新教材鲁科版选择性必修第二册-第3章-第2节-交变电流的产生-课件(60张)

1、第2节交变电流的产生一、交流发电机任务驱动发电机的原理是什么？它的主要构造是什么？提示：发电机是利用电磁感应把机械能转变成电能的装置，主要由线圈(电枢)和磁极两部分组成。课前自主学习1.原理：发电机是利用_把机械能转变成电能的装置。2.构造：发电机主要由_和_两部分组成。3.种类：_发电机和_发电机。不论哪一种发电机，转动的部分都称为_，固定不动的部分都称为_。电磁感应线圈(电枢)磁极旋转电枢式旋转磁极式转子定子二、正弦式交变电流的产生原理任务驱动交流发电机是如何产生大小和方向都随时间做周期性变化的电流的？提示：线圈在磁场中沿垂直于磁场方向的轴匀速转动就会产生交变电流。1.交变电流的产生过程：

2、如图所示，将一个平面线圈置于匀强磁场中，线圈与外电路相连，组成闭合回路，使线圈绕_磁感线的轴OO做_转动，则线圈中就会产生交变电动势、交变电流。垂直于匀速2.交变电流的大小：如图甲、乙、丙、丁、戊所示，闭合线圈在图_、图_、图_位置时线圈中没有电流，在图_、图_位置时线圈中电流最大。甲丙戊乙丁3.中性面：线圈平面与磁场方向_的位置。三、正弦式交变电流的变化规律任务驱动感应电动势和感应电流随时间的变化究竟遵循怎样的规律？提示：按正弦规律变化。垂直1.正弦式交变电流：(1)定义：按_规律变化的交变电流，简称_电流。(2)函数和图像：函数图像瞬时电动势：e=_ 瞬时电压：u=_ 瞬时电流：i=_ 正

3、弦正弦式EmsintUmsintImsint上述中的Em、Um、Im分别是电动势、电压、电流的_，而e、u、i则是这几个量的_。2.其他形式的交变电流：如图甲所示的为_交变电流，如图乙所示的为_交变电流。峰值瞬时值锯齿形矩形课堂合作探究主题一正弦式交变电流的产生原理【实验情境】如图甲所示，线圈平面恰好处于中性面位置；乙图所示线圈平面恰好经过垂直于中性面位置。【问题探究】(1)图甲、乙中穿过线圈的磁通量有何特点？ 提示：甲图中磁通量最大，乙图中磁通量是零。(2)当线圈恰好经过图甲、图乙所示位置时，线圈中有感应电流吗？穿过线圈的磁通量的变化率有何特点？提示：图甲中线圈AB边或CD边的速度方向与磁感

4、线方向平行，不切割磁感线，线圈中感应电流是零，磁通量变化率是零。图乙中线圈AB边或CD边的速度方向与磁感线方向垂直，切割磁感线的速度最大，线圈中感应电流最大，磁通量的变化率最大。(3)线圈经过哪一位置时，线圈中电流的方向发生改变？在一个周期内， 电流方向改变几次？提示：线圈经过中性面时，线圈中电流的方向发生改变。在一个周期内， 电流方向改变2次。中性面中性面的垂直位置图示 位置线圈平面与磁场垂直线圈平面与磁场平行【结论生成】中性面及其垂直位置的特性比较(科学思维)中性面中性面的垂直位置磁通量最大零磁通量变化率零最大感应电动势 零最大感应电流零最大电流方向改变不变【典例示范】一闭合矩形线圈abc

5、d绕垂直于磁感线的固定轴OO匀速转动，线圈平面位于如图甲所示的匀强磁场中。通过线圈的磁通量随时间t的变化规律如图乙所示，下列说法正确的是()A.t1、t3时刻通过线圈的磁通量变化率最大B.t1、t3时刻线圈中感应电流方向改变C.t2、t4时刻线圈中磁通量最大D.t2、t4时刻线圈中感应电动势最小【解题指南】(1)-t图线斜率表示电动势。(2)=0的位置，线圈处于垂直中性面；最大，线圈处于中性面。【解析】选B。从题图乙可以看出，t1、t3时刻通过线圈的磁通量最大，线圈经过中性面位置时线圈中感应电流方向改变，A错误，B正确；t2、t4时刻通过线圈的磁通量为零，线圈处于与中性面垂直的位置，此时感应电

6、动势和感应电流均为最大，故C、D均错误。【规律方法】交变电流瞬时值表达式问题的破解程序(1)观察线圈的转动轴是否与磁感线垂直。(2)从中性面开始计时，电动势是按正弦规律变化；从线圈转到与磁感线平行时开始计时，电动势是按余弦规律变化。(3)计算电动势最大值和角速度，写出电动势的瞬时值表达式。【探究训练】1.(多选)如图所示，矩形线框置于竖直向下的磁场中，通过导线与灵敏电流表相连，线框在磁场中绕垂直于磁场方向的转轴匀速转动，图中线框处于竖直面内，下述说法正确的是()A.因为线框中产生的是交变电流，所以电流表示数始终为零B.线框通过图中位置瞬间，穿过线框的磁通量最大C.线框通过图中位置瞬间，通过电流

7、表的电流瞬时值最大D.当线框由此转过90时，穿过线框的磁通量最大，电流表示数最小【解析】选C、D。线框在匀强磁场中匀速转动时，在中性面，即线框与磁感线垂直时，磁通量最大，感应电动势最小，而在题中图示位置，线框与磁感线平行时，磁通量最小，感应电动势最大，A、B错，C、D对。2.线框在匀强磁场中绕OO轴匀速转动(由上向下看是逆时针方向)，当转到如图所示位置时，磁通量和感应电动势大小的变化情况是()A.磁通量和感应电动势都在变大B.磁通量和感应电动势都在变小C.磁通量在变小，感应电动势在变大D.磁通量在变大，感应电动势在变小【解析】选D。磁通量在变大，但磁通量的变化率在变小，故电动势在减小。【补偿训

8、练】一个矩形线圈，在匀强磁场中绕一个固定轴匀速转动，当线圈处于如图所示位置时，它的()A.磁通量最大，磁通量变化率最大，感应电动势最大B.磁通量最小，磁通量变化率最大，感应电动势最大C.磁通量最大，磁通量变化率最小，感应电动势最小D.磁通量最小，磁通量变化率最小，感应电动势最小【解析】选B。线圈处于题图所示位置时，它与磁感线平行，磁通量为零，磁通量变化率最大，感应电动势最大，选项A、C、D错误，B正确。主题二正弦式交变电流的变化规律【实验情境】如图所示，单匝线圈abcd在匀强磁场B中以恒定的角速度绕垂直于磁场的中心轴OO转动。 【问题探究】(1)当线圈平面从中性面开始计时时，试分析并计算单匝线

9、圈中感应电动势瞬时值的表达式，若线圈为N 匝呢？提示：如图，当线圈经过中性面时开始计时，经过时间t，线圈转过的角度为t，ab、cd两边到转轴的距离分别为r1、r2且r1+r2=ad，设ab=l1、ad=l2，则ab、cd边切割磁感线的有效速度分别为v1=r1sint、v2=r2sint，ab、cd边切割磁感线产生的电动势分别为e1=Bl1r1sint，e2=Bl1r2sint，两个电动势串联，总电动势为e=e1+e2=Bl1(r1+r2)sint=Bl1l2sint=BSsint。若线圈有N匝，相当于有N个线圈串联，总电动势为e=NBSsint(2)若从垂直中性面的位置开始计时，写出电动势的表

10、达式。提示：e=Emcost(3)电动势的最大值与开始计时的位置是否有关？提示：电动势的最大值对应线圈经过与中性面垂直位置时的瞬时电动势，其大小Em=NBS与开始计时的位置无关，与线圈运动的时间也无关。(4)两种情况下感应电动势图像有什么区别？提示：线圈从中性面开始计时，感应电动势图像为正弦图像(如图甲)；线圈从垂直于中性面开始计时，感应电动势图像为余弦图像(如图乙)。【结论生成】1.正弦式交变电流的产生：(物理观念)如图所示是线圈ABCD在匀强磁场中绕轴OO转动时的截面图。线圈从中性面开始转动，角速度为，经过时间t转过的角度是t。设AB边长为l1，BC边长为l2，磁感应强度为B，AB边和CD

11、边转动时切割磁感线产生感应电动势。(1)在图甲中，vB，eAB=eCD=0，e=0。(2)在图丙中，eAB=Bl1v=Bl1 = Bl1l2= BS同理eCD= BS所以e=eAB+eCD=BS(3)在图乙中，eAB=Bl1vsint= Bl1l2sint= BSsint同理eCD= BSsint所以e=eAB+eCD=BSsint。(4)若线圈有n匝，则e=nBSsint。2.交变电流电动势的峰值：(物理观念)(1)公式：Em=NBS。(2)大小特点：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共同决定，与线圈的形状及转轴的位置无关。如图所示的几种情况，若N、B、S、相

12、同，则电动势的最大值相同。3.确定交变电流瞬时值表达式的基本思路：(科学思维)(1)确定正弦交变电流的峰值，根据已知图像读出或由公式Em=nBS求出相应峰值。(2)明确线圈的初始位置，找出对应的函数关系式。如：线圈从中性面位置开始转动，则i-t图像为正弦函数图像，函数式为i=Imsint。线圈从垂直于中性面位置开始转动，则i-t图像为余弦函数图像，函数式为i=Imcost。【典例示范】一矩形线圈，面积是0.05 m2，共100匝，线圈电阻为2 ，外接电阻为R=8 ，线圈在磁感应强度为B= T的匀强磁场中以300 r/min的转速绕垂直于磁感线的轴匀速转动，如图所示，若从中性面开始计时，求：(1

13、)线圈中感应电动势的瞬时值表达式；(2)线圈从开始计时经 s时，线圈中电流的瞬时值；(3)外电路电阻R两端电压的瞬时值表达式。【解析】(1)转速n=300 r/min=5 r/s角速度=2n=10 rad/s电动势的峰值Em=NBS=100 0.0510 V=50 V电动势的瞬时值e=50sin10t(V)(2)当t= s时，线圈中电流的瞬时值i= =5sin10t A，i=5sin(10 ) A=5 A4.3 A(3)电阻R两端电压的瞬时值u=iR=40sin10t(V)答案：(1)e=50sin10t(V)(2)4.3 A(3)u=40sin10t(V)【规律方法】 (1)确定线圈从哪个位

14、置时开始计时，进而确定表达式是正弦还是余弦形式。(2)识记Em=NBS，解题中可直接代入，不必推导。(3)按通式e=Emsint或e=Emcost代入Em及的具体数值。【探究训练】1.如图所示，一半径为r=10 cm的圆形线圈共100匝，在磁感应强度B= T的匀强磁场中，绕垂直于磁场方向的中心轴线OO以n=600 r/min的转速匀速转动，当线圈转至中性面位置(图中位置)时开始计时。(1)写出线圈内所产生的交变电动势的瞬时值表达式。(2)求线圈从图示位置开始在 s时的电动势的瞬时值。【解析】(1)线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴线匀速转动时，线圈内产生正弦式交变电动势，当线圈平面在中性面时

15、开始计时，其表达式为e=Emsint。e=Emsint，Em=NBS(与线圈形状无关)，=2n=20 rad/s，故e=100sin 20t V。(2)当t= s时，e=100sin(20 ) V=50 V86.6 V。答案：(1)e=100sin 20t V(2)86.6 V2.矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的对称轴转动，线圈共100 匝，转速为 r/min，在转动过程中穿过线圈的磁通量的最大值为0.03 Wb，则线圈平面转到与磁感线平行时，感应电动势为多少？当线圈平面与中性面夹角为 时，感应电动势为多少？【解析】由题意知：m=0.03 Wb，=2n=2 rad/s= rad/s。线圈转

16、至与磁感线平行时，感应电动势最大，故Em=NBS=Nm=1000.03 V=1 V，瞬时值表达式e=Emsint=sin t V，当=t= 时，e=sin V= V。答案：1 V V【补偿训练】如图，设磁感应强度为0.01 T，单匝线圈边长AB为20 cm，宽AD为10 cm，转速n为50 r/s，则线圈转动时感应电动势的最大值为()A.110-2 VB.3.1410-2 VC.210-2 VD.6.2810-2 V【解析】选D。感应电动势最大值Em=NBS=NBS2n=10.010.20.1 250 V=6.2810-2 V。【课堂小结】课堂素养达标1.(多选)如图所示，下列方法中能够产生交

17、变电流的是()【解析】选A、C、D。B中的导体棒不切割磁感线，不产生感应电动势，C中的折线与矩形线圈的效果是相同的，D中能产生按余弦规律变化的交变电流。2.如图所示，在水平向右的匀强磁场中，一线框绕垂直于磁感线的轴匀速转动，线框通过电刷、圆环、导线等与定值电阻组成闭合回路。t1、t2时刻线框分别转到图甲、乙所示的位置，下列说法正确的是()A.t1时刻穿过线框的磁通量最大B.t1时刻电阻中的电流最大，方向从右向左C.t2时刻穿过线框的磁通量变化最快D.t2时刻电阻中的电流最大，方向从右向左【解析】选B。t1时刻，穿过线框的磁通量为零，线框产生的感应电动势最大，电阻中的电流最大，根据楞次定律，通过

18、电阻的电流方向从右向左，A错误，B正确；t2时刻，穿过线框的磁通量最大，线框产生的感应电动势为零，电阻中的电流为零，C、D错误。【补偿训练】如图是交流发电机的示意图，图甲到图丁分别表示线圈转动过程中的四个位置，其中甲、丙中的线圈与磁场方向垂直，乙、丁中线圈与磁场方向平行，则在线圈转动的过程中直流电流表有示数的位置是()A.甲、丙B.乙、丁C.甲、乙D.丙、丁【解析】选B。线圈转动中感应电流时刻在变化，位于中性面位置时磁通量最大，但感应电流最小，等于零，位于与中性面垂直位置时，磁通量最小，但感应电流最大，故选B。3.一个矩形线圈在匀强磁场中转动产生的电动势e=200 sin 100t(V)，那么

19、()A.该交变电流的频率是100 HzB.当t=0时，线圈平面恰好与中性面垂直C.当t= s时，e达到峰值D.该交变电流的电动势的有效值为200 V【解析】选C。由交变电流的电动势瞬时值表达式e=nBSsin t可知，交变电流的频率f= Hz=50 Hz，A错误；在t=0时，电动势瞬时值为0，线圈平面恰好在中性面处，B错误；当t= s时，e达到峰值Em=200 V，C正确；该交变电流的电动势的有效值E= =200 V，D错误。【补偿训练】已知交变电流的瞬时值表达式是i=10sin100t A，从t=0到第一次出现最大值的时间是()【解析】选C。从交变电流的瞬时值表达式i=10sin100t A

20、可以看出，该交流电是从中性面开始计时，经过 出现最大值，依据T= 4.(多选)(2019天津高考)单匝闭合矩形线框电阻为R，在匀强磁场中绕与磁感线垂直的轴匀速转动，穿过线框的磁通量与时间t的关系图像如图所示。下列说法正确的是()A. 时刻线框平面与中性面垂直B.线框的感应电动势有效值为 C.线框转一周外力所做的功为 D.从t=0到t= 过程中线框的平均感应电动势为 【解析】选B、C。由图像可知 时刻线圈的磁通量最大，因此此时线圈处于中性面位置，因此A错误；由图可知交流电的周期为T，则= ，交流电的电动势的最大值为Em=nBS=m ，则有效值为E有= ，故B正确；线圈转一周所做的功为转动一周的发热量，W= ，故C正确；从t=0时刻到t= 时刻的平均感应电动势为E= ，D错误。【补偿训练】1.处在匀强磁场中的矩形线圈abcd，以恒定的角速度绕ab边转动，磁场方向平行于纸面并与ab垂直，在t=0时刻，线圈平面与纸面重合(如图所示)，线圈的cd边离开纸面向外运动。若规定由abcda方向的感应电流为正，则能反映线圈中感应