2018版高中物理 第3章 交變電流 3.2 交變電流是怎樣產(chǎn)生的學案 魯科版選修3-2.docx
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第2講交變電流是怎樣產(chǎn)生的目標定位1.認識交流發(fā)電機,了解交流發(fā)電機的結(jié)構.2.理解交變電流產(chǎn)生的原理,知道中性面的概念.3.能用數(shù)學表達式和圖象描述正弦交變電流的變化規(guī)律,知道最大值、有效值和瞬時值之間的關系.4.能用交變電流的變化規(guī)律解決實際問題一、交流發(fā)電機1發(fā)電機主要由線圈(電樞)和磁極兩部分組成2磁極固定不動,讓電樞在磁極中旋轉(zhuǎn),使穿過線圈的磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生感應電動勢,這種發(fā)電機稱為旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機反之,稱為旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機二、交變電流的產(chǎn)生原理1典型模型圖1想一想如圖1所示,當線圈在磁場中繞OO軸轉(zhuǎn)動時,哪些邊切割磁感線?線圈轉(zhuǎn)到哪些位置時沒有感應電流?答案當線圈在磁場中繞OO軸轉(zhuǎn)動時,AB、CD邊切割磁感線產(chǎn)生感應電流線圈轉(zhuǎn)到甲和丙位置時沒有感應電流,我們稱之為中性面2在線圈連續(xù)轉(zhuǎn)動過程中,感應電流的大小和方向都將隨時間做周期性變化線圈每經(jīng)過中性面1次,感應電流的方向就改變1次;線圈每轉(zhuǎn)動1周,感應電流的方向就改變2次三、交變電流的變化規(guī)律1正弦式交變電流瞬時值表達式當從中性面開始計時:瞬時電動勢:eEmsin_t,瞬時電壓:uUmsin_t,瞬時電流:iImsin_t.式中Em、Um、Im分別表示電動勢、電壓、電流的最大值2交流電的圖象(如圖2所示)圖2想一想正弦式交變電流的圖象一定是正弦函數(shù)曲線嗎?答案不一定,根據(jù)計時起點不同,也可能是余弦函數(shù)曲線.一、交變電流的產(chǎn)生過程1正弦式交流電的產(chǎn)生如圖3所示,是線圈ABCD在勻強磁場中繞軸OO轉(zhuǎn)動時的截面圖線圈從中性面開始轉(zhuǎn)動,角速度為,經(jīng)過時間t轉(zhuǎn)過的角度是t.設AB邊長為L1,BC邊長為L2,磁感應強度為B,AB邊和CD邊轉(zhuǎn)動時切割磁感線產(chǎn)生感應電動勢圖3(1)在圖甲中,vB,eABeCD0,e0(2)在圖丙中,eABBL1vBL1BS同理eCDBS所以eeABeCDBS(3)在圖乙中,eABBL1vsintBL1L2sintBSsint同理eCDBSsint所以eeABeCDBSsint若線圈有n匝,則enBSsint2兩個特殊位置(1)中性面(SB位置)線圈平面與磁場垂直的位置,此時最大,為0,e為0,i為0.線圈經(jīng)過中性面時,電流方向就發(fā)生改變,線圈轉(zhuǎn)一圈電流方向改變兩次(2)垂直中性面位置(SB位置)為0,為最大,e最大,i最大3正弦式交流電的峰值EmnBS4正弦式交流電的瞬時值表達式eEmsint,uUmsint,iImsint例1矩形線框繞垂直于勻強磁場且在線框平面內(nèi)的軸勻速轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生了交變電流,下列說法正確的是()A當線框位于中性面時,線框中感應電動勢最大B當穿過線框的磁通量為零時,線框中的感應電動勢也為零C當線框經(jīng)過中性面時,感應電動勢或感應電流的方向就改變一次D線框經(jīng)過中性面時,各邊切割磁感線的速度為零答案CD解析線框位于中性面時,線框平面與磁感線垂直,穿過線框的磁通量最大,但此時切割磁感線的兩邊的速度與磁感線平行,即不切割磁感線,所以電動勢等于零,即此時穿過線框的磁通量的變化率等于零,感應電動勢或感應電流的方向在此時刻改變;線框垂直于中性面時,穿過線框的磁通量為零,但切割磁感線的兩邊都是垂直切割,有效切割速度最大,所以感應電動勢最大,即此時穿過線框的磁通量的變化率最大故C、D選項正確針對訓練如圖4所示為演示交變電流產(chǎn)生的裝置圖,關于這個實驗,正確的說法是()圖4A線圈每轉(zhuǎn)動一周,指針左右擺動兩次B圖示位置為中性面,線圈中無感應電流C圖示位置ab邊的感應電流方向為abD線圈平面與磁場方向平行時,磁通量變化率為零答案C解析線圈在磁場中勻速轉(zhuǎn)動時,在電路中產(chǎn)生呈周期性變化的交變電流,線圈經(jīng)過中性面時電流改變方向,線圈每轉(zhuǎn)動一周,有兩次通過中性面,電流方向改變兩次,指針左右擺動一次線圈處于圖示位置時,ab邊向右運動,由右手定則,ab邊的感應電流方向為ab;線圈平面與磁場方向平行時,ab、cd邊垂直切割磁感線,線圈產(chǎn)生的電動勢最大,也可以這樣認為,線圈處于豎直位置時,磁通量為零,但磁通量的變化率最大。二、對峰值EmnBS和瞬時值eEmsint的理解1對峰值的理解(1)對轉(zhuǎn)軸的要求:在線圈所在平面內(nèi)且與磁場垂直當線圈平面與磁場平行時,線圈中的感應電動勢達到峰值,且滿足EmnBS.(2)決定因素:由線圈匝數(shù)n、磁感應強度B、轉(zhuǎn)動角速度和線圈面積S決定,與線圈的形狀無關,與軸的位置無關如圖5所示的幾種情況中,如果n、B、S均相同,則感應電動勢的峰值均為EmnBS.圖52對瞬時值的理解必須明確是從中性面計時,還是從與中性面垂直的位置計時(1)從中性面計時,eEmsint.(2)從與中性面的垂直位置計時,eEmcost.例2如圖6所示,勻強磁場磁感應強度B0.1T,所用矩形線圈的匝數(shù)N100,邊長lab0.2m,lbc0.5m,以角速度100rad/s繞OO軸勻速轉(zhuǎn)動試求:圖6(1)交變電動勢的峰值;(2)若從線圈平面垂直磁感線時開始計時,線圈中瞬時感應電動勢表達式;(3)若從線圈平面平行磁感線時開始計時,求線圈在t時刻的感應電動勢大小答案(1)314V(2)e314sin (100t) V(3)157V解析(1)由題可知:Slablbc0.20.5m20.1m2,感應電動勢的峰值EmNBS1000.10.1100100V314V.(2)感應電動勢的瞬時值eEmsint所以e314sin (100t) V(3)從線圈平面平行磁感線時開始計時,感應電動勢的瞬時值表達式為eEmcost,代入數(shù)值得e314cos (100t) V當t時,e314cosV157V.三、正弦式交變電流的圖象1注意:開始計時時線圈所處的位置不同,得到的圖象也不同如圖7所示圖72從圖象中可以解讀到以下信息:(1)交變電流的峰值Em、Im和周期T.(2)可確定線圈位于中性面的時刻以及根據(jù)電流最大找出線圈平行磁感線的時刻(3)判斷線圈中磁通量最小、最大的時刻及磁通量變化率最大、最小時刻(4)分析判斷i、e大小和方向隨時間的變化規(guī)律例3線圈在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動,產(chǎn)生交流電的圖象如圖8所示,由圖可知()圖8A在A和C時刻線圈處于中性面位置B在B和D時刻穿過線圈的磁通量為零C在A時刻到D時刻線圈轉(zhuǎn)過的角度為弧度D在A和C時刻磁通量變化率絕對值最大答案D解析當線圈在勻強磁場中轉(zhuǎn)到位于中性面時,磁通量最大,感應電動勢為零,感應電流為零,B、D兩時刻線圈位于中性面;當線圈平面與磁感線平行時,磁通量為零、磁通量的變化率最大,感應電動勢最大,感應電流最大,A、C時刻線圈平面與磁感線平行,D正確;在A時刻到D時刻線圈轉(zhuǎn)過的角度為弧度故選D.交變電流的產(chǎn)生及規(guī)律1當交流發(fā)電機的線圈轉(zhuǎn)到線圈平面與中性面重合時,下列說法中正確的是()A電流將改變方向B磁場方向和線圈平面平行C線圈的磁通量最大D線圈產(chǎn)生的感應電動勢最大答案AC解析當線圈平面與中性面重合時,磁通量最大,磁通量的變化率為零,感應電動勢為零,電流將改變方向故選A、C.正弦式交變電流的圖象2一個矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁感線的軸勻速轉(zhuǎn)動,穿過線圈的磁通量隨時間變化的圖象如圖9甲所示,則下列說法中正確的是()圖9At0時刻,線圈平面與中性面垂直Bt0.01s時刻,的變化率最大Ct0.02s時刻,交變電動勢達到最大D該線圈產(chǎn)生的相應交變電動勢的圖象如圖乙所示答案B解析由題圖甲可知t0時刻,線圈的磁通量最大,線圈處于中性面,t0.01s時刻,磁通量為零,但變化率最大,所以A項錯誤,B項正確;t0.02s時,交變電動勢應為零,C、D項均錯誤峰值和瞬時值問題3交流發(fā)電機工作時電動勢為eEmsint,若將發(fā)電機的轉(zhuǎn)速提高一倍,同時將電樞所圍面積減小一半,其他條件不變,則其電動勢變?yōu)?)AeEmsinBe2EmsinCeEmsin2tDesin2t答案C解析本題考查交變電壓的瞬時值表達式eEmsint,而EmnBS,當加倍而S減半時,Em不變,故正確答案為C.4有一10匝正方形線框,邊長為20cm,線框總電阻為1,線框繞OO軸以10rad/s的角速度勻速轉(zhuǎn)動,如圖10所示,垂直于線框平面向里的勻強磁場的磁感應強度為0.5T問:圖10(1)該線框產(chǎn)生的交變電流電動勢最大值、電流最大值分別是多少?(2)線框從圖示位置轉(zhuǎn)過60時,感應電動勢的瞬時值是多大?答案(1)6.28V6.28A(2)5.44V解析(1)交變電流電動勢最大值為EmnBS100.50.2210V6.28V,電流最大值為ImA6.28A.(2)線框從圖示位置轉(zhuǎn)過60時,感應電動勢eEmsin605.44V.- 配套講稿:
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