新课标人教版选修3-2交流电的产生书稿-新课标-人教版

第 五 章 交 变 电 流本章知识的重点有四个:一是交变电流的产生原理：二是交变电流有效值的定义；三是理想变压器的变压比、变流比、功率关系；四是远距离输电的有关运算.难点有：电感和电容对交变电流的影响；理想变压器的有关运算和远距离输电的有关讨论.交变电流的知识跟生产和生活实际有着密切的联系，跟直流相比，交流有不少优点：它可以用变压器升压、降压，适应各种不同电压的需要和远距离输电的需要，它能产生旋转磁场，从而可以制成结构简单，运行可靠的感应电动机，来满足工农业生产和生活的需要.交变电流的知识是前面学过的电磁学知识的进一步发展和应用，所以本章知识有其新特点（如周期性、最大值和有效值），更要注意本章知识与电磁感应规律的联系.本章内容在高中知识体系中主要侧重与其在社会生活的应用性.例如水力发电一远距离输电f用电.研究与力学和能量转化相结合的问题.鲜 用 窗 圈本章是电磁感应的发展和应用.学习本章前应先掌握产生感应电流的条件及感应电动势的计算和正弦图象等数学知识的储备.本章学习过程中特别要注意从交变电流的产生出发，搞清为描述交流的特点而定义的新名词，如：正弦式电流、中性面、瞬时值、峰值等，同时还能运用图像描述交变电流的规律.了解其性质及特点，了解其传输和应用.对比方法是本章的主要物理方法，在加深理解直流同时，较好地掌握交流的规律.同时学习在跟已知事物的对比中研究新事物特点的方法，体会到“具体事物，具体分析”的意义.交变电流与实际生活有较密切的联系.学习本章时要注意理解生活、生产中与交流电有关的现象及应用，也可参考当地小型电厂，撰写调查报告等.第一节交变电流三旗目标 1.分析线圈在磁场中匀速转动.了解交变电流产生的原理，掌握交变电流产生的原理，掌握正弦式交变电流的变化规律.2.了解交变电流的优点，体会理论对实践的指导意义，巩固加深对物理知识的理解和培养运用物理知识的能力.3.在加深对直流的理解基础上，能较好地掌握交变电流的规律，在跟事物的对比中研究新事物特点的方法，体会学习“具体事物，具体分析”的意义.4.通过参观电厂，了解电厂发电机组的发电过程，调查发电容量，撰写调查报告，体会我国电力建设成就，增强民族自豪感.学法相导对交变电流的产生，同学们应注意观察教材中图5.1-3 所示的线圈通过4 个特殊位置时电流表指针的变化情况，分析电动势和电流方向的变化，对线圈转动周中电动势和电流的变化有比较清楚的了解.在分析中注意运用楞次定律、法拉第电磁感应定律这些基本原理解决新情境下的问题，以及运用数学图象对物理量随时间的变化情况进行描述.同学们应能自己独立推导出交变电流的瞬时表达式，.对于交变电流、正弦电流、中性面、瞬时值、最大值（以及下一节的有效值）等等这些新名词，同学们要能逐步领会其准确含义.特别是对中性面的理解，要明确，中性面是指与磁场方向垂直的平面.当线圈位于中性面时，线圈中感应电动势为0,线圈转过中性面时，产生感应电动势.当线圈再次转过中性面时，感应电动势的方向改变.另外，要知道交变电流有许多种，正弦电流只是其中最基本、最简单的一种.对比思考为什么在生产和生活中使用的大多是交流电?交流电和直流电各有什么优缺点？的函阳尊诱 学导 入点拨材料：中国长江三峡工程开发总公司副总经理毕亚雄说，“十一五”期间，三峡电站预计累计发电量将超过3600亿度，比原计划多发电458亿度.三峡工程有三座电厂，左岸电厂、右岸电厂、和作为后期工程的地下电厂.总装机最大容量可达24190M W,是当今世界上最大的水电站.三峡电站的巨型水轮发电机组左岸电站装有14台，右岸电站装有12台（这还不包括地下电站预留机组的台数）.其单机额定容量700MW,增大容量后单机可达840MW.发电机定子机座外径达21.4m,定子铁芯内径达18.8m,铁芯高度达3.13m,都是世界之最.单台机组约重6 6 0 0 3 也是目前世界上最大的水轮发电机组.左岸电站1 4 台机组已于2005年 9 月 1 6 日全部投产发电.右岸电站12台机组预计2007年开始并网发电，2008年内全部完成安装，比原计划提前一年全部投产发电.三峡电站已投产装机容量980万千瓦，相当于目前全国I 亿千瓦水电装机容量的十分之三峡电站加上已并购的葛洲坝电厂，一天能发电2.4至 2.5亿度，相当于全国实际消耗电量的二十分之一.问题：水电站大型发电机组是如何产生交变电流的？导入点拨：水电站发电机组是由一个个大型发电机连接而成.每一个大型发电机都类似于教材图5一3 教学用发电机.区别在于教学用的是旋转电枢式，大型发电机一般是旋转磁极式.旋转电枢式发电机的电流输出是通过裸露的的滑环与电刷，在电压较高时会产生电火花而引起事故，旋转磁极式发电机则能克服这个缺点.但两种发电机产生交流电的原理都是一样的.以磁极为参考系，电枢相对于磁极是运动的.另外，大型发电机一般产生的是三相交流电，与本节所研究的单相交流电的所区别，有兴趣的同学参考当地小型发电厂，进行调研，也可与同学查阅资料相互合作进行探究.知 识巧 学升华一、交变电流的产生1.交变电流大小和方向都随时间做周期性变化的电流。例如家庭电路中的电流.K疑点突破据交变电流的定义，交变电流的方向应随时间周期性变化.【方法归纳】可以从方向的周期性变化判断是否是交变电流.通过传感器（或示波器）在荧光屏上绘出i-t图象，在图象上应正负值都出现.如下图.符合此定义的是B、C两图,A、D两图中只是电流的大小做周期性变化，方向未变，不符合定义.【辨析比较】电池供给的电流，大小和方向都不随时间变化，所以属于直流.交变电流经过电子电路的处理，也能变成直流，学校实验室的学生电源就有这种功能.交变电流的典型特征是电流的方向变化，其大小可能不变.2.交变电流的产生（1）矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动，产生正弦交流电.R热点聚焦】一个周期内交变电流产生的过程分析.如下图所示为线圈a b e d在磁场中绕轴0 0，转动时的截面图a b和c d两个边要切割磁感线，产生感应电动势，线圈上就有了感应电流（或者说穿过线圈的磁通量发生变化而产生了感应电流）.具体分析可从图中看出，图时，导体不切割磁感线，线圈中无电流；图时，导体垂直切割磁感线，线圈中有电流，且电流从a端流入；图同图；图中电流从。端流出，图同图，这说明电流方向发生了改变.【关键诃分析】中性面：线圈平面垂直于磁感线时.线圈中的感应电流为零，这一位置叫中性面.线圈平面经过中性面时，电流方向就发生改变.线圈绕轴转一周经过中性面两次,因此感应电流方向改变两次.（2）在交变电流的产生过程中，要注意理解最大值位置与中性面这两个特殊位置的不同特点.【辨析比较】线圈平面与中性面重合时，S 1 B,最大，曲=0,e=0,i=0,电流方向将发生改变；线圈平面与中性面垂直时，S B,0=0,”最大，e最大，i最大，电流方向不变.在这两个特殊位置上，穿过线圈的磁通量垂和磁通量的变化率“不同，也反映了中和等的t区别.【联想发散】线圈平面与中性面重合时，最大，但”=（）最小.物理学中还有些物理t量有这样的变化规律，同学们要学会总结归纳，如做简谐运动的弹簧振子经过平衡位置时，速度n最大，但是加速度A=0为零.【深化升华】发电机不能产生电能，它也是能量转化的装置.发电机需要其他动力来带动.三峡大坝建立后的水力发电厂，是水轮机带动发电机；火电厂是热机带动发电机.发电机不能产生电能，而是将机械能转化为电能.二、交变电流的变化规律1.正弦式交变电流的瞬时表达式正弦式交变电流的电动势瞬时表达式0=E,n sintyf的推导.K疑点突破线图在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时可产生正弦式感应电流，以线圈平面过中性面为计时开始，线圈与中性面的夹角为。=w t,线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时可产生正弦式感应电流，以线圈平面过中性面为计时开始，线圈与中性面的夹角为6=3t,ab c d两边的线速度大小均为V=（t）.glbc=:Ibc由图可知，该速度在垂直于磁场方向上的分量为匕_ =vsin。=sintvf,a b中产生的感应电动势为eab=BlabvL 由于对称性，cd边产生的感应电动势大小也是e刈 Bo）lb clab sin y/,在回路中，两感应电动势的方向一致,线圈中的感应电动势为 e=2eab=B(olbclab sinty/=BScosincot.【要点提示】由以上的推导可知，线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动的过程中，从线圈平面离开中性面开始记时，线圈中产生的感应电动势是正弦变化规律，若以线圈平面与磁场平行为计时开始，线圈中的感应电动势就是余弦变化规律.以上分析是单匝线圈，若是N匝线圈，由于是串联的，则产生的感应电动势的表达式为e=NBSsin。/.【深化升华】线圈在转动过程中某一段时间内或从一个位置到另一个位置的过程中所产生的电动势，称为平均电动势，它不等于始、末两时刻瞬时值的平均值.必须用法拉第电磁感应定律计算，即 了=包.同理，计算交变电流在某段时间内通过导体横截面的电荷量，也必须用平均值，即Q=/A/=E A/R+rN岫R+r【联想发散】交流电的电压或电流变化的快慢（变化率），在图线上等于某瞬间切线的斜率，它与电压或电流瞬时值的大小是两回事.瞬时值最大时，变化率最小（等于零）；瞬时值为零时.，变化率恰好最大.在具体问题中，必须弄清楚哪些量与瞬时值有关，哪些量与变化率有关.2.正弦式交变电流的图象正弦式交变电流的i-t 图象，u t 图象及对应的一t 图象.K 知识拓展实验表明欧姆定律也适用于交变电流的纯电阻电路，有：i =/“,s i n o f,E其中R为电路中的总电阻.R如果某一段电路上的电阻为R,则两端电压瞬时值U,其中=U”,s i n。/即在由纯电阻组成的闭合电路中，如果电动势的瞬时值是按正弦规律变化的，那么电路中的电流和某一段电路电阻上的电压瞬时值也是按正弦规律变化的.这样的变化电流叫正弦交变电流.正弦交变电流的电动势e,电流/和电压 随时间的变化图线是正弦曲线，如下图、，而磁通量中随时间的变化为余弦曲线，如图.【深化升华】利用交变电流图象求解相关问题.通有电流i =Im sin cot的长直导线0 0 与断开的圆形线圈在同一平面内，如图所示（设电流由0至 0为电流正向）.为 使 A端高于 B端电势用U A B 减小，交流电必须处于每个周期的哪一四分之一周期？正弦交变电流的变化率，从图象上看是某一时刻曲线的斜率，电流值最大的时刻，电流的变化率最小，电流值最小/=0 的时刻，电流的变化率最大，将数学的知识应用在分析电流的变化快慢是关键.故只有第一个四分之一周期才满足条件.问 题 思 路 探 究问题1.交变电流通过霓虹灯，霓虹灯每个时刻都在发光吗？城市亮化或者每逢节H ,同学们往往能看到许多霓虹灯发出鲜艳绚丽的灯光，将城市装扮得异彩纷呈，赏心悦目.频率为5 0H z 的交变电流，其电压“=120V 2s i n t v f V ,把它加在激发电压、熄灯电压均为8 4 V的霓虹灯的两端，求在半个周期内霓虹灯点亮的时间？K导思R霓虹灯发光原理与白炽灯不同，由题可知，加在霓虹灯两端电压高于8 4 V 才将灯点亮，小于则不能点亮，则有“2 84V,同学们能否从以下几个方向考虑：（1）从瞬时值表达式考虑时间（2）如何直观地求时间（3）一个周期内霓虹灯被点亮几次？探 究 设 交 变 电 压 的 周 期 T =0.2 s,电压的最大值Um=120V 2V =16 8 V .为便于求解，作交变电压的图象如图所示，当电压高于8 4 V时霓虹灯才发光，由图象易知，半个周期内灯管点亮的时间为4 1=1211.因2万=2,2 7/G=:6 6得15t-s、t、=-S f 6 00 2 6 00则 At=t2-t,=s21 15 0本题采用图象辅助的方法使解题过程流畅，思维清晰.需注意的是，不管是在霓虹灯上加正向电压还是反向电压，只要电压瞬时值超过其激发电压，霓虹乒戳亮，所以在交流电变化的一个周期内，霓虹灯被点亮两次.问题2 高频电流电焊