《高中物理 第3章 交变电流 第2节 交变电流是怎样产生的教学案 鲁科版选修3-2》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高中物理 第3章 交变电流 第2节 交变电流是怎样产生的教学案 鲁科版选修3-2（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、安全教育学习是提高员工安全防范意识的重要措施。“百日安全活动”开展以来，保卫部从自身着手对本部门所有员工开展集中安全教育培训第2节 交变电流是怎样产生的1.交流发电机将其他形式的能转化为电能，可分为旋转电枢式和旋转磁极式，原理都是电磁感应现象。2匀强磁场中，线圈绕垂直磁场的轴匀速转动形成正弦交变电流。中性面磁通量最大，磁通量的变化率为零，电动势为零；中性面的垂面磁通量为零，磁通量变化率最大，电动势最大。3电动势的最大值EmnBS与转轴位置、线圈形状无关；线圈从中性面位置开始计时其电动势瞬时值表达式为eEmsin t。 一、交流发电机 1原理由法拉第电磁感应定律可知，让闭合导体与磁极做相对运动，
2、穿过闭合导体的磁通量发生变化，就可以产生感应电动势和感应电流。2构造发电机主要是由线圈(电枢)和磁极两部分组成。3种类(1)按旋转部分区分转子定子特点旋转电枢式电枢磁极电压低，功率小旋转磁极式磁极电枢电压高，功率大(2)按磁场区分 a永磁体发电机(利用永久磁铁做磁极)；b励磁发电机(利用电磁铁做磁极)。二、交变电流的产生原理1实验装置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产生原理(1)中性面：线圈平面与磁感线垂直，线圈经过中性面时，感应电动势、感应电流为零。(2)与中性面垂直时：线圈的感应电动势、感应电流最大。(3)方向变化：线圈每经过中性
3、面一次，感应电流的方向就改变一次；线圈每转动一周，经过中性面两次，感应电流的方向改变两次。三、交变电流的变化规律1正弦式交变电流的表达式(1)eEmsin_t(从中性面开始计时，其中EmnBS)(2)iImsin_t(3)uUmsin_t(其中UmImR)2正弦式交变电流的图像图3211自主思考判一判(1)线圈经过中性面时，穿过线圈的磁通量最大，感应电动势也最大。()(2)交流电一周期内，电流方向改变两次。()(3)线圈只要在匀强磁场内匀速转动就能产生正弦式交变电流。()(4)从线圈转至与磁场方向平行开始计时，线圈所产生的感应电动势eEmcos t。()(5)正弦交流电电动势最大值EmnBS。
4、()2合作探究议一议(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。(2)线圈位于中性面时，磁通量最大。为何感应电动势(感应电流)最小，而位于与中性面垂直的位置时，磁通量为零，感应电动势(感应电流)又具有怎样的特点呢？提示：依据法拉第电磁感应定律，感应电动势的大小取决于磁通量的变化率，线圈处于中性面时磁通量虽然最大，但变化率为0，或者说此时线圈的任何一条边都不切割磁感线，所以感应电动势及感应电流为0；而位于与中性面垂直的位置时，磁通量最小，但磁通量的变化率最大(此时线圈的边切割
5、磁感线的速度最大)，感应电动势(感应电流)最大。线圈处于其他位置的时候，感应电动势(感应电流)处于最大值与最小值之间。(3)频率是供电质量的重要指标，你知道交变电流频率是由什么因素决定的吗？提示：交流电的频率是由发电机转子的转速决定的，转速高，则频率大，反之，则小。交变电流的产生和变化规律1矩形线圈在匀强磁场中匀速转动的四个过程如图322所示，线圈的bc、ad边始终在平行于磁感线的平面内转动，因而不产生感应电动势，只起导线作用，所以只有ab、cd边切割磁感线。图322(1)当线圈平面垂直于磁感线时，ab、cd边的速度方向与磁感线平行，线圈中没有感应电动势。(2)当线圈逆时针转过90时，即线圈平
6、面与磁感线平行时，ab、cd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，方向为abcd。(3)当线圈再转过90时，线圈平面又垂直于磁感线，线圈中没有感应电动势。(4)当线圈再转过90时，ab、cd边的瞬时速度方向跟线圈经过(b)图位置时的速度方向相反，产生的感应电动势方向也跟在(b)图位置时相反，感应电流方向为dcba。(5)线圈再转过90时处于起始位置，与(a)图位置相同，线圈中没有感应电动势。2交变电流的变化规律(1)正弦式交变电流的瞬时值表达式的推导。若线圈平面从中性面开始转动，则经时间t，线圈转过的角度为t，如图323所示。图323ab边的线速度跟磁感线方向的夹角t
7、。ab边转动的线速度大小：v。ab边产生的感应电动势：eabBLabvsin sin t。整个线圈产生的感应电动势：e2eabBSsin t；若线圈为n匝，则enBSsin t。若线圈给外电阻R供电，设线圈本身电阻为r，由闭合电路欧姆定律得，isin t，即iImsin t。R两端的电压可记为uUmsin t。(2)正弦式交变电流的峰值：由enBSsin t可知，电动势的峰值EmnBS。感应电动势的峰值由线圈匝数n、磁感应强度B、转动角速度及线圈面积S决定，与线圈的形状无关，与转动轴的位置无关，因此如图324所示几种情况，若n、B、S、相同，则感应电动势的峰值相同。图324电流的峰值可表示为I
8、m。3用图像描述交变电流的变化规律(从中性面开始计时)函数图像说明磁通量mcos tBScos tS为线圈的面积，n为线圈的匝数，r为线圈的电阻(内阻)，R为外电阻感应电动势eEmsin tnBSsin t导体两端的电压uUmsin tsint 感应电流iImsin tsin t 典例有一匝数为10匝的正方形线圈，边长为20 cm，线圈总电阻为1 ，线圈绕OO轴以10 rad/s的角速度匀速转动，如图325所示，垂直于线圈平面向里的匀强磁场的磁感应强度为0.5 T。图325(1)求该线圈产生的交变电流的电动势最大值、电流最大值分别为多少？(2)线圈从图示位置转过60时，感应电动势的瞬时值是多大
9、？(3)写出感应电动势随时间变化的表达式。思路点拨解析(1)交变电流电动势最大值为Em2NBlv2NBlNBS100.50.2210 V6.28 V，电流的最大值为Im A6.28 A。(2)线圈转过60时，感应电动势eEmsin 605.44 V。(3)由于线圈转动是从中性面开始计时的，所以瞬时值表达式为eEmsin t6.28sin 10t V。答案(1)6.28 V6.28 A(2)5.44 V(3)e6.28sin 10t V求交变电流瞬时值的方法(1)确定线圈转动从哪个位置开始计时。(2)确定表达式是正弦函数还是余弦函数。(3)确定转动的角速度2n(n的单位为转/秒)、峰值EmNBS
10、。(4)写出表达式，代入角速度求瞬时值。 1如图326所示，一线圈在匀强磁场中匀速转动，经过图示位置时()图326A穿过线圈的磁通量最小，磁通量的变化率最大B穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率最大C穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率最小D穿过线圈的磁通量最小，磁通量的变化率最小解析：选A由图可知线圈平面与磁感线平行，应处于垂直于中性面的平面，此时穿过线圈的磁通量最小，磁通量的变化率最大，所以A选项正确。2一个矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，穿过线圈的磁通量随时间变化的图像如图327甲所示，则下列说法中正确的是()图327At0时刻线圈平面与中性面垂直Bt0.01 s时刻，的
11、变化率达到最大Ct0.02 s时刻，交流电动势达到最大D该线圈相应的交流电动势图像如图乙所示解析：选B由题图甲知，当t0时，最大，说明线圈平面与中性面重合，故A错误；当t0.01 s时，0最小，t图像的斜率最大，即的变化率最大，故B正确；当t0.02 s时，也最大，交流电动势为零，故C错误；由以上分析可知，D错误。3某一交变电流的电动势随时间变化的规律如图328所示。图328(1)该图像表示线圈在何处开始计时？(2)线圈在哪些时刻处于与磁场方向垂直的位置？(3)t1、t2时刻线圈分别处于与中性面的夹角为多大处？解析：(1)et图像为正弦函数图像，说明是从线圈位于中性面位置开始计时的，此时，穿过
12、线圈的磁通量最大，而线圈内的感应电动势为0。(2)当线圈处于与磁场方向垂直的位置(中性面)时，e0，所以在0、t3、t6、t8时刻线圈与磁场方向垂直。(3)由图像知，eEmsin t中Em10 V。 当tt1时，e15 V，有1t145；当tt2时，e210 VEm，有2t290。答案：见解析交变电流“四值”的比较与计算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的值从中性面开始计时eEmsin tiImsin tuUmsin t计算线圈某时刻的受力情况最大值最大的瞬时值EmnBSIm UmImR电容器的击穿电压有效值跟交变电流的热效应等效的恒定电流的值E I U(1)计算与电流的热效
13、应有关的量(如功、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像中图线与时间轴所围的面积与时间的比值nBL计算通过导体横截面的电荷量典例如图329所示，线圈abcd的面积是0.05 m2，共100匝，线圈电阻为1 ，外接电阻R9 ，匀强磁场的磁感应强度为B T，当线圈以300 r/min的转速匀速转动时，求：图329(1)电路中感应电动势的最大值和有效值。(2)电路中交流电压表和电流表的示数。(3)线圈从图示位置转过90的过程中通过电阻R的电荷量。思路点拨解答本题时应把握以下两点：(1)交流电表测量的是交变电流的有效值；(2
14、)求通过导体横截面的电荷量时，必须用交变电流的平均值。解析(1)EmnBS1000.052 V50 VE25 V35.4 V。(2)电流表示数I3.54 A电压表示数UIR3.549 V31.86 V。(3)从图示位置转过90的过程中，n又，qt，BS所以q0.16 C。答案(1)50 V35.4 V(2)31.86 V3.54 A(3)0.16 C交变电流的有效值与平均值的区别(1)计算方法不同。交变电流的有效值是根据电流的热效应定义的，常用的计算式为Q交Q直。交变电流的平均值是交变电流的图像中波形跟时间轴所围的面积与时间的比值，交变电流的平均值应根据n和进行计算。(2)适用范围不同。在计算交变电流通
