鲁科版高中物理选修3-2 第3章 第2节 交变电流是怎样产生的 名师公开课优质课件(41张)

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思路点拨： 解答本题应弄清以下两点： ①线圈转动过程中几个特殊位置的特点； ②磁通量、磁通量的变化率、感应电动势、感应电流之间的关系．
D [ t1、t3 时刻线圈中的感应电动势 e＝0，故为线圈平面处于中性面的时刻， 线圈的磁通量最大，磁通量的变化率为零，故选项 A、C 错误；t2 时刻，线圈 平面与磁感线平行， 线圈的磁通量为零， 磁通量的变化率最大， 故选项 B 错误； 每当 e 变换方向时，线圈通过中性面，此时磁通量最大，故选项 D 正确．]
[ 基础自测] [ 思考判断] 1．中性面特点是磁通量最大，但感应电动势为零．( √ ) 2．线圈转一周有两次经过中性面，每转一周电流方向改变一次．( × ) 3．只要线圈在磁场中转动就会产生交变电流．( × ) 4．线圈只要在匀强磁场中匀速转动就能产生正弦式交变电流．( × ) 5．交变电流的瞬时值表达式与开始计时的位置无关．( × ) 6．交流电的电动势的瞬时值表达式为 e＝Emsin ωt 时，穿过线圈磁通量的瞬时 值表达式 Φ＝Φmcos ωt.( √ )
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2．对交变电流图象的认识 由 e＝Emsin ωt、u＝Umsin ωt、i＝Imsin ωt 可知 et、ut，it 图线应该是正弦曲 线，如图 326 所示，其中 Em、Um、Im 分别表示电动势、电压、电流的最大值， 1 1 ω 表示线圈匀速转动的角速度，因 v＝2ω· ad，所以 Em＝2Bl· ad＝BSω，S 2ω· 为线圈面积．
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[ 合作探究] 1．发电机工作过程中能量是如何转化的？ 【提示】 发电机工作时产生的感应电流在磁场中会受到安培力，安培力的作 用总是阻碍转子的运动，在这一过程中发电机把机械能转化成了电能．
Usin ωtt(其中：Um＝ImR) msin u＝U ___
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2．正弦交变电流的图象(如图 321 所示)
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图 321
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2． 风力发电机是一种新能源产品． 若风力发电机的矩形线圈在匀强磁场中匀速 转动，当线圈通过中性面(线圈平面与磁场垂直)时，下列说法正确的是( A．穿过线圈的磁通量最大，线圈中的感应电动势最大 B．穿过线圈的磁通量等于零，线圈中的感应电动势最大 C．穿过线圈的磁通量最大，线圈中的感应电动势等于零 D．穿过线圈的磁通量等于零，线圈中的感应电动势等于零 )
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[ 针对训练] 1．(多选)图中哪些情况线圈中产生了交流电( )
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BCD [ 闭合线圈必须绕垂直于磁场的轴旋转， 才能产生交变电流， 且 E＝nBSω 对线圈形状无要求，B、C、D 正确．]
知 识 脉 络
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[自 主 预 习·探 新 知]
[ 知识梳理] 一、交流发电机及交变电流的产生原理 1．交流发电机的原理 由法拉第电磁感应定律可知，只要通过闭合导体的磁通量发生变化，就可以产
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图 322
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2．产生过程：从中性面开始计时，t＝0 时，线圈各边都不切割磁感线，线圈中
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1 没有感应电动势产生，如图 323 甲所示；t＝4T 时，ab、cd 两边切割磁感线， 产生感应电动势和感应电流， 线圈中感应电流方向是 d→c→b→a， 如图乙所示； 1 3 t＝2T 时，图丙同图甲情况；t＝4T 时，ab、cd 两边切割磁感线，产生感应电动 势和感应电流，线圈中感应电流方向是 a→b→c→d，如图丁所示；t＝T 时，图 戊同图甲情况．
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图 325
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(1)Em＝2Blv 为最大值，也叫电动势的峰值． (2)e＝Emsin ωt，交变电流按正弦规律变化，这种电流叫正弦式交变电流简称正 弦式电流．
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交变电流的变化规律
1.交变电流的数学表达式 据图 325 可知，ab 和 cd 边产生的感应电动势均为 Blvsin ωt，此时整个线圈的 感应电动势为 e＝2Blvsin ωt 或 e＝Emsin ωt.
感应电动势 感应电流 生感应电动势和感应电流．
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2．交流发电机的构造
线圈(电枢)和磁极两部分组成． 磁极 发电机主要由线圈
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3．交流发电机的种类 两种类型 旋转电枢式 旋转磁极式 转子 电枢 磁极 定子
第3章
交变电流
第2节 交变电流是怎样产生的
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学 习 目 标 1.认识交流发电机，了解交流发电机结构． 2．理解交变电流的产生原理，知道中性面的概 念．(重点) 3．掌握交变电流的变化规律，能用数学表达式和 图象描述正弦交变电流的变化规律． (重点、 难点) 4．理解交变电流的瞬时值和最大值，能正确表示 出正弦交变电流的最大值、有效值和瞬时值．(重 点、难点)
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线圈在特殊位置时，各物理量间的关系 线框在中性面时，各物理量有如下关系：磁通量最大 → 磁通量的变化率最小 (0)→感应电动势最小(0)→感应电流最小(0)→此位置电流方向将发生改变． 线框 垂直中性面时，所得结论与上述相反．
图象
说明 S 为线圈的 面积， N为 线圈的匝 数，r 为线 圈的电阻 (内阻)，R 为外电阻
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感应电动势
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导体两端电压 感应电流
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4.交变电流的瞬时值、最大值、有效值和平均值的区别与联系
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磁极 磁极
特点 电压低，功率小 电压高，功率大
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电枢
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4.交变电流的产生原理
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(1)实验装置
垂直于 让闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动，感应电流的大小和方向
都随时间做周期性变化． (2)过程分析
电容器的击穿电压
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交变电流的瞬时值最大值有效值和平均值的区别与联系物理量物理含义重要关系适用情况及说明瞬时值交变电流某一时刻计算线圈某时刻的受力情况最大值最大的瞬时值有效值跟交变电流的热效应等效的恒定电流2i1计算与电流的热效应有关的量如电功功率热量等2电气设备铭牌上所标值3保险丝的熔断电流4交流电流表电压表的示数平均值交变电流图象中图线与时间轴所夹的面积与时间比值ebl1平均感应电动势2计算通过电路截面的电荷量如图327所示一矩形线圈在匀强磁场中绕oo轴匀速转动磁场方向与转动轴垂直
物理量
物理含义 交变电流某一时刻 的值
重要关系 e＝Emsin ωt u＝Umsin ωt i＝Imsin ωt Em＝NBSω Em Um＝ · R R＋r Em Im＝ R＋r
适用情况及说明
瞬时值
计算线圈某时刻的受力情况
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最大值
最大的瞬时值
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C [ 线圈位于中性面时，线圈平面与磁感线垂直，穿过线圈的磁通量最大，但 此时切割磁感线的线圈边的瞬时速度方向与磁感线平行，线圈中的各个边均不 切割磁感线，线圈中的感应电动势等于零．]
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3．用图象描述交变电流的变化规律(从中性面开始计时)
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函数 磁通量 Φ＝Φmcos ωt＝BS cos ωt e＝Emsin ωt＝NBSωsin ωt REm u＝Umsin ωt＝ sin ωt R＋r Em i＝Imsin ωt＝ sin ωt R＋r
次 感应电流方向改变 2 次．
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二、交变电流的变化规律 1．规律
Esin e＝E ))ωt (条件：从中性面开始计时) msin
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(其中：Em＝2nBlv)
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Em I sin ωt m __ωt(其中：Im＝ i＝Isin ) R＋r
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的感应电动势 e 随时间 t 的变化情况如图 324 所示，则下列说法中正确的是 ( )
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图 324 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最大 C．t3 时刻通过线圈的磁通量变化率最大 D．每当 e 变换方向时，通过线圈的磁通量都为最大
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线圈边框切割磁感线的 有效速度 感应电流 电流方向
零 零 改变
最大 最大 不变
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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
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图 323
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3．两个特殊位置物理量的特点比较 中性面 位置 磁通量 磁通量的变化率 感应电动势 线圈平面与磁场垂直 最大 零 零 中性面的垂面 线圈平面与磁场平行 零 最大 最大
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交流发电机及交变电流的产生原理
对交变电流产生原理的理解 1．产生原理：由电磁感应定律可知，当闭合回路的部分导体做切割磁感 线的运动时，闭合回路中就有感应电流产生．当线圈在磁场中转动时， 线圈所在的闭合回路中有感应电流产生，可用如图 322 所示的装置做 实验，当线圈转动时，可以观察到电流表的指针来回摆动，说明流过电流表的 电流大小和方向都在不停地变化
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图 326
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(1)图象的物理意义：反映了交变电流的电流(电压)随时间变化的规律． (2)根据图象可直接读出正弦式交变电流的峰值和周期． (3)根据线圈位于中性面时感应电动势、感应电流为零，可确定线圈位于中性面 的时刻，亦为穿过线圈的磁通量最大的时刻和磁通量变化率为零的时刻． (4)根据线圈平面与中性面垂直时感应电动势、感应电流最大，可确定线圈与中 性面垂直的时刻，亦为穿过线圈的磁通量为零的时刻和磁通量变化率最大的时 刻．
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2．正弦式交变电流的图象一定是正弦函数曲线吗？ 【提示】 不一定，根据计时起点不同，也可能是余弦函数曲线． 3．当从与中性面垂直的位置计时，瞬时值的表达式如何表示？ 【提示】 e＝Emcos ωt.
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垂直 中性面：线圈平面与磁感线垂直的位置叫做中性面． 最大 ①线圈经过中性面时，穿过线圈的磁通量最大，但磁通量的变化率为零，线圈 零 零 中的感应电动势为零，感应电流为零．
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②线圈经过中性面时，感应电流改变方向，线圈转动一周，两次通过中性面，