高中物理 第3章 交变电流 第2节 交变电流是怎样产生的课件 鲁科版选修32.ppt

第2节交变电流是怎样产生的 记学习目标 1 了解交流发电机及交流发电机的结构 2 理解交变电流产生的原理 知道中性面的概念 3 会用数学表达式和图象描述正弦交变电流的变化规律 知道最大值 有效值和瞬时值之间的关系 已知数学表达式能描绘出图象 已知图象能写出数学表达式 4 理解交变电流的变化规律 会应用交变电流的变化规律解决实际问题 学基础导学 一 交流发电机 电磁感应定律 磁通量 感应电流 线圈 磁极 磁极 电枢 电枢 磁极 1 产生 在匀强磁场中 绕 于磁场方向的轴做 的线圈里产生的电流是 电流 其大小和方向都随时间做周期性变化 2 过程分析中性面 线圈平面与磁感线 的位置叫做中性面 1 线圈经过中性面时 穿过线圈的磁通量 但磁通量的 为零 ab和cd边都不切割磁感线 线圈中的电动势 2 线圈经过中性面时 电流改变方向 线圈转动一周 两次通过中性面 电流方向改变 二 交变电流的产生原理 垂直 匀速转动 正弦交变 垂直 最大 变化率 为零 两次 1 交变电流的瞬时值表达式 1 推导 如图所示 若从线圈经过中性面开始计时 则由动生电动势公式得 e ab和cd边切割磁感线 若线圈为n匝 则e 2nblvsin t emsin t 三 交变电流的变化规律 2blvsin t emsin t nbs imsin t umsin t 2 正弦交变电流的图象如图所示 悟名师指点 1 典型模型 在匀强磁场中 绕垂直于磁场方向的轴匀速转动的线圈里产生的是交变电流 实验装置如图所示 一 交变电流的产生过程 2 过程分析 如图所示 图甲中 导体不切割磁感线 线圈中无感应电流 图乙中 导体ab cd垂直切割磁感线 线圈中感应电流最大 且电流方向为b a d c b 图丙中 导体又不切割磁感线 线圈中无感应电流 图丁中 导体ab cd 又垂直切割磁感线 线圈中感应电流最大 且电流方向为a b c d a 由丁图再转动又回到甲图 如此循环周而复始 结论 线圈每转一周 电流方向改变两次 电流方向改变的时刻也就是线圈中无电流的时刻 或者说磁通量最大的时刻 如图中甲 丙位置 我们把线圈平面垂直于磁感线时的位置叫做中性面 1 在图中哪些情况线圈中产生了交流电 答案 bcd 二 中性面 中性面的垂面位置的特性比较 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 1 瞬时值若线圈平面从中性面开始转动 如图所示 则经时间t 三 正弦交变电流瞬时表达式的推导过程 1 从中性面开始计时 瞬时值为正弦形式 从垂直于中性面的位置开始计时 瞬时值为余弦形式 2 不论正弦还是余弦形式 电动势最大时 磁通量最小 但变化率最大 电动势最小时 磁通量最大 但变化率最小 2 最大值 1 由e nbs sin t 可知 电动势的最大值em nbs 2 交变电动势最大值 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 与转轴的位置无关 因此图所示的几种情况 若n b s 相同 则电动势的最大值相同 3 如图所示 一矩形线圈abcd 已知ab边长为l1 bc边长为l2 在磁感应强度为b的匀强磁场中绕oo 轴以角速度 从图示位置开始匀速转动 则t时刻线圈中的感应电动势为 a 0 5bl1l2 sin tb 0 5bl1l2 cos tc bl1l2 sin td bl1l2 cos t 解析 线圈从图示位置开始转动 电动势瞬时值表达式为e emcos t 由题意 em bs bl1l2 所以e bl1l2 cos t 答案 d 正弦交变电流随时间变化情况可以从图象上表示出来 图象描述的是交变电流随时间变化的规律 它是一条正弦曲线 如图所示 四 如何理解正弦交变电流的图象 从图象中可以解读到以下信息 1 交变电流的最大值im em 周期t 2 因线圈在中性面时感应电动势 感应电流均为零 磁通量最大 所以可确定线圈位于中性面的时刻 3 找出线圈平行磁感线的时刻 4 判断线圈中磁通量的变化情况 5 分析判断i e随时间的变化规律 用物理图象反映某些物理量的变化过程 既可使该变化的整体特征一目了然 还可将变化过程中的暂态 定格 从而对变化过程中的某一瞬态进行深入研究 4 某交流发电机产生的感应电动势与时间的关系如图所示 如果其他条件不变 仅使线圈的转速加倍 则交流电动势的最大值和周期分别为 a 400v 0 02sb 200v 0 02sc 400v 0 08sd 200v 0 08s 讲典例精析 交变电流峰值 瞬时值的计算 思路点拨 电动势的最大值可用em nbs 计算 而计算电动势的瞬时值首先要确定计时起点 而后用e emsin t或e emcos t进行计算 解析 1 交变电流电动势最大值为em nbs 10 0 5 0 22 10 v 6 28v 电流的最大值为im em r 6 28 1a 6 28a 2 线框转过60 时 感应电动势e emsin60 5 44v 3 由于线框转动是从中性面开始计时的 所以瞬时值表达式为e emsin t 6 28sin10 tv 答案 1 6 28v6 28a 2 5 44v 3 e 6 28sin10 tv 求解交变电动势瞬时值的步骤 1 确定线圈转动是从哪个位置开始计时 2 确定表达式是正弦还是余弦 3 确定线圈转动的角速度 及线圈匝数n 磁感应强度b 线圈面积s等 4 求出峰值em nbs 写出表达式 代入时间求瞬时值 1 1 一台发电机产生正弦式电流 如果e 400sin314t v 那么电动势的峰值是多少 线圈匀速转动的角速度是多少 如果这个发电机的外电路只有电阻元件 总电阻为2k 写出电流瞬时值的表达式 答案 i 0 2sin314t a 交变电流平均值的计算 交变电流图象的应用 图象的分析方法是 一看 看 轴 看 线 看 斜率 看 点 并理解其物理意义 二变 掌握 图与图 图与式 和 图与物 之间的变通关系 三判 在此基础上进行正确的分析和判断 解析 答案 cd 试综合应用 如图是某种正弦式交变电压的波形图 由图可确定该电压的 a 周期是0 01sb 最大值是311vc 有效值是220vd 表达式为u 220sin100 t v 交变电流的四值的理解 答案 bc 答案 bd 练随堂演练 1 关于中性面 下列说法正确的是 a 线圈在转动中经中性面位置时 穿过线圈的磁通量最大 磁通量的变化率为零b 线圈在转动中经中性面位置时 穿过线圈的磁通量为零 磁通量的变化率最大c 线圈每经过一次中性面 感应电流的方向就改变一次d 线圈每转动一周经过中性面一次 所以线圈每转动一周 感应电流的方向就改变一次 解析 中性面是线圈平面与磁感线垂直的位置 线圈经过该位置时 穿过线圈的磁通量最大 各边都不切割磁感线 不产生感应电动势 故磁通量的变化率为零 故a正确 b错 线圈每经一次中性面 感应电流的方向改变一次 但线圈每转一周要经过中性面两次 所以每转一周 感应电流方向就改变两次 c正确 d错 答案 ac 2 一只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象如图甲所示 则下列说法中正确的是 a t 0时刻线圈平面与中性面垂直b t 0 01s时刻 的变化率达最大c 0 02s时刻感应电动势达到最大d 该线圈相应的感应电动势图象如图乙所示 答案 b 4 在匀强磁场中 一矩形金属线框绕与磁感线垂直的转轴匀速转动 如图甲所示 产生的交变电动势的图象如图乙所示 则 a t 0 005s时线框的磁通量变化率为零b t 0 01s时线框平面与中性面重合c 线框产生的交变电动势有效值为311vd 线框产生的交变电动势频率为100hz 5 图1是交流发电机模型示意图 在磁感应强度为b的匀强磁场中 有一矩形线圈abcd可绕线圈平面内垂直于磁感线的轴oo 转动 由线圈引出的导线ae和df分别与两个跟线圈一起绕oo 转动的金属圆环相连接 金属圆环又分别与两个固定的电刷保持滑动接触 这样矩形线圈在转动中就可以保持和外电路电阻r形成闭合电路 图2是线圈的主视图 导线ab和cd分别用它们的横截面来表示 已知ab长度为l1 bc长度为l2 线圈以恒定角速度 逆时针转动 只考虑单匝线圈 1 线圈平面处于中性面位置时开始计时 试推导t时刻整个线圈中的感应电动势e1的表达