第二章交变电流第一节交变电流

1交变电流,制作人：峨眉一中物理组宋继利,教学目标,（一）知识与技能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）过程与方法1掌握描述物理量的三种基本方法（文字法、公式法、图象法）。2培养学生观察能力，空间想象能力以及将立体图转化为平面图形的能力。3培养学生运用数学知识解决物理问题的能力。,（三）情感、态度与价值观通过实验观察，激发学习兴趣，培养良好的学习习惯，体会运用数学知识解决物理问题的重要性教学重点交变电流产生的物理过程的分析。教学难点交变电流的变化规律及应用。教学方法演示法、分析法、归纳法教学手段手摇单相发电机、小灯泡、示波器、多媒体教学课件、示教用大的电流表,1、直流电流,方向不随时间变化的电流,2、交变电流,一、交变电流,大小和方向都不随时间变化的电流，称为恒定电流。,大小和方向都随时间做周期性变化的电流称为交变电流,简称交流电。,交变电流是如何产生的呢？,电流随时间按正弦函数规律变化的交变电流称为正弦交变电流。,正弦交变电流是一种最简单、最基本的交变电流发电厂发出的就是正弦交变电流。,甲乙丙丁戊,示波器上观察到的几种电压波形,恒定电流,其余是交流电流,正弦交变电流,二、交变电流的产生和,正弦交变电流发电机模型,甲乙丙丁戊,1、线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动,（1）在线圈转动的过程中，那些边会产生感应电动势？,ab边cd边,甲乙丙丁戊,2、过程分析,甲乙丙丁戊,（2）怎样将立体图转化为平面图？,将立体图转化为平面图,N,S,S,N,a,b,c,d,a,d,判断此位置有没有感应电流，方向怎么样？,BS,最大,E=0,I=0,中性面,垂直磁场方向的平面叫做中性面。,线圈经过中性面时，最大，/t=0但线圈中的电动势为零.,2、过程分析,(V/B),判断此位置有没有感应电流，方向怎么样？,N,S,S,N,E最大,BS,=0,I最大,感应电流方向a到b,线圈与磁场平行时，最小，/t最大，但线圈中的电动势最大,(vB),BS,最大,E=0,I=0,中性面,BS,=0,E、I最大,感应电流方向b到a,v/B,vB,线圈转动一周，多少次经过中性面?电流方向改变多少次?,思考与讨论,1.中性面：垂直磁场方向的平面（1）线圈经过中性面时，穿过线圈的磁通量最大=BS，但/t=0最小，（ab和cd边都不切割磁感线），线圈中的感应电动势为零（2）线圈经过中性面时，电流将改变方向，线圈转动一周，两次经过中性面，电流方向改变两次2.线圈平行与磁感线时，=0,/t最大，感应电动势最大。,以线圈经过中性面开始计时，切割边ab=L1，另一边bc=L2,推导任意时刻t线圈中的感应电动势,（演示）,线圈匀速转动过程中，ab、cd边要切割磁感线产生感应电动势，由于两边的运动速度始终是大小相等方向相反，所以两边产生的感应电动势总是大小相等方向相同（如图），故线圈的总的感应电动势为：,e=2eab,e为电动势在时刻t的瞬时值，Em为电动势的最大值（峰值）NBS,研究ab边切割磁感线产生的感应电动势，从中性面开始计时，经过时间t，ab边绕OO轴转过的角度=t，速度v在与磁场垂直的分量v1=vsin=vsint如图，在ab边上产生的电动势为：,eab=BL1vsint,由此可得e=2eab=2BL1vsint=BL1L2sint,设S为矩形线圈的面积，S=L1L2。考虑到发电机实际匝数为N，并令Em=NBS，则,e=Emsint,1、电动势按正弦规律变化,2、电流按正弦规律变化,3、电压按正弦规律变化,电流i通过R时：,式中e、i、u分别为电动势、电流、电压的瞬时值。成立条件：闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动，经中性面时开始计时。,三、交流电的图像,、交流电的产生：矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速旋转时，线圈中就产生,、交变电流：和都随时间做的电流叫做交变电流电压和电流随时间按变化的交流电叫正弦交流电,大小,方向,正弦规律,正弦交流电,周期性变化,课堂练习,、当线圈平面垂直于磁感线时，线圈各边都不切割磁感线，线圈中没有感应电流，这样的位置叫做线圈平面每经过中性面一次，感应电流方向就改变一次，因此线圈转动一周，感应电流方向改变,中性面,两次,、线圈从中性面开始转动，角速度是，线圈中的感应电动势的峰值是Em，那么在任一时刻t感应电动势的瞬时值e为若电路总电阻为，则感应电流的瞬时值为,e=Emsint,i=(Em/R)sint,四、交流发电机,1、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、种类旋转电枢式发电机旋转磁极式发电机转动的部分叫转子，不动的部分叫定子,、交流发电机有两种，即、其中转动的部分叫，不动的部分叫发电机转子是由、或其它动力机带动,旋转磁极式,旋转电枢式,转子,定子,水轮机,蒸汽轮机,6、一矩形线圈,绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面的固定轴转动,线圈中的感应电动势e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最小,C,1、知道交变电流定义（AC）：大小和方向都随时间作周期性变化的电流。方向不随时间变化的电流为直流电（DC）。辨析电流图。,3、推导和理解交变电流的变化规律：（重难点）（1）方向变化规律-线圈平面每经过中性面一次，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。最大，/t=0最小，感应电动势最小E=0,（2）大小变化规律-按正弦规律变化：（能画出瞬时线速度分解图）e=EmsintEm=NBS叫电动势的最大值（峰值）i=ImsintIm=Em/R+r叫电流的最大值（峰值）u=UmsintUm=ImR叫电压的最大值（峰值）,交变电流小结,2、理解交变电流产生的过程：线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动产生正弦式交变电流。能画出四幅过程图。垂直磁场方向的平面叫做中性面。（重点）,电流通过R时：,1在如图所示的几种电流随时间变化的图线中，属于交变电流的是，属于正弦交变电流的是。,A,B,C,D,ABD,A,课堂练习,2一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的变化规律如图所示，下面说法中正确的是()：,T1时刻通过线圈的磁通量为零；T2时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大；T3时刻通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大；每当e变换方向时，通过线圈的磁通量的绝对值都为最大。,D,1.矩形线圈在匀强磁场中匀速转动。设线圈ab边长为20cm，ad边长为10cm，磁感应强度B=0.01T，线圈的转速n=50r/s，求：电动势的最大值及对应的线圈位置。,0.0628V线圈平面与磁场方向平行。,2.如图所示：匝数为N、面积为S的矩形线圈在匀强磁场B中匀速转动，角速度为，求线圈从图示位置转过180度时间内的平均感应电动势。,练习,一台发电机在产生正弦式电流。如果发电机电动势的峰值为Em=400V，线圈匀速转动的角速度为=314rad/s，试写出电动势瞬时值的表达式。如果这个发电机的外电路只有电阻元件，总电阻为2000，电路中电流的峰值是多少？写出电流瞬时值的表达式。,e=EmsinWt=400sin314t,解：,电动势瞬时值的表达式为：,电流峰值为：,Im=Em/R=4002000=0.2A,电流瞬时值的表达式为：,i=ImsinWt=2sin314t,4、一台发电机产生的按正弦规律变化的感应电动势的最大值为311V，线圈在磁场中转动的角速度100rad/s。（1）写出感应电动势的瞬时值表达式。（2）若该发电机只与含电阻的负载组成闭合电路，电路的总电阻为100，试写出通过负载的电流强度的瞬时表达式，在t=1/120s时电流强度的瞬时值为多少？,（3）线圈从中性面转过180度的过程中，电动势的最大值、平均值分别是多少？（4）转动过程中磁通量的变化率最大值是多少？,答案（1）e=311Sin100t（2）I=3.11Sin（1001/120）=3.111/2=1.55（A）,（3）Em=311VE=N/t=2NBS/198V（4）/t=311/N（Wb/s）,作业：P34,一、交变电流实验探究1：将手摇发电机模型与小灯泡连接成闭合电路，匀速转动手柄，可看到小灯泡_(见教材P32图211)实验探究2：将上述电路中的小灯泡换成零刻度居中的电流表,启用教材P32图212所示的电机原理说明器，缓慢、匀速转动手柄，可看到电流表的指针_摆动实验探究3：用示波器观察电压的图形,忽明忽暗,左右,1把直流和交变电流先后输入示波器，根据示波器屏幕上观察到的图像可以看出，直流电压的大小和方向不随时间发生变化，而交变电流的电压的大小和方向都随时间_.2在物理学中，把大小和方向都随时间做_的电流，叫做交变电流,简称交流电,常用字母“AC”或符号“”表示大小和方向都不随时间变化的电流叫_电流，用字母“DC”或符号“”表示,发生变化,周期性变化,恒定,想一想1.用一块蹄形磁铁慢慢地接近发光的白炽灯泡，可以看到灯丝在不停的颤抖，而移去磁铁后就不再有这种现象.想想看，是什么原因使灯丝颤抖起来的呢？提示：家庭电路中,由于流过灯丝中的电流大小方向随时间作周期性变化,所以处在磁场中的灯丝受到的安培力的大小、方向随时间作周期性变化，因而灯丝就会不停地颤抖,二、正弦交变电流的产生和表述1产生：闭合矩形线圈在_磁场中绕_的轴_转动时，线圈中就会产生正弦交流电2描述如下表,匀强,垂直于磁场方向,匀速,Emsint,Umsint,Imsint,上面表达式中Em、Um、Im分别是电动势、电压、电流的最大值，而e、u、i分别是这几个量的_值，此正弦交流电峰值(最大值)的表达式为Em_，从表格中的图像来看是从线圈处于_开始计时的,瞬时,NBS,中性面,想一想2.某电路中电流随时间的变化图像如图所示，结合交变电流的概念想一下，这是交变电流吗？为什么？提示：不是，因为此电流的方向不随时间变化,它是直流电.,磁场中的两个特殊位置,学案导引1线圈在磁场中分别处于什么位置时穿过线圈的磁通量最大和最小？2电流方向在什么时刻发生改变？在什么时刻达到最大值?,中性面位置,与中性面垂直的位置,BS,BS,BS，最大,0，最小,感应电流为零，方向改变,感应电流最大，方向不变,一个周期两次经过中性面，电流方向改变两次,一个周期电动势两次最大，两次最大值方向相反,B,At1、t3时刻通过线圈的磁通量变化率最大Bt1、t3时刻线圈中感应电流方向改变Ct2、t4时刻线圈中磁通量最大Dt2、t4时刻线圈中感应电动势最小,思路点拨磁通量最大时，变化率为0，电动势为0，电流为0；磁通量为0时，变化率最大，电动势最大,电流最大,规律总结解决图像问题的基本方法是：“一看”、“二变”、“三判断”即：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：结合图像和公式进行正确分析和判断,1一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像如图甲所示，则以下说法中正确的是()At0时刻，线圈平面与中性面垂直Bt0.01s时刻，的变化率最大Ct0.02s时刻，交变电流的电动势达到最大D该线圈产生的交变电流的电动势随时间变化的图像如图乙所示,B,学案导引1若从线圈处于中性面开始计时，交变电流的瞬时值表达式是什么？若从垂直于中