资源简介

3.1交变电流
【教材分析】
本节内容承接前面学习过的法拉第定律的内容。交变电流在生产生活中扮演着十分重要的角色。而正弦式电流又是最简单和最基本的，它的产生原理是在电磁感应的基础上进一步提升的。本节知识是全章的理论基础，由于与直流电不同，会出现许多新的名词来描述它。本节通过实验来分析交变电流的产生过程。
【教学目标与核心素养】
物理观念∶知道交流电产生过程、以及交流电的瞬时值的表达式并能够解决相关问题。
科学思维∶通过交变电流瞬时值的推导，体会物理模型建立在物理规律形成中的作用。
科学探究：通过对交变电流产生过程及变化规律的探究，尝试用科学探究及数学分析的方法研究物理问题，认识数学工具在物理学中的应用。
科学态度与责任∶有将物理知识应用于生活和生产实践的意识，勇于探索日常生活有关的物理问题。
【教学重难点】
教学重点：对产生交变电流的物理过程的分析。
教学难点：交变电流的变化规律及应用。
【教学准备】
多媒体课件、示教发电机模型。
【教学过程】
公路旁、旷野上，坚实的钢架托着、吊着粗大的金属线，仿佛由天际而来，向天际而去……
这些由发电厂、变电站而来的输电线，将电能输送到乡村、工厂，输送到千家万户。电，每时每刻都在为人类作着巨大的贡献。
（动图展示发电厂发电过程）来自发电厂的电有什么特性 我们怎样才能更好地利用它 这一章我们就来学习与此相关的内容。
一、新课引入
实验演示：用示波器或电压传感器先观察电池供给的电压的波形，再观察学生电源交流挡供给的电压的波形。这两种波形各有什么特点
二、新课教学
（一）交变电流
如图所示，在显示屏上显示的电压（或电流）随时间变化的图像，在电工技术和电子技术中常常叫作波形图。
通过刚才的演示实验我们可以看到，电池的电压并不随时间变化，它是一条平行于t轴的直线。而学生电源交流档的电压呈现出波浪线型，大小和方向是不断变化的，有一定的周期性。
①交流电：方向随时间周期性变化的电流。
简称交流电或交流用AC表示，其中最常见的是咱们家里用的交流电。它的电流随时间变化的图像是这样波浪线，图中t轴上方表示电流方向为正向，而t轴下方表示电流方向为负向，所以电流的方向每隔一段时间就会发生变化。跟交流电相对，方向不随时间变化的电流叫做直流电。
②直流电：方向不随时间变化。
直流电中按照电路大小是否变化又可以分为两类，一类是大小不随时间变化的电流，图像是平行于t轴的一条直线，这就是之前学过的恒定电流。另一类是大小会随时间变化的电流。
③交流电和直流电的转化
电池供给的电流方向不随时间变化，所以属于直流。交变电流经过电子电路的处理，也能变成直流，学校实验室的学生电源就有这种功能。日常使用的各种充电器能把交变电流变成低压直流。
可以再通过一个更直观的演示实验来证明交流电的方向在不断变化。
演示：观察交变电流的方向
把两个发光颜色不同的发光二极管"并联，注意使两者正、负极的方向不同，然后连接到教学用发电机的两端。转动手柄，两个磁极之间的线圈随着转动。观察发光二极管的发光情况。
实验现象说明了什么
现象：两个二极管会交替发光。
分析：手摇式发电机可以产生交流电，发光二极管具有单向导电性，当电流从上往下流时，右侧侧二极管发光。当电流从下往上流时，左侧二极管发光。实验开始后，不停转动发电机把手，两个二极管会交替发光，这就说明发电机产生的交流电电流方向确实在不断变化。
（二）交变电流的产生
教学用的交流发电机，放大来看其实就是一个线圈在磁场中旋转。那么他为什么能产生交流电呢？
1.发电机的结构
得从发电机的结构说起，为了便于观察，图中只画出了其中的一匝线圈。线圈AB、CD在磁场中逆时针旋转，磁场方向水平向右。线圈旋转到现在的位置时，从正前方去观察这个线圈儿，那么只能看到这个线圈的AD边。画出它们的速度方向，可以看到在线圈儿旋转过程中只有AB和CD边在做切割磁感线的运动，而BC和AD边总是沿磁场方向运动。E、 F是两个电刷与K、L两个导电环接触，AB边连在金属滑环K上，CD边连在滑环L上。线圈中产生电流通过电刷和导电环流到外面路上，发电机的结构就是这样。
总结:线圈旋转过程中只有AB和CD边在做切割磁感线的运动产生感应电动势，而BC和AD边总是沿磁场方向运动。
2.交流电的产生原理
①我们看几个特殊位置，线圈旋转到现在的位置时，从正前方去观察这个线圈儿，那么只能看到这个线圈的AD边。AB、CD边都没有切割磁感线，因此线圈中没有电动势，也没有电流。
②当线圈旋转90度后AB边向下切割磁感线运动，产生的感应电流的方向根据右手定则可知是由B指向A，即在平面上看那就是打点出来。CD边向上切割磁感线运动，产生的感应电流的方向根据右手定则可知是由D指向C，即在平面上看那就是打叉进去。
所以在线圈中产生的感应电流的方向方向为BADC，电流会从E流出从F流回，进入到DC。
③当线圈再旋转90度时，线圈儿跟开始时一样也不切割磁感线，使得电动势为零电流消失。
④线圈儿继续旋转90度，此时CD边向下切割磁感线运动，产生的感应电流的方向根据右手定则可知是由C指向D，即在平面上看那就是打点出来。AB边向上切割磁感线运动，产生的感应电流的方向根据右手定则可知是由A指向B，即在平面上看那就是打叉进去。
所以在线圈中产生的感应电流的方向方向为CDAB，电流会从F流出从E流回，进入到AB。可以看到在线圈儿旋转的过程中，电流一会儿从E流出F流入，一会儿从F流出E流入，方向在不断改变，就产生了交流电。
3.交流电的方向
如图所示：由于只有只有AB和CD边在做切割磁感线的运动，所以产生感应电动势那就是
E=BLvsinθ
感应电流：
当θ=90时，即速度方向垂直磁感线方向时，这个时候线框转到了乙或丁的位置，这时E最大→I也最大。垂直于磁感线方向的速度不断变化，也就是这个夹角不断的变化，所以感应电动势也在变化，感应电流同时发生变化。最终实验表明画出来的图像是这样，和前面的波形图类似。
线圈每经过中性面一次，交流电方向改变一次，线圈每转动一周（交流电的一个周期） ，两次经过中性面，交流电的方向改变两次。
4.中性面
现在咱们来研究转动过程中线圈的两个特殊位置，中性面和与中性面垂直的平面。
中性面是与磁场垂直的平面。
与中性面垂直的平面就是当线圈转到这个右图的位置时的平面。线圈在转动一周的过程中会两次经过中性面。
①中性面和与中性面垂直的平面，磁通量，磁通量的变化率，感应电动势的比较。
中性面 与中性面垂直的平面
Φ 最大 0
0 最大BSW
E 0 最大BSW
②线圈转动过程中磁通量的变化曲线。
另外还要学会在图像上分辨两个特殊位置出现在那些时刻，以及记住经过中性面时，电动势和电流方向会改变。
（三）交变电流的变化规律
为了分析方便，假设这是一个矩形线圈，AB和 CD的边长Ll， AD和CD的边长为d，角速度为W。从中性面开始计时。
①线圈与中性面的夹角是多少？
经过时间t，它与中性面的夹角是θ=wt。
②AB边的速度多大？
AB边绕中心轴做匀速圆周匀的，转动半径为，这样AB和CD边的速度，DC和AD边依然不切割磁感线。
③AB边切割磁感线的有效速度多大？
。
④AB边中的感应电动势多大？
。
CD边也产生同样大小的电动势。
⑤线圈中的感应电动势多大？
由于此时AB和CD都是垂直切割磁感线，因此线圈中的感应电动势最大，并且它的大小就等于两者相加
e=eAB+eDC
带入化简一下也就是
，
又S=ld则，电动势的最大值就等于
e=wBSsinwt
设电动势的最大值，也就是峰值Em=wBS，则有
e=Emsinwt
所以从式子看一看出电动势随时间t，按正弦规律变化。进而可以求得路端电压
u=Umsinwt
电路中的电流：
i=Imsinwt
式子中的Um和Im分别是电压和电流的最大值，也叫峰值。小写的e、u、i都是瞬时值。他都是正弦式变化。所以我们的电流叫做正弦式交流电。
如果从中性面开始计时，正弦式交流电的图像就是这样的。
特别是如果线圈不是单匝的是N匝的，那就要变成这样Em=NwBS，这是一个非常重要的结果。
值得注意的是，只要性圈儿在匀强磁场中匀速转动，并且转轴垂直于磁场，产生了交流电就是正弦或余弦的。即便线圈是圆形、三角形等其他形状或者转轴在线圈的一边这个结论同样成立。因为无论线圈形状转轴位置如何磁通量的这个表达式仍然成立。
不同形式的交流电.
在电子技术中也常遇到其他形式的交流。如长成这样的锯齿波，交流电和长成这样的方波交流电，他们的名字都于图像的形状。锯齿波交流电的电流大小和方向都在周期性变化，方波交流电的电流大小不变，但方向周期性变化。
（四）交流发电机
交流发电机基本两部分组成：一是产生感应电动势的线圈（通常叫作电枢），二是产生磁场的磁体。
基本种类有两种：一是旋转电枢式，电枢转动，磁极不动的发电机。二是旋转磁极式，磁极转动，电枢不动。
不论哪种发电机，转动的部分都叫转子，不动的部分都叫定子。
课堂练习
例1：一台发电机在产生正弦式电流。如果发电机电动势的峰值为Em=400V，线圈匀速转动的角速度为ω=100πrad/s:，试写出电动势瞬时值的表达式。如果这个发电机的外电路只有电阻元件，总电阻为2000Ω，电路中电流的峰值是多少？写出电流瞬时值的表达式。
解题提示：假定发电机从线圏中性面开始计时，线圏中电动势的瞬时表达式为：e=Emsinwt。
数据代入：e=400sin100πt
不计发电机线圈内阻，电流中电流峰值
所以瞬时值：i=Imsinwt=0.2sin100πt.
例2：KLMN是一个竖直的矩形导线框，全部处于磁感应强度为B的水平方向的强磁场中，线框面积为S，MN边水平，线框绕某竖直固定轴以角速度w匀速转动。在MN边与磁场方向的夹角到达30°的时刻，导线框中产生的瞬时电动势e的大小是多少 标出线框此时电流的方向。已知线框按俯视的逆时针方向。
解题提示：Kl边与磁场方向成30°时，线圈平面与中性面夹角为60°。此时感应电动势为：e=Emsinwt=BSwsin60°
代入数据得：
【板书设计】
3.1交变电流
一、交变电流
①交流电∶ 大小和方向都随时间做周期性变化
②直流电∶方向不随时间变化
二、交变电流的产生
①线圈旋转过程中只有AB和CD边在做切割磁感线的运动，产生E感
②线圈每转动一周，两次经过中性面，交流电的方向改变两次。
③中性面∶与磁场垂直的平面
特点∶ 磁通量最大，E感=0，I感=0。
④与中性面垂直的平面∶磁通量为0，E感最大，I感最大。
三、交变电流的变化规律
感应电动势：e=Emsinwt
路端电压：u=Umsinwt
电路中的电流：i=Imsinwt
四、交流发电机
【教学反思】
本课教学内容比较多，而且抽象，有许多新的物理名词等。交流电的发电过程有点像力学力的动态问题，线圈时连续变化的，看到这个学生就产生畏惧心理——动态的问题怎么处理，考试怎么考，怎么能够描述连续变化的过程等。通过把重点内容分解成几个小知识点的方法来降低学习的困难坡度，引导学生学习。因为线圈的转动其实也就只有两根导体棒在切割磁感线，所以从熟悉的感应电动势的表达式入手，推导就可以得到感应电动势的表达式了。

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