高中物理 3.2 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 1 2 3 1 2 3 2 交变电流的产生原理 1 产生方法 闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动 2 过程分析 1 2 3 3 中性面 线圈平面与磁感线垂直的位置 4 周期性 线圈每转动1周 感应电流的方向变化2次 线圈转动所产生的感应电动势和感应电流都随时间做周期性变化 练一练关于中性面 下列说法错误的是 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 线圈经过中性面时 电流方向一定改变d 中性面就是线圈内电动势为零的面解析 中性面与磁场方向垂直 通过线圈的磁通量最大 但磁通量变化率为零 因此电动势为零 当线圈经过中性面时 电流方向改变 选项a符合题意 答案 a 1 2 3 1 2 3 注 表达式中em um im分别是电动势 电压和电流的最大值 而e u i则是这几个量的瞬时值 1 2 3 练一练交流发电机的线圈在转动过程中产生最大感应电动势的是的位置 穿过线圈的磁通量最大的位置是 若线圈转过了10周 电流方向改变了次 解析 当线圈处于平行面时 0 但感应电动势最大 当线圈处于中性面时 最大 但感应电动势为零 线圈转一周 电流方向改变2次 所以共改变了20次 答案 线圈平面与磁感线平行中性面 线圈平面与磁感线垂直时 20 探究一 探究二 探究三 探究一交变电流的产生及变化规律问题导引某同学认为 在交流发电机中 如图所示 线圈平面转到中性面的瞬间 穿过线圈的磁通量最大 因而线圈中的感应电动势最大 线圈平面与中性面垂直的瞬间 穿过线圈的磁通量为零 因而线圈中的感应电动势为零 这种说法对不对 为什么 探究一 探究二 探究三 提示这种说法不对 因为线圈平面转到中性面的瞬间 虽然穿过线圈的磁通量最大 但穿过线圈的磁通量的变化率为零 所以在这一瞬间没有感应电动势产生 在线圈平面与中性面垂直的瞬间 虽然穿过线圈的磁通量为零 但穿过线圈的磁通量的变化率最大 所以在这一瞬间产生的感应电动势最大 探究一 探究二 探究三 探究一 探究二 探究三 2 正弦式交变电流的变化规律 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 探究一 探究二 探究三 线圈转过的角度为 t ab边的线速度跟磁感线方向的夹角 t ab边转动的线速度大小 ab边产生的感应电动势eab blabvsin sin t 整个线圈产生的感应电动势e 2eab bs sin t 若线圈为n匝 则e nbs sin 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 即i imsin t r两端的电压可记为u umsin t 探究一 探究二 探究三 2 峰值 由e nbs sin t可知 电动势的峰值em nbs 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 因此如图所示的几种情况 若n b s 相同 则电动势的最大值相同 探究一 探究二 探究三 例题1有一个正方形线圈的匝数为10匝 边长为20cm 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 匀强磁场的磁感应强度为0 5t 问 1 该线圈产生的交变电流电动势的峰值 电流的峰值分别是多少 2 若从中性面位置开始计时 写出感应电动势随时间变化的表达式 3 线圈从中性面位置开始 转过30 时 感应电动势的瞬时值是多大 探究一 探究二 探究三 解析 1 交变电流电动势的峰值为em 2nblv nbs 10 0 5 0 22 10 v 6 28v电流的峰值为 6 28a 2 从中性面位置开始计时 感应电动势的瞬时值表达式为e emsin t 6 28sin 10 t v 3 线圈从中性面位置开始转过30 感应电动势e emsin30 3 14v 答案 1 6 28v6 28a 2 e 6 28sin 10 t v 3 3 14v 探究一 探究二 探究三 反思若从线圈平面与磁场平行开始计时 则瞬时值为余弦表达式 且最大值不变 即e emcos t 探究一 探究二 探究三 变式训练1 在例题1中试求线圈从中性面开始 转过30 过程中 感应电动势的平均值 解析 从中性面到转过30 过程中磁通量变化量 bl2 bl2cos30 0 5 0 22 1 wb 2 46 10 3wb 所用时间由可得e 1 48v 答案 1 48v 探究一 探究二 探究三 探究二交变电流的图象及应用问题导引在实际应用中 交变电流有不同的变化规律 常见的有以下几种 你知道家庭电路中使用的是哪种吗 提示甲 2 交变电流图象的应用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 线圈平行于磁感线的时刻 4 线圈中磁通量的变化情况 5 分析判断e i u随时间的变化规律 探究一 探究二 探究三 名师精讲1 对交变电流图象的认识如图所示 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 它是一条正弦线 探究一 探究二 探究三 3 分析图象问题的基本方法一看 看 轴 看 线 看 斜率 看 点 二变 掌握 图与图 图与式 和 图与物 之间的变通能力 三判断 结合图象和公式进行分析和判断 探究一 探究二 探究三 例题2 多选 如图甲所示 一个矩形线圈abcd在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动 线圈内的磁通量随时间t变化的图象如图乙所示 则下列说法中正确的是 a t1时刻线圈中的感应电动势最大b t2时刻ad的运动方向与磁场方向垂直c t3时刻线圈平面与中性面重合d t4 t5时刻线圈中感应电流的方向相同 探究一 探究二 探究三 解析 t1时刻通过线圈的磁通量 最大 磁通量的变化率最小 此时感应电动势为零 选项a错误 t2 t4时刻感应电动势为em 此时ab cd的运动方向均垂直于磁场方向 选项b正确 t1 t3 t5时刻 最大 0 此时线圈平面垂直于磁场方向 称为中性面 选项c正确 t5时刻感应电流为零 选项d错误 答案 bc反思要注意感应电动势的大小与磁通量的变化率有关 与磁通量的大小无关 即e 也就是 t图象中对应图线的斜率 探究一 探究二 探究三 变式训练2 多选 如图所示为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 tv解析 由题图可知该交变电压的周期为0 02s 最大值为311v 有效值为 选项a错误 选项b c正确 正弦式交变电压的表达式为u umsin t 311sin100 tv 选项d错误 答案 bc 探究一 探究二 探究三 探究三交变电流的四值问题导引 我们家庭 学校里使用的是220v交变电流 在测量插座电压时 为什么没看到电压表指针左右摆动的现象呢 提示交变电流通过交流电压表时 实际上已经由电表内部元件把交变电流变成了等效的直流电 所以读出的就是交变电流的有效值 所以电表的指针不会忽左忽右地摆动 探究一 探究二 探究三 探究一 探究二 探究三 特别提醒交变电流的有效值和电流的方向无关 交变电流的平均值是根据法拉第电磁感应定律计算的 与交变电流的方向 所选取的时间有关 探究一 探究二 探究三 例题3如图所示 线圈面积为0 05m2 共100匝 线圈总电阻为1 与外电阻r 9 相连 线圈在b t的匀强磁场中绕oo 轴以转速n 300r min匀速转动 从线圈处于中性面开始计时 求 1 电动势的瞬时表达式 2 两电表a v的示数 3 线圈转过s时电动势的瞬时值 4 线圈转过s的过程中 通过电阻的电荷量 5 线圈匀速转动一周外力所做的功 探究一 探究二 探究三 解析 1 em nbs 2 n 因为n 300r min 5r s 2 n 2 5rad s 10 rad s 所以em nbs 100 0 05 10 v 100v 从线圈转到中性面开始计时 则e emsin t 所以e 100sin10 tv 2 此时两表的示数为 3 当线圈转过s时 e 100sin 10 v 100sinv 50v 探究一 探究二 探究三 4 线圈转过t s的过程中 转过的角度为 t 10 通过电阻的电荷量为 5 线圈匀速转动一周 外力做功与电流做的功相等 则答案 1 e 100sin10 tv 2 5a45v 3 50v 4 c 5 100j 探究一 探究二 探究三 反思正弦式交变电流的瞬时值 峰值 有效值 平均值之间存在着联系 熟练掌握它们之间的关系是解题的关键 变式训练3 如图所示 匀强磁场b 0 1t 矩形线圈的匝数n 100 边长ab 0 2m bc 0 5m 以角速度 100 rad s绕oo 轴匀速转动 当线圈通过中性面时开始计时 试求 探究一 探究二 探究三 1 线圈中感应电动势的表达式 2 由t 0至t 过程中的平均电动势 探究一 探究二 探究三 解析 1 由题意可知感应电动势的瞬时值e emsin t nbs sin t 100 0 1 0 2 0 5 100 sin100 tv 314sin100 tv 2 用e 计算 t 0至过程中的平均电动势代入数据得 200v 答案 1 e 314sin100 tv 2 200v 12345 1 下列各图中不能产生交变电流的是 解析 题图a中的转轴与磁场方向平行 线圈中的磁通量始终为零 线圈中无感应电流产生 故选项a符合题意 根据交变电流产生的条件可知 线圈绕垂直于磁感线的轴线转动 就可以产生交变电流 对线圈的形状没有特别要求 故选项b c d不符合题意 答案 a 12345 2 关于线圈在匀强磁场中转动时产生的交变电流 以下说法中正确的是 a 线圈平面每经过中性面一次 感应电流方向就改变一次 感应电动势方向不变b 线圈每转动一周 感应电流方向就改变一次c 线圈平面经过中性面一次 感应电动势和感应电流的方向都要改变一次d 线圈转动一周 感应电动势和感应电流方向都只改变一次解析 线圈转至中性面时 线圈平面垂直于磁感线 磁通量最大 但磁通量的变化率 感应电动势 感应电流均为零 电流方向恰好发生变化 因此 线圈在匀强磁场中转动产生交变电流时 每经过中性面一次 感应电动势和感应电流的方向都要改变一次 线圈每转动一周 两次经过中性面 感应电动势和感应电流的方向都改变两次 选项c正确 答案 c 12345 3 把一段确定的导线做成线圈 在确定的磁场中绕垂直于磁场的轴线以固定的转速转动 产生的交流电动势最大的情况是 a 做成方形线圈 线圈平面垂直于转轴b 做成方形线圈 转轴通过线圈平面c 做成圆形线圈 转轴通过线圈平面d 做成圆形线圈 线圈平面垂直于转轴解析 由em bs 知 要使交流电动势最大 需使线圈面积最大 故应做成圆形 且转轴通过线圈平面 选项c符合题意 答案 c 12345 4 多选 某交流电压的图象如图所示 将该交流电压加在一个阻值为220 的电阻两端 下列说法正确的是 a 该电阻消耗的功率为110wb 该交流电压的瞬时值表达式为u 110sin 100 t vc 用交流电压表测电阻两端的电压示数为110vd 流过电阻的电流方向每秒钟改变50次 12345 解析 电阻消耗的功率为p w 55w 故选项a错误 由 rad s 100 rad s 所以该交流电压的瞬时值表达式为u 110sin 100 t v 故选项b正确 交流电压表测量值为有效值 故选项c正确 一个周期内交变电流的方向改变两次 而交变电流周期为0 02s 所以流过电阻的电流方向每秒改变100次 故选项d错误 答案 bc 12345 5 如图所示 一交流发电机的线圈在匀强磁场中匀速转动 线圈匝数n 100 线圈电阻r 3 ab cd 0