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1、第五章第五章交变电流交变电流1、交变电流交变电流教教 学学 目目 标标 （一）知识与技能（一）知识与技能1 1使学生理解交变电流的产生原理，知道什么是中性面。使学生理解交变电流的产生原理，知道什么是中性面。2 2掌握交变电流的变化规律及表示方法。掌握交变电流的变化规律及表示方法。3 3理解交变电流的瞬时值和最大值及中性面的准确含义。理解交变电流的瞬时值和最大值及中性面的准确含义。（二）过程与方法（二）过程与方法1 1掌握描述物理量的三种基本方法（文字法、公式法、图掌握描述物理量的三种基本方法（文字法、公式法、图象法）。象法）。2 2培养学生观察能力，空间想象能力以及将立体图转化为培养学生观察能
2、力，空间想象能力以及将立体图转化为平面图形的能力。平面图形的能力。3 3培养学生运用数学知识解决物理问题的能力。培养学生运用数学知识解决物理问题的能力。1、直直流电流电流流(DC)方向不随时间变化的电流方向不随时间变化的电流2、交交变电变电流流(AC)大小和方向都随时间做周期性变化的电流大小和方向都随时间做周期性变化的电流一、交变电流的概念一、交变电流的概念交变电流可以变成直流！交变电流可以变成直流！交变电流是如何产生的呢？交变电流是如何产生的呢？交交流流发发电电机机模模型型二、交变电流的产生二、交变电流的产生做一做做一做1 1、线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀、线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场
3、的轴匀速转动速转动二、交变电流的产生二、交变电流的产生2 2、过程分析、过程分析（1 1）在）在）在）在线线线线圈转动的过圈转动的过圈转动的过圈转动的过程中程中程中程中，那些边会产生感应电动势？，那些边会产生感应电动势？，那些边会产生感应电动势？，那些边会产生感应电动势？ab边边 cd边边（2 2）怎样将立体图转化为平面图？）怎样将立体图转化为平面图？）怎样将立体图转化为平面图？）怎样将立体图转化为平面图？将立体图转化为平面图将立体图转化为平面图（3 3）在）在）在）在线圈由甲转到乙的过程中，线圈由甲转到乙的过程中，线圈由甲转到乙的过程中，线圈由甲转到乙的过程中，ABAB边中电流边中电流边中电
4、流边中电流向哪个向哪个向哪个向哪个方向流方向流方向流方向流动？动？动？动？ 丙转到丁呢？丙转到丁呢？丙转到丁呢？丙转到丁呢？（4 4）线圈转到什么位置，电流最小（没有电流）？）线圈转到什么位置，电流最小（没有电流）？）线圈转到什么位置，电流最小（没有电流）？）线圈转到什么位置，电流最小（没有电流）？ 线圈转到什么位置，电流最大？线圈转到什么位置，电流最大？线圈转到什么位置，电流最大？线圈转到什么位置，电流最大？由由ab由由baBS最大最大E=0=0I=0=0中性面中性面垂直磁场方向的平面叫做垂直磁场方向的平面叫做中性面。中性面。线圈经过线圈经过中性面中性面时，时，最大最大，但线圈中的但线圈中的
5、电动势为零电动势为零2 2、过程分析、过程分析(V / B)判断此位置有没有感应电流，方向怎么样？判断此位置有没有感应电流，方向怎么样？BS=0=0E E最大最大I I最大最大感应电流方向感应电流方向a到到b线圈与磁场平行时，线圈与磁场平行时，最小最小，但线圈中的但线圈中的电动势最大电动势最大(VB)判断此位置有没有感应电流，方向怎么样？判断此位置有没有感应电流，方向怎么样？BS最大最大E=0 I=0中性面中性面BS=0E、I最大最大感应电流方向感应电流方向b到到aV / BVB（3 3）在）在）在）在线圈由甲转到乙的过程中，线圈由甲转到乙的过程中，线圈由甲转到乙的过程中，线圈由甲转到乙的过程
6、中，ABAB边中电流边中电流边中电流边中电流向哪个向哪个向哪个向哪个方向流方向流方向流方向流动？动？动？动？ 丙转到丁呢？丙转到丁呢？丙转到丁呢？丙转到丁呢？（4 4）线圈转到什么位置，电流最小（没有电流）？）线圈转到什么位置，电流最小（没有电流）？）线圈转到什么位置，电流最小（没有电流）？）线圈转到什么位置，电流最小（没有电流）？ 线圈转到什么位置，电流最大？线圈转到什么位置，电流最大？线圈转到什么位置，电流最大？线圈转到什么位置，电流最大？由由ab由由ba线线线线圈转到甲、丙位置时线圈中没有电流；圈转到甲、丙位置时线圈中没有电流；圈转到甲、丙位置时线圈中没有电流；圈转到甲、丙位置时线圈中没
7、有电流； 转转转转到乙、丁位置时线圈中电流最大！到乙、丁位置时线圈中电流最大！到乙、丁位置时线圈中电流最大！到乙、丁位置时线圈中电流最大！线圈转动一周，线圈转动一周，多少次经过中性面多少次经过中性面?电流方向改变多少次电流方向改变多少次?思考与讨论思考与讨论.a(ba(b) )c(dc(d) )O O 1.中性面中性面：垂直磁场方向的平面垂直磁场方向的平面（1）线线圈圈经经过过中中性性面面时时，穿穿过过线线圈圈的的磁磁通通量量最最大大=BS，但但/t =0最最小小，（ ab和和cd边边都都不不切切割磁感线），线圈中的感应割磁感线），线圈中的感应电动势为零电动势为零（2）线线圈圈经经过过中中性性
8、面面时时，电电流流将将改改变变方方向向，线线圈圈转转动动一一周周，两两次次经经过过中中性性面面，电电流流方方向向改改变变两两次次2.线线圈圈平平行行与与磁磁感感线线时时，=0,/t最最大大，感感应应电动势最大电动势最大。以以线线圈圈经经过过中中性性面面开开始始计计时时，切切割割边边L1，另另一一边边L2,推导任意时刻推导任意时刻t线圈中的感应电动势线圈中的感应电动势令则有 e为电动势在时刻为电动势在时刻t的瞬时值，的瞬时值，Em为电动势的最大值（峰值）为电动势的最大值（峰值）NBS=NBS三、三、交变电流的变化规律交变电流的变化规律 1、电动势按正弦规律变化、电动势按正弦规律变化2 2、电流按
9、正弦规律变化、电流按正弦规律变化 3 3、电压按正弦规律变化、电压按正弦规律变化 电流电流i通过通过R时：时： 成立条件：成立条件：转轴垂直匀强磁场，经中性面时开始计时转轴垂直匀强磁场，经中性面时开始计时eoEmT/4T/42T/42T/43T/43T/4T T/2/23 3/2/22 2tt t四、交流电的四、交流电的图像图像 四、交流电的四、交流电的图像图像 et0Em-Emit0Im-Im(1)(1)正弦交流电正弦交流电(2)(2)示波器中的锯齿波扫描电压示波器中的锯齿波扫描电压(3)(3)电子计算机中的矩形脉冲电子计算机中的矩形脉冲(4)(4)激光通信中的尖脉冲激光通信中的尖脉冲五、交
10、变电流的种类五、交变电流的种类 、交流电的产生：矩形线圈在匀、交流电的产生：矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速旋强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速旋转时，线圈中就产生转时，线圈中就产生 、交变电流：、交变电流：和和 都随时间做都随时间做 的电流叫的电流叫做交变电流电压和电流随时间按做交变电流电压和电流随时间按变化的交流电叫正弦交流电变化的交流电叫正弦交流电 大小大小方向方向正弦规律正弦规律正弦交流电正弦交流电周期性变化周期性变化课堂练习课堂练习 、当线圈平面垂直于磁感线时，、当线圈平面垂直于磁感线时，线圈各边都不切割磁感线，线圈中没线圈各边都不切割磁感线，线圈中没有感应电流，这样的位置
11、叫做有感应电流，这样的位置叫做线圈平面每经过中性面一次，感应线圈平面每经过中性面一次，感应电流方向就改变一次，因此线圈转动电流方向就改变一次，因此线圈转动一周，感应电流方向改变一周，感应电流方向改变中性面中性面两次两次、线圈从中性面开始转动，角速度是、线圈从中性面开始转动，角速度是，线圈中的感应电动势的峰值是，线圈中的感应电动势的峰值是Em，那么，那么在任一时刻在任一时刻t感应电动势的瞬时感应电动势的瞬时值值e为为若电路总电阻为若电路总电阻为，则感应电流的瞬时，则感应电流的瞬时值值为为 e0Em -Emte=Emsinsinti=(Em/R)sint六、交流发电机六、交流发电机1、组成：、组成
12、：用来产生感应电动势的线圈（叫电枢）用来产生感应电动势的线圈（叫电枢） 用来产生磁场的磁极用来产生磁场的磁极 2、种类、种类 旋转电枢式发电机旋转电枢式发电机 旋转磁极式发电机旋转磁极式发电机转转动的部分叫转子，不动的部分叫定子动的部分叫转子，不动的部分叫定子、交流发电机有两种，即、交流发电机有两种，即、其中转动的部分叫其中转动的部分叫，不动的部分叫，不动的部分叫发电机转发电机转子是由子是由、或其或其它动力机带动它动力机带动旋转磁极式旋转磁极式旋转电枢式旋转电枢式转子转子定子定子水轮机水轮机蒸汽轮机蒸汽轮机6、一矩形线圈、一矩形线圈,绕垂直于匀强磁场并位于线绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面的固定
13、轴转动圈平面的固定轴转动,线圈中的感应电动势线圈中的感应电动势e随时随时间间t的变化如图所示的变化如图所示,下面说法中正确的是下面说法中正确的是A.t1时刻通过线圈的磁通量为零时刻通过线圈的磁通量为零B.t2时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大C.t3时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大D.每当每当e变换方向时，通过线圈的磁通量绝变换方向时，通过线圈的磁通量绝对值最小对值最小et0t1t2t3t4Em-EmC1 1、知道交变电流知道交变电流定义定义（ACAC）：）：大小和方向都随时间作周期性变化大小和方向都随时间作周期性变化的电流。的电流
14、。方向不随时间变化的电流为直流电（方向不随时间变化的电流为直流电（DCDC）。辨析电流图）。辨析电流图。3 3、推导和理解交变电流的推导和理解交变电流的变化规律变化规律：（重难点）（重难点）（1）方向变化规律方向变化规律-线圈平面每经过线圈平面每经过中性面中性面一次，感应电流一次，感应电流的的方向就改变方向就改变一次；线圈转动一次；线圈转动一周一周，感应电流的方向改变，感应电流的方向改变两次两次。 最大最大，/t =0最小，感应电动势最小最小，感应电动势最小E=0（2）大小）大小变化规律变化规律-按按正弦规律正弦规律变化：（能画出瞬时线速度变化：（能画出瞬时线速度分解图）分解图） e=Emsi
15、nt Em=NBS叫电动势的最大值（峰值）叫电动势的最大值（峰值） i=Imsint Im=Em/R+r 叫电流的最大值（峰值）叫电流的最大值（峰值） u=Umsint Um=ImR 叫电压的最大值（峰值）叫电压的最大值（峰值） 5.1交变电流交变电流 小结小结2 2、理解交变电流产生的理解交变电流产生的过程过程：线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动产生正弦式交变电流。能画出四幅过程图。轴匀速转动产生正弦式交变电流。能画出四幅过程图。 垂直垂直磁场方向的平面叫做磁场方向的平面叫做中性面。中性面。 （重点）（重点）电流通过电流通过R时：时：1在如图所示的几种电流
16、随时间变化的图线中，属于交变电流的是 ，属于正弦交变电流的是 。tiABCDA B DA三、课堂练习2 一矩形线圈绕垂直于匀强磁场并位于线圈平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随时面内的固定轴转动，线圈中的感应电动势随时间的变化规律如图所示，下面说法中正确的是间的变化规律如图所示，下面说法中正确的是( )：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的绝对值最大；C.T3时刻通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大；D.每当e变换方向时，通过线圈的磁通量的绝对值都为最大。 D1. 1. 矩形线圈在匀强磁场中匀速转动。设线圈矩形线圈在匀强磁场中
17、匀速转动。设线圈abab边长为边长为20cm20cm，adad边长为边长为10cm10cm，磁感应强度磁感应强度 B=0.01TB=0.01T，线圈的转速线圈的转速n=50r/sn=50r/s，求：电动势的求：电动势的最大值及对应的线圈位置。最大值及对应的线圈位置。0.0628V 0.0628V 线圈平面与磁场方向平行。线圈平面与磁场方向平行。 2. 2. 如图所示：匝数为如图所示：匝数为N N、面积面积为为S S的矩形线圈在匀强磁场的矩形线圈在匀强磁场B B中中匀速转动，角速度为匀速转动，角速度为，求线求线圈从图示位置转过圈从图示位置转过180180度时间度时间内的平均感应电动势。内的平均感
18、应电动势。. .E平均=S2N B /练习 一台发电机在产生正弦式电流。如果发电机电动势的峰值为一台发电机在产生正弦式电流。如果发电机电动势的峰值为一台发电机在产生正弦式电流。如果发电机电动势的峰值为一台发电机在产生正弦式电流。如果发电机电动势的峰值为E Emm=400V=400V，线圈匀速转动的角速度为，线圈匀速转动的角速度为，线圈匀速转动的角速度为，线圈匀速转动的角速度为=314rad/s=314rad/s，试写出电动，试写出电动，试写出电动，试写出电动势瞬时值的表达式。如果这个发电机的外电路只有电阻元件，总势瞬时值的表达式。如果这个发电机的外电路只有电阻元件，总势瞬时值的表达式。如果这个
19、发电机的外电路只有电阻元件，总势瞬时值的表达式。如果这个发电机的外电路只有电阻元件，总电阻为电阻为电阻为电阻为20002000，电路中电流的峰值是多少？写出电流瞬时值的表，电路中电流的峰值是多少？写出电流瞬时值的表，电路中电流的峰值是多少？写出电流瞬时值的表，电路中电流的峰值是多少？写出电流瞬时值的表达式。达式。达式。达式。e=Ee=EmmsinsinWWt=400sin314tt=400sin314t解：解：解：解：电动势瞬时值的表达式为：电动势瞬时值的表达式为：电动势瞬时值的表达式为：电动势瞬时值的表达式为：电流峰值为：电流峰值为：电流峰值为：电流峰值为：I Imm=E=Emm/R=400
20、2000=0.2A/R=4002000=0.2A电流瞬时值的表达式为：电流瞬时值的表达式为：电流瞬时值的表达式为：电流瞬时值的表达式为：i=i=I ImmsinsinWWt=2sin314tt=2sin314t 4、 一台发电机产生的按正弦规律变化的感应电动势的最大值为311V，线圈在磁场中转动的角速度100rad/s。 （1）写出感应电动势的瞬时值表达式。 （2）若该发电机只与含电阻的负载组成闭合电路，电路的 总电阻为100，试写出通过负载的电流强度的瞬时表达式，在t=1/120s时电流强度的瞬时值为多少？（3）线圈从中性面转过180度的过程中，电动势的最大值、平均值分别是多少？（4）转动过
21、程中磁通量的变化率最大值是多少？答案答案（1）e=311Sin100t （2）I=3.11Sin（100*1/120）=3.11*1/2=1.55（A）（3）E m=311V E=N/t=2NBS/198V（4）/t=311/N（Wb/s）(甲) (乙)(丙)(丁)E I ，电流方向： .E , I , .E I ，电流方向： .=0=0有最大值有最大值有最大值a b有最大值有最大值baE , I , .= 0= 0有最大值 为了能更方便地说明问题，我们将立体图转为了能更方便地说明问题，我们将立体图转化为平面图来分析化为平面图来分析.(.(学生画）学生画）问题：问题：各环节电流方向？电流最大最小的位置？大致画出各环节电流方向？电流最大最小的位置？大致画出i-t图像图像？线圈转动一周，电流方向改变多少次？线圈转动一周，电流方向改变多少次？
