三、交变电流

1 3 1 交变电流 学案 一 教学目标 1 使学生理解交变电流的产生原理 知道什么是中性面 2 掌握交变电流的变化规律及表示方法 3 理解交变电流的瞬时值和最大值及中性面的准确含义 二 教学过程 新课导入 知识导读 19 世纪初 蒸汽机改变了自古以来依靠人力 畜力的生产形态 蒸汽动力推动着火车和船队 加快了不 同国家 不同民族的物资流通和文化交流 大片农田变成了工厂 法拉第电磁感应定律的发现 激励着已批科学家和工程师进行机械能转变为电能的探索 他们设想 厂 房中巨型发电机发出的电也许会比蒸汽动力更加强大 它能通过导线跨越千山万水 让家家户户都用电 流照明 机器 火车都由电流提供动力 到了 1895 年 美国利用尼亚加拉大瀑布发出了巨大的电能 一年后 电能被传输到 20 英里外的布法罗 市 使得全城大放光明 现在 电能已流淌到人们生活的各个领域 如今 人类的电气化理想已实现 电能不仅使我们的社会生活更加丰富多彩 而且已经成为支撑现 代社会发展的重要支柱 今天我们开始学习交变电流 交变电流是电磁感应现象的进一步延伸 新课教学 1 演示 探究手摇交流发电机输出电流的特点 实验一 用手摇交流发电机对小灯泡供电 现象 小灯泡一闪一闪地发光 2 结论 电流的大小是周期变化的 实验二 用手摇交流发电机对并联的反向的发光二极管供电 现象 两个发光二极管轮流发光 结论 电流的方向是周期变化的 小结 手摇交流发电机的输出电流的大小和方向都随时间 做周期性的变化 大小和方向都随时间做周期性变化的电流叫交变电流 简称交流 AC 方向不随时间变化的电流称为直流 DC 大小 方向均不随时间变化的电流叫恒定电流 二 探究交变电流的产生原理 交流发电机的构造 哪些边切割磁感线 ab 和 cd 问题讨论 1 在转动过程中 哪个位置线圈中没有电流 哪个位置线圈中电流最大 物理学中把线圈平面垂直与磁感线的位置成为中性面 a bc d k L A B a b c d K L A B 无无电电流流 电电流流方方向向 d a b c d 2 你能判断出线圈从中性面开始逆时针转动一周中 线框中电流方向的规律吗 a bc dk L A B a bc d k L A B a b c d K L A B 无无电电流流无无电电流流 电电流流方方向向 a d c b a 3 3 能总结线圈在转动过程中 电流的方向的变化规律吗 线圈平面每经过中性面时 感应电流的方向就改变一次 线圈转动一周 感应电流的方向改变两次 4 你能定性的分析出线圈从中性面转动半周过程中电流的大小变化规律吗 从中性面开始转动过程中 电流从零逐渐变大到最大 再由最大减小到下一个中性面变为零 线线圈圈平平面面与与磁磁 感感线线垂垂直直时时 没没有有感感应应电电流流 线线圈圈平平面面与与 磁磁感感线线平平行行 时时电电流流最最大大 三 定量分析交变电流的变化规律 4 AB 长为 L1 BC 长为 L2 转动的角速度为 磁感应强度为 B AB 边产生的感应电动势 sin 1v nBLeAB AB 边的线速度 2 2 1 Lv sin 2 1 21 LnBLeAB sinsin 2 1 2 21 nBSLnBLeee CDAB 当线圈 abcd 经过中性面时开始计时 t tEtnBSe m sinsin 是感应电动势的最大值 叫做峰值 m E 由于电动势按正弦规律变化 当负载为电灯等用电器时 负载两端的电压 通过的电流 ui 也按正弦规律变化 tUu m sin tIi m sin 5 这种按正弦函数规律变化的交变电流叫正弦式交变电流 简称正弦式电流 思考 如果从线框平面与磁感线平行的位置开始计时 那么表达式如何 tEtnBSe m coscos 注意 两个特殊位置的不同特点 1 线圈平面与中性面重合时 最大 电流方向发生改变 BS 0 e0 i 2 线圈平面与中性面垂直时 最大 最大 电流方向不变 BS 0 ei 正弦交变电流是一种最简单又最基本的交变电流 家庭电路的交变电流就是正弦交变电流 实际中应用 的交变电流 不只限于正弦交变电流 它们随时间变化的规律是各种各样的 八 课堂练习 例 1 发电机产生的按正弦规律变化的电动势最大值为 311V 其线圈共 100 匝 在匀强磁场中匀速转动 的角速度为 100 rad s 从线圈经过中性面开始计时 1 写出当时的瞬时表达式 2 此发电机与外电路组成闭合电路时 总电阻为 100 求时的电流 st 600 1 3 线圈转过 180 的过程中 电动势的平均值 电动势达到的最大值各是多少 4 磁通量变化率的最大值是多少 6 解 1 从中性面开始计时 100sin311sinVttEe m 2 时 100sin11 3 At R e i st 600 1 AAi56 1 6 sin11 3 3 线圈经过 180 过程中 磁通量变化 此时 由法拉第 BS2 2 T t 电磁感应定律得这一过程中的平均电动势 而 所以 SnB t nE 2 SnBEm 198 V 当线圈转过 90 时 即在时刻时电动势最