ｃ．大小不断变化，方向．
Ｄ．大小不断变化，方向从．
练习 2．一矩形线圈绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定
轴转动，线圈中的感应电动势 e 随时间 t 的变化如图所示，则
（D）
A．t1时刻通过线圈的磁通量为零
B．t2时刻通过线圈的磁通量绝对值最大
C．t3时刻通过线圈的磁通量变化率绝对值最大
D．每当e变换方向时，通过线圈的磁能量绝对值都最大
课堂巩固
1、下列哪些电流是交变电流（ABD ）
i i i
i
O O O O
t
t t t
A B C D
2、如图所示，矩形线圈abcd 在匀强磁场中沿逆时针方
向匀速转动，产生交流电。

当线圈转到图示位置时，
电流表指针向右偏转，当线圈由图示位置继续转动，
下列说法中正确的是（D）
A 、线圈在转过到 π的过程中，表针向右偏转
B 、线圈经过图示位置时，线圈中电流改变方向
C 、线圈在转过到 2π 的过程中，表针向左偏转
D 、线圈在图示位置反方向转过到
2π 的过程中，表针向左偏转
3、如图所示，一线圈在匀强磁场中匀速转动，经过图示位置时（
C ）
A 、穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率最大
B 、穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率最小
C 、穿过线圈的磁通量最小，磁通量的变化率最大
D 、穿过线圈的磁通量最小，磁通量的变化率最小
4、交流发电机在工作时的电动势为
e=E 0sin ω t ，若将其电枢的转速提高 1 倍，同时将电枢所
围成面积减小一半，其他条件不变，则其电动势变为（ C
）
A 、 e=E sin ω t/2
B 、 e=2E sin ω t/2 C
、e=E sin2 ωt D 、e=E /2sin2 ω t
0 0 0
5、闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，线圈中产生的交变电流的瞬时值表
达式为 i=I m sin ω t 。

保持其他条件不变，使线圈的匝数及转速都增加为原来的两倍，则电
流的瞬时值表达式为
（ A
）
A 、 i=2I m sin2 ω t B
、 i=4I m sin2 ω t C 、 i=2I m sin ω t D 、 i=4I m sin ω t
6、一矩形线圈，绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定轴转动，线圈中的感应电动势
e
随时间 t 的变化如图所示，则下列说法正确的是（
BCD
）
e A 、 t 1 时刻通过线圈的磁通量为零
E m
B 、 t 1 时刻通过线圈的磁通量绝对值最大
O t 2 t 3 t 4
t
C 、 t 2 时刻通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大
t 1
-E m
D 、每当电动势 e 改变方向时，通过线圈的磁通量的绝对值都是最大
7、如图所示，一只矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，则下列说法中正确
的是（ BD ）
Ф
A 、 t=0 时刻线圈平面与中性面垂直 O
t/ B 、 t=0.01s 时刻，磁通量的变化率最大
0.0 0.0 0.0
0.0
s
C 、 t=0.02s 时刻，交流电动势达到最大
D 、 0.02s 到 0.03s 的时间内，交流电的电动势在增大
8、如图甲所示，
形金属导轨水平放置，导轨上跨接一根金属棒
ab ，与导轨构成闭合回路并
能沿导轨自由移动，在导轨左侧与 ab 平行放置的导线
cd 中通以图乙所示的交变电流规定
电流方向自 c 向 d 为正，则 ab 受到向左的安培力的作用时间是
（ AC
）
A 、 0~t 1
B 、 t 1~t 2
C 、 t 2~t 3
D 、 t 3~t 4
d
b
i
O
t 1 t 2 t 3 t 4
t
c
a
图乙
图甲
9、如图甲所示， A 、B 是两个相同的环形线圈，共轴并靠近放置， 的电流，则（ ABC ）
A 、在 t 1 到 t 2 时间内 AB
A 、
B 线圈互相吸引 B 、在 t 2 到 t 3 时间内 A 、 B 线圈互相排斥
i
A 线圈中通以如图乙所示
i
O
t 1 t 2 t 3 t 4
t
图甲
图乙
C、 t 1时刻两线圈间的作用力为零
D、 t 2时刻两线圈间的吸引力最大
10、如图所示，正方形线圈abcd 绕对称轴OOˊ在匀强磁场中匀速转动，ω=4rad/s，若已知
ab=bc=20cm，匝数 N=20，磁感应强度B=0.2T ，求：（1）转动过程中电动势的最大值；（2）从图示位置转过 900过程中的平均电动势；（ 3）设线圈是闭合的，总电阻 R=10Ω，线圈转动过程中电流的最大值；（ 4）如果其它条件不变，将线圈转动角速度增加为 8 rad/s ，从图示位置开始计时，求线圈中电流的瞬时表达式。

O
a d
B
b c
11、如图所示 ,半径为r的金属环绕通过其直径的轴OO, 以角速度ω做匀O速ˊ转动 ,匀强磁
环中产生的平均感应电动势多大? 如果组成金属环材料单位长度的
电阻值为R0则在转过30 角的过程中 ,流过金属环的电量是多少?
教后感：。