鲁科版选修32 第3章 第2节　交变电流是怎样产生的 学案.doc

第2节交变电流是怎样产生的学 习 目 标知 识 脉 络1.认识交流发电机，了解交流发电机结构2理解交变电流的产生原理，知道中性面的概念(重点)3掌握交变电流的变化规律，能用数学表达式和图象描述正弦交变电流的变化规律(重点、难点)4理解交变电流的瞬时值和最大值，能正确表示出正弦交变电流的最大值、有效值和瞬时值(重点、难点)自 主 预 习探 新 知知识梳理一、交流发电机及交变电流的产生原理1交流发电机的原理由法拉第电磁感应定律可知，只要通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交流发电机的构造发电机主要由线圈(电枢)和磁极两部分组成3交流发电机的种类两种类型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4.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)过程分析中性面：线圈平面与磁感线垂直的位置叫做中性面线圈经过中性面时，穿过线圈的磁通量最大，但磁通量的变化率为零，线圈中的感应电动势为零，感应电流为零线圈经过中性面时，感应电流改变方向，线圈转动一周，两次通过中性面，感应电流方向改变2次二、交变电流的变化规律1规律eemsin t(条件：从中性面开始计时)(其中：em2nblv)iimsin t(其中：im)uumsin t(其中：umimr)2正弦交变电流的图象(如图321所示)图321基础自测思考判断1中性面特点是磁通量最大，但感应电动势为零()2线圈转一周有两次经过中性面，每转一周电流方向改变一次()3只要线圈在磁场中转动就会产生交变电流()4线圈只要在匀强磁场中匀速转动就能产生正弦式交变电流()5交变电流的瞬时值表达式与开始计时的位置无关()6交流电的电动势的瞬时值表达式为eemsin t时，穿过线圈磁通量的瞬时值表达式mcos t.()合作探究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正弦式交变电流的图象一定是正弦函数曲线吗？【提示】不一定，根据计时起点不同，也可能是余弦函数曲线3当从与中性面垂直的位置计时，瞬时值的表达式如何表示？【提示】eemcos t.合 作 探 究攻 重 难交流发电机及交变电流的产生原理对交变电流产生原理的理解1产生原理：由电磁感应定律可知，当闭合回路的部分导体做切割磁感线的运动时，闭合回路中就有感应电流产生当线圈在磁场中转动时，线圈所在的闭合回路中有感应电流产生，可用如图322所示的装置做实验，当线圈转动时，可以观察到电流表的指针来回摆动，说明流过电流表的电流大小和方向都在不停地变化图3222产生过程：从中性面开始计时，t0时，线圈各边都不切割磁感线，线圈中没有感应电动势产生，如图323甲所示；tt时，ab、cd两边切割磁感线，产生感应电动势和感应电流，线圈中感应电流方向是dcba，如图乙所示；tt时，图丙同图甲情况；tt时，ab、cd两边切割磁感线，产生感应电动势和感应电流，线圈中感应电流方向是abcd，如图丁所示；tt时，图戊同图甲情况图3233两个特殊位置物理量的特点比较中性面中性面的垂面位置线圈平面与磁场垂直线圈平面与磁场平行磁通量最大零磁通量的变化率零最大感应电动势零最大线圈边框切割磁感线的有效速度零最大感应电流零最大电流方向改变不变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e随时间t的变化情况如图324所示，则下列说法中正确的是()图324at1时刻通过线圈的磁通量为零bt2时刻通过线圈的磁通量最大ct3时刻通过线圈的磁通量变化率最大d每当e变换方向时，通过线圈的磁通量都为最大思路点拨：解答本题应弄清以下两点：线圈转动过程中几个特殊位置的特点；磁通量、磁通量的变化率、感应电动势、感应电流之间的关系dt1、t3时刻线圈中的感应电动势e0，故为线圈平面处于中性面的时刻，线圈的磁通量最大，磁通量的变化率为零，故选项a、c错误；t2时刻，线圈平面与磁感线平行，线圈的磁通量为零，磁通量的变化率最大，故选项b错误；每当e变换方向时，线圈通过中性面，此时磁通量最大，故选项d正确线圈在特殊位置时，各物理量间的关系线框在中性面时，各物理量有如下关系：磁通量最大磁通量的变化率最小(0)感应电动势最小(0)感应电流最小(0)此位置电流方向将发生改变线框垂直中性面时，所得结论与上述相反针对训练1(多选)图中哪些情况线圈中产生了交流电()bcd闭合线圈必须绕垂直于磁场的轴旋转，才能产生交变电流，且enbs对线圈形状无要求，b、c、d正确2风力发电机是一种新能源产品若风力发电机的矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，当线圈通过中性面(线圈平面与磁场垂直)时，下列说法正确的是()a穿过线圈的磁通量最大，线圈中的感应电动势最大b穿过线圈的磁通量等于零，线圈中的感应电动势最大c穿过线圈的磁通量最大，线圈中的感应电动势等于零d穿过线圈的磁通量等于零，线圈中的感应电动势等于零c线圈位于中性面时，线圈平面与磁感线垂直，穿过线圈的磁通量最大，但此时切割磁感线的线圈边的瞬时速度方向与磁感线平行，线圈中的各个边均不切割磁感线，线圈中的感应电动势等于零交变电流的变化规律1.交变电流的数学表达式据图325可知，ab和cd边产生的感应电动势均为blvsin t，此时整个线圈的感应电动势为e2blvsin t或eemsin t.图325(1)em2blv为最大值，也叫电动势的峰值(2)eemsin t，交变电流按正弦规律变化，这种电流叫正弦式交变电流简称正弦式电流2对交变电流图象的认识由eemsin t、uumsin t、iimsin t可知et、ut，it图线应该是正弦曲线，如图326所示，其中em、um、im分别表示电动势、电压、电流的最大值，表示线圈匀速转动的角速度，因vad，所以em2bladbs，s为线圈面积图326(1)图象的物理意义：反映了交变电流的电流(电压)随时间变化的规律(2)根据图象可直接读出正弦式交变电流的峰值和周期(3)根据线圈位于中性面时感应电动势、感应电流为零，可确定线圈位于中性面的时刻，亦为穿过线圈的磁通量最大的时刻和磁通量变化率为零的时刻(4)根据线圈平面与中性面垂直时感应电动势、感应电流最大，可确定线圈与中性面垂直的时刻，亦为穿过线圈的磁通量为零的时刻和磁通量变化率最大的时刻3用图象描述交变电流的变化规律(从中性面开始计时)函数图象说明磁通量mcos tbs cos 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导体两端电压uumsin t sin t感应电流iimsin t sin t4.交变电流的瞬时值、最大值、有效值和平均值的区别与联系物理量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eemsin t uumsin tiimsin t计算线圈某时刻的受力情况最大值最大的瞬时值emnbsumrim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对正(余)弦交流电emeumuimi(1)计算与电流的热效应有关的量(如电功、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象中图线与时间轴所夹的面积与时间比值blqt(1)平均感应电动势(2)计算通过电路截面的电荷量如图327所示，一矩形线圈在匀强磁场中绕oo轴匀速转动，磁场方向与转动轴垂直已知线圈匝数n400，电阻r0.1 ，长l10.05 m，宽l20.04 m，角速度100 rad/s，磁场的磁感应强度b0.25 t线圈两端外接电阻r9.9 的用电器和一个交流电流表(内阻不计)，求：(1)线圈中产生的最大感应电动势；(2)电流表的读数；(3)电阻上消耗的电功率图327【解析】(1)emnbs，代入数据得em4000.250.050.04100 v20 v.(2)im，代入数据得im a2 a.因为是正弦式交变电流，所以电流表读数即有效值i a1.41 a.(3)pi2r()29.9 w19.8 w.【答案】(1)20 v(2)1.41 a(3)19.8 w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.(4)写出表达式，代入角速度求瞬时值针对训练3(多选)图328是某种正弦式交变电压的波形图，由图可确定该电压的()【导学号：11452059】图328a周期是0.01 sb最大值是311 vc有效值是220 vd表达式为u220sin 100t vbc由图象知，该交变电压的周期为0.02 s，最大值为311 v，而有效值u v220 v，a错误，b、c正确正弦交变电压的瞬时值表达式uumsin t311sin t v311sin 100t v，d错误4如图329所示的是某正弦式交变电流的图象，根据图象求其最大值、周期和角速度，并写出该交变电流的瞬时值表达式图329【解析】由图象可知，交变电流的周期为t0.02 s，角速度为100 rad/s，故其瞬时值的表达式为iim sin 100t当t0.002 5 s时，i1.414 a所以imsin(1000.002 5)1.414 a解得im2 a，所以i2sin 100t a.【答案】2 a0.02 s100 rad/si2sin 100t a当 堂 达 标固 双 基1如图3210所示的电机模型中，属于交流发电机和直流发电机的分别是()【导学号：11452060】图3210a图(b)和图(a)b图(c)和图(b)c图(b)和图(d) d图(c)和图(a)b(a)、(d)图中，有电源，因此是电动机；(b)图中，有换向器，线圈中的交流电在输出时，变为直流电，是直流发电机；(c)图中，发电机的线圈在转动过程中，不断周期性地切割磁感线，所以在线圈内产生了交流电，是交流发电机故选b.2(多选)关于中性面，下列说法中正确的是()a线圈在转动中经过中性面位置时，穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率为零b线圈在转动中经过中性面位置时，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，线圈中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ac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，所以磁通量的变化率为零，a正确，b错误；线圈每经过一次中性面，感应电流的方向就改变一次，线圈每转一周要经过中性面两次，所以每转一周，感应电流的方向要改变两次，c正确，d错误3一个矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动，周期为t.从中性面开始计时，当tt时，线圈中感应电动势的瞬时值为2 v，则此交变电流的有效值为()a2 v b2 vc. v d. va先用代入法求出感应电动势的最大值：由eem sin t得2 vemsin ，由此得em4 v，因此有效值为2 v，选项a正确4如图3211所示，一半径为r10 cm的圆形线圈共100匝，在磁感应强度bt的匀强磁场中，绕垂直于磁场方向的中心轴线oo以n600 r/min的转速