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17.3 发电机发电的原理
第十七章 电动机与发电机
逐点
导讲练
课堂小结
作业提升
课时讲解
1
课时流程
2
认识发电机
电磁感应现象
发电机的工作原理
知识点
认识发电机
知1－讲
1
1. 提出问题
如图1所示，是一台手摇发电机，它主要
由哪几部分构成？手摇发电机产生的电流
方向是否变化？发电机的转速对小灯泡的
亮度有影响吗？
知1－讲
2. 实验与观察
实验操作 现象 结论
将手摇发电机、小灯泡、开关、导线连成电路，闭合开关，摇动发电机 小灯泡发光 灯泡发光是因为电路中有电流。说明摇动发电机产生了电流
用不同速度摇动 转轮 灯泡的亮度在变化，转速大时，灯泡亮些，转速小时，灯泡暗些 手摇发电机产生的电流与发电机的转速有关
知1－讲
3. 观察讨论交流
(1)将发电机模型拆开，观察发电机的内部结构，类比电动机模型，说出各部件的名称。发电机的主要部件有磁体和线圈。
(2)实际的交流发电机结构比较复杂，但主要是由转子(转动部分)和定子(固定部分)两部分组成。
(3)实际用的发电机的转子是由水轮机、汽轮机或内燃机来带动的。
知1－讲
方法点拨
类比法：将发电机内部结构与电动机类比，利用已学电动机“磁体+线圈”的结构认知，迁移理解发电机部件，简化新知识学习，体现知识迁移构建的思维。
知1－练
课堂上老师把手摇发电机跟一个小灯泡连接起来，如图2所示。用手摇动发电机，小灯泡亮了。在发电机处是______能转化为电能；在小灯泡处是电能转化为______能。
例 1
机械
光
知1－练
解题秘方：根据能量转化的方向来判断手摇发电机和小灯泡的能量转化问题。
解析：用手摇动手柄，带动发电机发电，此过程中，消耗了机械能，获得了电能，主要的能量转化情况是机械能转化为电能。小灯泡发光，是将电能转化为光能。
知1－练
1. 小荣把手摇发电机跟灯泡连接起来，使线圈在磁场中转动，可以看到灯泡发光。用不同的速度摇动发电机的转轮，发现灯泡的亮度随之变化。请你根据实验现象，提出一个可以探究的科学问题：
_____________________________
____________________________。
发电机产生电流的大小与转轮的转速有何关系
知2－讲
知识点
电磁感应现象
2
1. 发电机跟电动机类似，主要部件也是两个：线圈和磁体。仿照对电动机的研究，对线圈和磁体进行如下简化，用实验来探究发电机产生电流的条件。
知2－讲
方法点拨
简化法是物理探究中化繁为简、聚焦本质的核心方法。面对复杂的研究对象(如发电机)，通过“拆解关键部件、替换简化器材”，剔除次要干扰，凸显核心逻辑，高效地触及本质规律。
知2－讲
2. 探究感应电流的产生
(1)探究怎样产生感应电流
实验序号 图示 实验操作 现象 说明
1 闭合开关， 导体棒保持静止 灵敏电流计指针没有发生 偏转 导体棒静止，没有切割磁 感线
知2－讲
续表
实验序号 图示 实验操作 现象 说明
2 断开开关， 导体棒左右运动 灵敏电流计指针没有发生 偏转 导体棒左右运动，切割磁感线，但开关断开，
所以不能产生电流
知2－讲
续表
实验序号 图示 实验操作 现象 说明
3 闭合开关， 导体棒左右运动 灵敏电流计指针发生偏转 开关闭合，
导体棒左右运动，切割磁 感线
知2－讲
续表
实验序号 图示 实验操作 现象 说明
4 闭合开关， 导体棒上下运动 灵敏电流计指针没有发生 偏转 开关闭合，
导体棒上下运动，不切割磁感线
知2－讲
续表
实验序号 图示 实验操作 现象 说明
5 闭合开关， 导体棒斜向右上下运动 灵敏电流计指针发生偏转 开关闭合，
导体棒斜向右上下运动，切割磁感线
知2－讲
续表
实验序号 图示 实验操作 现象 说明
6 闭合开关， 导体棒斜向左上下运动 灵敏电流计指针发生偏转 开关闭合，
导体棒斜向左上下运动，切割磁感线
知2－讲
续表
探 究 分 析 (1)我们把实验序号 2、3、5、6 中导体的运动称为切割磁感线运动。显然实验序号1、4 中导体没有做切割磁感线运动
(2)比较序号2、3 的实验可知，导体做切割磁感线运动的过程中，电路必须是闭合的，才能产生感应电流
导体运动方向与磁感线方向平行时不切割磁感线。
知2－讲
方法点拨
类比法：把磁感线当成麦子，运动的导体当成镰刀，导体切割磁感线比作“镰刀割麦子”(如图3)。事实上磁感线是切不断的。
知2－讲
深度理解
由运动的相对性可知，导体棒不动，让磁体运动，也能产生切割磁感线的效果，也能产生感应电流。
知2－讲
(2)探究感应电流的方向与哪些因素有关
装置图 磁体摆 放方向 ab运动方向 电流计指针偏转情况
1 N极 在上 水平向左运动 向右偏转
2 水平向右运动 向左偏转
3 N极 在下 水平向左运动 向左偏转
4 水平向右运动 向右偏转
知2－讲
续表
探究分析 (1)比较序号1和2(或3和4)的实验可知，当磁场方向不变时，导体做切割磁感线运动的方向相反，感应电流的方向相反，说明感应电流的方向与导体切割磁感线运动的方向有关
(2)比较序号1和3(或2和4)的实验可知，当导体切割磁感线运动方向相同时，调换磁体的N、S极，即改变磁场方向时，感应电流的方向改变，说明感应电流的方向与磁场方向有关
知2－讲
结论：闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流。电流的方向与磁场方向和导体运动方向有关。这就是电磁感应现象。电磁感应现象中产生的电流，叫做感应电流。
3. 电磁感应现象中的能量转化 机械能转化为电能。
知2－讲
知识拓展
利用右手定则判断感应电流的方向:
伸开右手，使拇指跟其余四个并拢的手指垂直并且跟手掌在一个平面内，把右手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，拇指指向导体运动方向，则其余四指的指向就是感应电流的方向。
知2－讲
4. 电磁感应现象发现的意义
(1)理论上，揭示磁生电，完善电磁学体系，为麦克斯韦电磁理论奠定基础，推动对场、能量转化的研究。
(2)实践中，促成发电机发明，让电能大规模应用成为可能，使人类从“蒸汽时代” 迈入“电气时代”，引发能源革命，重塑生产生活，为现代电气化发展奠定基础。
是法拉第于1831 年发现的。
知2－练
如图5所示是“探究感应电流产生的条件”实验装置：
例 2
知2－练
解题秘方：理解感应电流产生的条件(闭合电路、部分导体、切割磁感线运动)、能量转化(机械能→电能)、影响感应电流方向的因素(导体运动方向、磁场方向)是解题的关键。
知2－练
(1)我们可以通过灵敏电流计______________来判断电路中是否有感应电流产生。
解析：电路中是否有感应电流产生不易观察，实验中可以通过观察灵敏电流计指针是否偏转来判断是否有感应电流产生，采用了转换法。
指针是否偏转
知2－练
(2)闭合开关，根据实验现象，初步得出电路中产生感应电流的条件是闭合电路的一部分导体在磁场中做_______运动。在该运动过程中，主要将机械能转化为_____能。
切割磁感线
电
知2－练
解析：闭合开关，导体左右运动，即做切割磁感线运动时，灵敏电流计的指针发生偏转，说明有感应电流产生；导体上下运动，即没有做切割磁感线运动时，灵敏电流计的指针不发生偏转，说明没有感应电流产生，故得出结论：产生感应电流的条件是闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动。导体在切割磁感线时有感应电流产生，该过程中机械能转化为电能。
知2－练
(3)保持AB棒运动方向不变，仅将磁体N、S极对调，重复上述实验，则要探究的问题是______________________
___________。
解析：保持AB棒运动方向不变，仅将磁体N、S极对调，探究的是感应电流的方向与磁场方向的关系。
感应电流的方向与磁场
方向的关系
知2－练
2. 在探究“怎样产生感应电流”实验中，小明利用如图所示的实验装置操作，并观察记录了现象。
(1)图中a、b两接线柱间应接入_____(填“大”或“小”)量程的电流表。
(2)小明为了使实验效果更明显，图中的
导体棒最好选用______(填“铁棒”
成“铝棒”)。
小
铝棒
知2－练
(3)小明根据观察到的现象可得出产生感应电流的条件是______电路的一部分导体，在磁场中做_____________运动。
(4)闭合开关，导体棒在磁场中水平向右运动，电路中有感应电流产生； 若要使产生的感应电流方向相反，可以采取的具体措施有_______________________________
______(写出一条即可)。
闭合
切割磁感线
保持磁体不动，使导体棒水平向左
运动
知3－讲
知识点
发电机的工作原理
3
1. 发电机的工作原理 利用电磁感应现象来工作。
2. 发电机的能量转化 机械能转化为电能。
3. 发电机的结构
知3－讲
4. 交流发电机的工作过程
交流发电机线圈abcd逆时针旋转一周时，线圈平面从和磁感线平行→和磁感线垂直→和磁感线平行→和磁感线垂直，感应电流方向和大小的变化情况：
知3－讲
线圈 平面 和磁 感线 平行 ab边向 ab边切割磁感线运动 下运动 ab边感应电流方向： 从a到b(向外) cd边向 cd边切割磁感线运动 上运动 cd边感应电流方向： 从c到d(向里) 电流
方向：
abcd，
电流
最大
知3－讲
线圈 平面 和磁 感线 垂直 ab边向 ab边不切割磁感线运动 右运动 ab边无感应电流 cd边向 cd边不切割磁感线运动 左运动 cd边无感应电流 无感
应电
流
知3－讲
线圈 平面 和磁 感线 平行 ab边向 ab边切割磁感线运动 上运动 ab边感应电流方向： 从b到a(向里) cd边向 cd边切割磁感线运动 下运动 cd边感应电流方向： 从d到c(向外) 电流
方向：
dcba，
电流
最大
知3－讲
线圈 平面 和磁 感线 垂直 ab边水平 ab边不切割磁感线运动 向左运动 ab边无感应电流 cd边水平 cd边不切割磁感线运动 向右运动 cd边无感应电流 无感
应电
流
综合上面的工作过程可知，交流发电机工作时，线圈中产生的电流是方向和大小周期性变化的交流电。
知3－讲
方法点拨
列表对比法：交流发电机和直流电动机的区别。
内容 交流发电机 直流电动机
工作原理 电磁感应现象 利用通电导体在磁场中受力转动的原理制成
构造 与电刷接触的是两个铜环 与电刷接触的是换向器
能量转化 机械能转化为电能 电能转化为机械能
在电路中的作用 电源 用电器
区分关键 有无电源
知3－讲
知识链接
交流电及其频率：
周期性改变方向和大小的电流叫交变电流，简称交流电。对于交流电，电流在每秒内周期性变化的次数叫频率，其单位是赫兹，符号为Hz。我国家庭电网以交流电供电，频率为50 Hz，即每秒电流的方向改变100次。
知3－讲
5. 发电机是由水轮机(利用水流能量)、汽轮机(借助蒸汽能量)或内燃机(通过燃料燃烧内能转化)等带动转子转动的，所产生的感应电流通常都是交变电流(交流电)，且电压较高。
知3－练
如图7所示是发电机线圈在磁场中转动一圈的过程中经过的四个位置，电路中有感应电流的是( )
A. 甲和乙 B. 丙和丁 C.甲和丙 D. 乙和丁
例 3
知3－练
解题秘方：
知3－练
解析：由图可知，乙、丁中线圈虽与磁场方向平行，但线圈的转动方向与磁场方向垂直，线圈做切割磁感线运动，故电路中有感应电流产生；而甲、丙中的线圈虽与磁场方向垂直，但线圈的转动方向与磁场方向平行，线圈不切割磁感线，因此没有感应电流产生，故D正确，A、B、C错误。
答案：D
知3－练
3. 如图所示，发电机的线圈从水平位置开始
转动，下列说法正确的是( )
A. 线圈转到图示位置时不能产生感应电流
B. 线圈转到图示位置，cd边不受磁场力作用
C. 线圈从图示位置转过180°后ab边电流方向不变
D. 线圈从图示位置转过90°瞬间线圈中没有电流
D
发电机发电的原理
发
电
机
定子
转子
主要
构造
机械能
→电能
能量
转化
电磁
感应
产生
条件
闭合电路
部分导体
做切割磁感线运动
电流
方向
与导体运动方向
有关
与磁场的方向有关

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