2018版高中物理第3章交变电流3.2交变电流是怎样产生的学案鲁科版选修.docx

第2讲交变电流是怎样产生的目标定位1.认识交流发电机，了解交流发电机的结构.2.理解交变电流产生的原理，知道中性面的概念.3.能用数学表达式和图象描述正弦交变电流的变化规律，知道最大值、有效值和瞬时值之间的关系.4.能用交变电流的变化规律解决实际问题一、交流发电机1发电机主要由线圈(电枢)和磁极两部分组成2磁极固定不动，让电枢在磁极中旋转，使穿过线圈的磁通量发生变化而产生感应电动势，这种发电机称为旋转电枢式发电机反之，称为旋转磁极式发电机二、交变电流的产生原理1典型模型图1想一想如图1所示，当线圈在磁场中绕OO轴转动时，哪些边切割磁感线？线圈转到哪些位置时没有感应电流？答案当线圈在磁场中绕OO轴转动时，AB、CD边切割磁感线产生感应电流线圈转到甲和丙位置时没有感应电流，我们称之为中性面2在线圈连续转动过程中，感应电流的大小和方向都将随时间做周期性变化线圈每经过中性面1次，感应电流的方向就改变1次；线圈每转动1周，感应电流的方向就改变2次三、交变电流的变化规律1正弦式交变电流瞬时值表达式当从中性面开始计时：瞬时电动势：eEmsin_t，瞬时电压：uUmsin_t，瞬时电流：iImsin_t.式中Em、Um、Im分别表示电动势、电压、电流的最大值2交流电的图象(如图2所示)图2想一想正弦式交变电流的图象一定是正弦函数曲线吗？答案不一定，根据计时起点不同，也可能是余弦函数曲线.一、交变电流的产生过程1正弦式交流电的产生如图3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边转动时切割磁感线产生感应电动势图3(1)在图甲中，vB，eABeCD0，e0(2)在图丙中，eABBL1vBL1BS同理eCDBS所以eeABeCDBS(3)在图乙中，eABBL1vsintBL1L2sintBSsint同理eCDBSsint所以eeABeCDBSsint若线圈有n匝，则enBSsint2两个特殊位置(1)中性面(SB位置)线圈平面与磁场垂直的位置，此时最大，为0，e为0，i为0.线圈经过中性面时，电流方向就发生改变，线圈转一圈电流方向改变两次(2)垂直中性面位置(SB位置)为0，为最大，e最大，i最大3正弦式交流电的峰值EmnBS4正弦式交流电的瞬时值表达式eEmsint，uUmsint，iImsint例1矩形线框绕垂直于匀强磁场且在线框平面内的轴匀速转动时产生了交变电流，下列说法正确的是()A当线框位于中性面时，线框中感应电动势最大B当穿过线框的磁通量为零时，线框中的感应电动势也为零C当线框经过中性面时，感应电动势或感应电流的方向就改变一次D线框经过中性面时，各边切割磁感线的速度为零答案CD解析线框位于中性面时，线框平面与磁感线垂直，穿过线框的磁通量最大，但此时切割磁感线的两边的速度与磁感线平行，即不切割磁感线，所以电动势等于零，即此时穿过线框的磁通量的变化率等于零，感应电动势或感应电流的方向在此时刻改变；线框垂直于中性面时，穿过线框的磁通量为零，但切割磁感线的两边都是垂直切割，有效切割速度最大，所以感应电动势最大，即此时穿过线框的磁通量的变化率最大故C、D选项正确针对训练如图4所示为演示交变电流产生的装置图，关于这个实验，正确的说法是()图4A线圈每转动一周，指针左右摆动两次B图示位置为中性面，线圈中无感应电流C图示位置ab边的感应电流方向为abD线圈平面与磁场方向平行时，磁通量变化率为零答案C解析线圈在磁场中匀速转动时，在电路中产生呈周期性变化的交变电流，线圈经过中性面时电流改变方向，线圈每转动一周，有两次通过中性面，电流方向改变两次，指针左右摆动一次线圈处于图示位置时，ab边向右运动，由右手定则，ab边的感应电流方向为ab；线圈平面与磁场方向平行时，ab、cd边垂直切割磁感线，线圈产生的电动势最大，也可以这样认为，线圈处于竖直位置时，磁通量为零，但磁通量的变化率最大。二、对峰值EmnBS和瞬时值eEmsint的理解1对峰值的理解(1)对转轴的要求：在线圈所在平面内且与磁场垂直当线圈平面与磁场平行时，线圈中的感应电动势达到峰值，且满足EmnBS.(2)决定因素：由线圈匝数n、磁感应强度B、转动角速度和线圈面积S决定，与线圈的形状无关，与轴的位置无关如图5所示的几种情况中，如果n、B、S均相同，则感应电动势的峰值均为EmnBS.图52对瞬时值的理解必须明确是从中性面计时，还是从与中性面垂直的位置计时(1)从中性面计时，eEmsint.(2)从与中性面的垂直位置计时，eEmcost.例2如图6所示，匀强磁场磁感应强度B0.1T，所用矩形线圈的匝数N100，边长lab0.2m，lbc0.5m，以角速度100rad/s绕OO轴匀速转动试求：图6(1)交变电动势的峰值；(2)若从线圈平面垂直磁感线时开始计时，线圈中瞬时感应电动势表达式；(3)若从线圈平面平行磁感线时开始计时，求线圈在t时刻的感应电动势大小答案(1)314V(2)e314sin (100t) V(3)157V解析(1)由题可知：Slablbc0.20.5m20.1m2，感应电动势的峰值EmNBS1000.10.1100100V314V.(2)感应电动势的瞬时值eEmsint所以e314sin (100t) V(3)从线圈平面平行磁感线时开始计时，感应电动势的瞬时值表达式为eEmcost，代入数值得e314cos (100t) V当t时，e314cosV157V.三、正弦式交变电流的图象1注意：开始计时时线圈所处的位置不同，得到的图象也不同如图7所示图72从图象中可以解读到以下信息：(1)交变电流的峰值Em、Im和周期T.(2)可确定线圈位于中性面的时刻以及根据电流最大找出线圈平行磁感线的时刻(3)判断线圈中磁通量最小、最大的时刻及磁通量变化率最大、最小时刻(4)分析判断i、e大小和方向随时间的变化规律例3线圈在匀强磁场中匀速转动，产生交流电的图象如图8所示，由图可知()图8A在A和C时刻线圈处于中性面位置B在B和D时刻穿过线圈的磁通量为零C在A时刻到D时刻线圈转过的角度为弧度D在A和C时刻磁通量变化率绝对值最大答案D解析当线圈在匀强磁场中转到位于中性面时，磁通量最大，感应电动势为零，感应电流为零，B、D两时刻线圈位于中性面；当线圈平面与磁感线平行时，磁通量为零、磁通量的变化率最大，感应电动势最大，感应电流最大，A、C时刻线圈平面与磁感线平行，D正确；在A时刻到D时刻线圈转过的角度为弧度故选D.交变电流的产生及规律1当交流发电机的线圈转到线圈平面与中性面重合时，下列说法中正确的是()A电流将改变方向B磁场方向和线圈平面平行C线圈的磁通量最大D线圈产生的感应电动势最大答案AC解析当线圈平面与中性面重合时，磁通量最大，磁通量的变化率为零，感应电动势为零，电流将改变方向故选A、C.正弦式交变电流的图象2一个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象如图9甲所示，则下列说法中正确的是()图9At0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，交变电动势达到最大D该线圈产生的相应交变电动势的图象如图乙所示答案B解析由题图甲可知t0时刻，线圈的磁通量最大，线圈处于中性面，t0.01s时刻，磁通量为零，但变化率最大，所以A项错误，B项正确；t0.02s时，交变电动势应为零，C、D项均错误峰值和瞬时值问题3交流发电机工作时电动势为eEmsint，若将发电机的转速提高一倍，同时将电枢所围面积减小一半，其他条件不变，则其电动势变为()AeEmsinBe2EmsinCeEmsin2tDesin2t答案C解析本题考查交变电压的瞬时值表达式eEmsint，而EmnBS，当加倍而S减半时，Em不变，故正确答案为C.4有一10匝正方形线框，边长为20cm，线框总电阻为1，线框绕OO轴以10rad/s的角速度匀速转动，如图10所示，垂直于线框平面向里的匀强磁场的磁感应强度为0.5T问：图10(1)该线框产生的交变电流电动势最大值、电流最大值分别是多少？(2)线框从图示位置转过60时，感应电动势的瞬时值是多大？答案(1)6.28V6.28A(2)5.44V解析(1)交变电流电动势最大值为EmnBS100.50.2210V6.28V，电流最大值为ImA6.28A.(2)线框从图示位置转过60时，感应电动势eEmsin605.44V.