高中物理 交变电流课件 新人教版选修1-11

一 、 交 变 电 流 穿 过 闭 合 电 路 的 磁 通 量 发 生 变 化 时 ， 产生 感 应 电 流 ， 而 磁 通 量 变 化 的 方 式 不 同 ， 产生 的 感 应 电 流 也 不 同 ， 感 应 电 流 可 以 是 恒 定的 ， 可 以 是 变 化 的 ， 可 以 是 周 期 性 变 化 的 ，本 节 我 们 将 研 究 一 种 十 分 重 要 的 周 期 性 变 化的 电 流 正 弦 式 交 变 电 流 直 流 电 :电 流 方 向 不 随 时 间 而 改 变 一 、 交 变 电 流 的 产 生按 下 图 所 示 进 行 实 验 演 示 实 验 现 象 ： 缓 慢 转 动 线 圈 时 ， 电 流 计 指 针 在 左 右摇 动 ， 线 圈 每 转 一 周 ， 指 针 左 右 摆 动 一 次 1 交 变 电 流 ： 大 小 和 方 向 都 随 时 间 作 周 期 变 化的 电 流 ， 叫 做 交 变 电 流 ， 简 称 交 流 2 闭 合 的 线 圈 在 匀 强 磁 场 中 绕 垂 直 于 磁 场 的 轴匀 速 转 动 时 ， 产 生 交 流 ， 但 这 不 是 产 生 交 流 的惟 一 方 式 设 正 方 形 线 圈 的 边 长 为 L， 在 匀 强 磁 场 B中 绕 垂直 于 磁 场 的 对 称 轴 以 角 速 度 匀 速 转 动 ， 如 图 所示 ， ab和 cd边 垂 直 于 纸 面 ， 转 轴 为 O1、 线 圈 转 动 一 周 ， 电 流 方 向 改 变 多 少 次 ？2、 线 圈 转 到 什 么 位 置 时 磁 通 量 最 大 ？ 这 时感 应 电 动 势 是 最 大 还 是 最 小 ？3、 线 圈 转 到 什 么 位 置 时 磁 通 量 最 小 ？ 这 时感 应 电 动 势 是 最 大 还 是 最 小 ？看 动 画 回 答 问 题 ： 为 了 能 更 方 便 地 说 明 问 题 ， 我 们 将 立 体 图 转 化为 平 面 图 来 分 析 . B S， 最 大 ， 各 边 不 切 割 磁 感 应 线 ， 无 感 应 电 流 中 性 面(甲 ) B S， 最 大 ， 各 边 不 切 割 磁 感 应 线 ， 无 感 应 电 流 中 性 面E=0 , I=0， 有 最 大 值 B S， =0，a（ b） d（ c） 垂 直 切 割 ， 感 应 电 流 最 大B S， =0，a（ b） d（ c） 垂 直 切 割 ， E最 大 ,感 应 电 流 最 大 ,电 流方 向 a b(乙 ) B S， 最 大 ， 各 边 不 切 割 磁 感 应 线 ， 无 感 应 电 流 中 性 面B S， 最 大 ， 各 边 不 切 割 磁 感 应 线 ， 无 感 应 电 流 中 性 面 (丙 )E=0 , I=0， 有 最 大 值 B S， =0， 垂 直 切 割 ， 感 应 电 流 最 大B S， =0， 垂 直 切 割 ， E最 大 ,感 应 电 流 最 大 ,电 流方 向 ba 特 点 ： a. 磁 通 量 为 0 b. E最 大 ， 磁 通 量 的 变 化 率 /t最 大 返 回（ 1） （ 甲 ） （ 丙 ） 中 性 面 （ 线 圈 与 磁 感 线 垂 直 的 平 面 ）（ 2） （ 乙 ） （ 丁 ） 最 大 值 面 （ 线 圈 垂 直 中 性 面 ）a. 磁 通 量 最 大b. E 0， 磁 通 量 的 变 化 率 /t为 零c. 当 线 圈 转 至 中 性 面 时 ， 电 流 方 向 发 生 改 变d. 线 圈 转 动 一 周 电 流 方 向 改 变 两 次 以 线 圈 经 过 中 性 面 开 始 计 时 ， 在 时 刻 t线 圈 中的 感 应 电 动 势 （ ab和 cd边 切 割 磁 感 线 ）tBLve sin221v tLBe sin2所 以 2LBEm 令 则 有 tEe m sine为 电 动 势 在 时 刻 t的 瞬 时 值 ，Em为 电 动 势 的 最 大 值 =B S 二 、 交 变 电 流 的 变 化 规 律Em NBS 设 线 圈 平 面 从 中 性 面 开始 转 动 ， 角 速 度 是 经过 时 间 t， 线 圈 转 过 的 角度 是 t， cd边 的 线 速 度 v的 方 向 跟 磁 感 线 方 向 间 的夹 角 也 等 于 t ab、 cd宽 L1， ad、 bc长 L2 ， 磁感 应 强 度 是 B.cd边 中 的 感 应 电 动 势 就 是ab 边 中 的 感 应 电 动 势 跟 cd边 中 的 大 小 相 同 ，而 且 两 边 又 是 串 联 的所 以 ， 这 一 瞬 间 整 个 线 圈 感 应 电 动 势 t BL 1L2tL2BL1BL1V ecd sin21sin2 成 立 条 件 ： 转 轴 垂 直 匀 强 磁 场 ， 经 中 性 面时 开 始 计 时 （ 1） 电 动 势 按 正 弦 规 律 变 化 tEe m sin（ 2） 电 流 按 正 弦 规 律 变 化 tIi m sin（ 3） 电 路 上 的 电 压 按 正 弦 规 律 变 化 tUu m sin 电 流 通 过 R时 ： tIi m sin .RIUiRu mm ， 2、 交 变 电 流 的 变 化 规 律e=nBssint=Emsint(从 中 性 面 开 始 计 时 )e=nBscost=Emcost(从 B S开 始 计 时 )i=(nBs/R)sint=Imsint(从 中 性 面 开 始 计 时 )i=(nBs/R)cost=Imcost(从 从 B S开 始 计 时 )u=Umsint(从 中 性 面 开 始 计 时 )u=Umcost(从 从 B S开 始 计 时 )(1)感 应 电 动 势 :(2)感 应 电 流 :(3)外 电 路 电 阻 两 端 的 电 压 : 1.建 立 交 流 电 的 瞬 时 方 程 必 须 首 先 确 定 Em、 ，同 时 注 意 起 始 位 置 （ 是 从 中 性 面 开 始 是 正 弦 曲线 ， e=Emsint;从 垂 直 中 性 面 开 始 是 余 弦 曲 线 ，e=Emcost） .2.由 Em=N2BL1v=NBL1L2=NBS=Nm可知 ， 峰 值 Em与 线 圈 的 面 积 有 关 。 而 与 垂 直 于 磁场 方 向 的 转 动 轴 的 位 置 无 关 ， 与 线 圈 的 形 状 也无 关 。3.转 速 对 交 变 电 流 的 影 响 ： 由 e=NBSsint可知 ， 当 转 速 增 大 时 ， 角 速 度 也 增 大 ， 使 得 感 应电 动 势 随 之 增 大 ， 同 时 交 变 电 流 的 变 化 也 加 快 。 交 流 电 的 图 像 a bcdKL AB a bcdK L ABa b cdkL AB a b cdkL ABa bcdkL AB 3、 交 变 电 流 的 种 类(1)正 弦 交 流 电(2)示 波 器 中 的 锯 齿 波 扫 描 电 压(3)电 子 计 算 机 中 的 矩 形 脉 冲(4)激 光 通 信 中 的 尖 脉 冲 完 整 地 看 交 流 电 产 生 交 流 发 电 机 发 电 机 的 基 本 组 成 ? 发 电 机 的 基 本 种 类 ? 交 流 发 电 机 简 介 （ 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 总 结 ： 1.交 变 电 流 ： 大 小 和 方 向 都 随 时 间 作 周 期 性 变 化 的 电 流 。 2.交 变 电 流 的 变 化 规 律 ： 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 。 大 小 变 化 规 律 -按 正 弦 规 律 变 化 ： e=E msint Em=NBS叫 电 动 势 的 最 大 值 i=Imsint Im=Em/R叫 电 流 的 最 大 值 u=Umsint Um=ImR叫 电 压 的 最 大 值 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 。 tiA B C DA B DA 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 ：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 的 绝 对 值 都为 最 大 。 答 案 ： D 3. 交 流 发 电 机 工 作 时 的 电 动 势 的 变 化 规 律 为 e=EmSint， 如 果 转 子 的 转 速 n提 高 一 倍 ， 其 它 条 件 不变 ， 则 电 动 势 的 变 化 规 律 将 变 化 为 ：A。 e=EmSin2t B. e=2EmSin2t C. e=2EmSin4t D. e=2EmSint 答案 B 、 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 线 圈 电 阻 为 ， 则 感 应 电 流 的 瞬 时值 为 0Em -Em t 5.影 响 产 生 感 应 电 动 势 大 小 的 因 素 可 能 是（ ）A.线 圈 的 面 积 B.线 圈 的 转 速C.磁 场 强 弱 D.线 圈 电 阻ABC 6. 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 是 100 rad/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=311Sin100 t(V) （ 2） I=3.11Sin（ 100 1/120） =3.11 1/2=1.55（ A）（ 3） E m=311V E=N / t=2NBS / 198V（ 4） / t=311/N（ Wb/s） 7、 手 摇 发 电 机 转 动 时 ， 小 灯 泡 为 何 一 闪 一 闪 的 呢 ？ 分 析 ： （ 1） 灯 泡 发 光 需 要 一 定 的 电 压 ， 只 有 大 于 该 值时 ， 才 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 。 8.放 置 在 水 平 面 上 彼 此 平 行 的 导 轨 与 电 阻 R相 连 ， 如 图所 示 ， 匀 强 磁 场 的 磁 感 应 强 度 为 B， 与 导 轨 平 面 垂直 一 根 长 度 为 l (等 于 平 行 导 轨 间 距 )的 金 属 棒 电 阻 为 r，放 置 在 导 轨 上 ， 当 金 属 棒 在 AA 和 BB 之 间 做 简 谐 运动 时 ， 速 度 随 时 间 的 变 化 规 律 是 v=v0cost 试 求 ： (1)通 过 电 阻 R的 电 流 和 它 两 端 的 电 压 (2)说 明 通 过 R的 电 流 在 什 么 时 刻 改 变 方 向 ?在 什 么时 刻 变 化 率 最 大 ? 思 路 分 析 ： 本 题 考 查 做 简 谐 运 动 的 物 体 切 割 磁 感 线产 生 的 交 流 电 既 然 是 切 割 磁 感 线 的 运 动 ， 根 据 E Blv即 可 求 得感 应 电 动 势 ， 要 注 意 v应 代 入 瞬 时 值 求 得 瞬 时 感 应 电动 势 导 体 棒 速 度 为 零 时 ， 瞬 时 电 动 势 为 零 ， 就 在 此时 改 变 速 度 方 向 ， 也 同 时 改 变 电 流 方 向 解 析 :(1)因 为 导 体 棒 做 简 谐 运 动 ， 必 定 在 AA 和 BB中 间 的 OO 速 度 最 大 ， 此 时 刻 便 是 v=v0cost的 计 时起 点 导 体 棒 产 生 的 感 应 电 动 势 0 cosBlv Ru iR tR r 0cose Blv Blv t 通 过 电 阻 R的 电 流 0 cosBlvei tR r R r R两 端 的 电 压 0 cosBlv Ru iR tR r (2)导 体 运 动 方 向 发 生 变 化 ， 即 导 体 棒 在 AA 、 BB 位置 时 电 流 的 方 向 发 生 变 化 ， 此 时 刻 导 体 棒 的 速 度 为 零 ，瞬 时 电 动 势 和 电 流 都 为 零 ， 电 流 的 变 化 率 等 最 大 拓 展 延 伸 ： 产 生 正 弦 交 流 电 不 一 定 是 矩 形 线 圈 在 匀 强磁 场 中 绕 垂 直 于 磁 场 方 向 的 轴 匀 速 转 动 才 能 产 生 本题 金 属 棒 在 导 轨 上 作 简 谐 运 动 切 割 磁 感 线 ， 也 能 产 生正 弦 式 交 流 电 即 使 是 线 圈 转 动 ， 也 不 一 定 是 矩 形 线圈 ， 也 不 一 定 绕 线 圈 的 对 称 轴 只 要 是 绕 垂 直 于 磁 场方 向 的 轴 ， 无 论 什 么 形 状 的 闭 合 线 圈 ， 产 生 的 感 应 电流 仍 是 正 弦 式 交 流 电