【创新设计】2013-2014学年高中物理(粤教版)选修3-2：2-1认识交变电流

ΔΦ 但磁通量的变化率 最小为零， 感应电动势为零； 感应电流为 Δt 零；电流方向将发生改变．线圈平面与中性面垂直时，穿过线 ΔΦ 圈的磁通量 Φ＝0，但磁通量的变化率 最大，感应电动势最 Δt 大，感应电流最大．
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交变电流的产生 1．(双选)如图中的线圈产生了交流电的是( )．
规律 变化的交变电流．
图形：按正弦规律变化的交变电流的图象是 正弦曲线 ．
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三、交变电流的产生 交流发电机的基本结构： 线圈 、磁极、滑环及 电刷 ． 过程分析(如图 2-1-1)
图 2-1-1
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中性面
定义
线圈平面 垂直 磁感线的位置
电流 (1)感应电流 为零 ； 特点 (2)每经过一次中性面，感应电流方向 改变一次 .
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一、什么是交变电流 恒定电流和交变电流 (1)恒定电流：强弱和方向都不随时间改变的电流，简称直流． (2)交变电流：强弱和方向都随时间周期性变化的电流，简称交 流． 交变电流的图象 (1)波形图：电流或电压随时间变化的图象． (2)观察方法：用示波器观察． (3)特点：我们常使用的交变电流是按正弦规律变化的．
借题发挥
的变化率为零， 感应电动势为零； 当线圈平面与中性面垂直时， 磁通量为零，但磁通量的变化率最大，感应电动势最大．
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【变式 1】 (单选)线框在匀强磁场中绕 OO′轴匀速转动(由上 向下看是逆时针方向)，当转到如图 2-1-7 所示位置时，磁通量 和感应电动势大小的变化情况是( A．磁通量和感应电动势都在变大 B．磁通量和感应电动势都在变小 C．磁通量在变小，感应电动势在变大 D．磁通量在变大，感应电动势在变小
图2-1-7
)．
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解析
由题图可知，Φ＝Φmcosθ，e＝Emsin θ，所以磁通量变
大，感应电动势变小． 答案 D
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中性面的特性
【典例 2】 一矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，当线圈通过中 性面时( )．
A．线圈平面与磁感线方向平行 B．通过线圈的磁通量达到最大值 C．通过线圈的磁通量变化率达到最大值 D．线圈中的电动势达到最大值 解析 中性面是磁通量最大的位置，也是磁通量变化率为零的 位置，在该位置上磁通量最大，感应电动势为零，无感应电流． 答案 B
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)．
图2-1-6
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思路点拨
首先判断 t＝0 时，线圈所在位置与中性面的关系，
再判断其电流的变化情况． 解析 在现在这个位置上，线圈平面与磁场平行，感应电流最
π 大，在 0～ 时间内线圈转过四分之一个圆周，感应电流从最 2ω 大减小为零，磁通量逐渐增大． 答案 AD 当线圈处于中性面位置时，磁通量最大，但磁通量
恰好为零，磁通量为零时，磁通量变化率恰好最大，感应电动 势的大小由磁通量变化率决定．
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交变电流的产生
【典例 1】 如图 2-1-6 所示，一矩形闭合线圈在匀强磁场中绕垂 直于磁场方向的转轴 OO′以恒定的角速度 ω 转动，从线圈平面 π 与磁场方向平行时开始计时，则在 0～ 这段时间内( 2ω A．线圈中的感应电流一直在减小 B．线圈中的感应电流先增大后减小 C．穿过线圈的磁通量一直在减小 D．穿过线圈的磁通量的变化率一直在减小
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(4)常见的交变电流的波形图(如图 2-1-2 所示)
图 2-1-2 特别提示 (1)只要方向不变的电流即为直流电，恒定电流是直流
电中的一种． (2)只要电流的方向周期性变化，即为交变电流，若方向不变，尽 管大小变化亦为直流电，方向随时间做周期性变化是交变电流的 最重要的特征．
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第一节
认识交变电流
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1．知道什么是交变电流，它与直流的区别是什么． 2．了解交流电的产生原理，能熟练运用楞次定律和法拉第电 磁感应定律推导正弦交流电的表达式． 3．会用图象描述交流电．
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两个特殊位置对比
中性面 位置 磁通量 磁通量变化率 感应电动势
中性面的垂面
线圈平面与磁场垂直 线圈平面与磁场平行 最大 零 零 零 最大 最大
感应电流
电流方向
零
改变
最大
不变
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特别提醒
在线圈转动过程中，磁通量最大时，磁通量变化率
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借题发挥
中性面在研究交变电流产生时起很关键的作用，关
键是能够区分这样几个概念：磁通量、磁通量的变化量、磁通 量的变化率；电流大小的改变，电流方向的改变等几个物理量 在中性面这个位置的特点．
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【变式 2】 矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转 动时， 通过线圈平面的磁通量不断变化， 什么位置磁通量最大， 什么位置磁通量为零，什么位置电流最大，什么位置电流最 小？ 答案 线圈平面与中性面重合时，穿过线圈的磁通量 Φ 最大，
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一、交流与直流 交变电流： 强弱和方向 都随时间做 周期性 变化的电流， 叫做交变电流，简称交流． 恒定电流：强弱和方向都不随时间变化的电流，叫做恒定电 流，简称直流．
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二、交变电流的图象 波形图：电流或电压随 时间 变化的图象叫波形图． 规律：我们日常生活和生产中所使用的交变电流是按 正弦
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)．
3．(双选)矩形线框绕垂直于匀强磁场且沿线框平面的轴匀速转 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．每当线框经过中性面时，感应电动势或感应电流方向就改 变一次 D．线框经过中性面时，各边不切割磁感线
图2-1-5
由以上分析可知，线圈转一周的过程中，感应电流的大小和方 向都在不停地变化，每转一周重复这种变化一次，这样线圈所 在的电路中就出现了大小和方向都做周期性变化的交变电流．
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三、中性面、中性面的垂面位置的特性比较 线圈位于中性面时，各边都不切割磁感线，线圈包围的磁通 量没有变化， 所以线圈中没有感应电流． 且根据楞次定律可知， 线圈经过中性面位置前后，线圈中电流方向不同，即线圈平面 每经过中性面一次，线圈中电流的方向就改变一次． 线圈位于中性面的垂面位置时，尽管磁通量最小(为零)，但 其变化率最大，由法拉第电磁感应定律，此时感应电动势最 大． 同时由楞次定律判断可知， 线圈平面经过中性面的垂面时， 线圈中电流的方向不变．
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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速度方向与磁感线平 行，即不切割磁感线，穿过线框的磁通量的变化率等于零，所 以电动势等于零，感应电动势或感应电流的方向在此时刻改 变．垂直于中性面时，穿过线框的磁通量为零，切割磁感线的 两边的速度与磁感线垂直，有效切割速度最大，此时穿过线框 的磁通量的变化率最大，所以感应电动势最大．故 C、D 正确． 答案 CD
图2-1-4
不切割磁感线，线圈中无电流；当线圈转动到图②位置时，导体垂 直切割磁感线，线圈中有电流，且电流从 a 端流入；线圈在图③位 置同线圈在图①位置；线圈在图④位置时，电流从 a 端流出，这说 明电流方向发生了改变；线圈在图⑤位置同在图①位置．线圈这样 转动下去，就在线圈中产生了交变电流．
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解析 当线圈绕垂直于磁场的轴转动时， 磁通量发生改变产生交流 电，B、C 选项符合要求，线圈绕平行于磁场的轴转动时磁通量不 变，不产生感应电流，A、D 选项不符合要求． 答案 BC
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中性面的特性 2．(单选)关于中性面，以下说法不正确的是( A．中性面就是穿过线圈的磁通量为零的面 B．中性面就是线圈中磁通量变化率为零的面 C．线圈过中性面时，电流方向必改变 D．中性面就是线圈内感应电动势为零的面 解析 线圈转至中性面时，线圈平面与磁感线垂直，所以此时 穿过线圈的磁通量最大磁通量最大，磁通量变化率为 零，感应电动势为零，电流方向改变． 答案 A
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二、交变电流的产生 交流发电机的示意图 如图 2-1-3 所示，当磁场中的线圈转动时，流过电流表的电流 方向就会发生改变，产生交变电流．
图2-1-3
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过程分析如图 2-1-4 所示为线圈 abcd 在磁场中绕 轴 OO′转动时的截面图，ab 和 cd 两个边切割磁感 线，产生电动势，线圈上就有了电流(或者说穿过线 圈的磁通量发生变化而产生了感应电流)．具体分析 如图 2-1-5 所示，当线圈转动到图①位置时，导体