第3章第2节交变电流是怎样产生的.pdf

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1、 第 3 章 第 2 节 交变电流是怎样产生的 第 2 页 第 2 节 交变电流是怎样产生的 学 习 目 标 知 识 脉 络 1.认识交流发电机，了解交流发电机结构 2理解交变电流的产生原理，知道中性面的概念(重点)3掌握交变电流的变化规律，能用数学表达式和图象描述正弦交变电流的变化规律(重点、难点)4理解交变电流的瞬时值和最大值，能正确表示出正弦交变电流的最大值、有效值和瞬时值(重点、难点)交 流 发 电 机 及 交 变 电 流 的 产 生 原 理 先填空 1交流发电机的原理 由法拉第电磁感应定律可知，只要通过闭合导体的磁通量发生变化，就可以产生感应电动势和感应电流 2交流发电机的构造 发电

2、机主要由线圈(电枢)和磁极两部分组成 3交流发电机的种类 两种类型 转子 定子 特点 旋转电枢式 电枢 磁极 电压低，功率小 旋转磁极式 磁极 电枢 电压高，功率大 (1)实验装置 让闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动，感应电流的大小和方向都随时间做周期性变化(2)过程分析 第 3 页 中性面：线圈平面与磁感线垂直的位置叫做中性面 线圈经过中性面时，穿过线圈的磁通量最大，但磁通量的变化率为零，线圈中的感应电动势为零，感应电流为零 线圈经过中性面时，感应电流改变方向，线圈转动一周，两次通过中性面，感应电流方向改变 2 次 再判断 1中性面特点是磁通量最大，但感应电动势为零()2线圈转一

3、周有两次经过中性面，每转一周电流方向改变一次()3只要线圈在磁场中转动就会产生交变电流()后思考 发电机工作过程中能量是如何转化的？【提示】发电机工作时产生的感应电流在磁场中会受到安培力，安培力的作用总是阻碍转子的运动，在这一过程中发电机把机械能转化成了电能 合作探讨 如图 321 所示是交流发电机的示意图，假定线圈沿逆时针方向转动，请思考讨论以下问题：图 321 探讨 1：线圈在由甲转到乙的过程中，AB 边中电流向哪个方向流动？【提示】磁感线的方向由 N 指向 S，当线圈由甲转到乙的过程中，向右穿过线圈 ABCD 的磁通量减少，根据楞次定律和安培定则可判断 AB 中的电流方向为由 B 流向

4、A.探讨 2：线圈在由丙转到丁的过程中，AB 边中电流向哪个方向流动？【提示】磁感线的方向由 N 指向 S，当线圈由丙转到丁的过程中，向右穿过线圈 DABC 的磁通量减少，根据楞次定律和安培定则可判断 AB 中的电流方向为由 A 流向 B.探讨 3：当线圈转到什么位置时线圈中没有电流？【提示】当线圈转到甲和丙位置(中性面位置)时，AB、CD 的速度方向都 第 4 页 与磁感线方向平行，不切割磁感线，故线圈中没有感应电动势，没有感应电流 核心点击 对交变电流产生原理的理解 1.产生原理：由电磁感应定律可知，当闭合回路的部分导体做切割磁感线的运动时，闭合回路中就有感应电流产生当线圈在磁场中转动时，

5、线圈所在的闭合回路中有感应电流产生，可用如图 322 所示的装置做实验，当线圈转动时，可以观察到电流表的指针来回摆动，说明流过电流表的电流大小和方向都在不停地变化 图 322 2产生过程：从中性面开始计时，t0 时，线圈各边都不切割磁感线，线圈中没有感应电动势产生，如图 323 甲所示；t14T 时，ab、cd 两边切割磁感线，产生感应电动势和感应电流，线圈中感应电流方向是 dcba，如图乙所示；t12T 时，图丙同图甲情况；t34T 时，ab、cd 两边切割磁感线，产生感应电动势和感应电流，线圈中感应电流方向是 abcd，如图丁所示；tT 时，图戊同图甲情况 图 323 3两个特殊位置物理量

6、的特点比较 中性面 中性面的垂面 位置 线圈平面与磁场垂直 线圈平面与磁场平行 磁通量 最大 零 磁通量的变化率 零 最大 感应电动势 零 最大 线圈边框切割磁感线的有效速度 零 最大 第 5 页 感应电流 零 最大 电流方向 改变 不变 1(多选)图中哪些情况线圈中产生了交流电()【解析】闭合线圈必须绕垂直于磁场的轴旋转，才能产生交变电流，且 EnBS 对线圈形状无要求，B、C、D 正确【答案】BCD 2(多选)关于中性面，下列说法中正确的是()A线圈在转动中经过中性面位置时，穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率为零 B线圈在转动中经过中性面位置时，穿过线圈的磁通量为零，磁通量的变化率最大

7、C线圈每经过一次中性面，线圈中感应电流的方向就改变一次 D线圈每转动一周，经过中性面一次，所以线圈每转动一周，感应电流的方向就改变一次【解析】中性面是线圈平面与磁感线垂直的位置，线圈经过该位置时，穿过线圈的磁通量最大，各边都不切割磁感线，不产生感应电动势，所以磁通量的变化率为零，A 正确，B 错误；线圈每经过一次中性面，感应电流的方向就改变一次，但线圈每转一周要经过中性面两次，所以每转一周，感应电流的方向要改变两次，C 正确，D 错误【答案】AC 3(多选)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()【导学号：05002066】A当线框位于中性面时，

8、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每当线框经过中性面时，感应电动势或感应电流方向就改变一次 D线框经过中性面时，各边切割磁感线的速度为零 第 6 页【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，但此时线框各边的速度与磁感线平行，即不切割磁感线，所以感应电动势等于零，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也就在此时刻变化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垂直切割磁感线，有效切割速度最大，所以感应电动势最大，也可以说此时穿过线框的磁通量的变化率最大故正确答案为 C、D.【答案】C

9、D 线圈在特殊位置时，各物理量间的关系 线框在中性面时，各物理量有如下关系：磁通量最大磁通量的变化率最小(0)感应电动势最小(0)感应电流最小(0)此位置电流方向将发生改变线框垂直中性面时，所得结论与上述相反 交 变 电 流 的 变 化 规 律 先填空 1规律 eEmsin_t(条件：从中性面开始计时)(其中：Em2nBlv)iIm_sin_t(其中：ImEmRr)uUm_sin_t(其中：UmImR)2正弦交变电流的图象如图 324 所示 图 324 再判断 1线圈只要在匀强磁场中匀速转动就能产生正弦式交变电流()2交变电流的瞬时值表达式与开始计时的位置无关()3交流电的电动势的瞬时值表达式

10、为 eEmsin t 时，穿过线圈磁通量的瞬时值表达式 mcos t.()后思考 第 7 页 1正弦式交变电流的图象一定是正弦函数曲线吗？【提示】不一定，根据计时起点不同，也可能是余弦函数曲线 2当从与中性面垂直的位置计时，瞬时值的表达式如何表示？【提示】eEm cos t.合作探讨 如图 325 所示是线圈 ABCD 在磁场中绕轴 OO转动时的截面图 线圈平面从中性面开始转动，角速度为.经过时间 t，线圈转过的角度是 t，AB 边的线速度 v 的方向跟磁感线方向间的夹角也等于 t.设 AB 边长为 L1，BC 边长为 L2，线圈面积 SL1L2，磁感应强度为 B，则：图 325 探讨 1：甲

11、、乙中 AB 边产生的感应电动势各为多大？【提示】甲：eAB0.乙：eABBL1vBL1L2212BL1L212BS 探讨 2：甲、乙中整个线圈中的感应电动势各为多大？【提示】整个线圈中的感应电动势由 AB 和 CD 两部分组成，且 eABeCD，所以甲：e0 乙：eBS.核心点击 1交变电流的数学表达式 据图 326 可知，ab 和 cd 边产生的感应电动势均为 Blvsin t，此时整个线圈的感应电动势为 e2Blvsin t 或 eEmsin t.图 326(1)Em2Blv 为最大值，也叫电动势的峰值(2)eEm sin t，交变电流按正弦规律变化，这种电流叫正弦式交变电流简称正弦式电

12、流 2对交变电流图象的认识 由 eEm sin t、uUm sin t、iIm sin t 可知 et、ut，it 图线应该是正弦曲线，如图 327 所示，其中 Em、Um、Im分别表示电动势、电压、电 第 8 页 流的最大值，表示线圈匀速转动的角速度，因 v12ad，所以 Em2BL12adBS，S 为线圈面积 图 327(1)图象的物理意义：反映了交变电流的电流(电压)随时间变化的规律(2)根据图象可直接读出正弦式交变电流的峰值和周期(3)根据线圈位于中性面时感应电动势、感应电流为零，可确定线圈位于中性面的时刻，亦为穿过线圈的磁通量最大的时刻和磁通量变化率为零的时刻(4)根据线圈平面与中性

13、面垂直时感应电动势、感应电流最大，可确定线圈与中性面垂直的时刻，亦为穿过线圈的磁通量为零的时刻和磁通量变化率最大的时刻 3用图象描述交变电流的变化规律(从中性面开始计时)函数 图象 说明 磁通量 m cos t BS cos t S 为线圈的面积，N 为线圈的匝数，r 为线圈的电阻(内阻)，R为外电阻 感应电动势 eEm sin NBS sin t t 导体两端电压 uUm sin t REmRr sin t 感应电流 iIm sin t EmRr sin t 4.交变电流的瞬时值、最大值、有效值和平均值的区别与联系 4(多选)图 328 是某种正弦式交变电压的波形图，由图可确定该电压的()A

14、周期是 0.01 s B最大值是 311 V 第 9 页 C有效值是 220 V D表达式为 u220sin 100t V 图 328【解析】由图象知，该交变电压的周期为 0.02 s，最大值为 311 V，而有效值 UUm23112 V220 V，A 错，B、C 正确正弦交变电压的瞬时值表达式 uUmsin t311sin 20.02t V311sin 100t V，D 错误【答案】BC 5有一 10 匝正方形线框，边长为 20 cm，线框总电阻为 1，线框绕 OO轴以 10 rad/s 的角速度匀速转动，如图 329 所示，垂直于线框平面向里的匀强磁场的磁感应强度为 0.5 T问：图 32

15、9(1)该线框产生的交变电流的电动势最大值、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？(3)写出感应电动势随时间变化的表达式.【导学号：05002067】【解析】(1)交变电流的电动势最大值为 Em2nBLvn2BLL/2nBS10210V6.28 V，电流的最大值为 ImEm/R6.28 A.(2)线框转过 60时，感应电动势 eEm sin 605.44 V.(3)由于线框转动是从中性面开始计时的，所以瞬时表达式为 eEm sin t6.28 sin 10tV.【答案】(1)6.28 V 6.28 A(2)5.44 V(3)e6.28 sin 10tV 1磁通量按余弦规律变化时，感应电流按正弦规律变化：最小时，i 最大；最大时，i 最小；增大时，i 减小；减小时，i 增大 第 10 页 2求交变电流瞬时值的方法：(1)确定线圈转动从哪个位置开始计时(2)确定表达式是正弦函数还是余弦函数(3)确定转动的角速度 2n(n 的单位为转/秒)、峰值 EmNBS.(4)写出瞬时值表达式，代入角速度确定瞬时值