交变电流的产生.doc

第一节 交变电流的产生教学目的：l、交变电流的产生即变化规律。2、会用公式和图像表示交变电流。3、培养学生观察实验能力和思维能力。教学准备：交流发电机模型、演示电流表、教学过程：一、知识回顾教 师：如何产生感应电流？ 请运用电磁感应的知识，设计一个发电机模型。学生设计：让矩形线圈在匀强磁场中匀速转动。二、新课教学：1、交变电流的产生演示1：出示手摇发电机模型，并连接演示电流表当线圈在磁场中转动时，电流表的指针随着线圈的转动而摆动，线圈每转动一周指针左右摆动一次。表 明：电流强度的大小和方向都做周期性的变化，这种电流叫交流电。2、交变电流的变化规律演示2：矩形线圈在匀强磁场中匀速转动的四个过程分 析：线圈bc、da始终在平行磁感线方向转动，因而不产生感应电动势，只起导线作用。（1）线圈平面垂直于磁感线（a图），ab、cd边此时速度方向与磁感线平行，线圈中没有感应电动势，没有感应电流。教师强调指出：这时线圈平面所处的位置叫中性面。中性面的特点：线圈平面与磁感线垂直，磁通量最大，感应电动势最小为零，感应电流为零。（2）当线圈平面逆时针转过900时（b图），即线圈平面与磁感线平行时，ab、cd边的线速度方向都跟磁感线垂直，即两边都垂直切割磁感线，这时感应电动势最大，线圈中的感应电流也最大。（3）再转过900时（c图），线圈又处于中性面位置，线圈中没有感应电动势。（4）当线圈再转过900时，处于图d位置，ab、cd边的瞬时速度方向，跟线圈经过图（b）位置时的速度方向相反，产生的感应电动势方向也跟在（图b）位置相反。（5）再转过900线圈处于起始位置（e图），与a图位置相同，线圈中没有感应电动势。小结：线圈平面每经过中性面一次，感应电流的方向就改变一次，因此线圈转动一周，感应电流的方向改变两次。提出问题：线圈中的感应电动势的大小如何变化呢？在场强为B的匀强磁场中，矩形线圈边长为L，逆时针绕中轴匀速转动，角速度为，从中性面开始计时，经过时间t。 线圈转动的线速度为v=L/2，转过的角度为=t，此时ab边线速度v与磁感线的夹角也等于t，这时ab边中的感应电动势为eab同理，cd边切割磁感线的感应电动势为ecd：就整个线圈来看，因ab、cd边产生的感应电势方向相同，是串联，所以当线圈平面跟磁感线平行时，即t=/2，这时感应电动势最大值m=BS感应电动势的瞬时表达式为e= msint可见在匀强磁场中，匀速转动的线圈中产生的感应电动势是按正弦规律变化的。即感应电动势的大小和方向是以一定的时间间隔做周期性变化。当线圈跟外电路组成闭合回路时，设整个回路的电阻为R，则电路的感应电流的瞬时值为表达式感应电流瞬时值表达式 i=Imsint这种按正弦规律变化的交变电流叫正弦式电流3、交流电的图像交流电的变化规律还可以用图像来表示，在直角坐标系中，横轴表示线圈平面跟中性面的夹角（或者表示线圈转动经过的时间t），纵坐标表示感应电动势e（感应电流I）。4、交流发电机（1）发电机的基本组成：用来产生感应电动势的线圈（叫电枢）用来产生磁场的磁极（2）发电机的基本种类旋转电枢式发电机（电枢动磁极不动）旋转磁极式发电机（磁极动电枢不动）无论哪种发电机，转动的部分叫转子，不动的部分叫定子例题：一矩形线圈，面积为s，匝数为N，在场强为B的匀强磁场中绕着中轴oo做匀速转动，角速度为，磁场方向与转轴垂直，当线圈转到中性面开始计时，求：（1）线圈中感应电动势的最大值？（2）线圈中感应电动势随时间变化的表达式？（3）若线圈中的电阻为R，则线圈中的电流的最大值为多少？（4）线圈中的电流瞬时表达式？ 三、课堂练习：1、交流电的电流-时间图像如图所示，电流为零的时刻是 ，这些时刻线圈与中性面的夹角为 。电流最大的时 ，这时线圈平面于中性面的夹角为 。2、对于正弦交流电，下列说法正确的是： （ ）A、 线圈转动一周，电流大小改变两次B、 线圈转动一周，电流大小不变。 C、 线圈转动一周，电流大小随时改变 D、 线圈转动一周，电流大小改变四次3、手摇发电机转动时，小灯泡为何一闪一闪的呢？（1）灯泡发光需要一定的电压，当U定Um时，就能使灯泡发光。（2）如图所示，当T1tT2时间内，小灯泡亮了，当T2tT3时间内，小灯泡变暗了，在T3tT4时间内小灯泡又亮了。（3）小灯泡在线圈转动一轴的过程中，闪亮两次。这充分证明：交变电流的强度是随时间做周期变化。作业：基础训练第一节 第二节、表征交变电流的物理量教学目的：l、掌握表征交变电流大小物理量。2、理解有效值的定义并会用它解决相关问题。3、掌握表征交变电流变化快慢的物理量。教学准备：幻灯片、交流发电机模型、演示电流表、教学过程：一、知识回顾(一)、交变电流：大小和方向都随时间作周期性变化的电流叫做交变电流，简称交流。如图15-1所示（b）、（c）、（e）所示电流都属于交流，其中按正弦规律变化的交流叫正弦交流。如图（b）所示。而（a）、(d)为直流其中（a）为恒定电流。（二）、正弦交流的产生及变化规律。 1、产生：当线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时，线圈中产生的交流是随时间按正弦规律变化的。即正弦交流。2、中性面：匀速旋转的线圈，位于跟磁感线垂直的平面叫做中性面。这一位置穿过线圈的磁通量最大，但切割边都未切割磁感线，或者说这时线圈的磁通量变化率为零，线圈中无感应电动势。3、规律： （1）、函数表达式：从中性面开始计时，则e=NBSsint 。用表示峰值NBS则e=sint在纯电阻电路中,电流I=sint=Isint，电压u=Usint 。二、新课教学：1、表征交变电流大小物理量瞬时值：对应某一时刻的交流的值 用小写字母x 表示，e i u峰值：即最大的瞬时值 用大写字母表示，Ummmm= nsB m=m/ R注意：线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线方向的轴匀速转动时，所产生感应电动势的峰值为=NBS，即仅由匝数N，线圈面积S，磁感强度B和角速度四个量决定。与轴的具体位置，线圈的形状及线圈是否闭合都是无关的。有效值：、意义：描述交流电做功或热效应的物理量、定义：跟交流热效应相等的恒定电流的值叫做交流的有效值。、正弦交流的有效值与峰值之间的关系是= I= U=。注意：正弦交流的有效值和峰值之间具有=，U=的关系，非正弦（或余弦）交流无此关系，但可按有效值的定义进行推导，如对于正负半周最大值相等的方波电流，其热效应和与其最大值相等的恒定电流是相同的，因而其有效值即等于其最大值。即I=I。、交流用电器的额定电压和额定电流指的是有效值；交流电流表和交流电压表的读数是有效值。对于交流电若没有特殊说明的均指有效值。、在求交流电的功、功率或电热时必须用交流电的有效值。、峰值、有效值、平均值在应用上的区别。 峰值是交流变化中的某一瞬时值，对纯电阻电路来说，没有什么应用意义。若对含电容电路，在判断电容器是否会被击穿时，则需考虑交流的峰值是否超过电容器的耐压值。 交流的有效值是按热效应来定义的，对于一个确定的交流来说，其有效值是一定的。而平均值是由公式确定的，其值大小由某段时间磁通量的变化量来决定，在不同的时间段里是不相同的。如对正弦交流，其正半周或负半周的平均电动势大小为，而一周期内的平均电动势却为零。在计算交流通过电阻产生的热功率时，只能用有效值，而不能用平均值。在计算通过导体的电量时，只能用平均值，而不能用有效值。在实际应用中，交流电器铭牌上标明的额定电压或额定电流都是指有效值，交流电流表和交流电压表指示的电流、电压也是有效值，解题中，若题示不加特别说明，提到的电流、电压、电动势时，都是指有效值。、表征交变电流变化快慢的物理量、周期T：电流完成一次周期性变化所用的时间。单位：s .、频率f：一秒内完成周期性变化的次数。单位：Z.、角频率：就是线圈在匀强磁场中转动的角速度。单位：rad/s.、角速度、频率、周期，的关系=2f=3、疑难辨析交流电的电动势瞬时值和穿过线圈面积的磁通量的变化率成正 比。当线圈在匀强磁场中匀速转动时，线圈磁通量也是按正弦（或余弦）规律变化的，若从中性面开始计时，t=0时，磁通量最大，应为余弦函数，此刻变化率为零（切线斜率为零），t=时，磁通量为零，此刻变化率最大（切线斜率最大），因此从中性面开始计时，感应电动势的瞬时表达式是正弦函数，如图15-2（a）（b）所示分别是=cost和e=sint。 三、例题解析例1、如图表示一交流随时间变化的图像，求此交流的有效值。 解析：此题所给交流正负半周的最大值不相同，许多同学对交流电有效值的意义理解不深，只知道机械地套用正弦交流电的最大值是有效值的倍的关系，直接得出有效值，而对此题由于正负半周最大值不同，就无从下手。应该注意到在一个周期内前半周期和后半周期的有效值是可求的，再根据有效值的定义，选择一个周期的时间，利用在相同时间内通过相同的电阻所产生的热量相同，从焦耳定律求得。 IRT=I1R+ I2R 即I=(+（) 解得 I=A例2、如图15-4所示，在匀强磁场中有一个“”形导线框可绕AB轴转动，已知匀强磁场的磁感强度B=T，线框的CD边长为20cm、CE、DF长均为10cm，转速为50r/s，若从图示位置开始计时（1）写出线框中感应电动势的瞬时值表达式。（2）若线框电阻r=3,再将AB两端接“6V，12W”灯泡，小灯泡能否正常发光？若不能，小灯泡实际功率多大？ 解析：（1）注意到图示位置磁感线与线圈平面平行，瞬时值表达式应为余弦函数，先出最大值和角频率。 =2n=100rad/s =BS=0.20.1100=10(V) 所以电动势瞬时表达式应为e=10cos100t(V)。（2）小灯泡是纯电阻电路，其电阻为R=首先求出交流电动势有效值=10（V）此后即可看成恒定电流电路，如图15-5 所示，显然由于R=r,=5v，小于额定电压，不能正常发光。其实际功率是p=8.3(w)四、巩固练习一、 选择题1、某线圈在匀强磁场中转动所产生的电动势变化规律为e=sint，保持其它条件不变，使该线圈的转速和匝数同时增加一倍，则此时所产生的电动势的瞬时表达式将变为下述的：（ ）A、e=2sin2t B、e=2sint C、e=4sin2t D、e=4sint 3、如图15-10一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间t的变化如图所示,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，通过线圈的磁通量绝对值都为最大。6、正弦交流电压的峰值为10V，周期为0.2S，将此电压接在10的电 阻上，在0.05s内电阻上产生的热量（ ） A、可能为零 B、一定为0 .25J C、不可能大于0.25JD、可能小于是0.25J作业：1、基础训练第二节；课本P114（1）（6）第四节 变压器教学目的：l、了解变压器的构造，理解变压器的工作原理。2、掌握变压器的变流比和变压比。3、了解几种常见的变压器。教学准备：幻灯片、可拆迁变压器、学生电源、演示电流表、教学过程：一、知识回顾1、 产生电磁感应现象的条件。2、法拉第电磁感应定律。二、新课教学：1变压器的构造 原线圈、 副线圈、 铁心2变压器的工作原理 在原、副线圈上由于有交变电流而发生的互相感应现象，叫做互感现象，互感现象是变压器工作的基础。3理想变压器磁通量全部集中在铁心内，变压器没有能量损失，输入功率等于输出功率。4理想变压器电压跟匝数的关系： U1/U2= n1/n2说明：对理想变压器各线圈上电压与匝数成正比的关系，不仅适用于原、副圈只有一个的情况，而且适用于多个副线圈的情况。即有=。这是因为理想变压器的磁通量全部集中在铁心内。因此穿过每匝线圈的磁通量的变化率是相同的，每匝线圈产生相同的电动势，因此每组线圈的电动势与匝数成正比。在线圈内阻不计的情况下，每组线圈两端的电压即等于电动势，故每组电压都与匝数成正比。5理想变压器电流跟匝数的关系I1/I2= n2/n1 （适用于只有一个副线圈的变压器）说明：原副线圈电流和匝数成反比的关系只适用于原副线圈各有一个的情况，一旦有多个副线圈时，反比关系即不适用了，可根据输入功率与输出功率相等的关系推导出：U1I1= U2I2+ U3I3+U4I4+再根据U2=U1 U3=U1 U4= U4可得出：n1I1=n2I2+ n3I3+ n4I4+6注意事项（1）当变压器原副线圈匝数比()确定以后,其输出电压U2是由输入电压U1决定的(即U2=U1)但若副线圈上没有负载 , 副线圈电流为零输出功率为零 , 则输入 功率为零,原线圈电流也为零,只有副线圈接入一定负载,有了一定的电流,即有了一定的输出功率，原线圈上才有了相应的电流（I1=I2），同时有了相等的输入功率，（P入=P出）所以说：变压器上的电压是由原线圈决定的，而电流和功率是由副线圈上的负载来决定的。 三、例题解析【例1】如图16-1所示,理想变压器铁芯上绕有A、B、C三个线圈，匝数比为nA:nB:nC=4:2:1,在线圈B和C的两端各接一个相同的电阻R，当线圈A与交流电源连通时，交流电流表A2的示数为I0，则交流电表A1的读数为_I0 。【分析与解】此题如果轻易用电流强度与匝数成反比的关系来解，即得出IA=0.5I0就错了。应该注意到变压器副线圈有多组，电流反比关系不成立，但电压与匝数成正比的关系还是成立的，应先根据这一关系求出C组线圈电压，再根据R相等的条件求出C组电流，由和，得IC=0.5I0 .此后利用关系式 nAIA=nBnB +nCnC即 4IA=2I0+10.5I0 得IA=0.625I0【例2】将电阻R1和R2如图16-3甲所示接在变压器上，变压器原线圈接在电压恒为U的交流电源上，R1和R2上的电功率之比为2：1，若其它条件不变，只将R1和R2改成如图乙接法，R1和R2上的功率之比为1：8。若甲图中原线圈电流为I1，乙图中原线圈电流为I2，求：（1）两组副线圈的匝数之比；（2）I1和I2之比。【分析与解】：（1）甲图中R1和R2串联，电流相同，功率与电阻成正比，所以有 R1=2R2（1） 设三组线圈的匝数分别是n1 ,n2 ,n3，两组副线圈上的电压分别是U2和U3，易得U2=U U3=U乙图中R1和R2上的功率之比为1 : 8即 8 （2）联列（1）式和（2）式解得 =（2）设甲图中输出功率为P1，则P1=（）2/（R1+R2）设乙图中输出 功率为P2，则P2=（）2/R1+（）2/R2以R1=2R2，n3=2n2代入，可得： 。由于输入功率等于输出功率，所以甲、乙两图中输入功率之比也为，根据P=IU，电压恒定，所以两图中电流之比I1：I2=2：3【例3】发电厂输出的交流电压为2.2万伏,输送功率为2.2106瓦,现在用户处安装一降压变压器,用户的电压为220伏,发电厂到变压器间的输电导线总电阻为22欧,求:(1)输电导线上损失的电功率;(2)变压器原副线圈匝数之比。【分析与解】（1）应先求出输送电流，由线=P总/U总=2.2106 2.2104=100(A) 则损失功率为P损=I线2R线=100222=2.2105 (w) (2)变压器原线圈电压U1为U1=U总-U线= U总- I线R线=2.2104-10022=19800(V)所以原副线圈匝数比=19800/220=90.四、巩固练习一 .选择题:1 .如图16-5所示,变压器输入 交变电压U一定,两个副线圈的匝数为n2和n3,当把一电阻先后接在a,b间和c,d 间时,安培表的示数分别为I和I，则I：I为（ ）A .n22 :n32 B .: C . n2 :n3 D . n32 :n222 .有一个理想变压器,原线圈1200匝,副线圈400匝,现在副线圈上接一个变阻器R,如图所示,则下列说法中正确的是 ( ) A .安培表A1与A2的示数之比为3:1 B .伏特表V1与 V2的示数之比为3:1C .当变阻器滑动头向下移动时,原线圈的输入功率将增加D .原、副线圈的功率之比为3:13 .如图16-7,一理想变压器原副线圈匝数比为4:1,图中五只电灯完全相同,若B、C、D、E都能正常发光，则A灯 （ ）A .一定能正常发光 B .比正常发光暗 C .比正常发光亮 D .一定被烧坏4 .在某交流电路中,有一正在工作的变压器,原副线圈匝数分别为n1=600,n2=120,电源电压U1=220V，原线圈中串联一个0.2A的保险丝,为了保证保险丝不被烧坏,则( )A .负载功率不超过44w B .副线圈电流最大值不能超过1AC . 副线圈电流有效值不能超过1A D .副线圈电流有效值不能超过0.2A5 .如图16-8所示,一理想变压器的原副线圈分别由双线圈 ab和cd（匝数都为n1）、ef和gh（匝数都为n2）组成，用I1和U1表示输入电流和电压，I2和U2表示输出电流和电压。在下列四种连接法中，符合关系U1/U2=n1/n2 , I1/I2=n2/n1的有A .a与c相连, b与d相连作为输入端; e与g相连、f与 h相连作为输出端B . a与c相连, b与d相连作为输入端; f与g相连、以e、h为输出端C . b与c相连, 以a与d为输入端; f与g相连，以e、h为输出端D . b与c