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§1 交变电流
高二物理（人教版2019）
选择性必修 第二册
第三章 交变电流
思考与讨论：
新课引入
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？
一、交变电流
1.恒定电流：
大小方向都不随时间变化的电流。
2.直流电：方向不随时间变化的电流叫做直流电，简称直流（DC）。
大小可以改变！
3.交流电：方向随时间做周期性变化的电流叫做交流电，简称交流（AC）。
新课讲授
二、交变电流的产生
1.交流发电机的基本构造
新课讲授
（1）定子：不动的部分叫定子--磁极
（2）转子：转动的部分叫转子--电枢
（3）滑环：K、L
（4）电刷：E、F
K
L
E
F
新课讲授
思考与讨论：
假定线圈沿逆时针方向匀速转动时：
(1)当线圈在磁场中绕轴转动时，哪些边切割磁感线？
(2)在线圈由甲图转到乙图所示位置的过程中，AB边中电流向哪个方向流动？
(3)在线圈由丙图转到丁图所示位置的过程中，AB边中电流向哪个方向流动？
(4)转到什么位置时线圈中没有电流，转动什么位置时线圈中的电流最大？
新课讲授
2.切割磁感线的边
二、交变电流的产生
AB边和CD边切割磁感线
侧视图
新课讲授
3.电流的方向
二、交变电流的产生
I=0
I方向：dcbad
I=0
I方向：abcda
思考与讨论：
(1)线圈转到甲、丙位置时，磁通量有什么特点？
(2)AB棒速度方向与磁场方向是什么关系？
(3)此时的感应电动势多大？
(4)磁通量的变化率有什么特点？
新课讲授
4.中性面的特点
（1）中性面：垂直于磁场方向的平面B⊥S
（2）磁通量最大，Φ=Φmax=BS
（3）速度方向与磁场平行，不切割磁感线，E=0，I=0
（4）磁场的变化率为零
新课讲授
二、交变电流的产生
（5）每当线圈经过中性面一次，感应电流方向就改变一次
(1)线圈转到乙、丁位置时，磁通量有什么特点？
(2)AB棒速度方向与磁场方向是什么关系？
(3)此时的感应电动势多大？
(4)磁通量的变化率有什么特点？
思考与讨论：
新课讲授
（1）与中性面垂直的面,B//S
（4）磁通量最小，Φ=0
（3）速度方向与磁场垂直，感应电动势最大，电流最大
（2）磁场的变化率最大
5.与中性面垂直的面的特点
新课讲授
二、交变电流的产生
新课讲授
i
t
O
甲
甲
乙
丙
丁
乙
二、交变电流的产生
6.画一画感应电流的大致随时间变化的图像
规定一个正方向，画出线圈在甲乙丙丁四个不同位置时对应电流的大小，大致画出电流的变化图像，看看图像的形状，猜测一下可能是什么的函数图像？
演示：交变电流的变化图像
新课讲授
线圈处在磁感应强度是B 的匀强磁场中，AB、CD宽L1，AD、BC长L2 ，线圈平面从中性面沿逆时针方向开始转动，角速度是ω．经过时间t，推导此时线圈中产生瞬时感应电动势.
1.线圈与中性面的夹角是多少？
2.AB边的速度多大？
3.AB边速度方向与磁场方向夹角是多大？
三、交变电流的变化规律
新课讲授
θ
4.AB边中的感应电动势多大？
5.线圈中的感应电动势多大？
AB、CD等效为两个串联的电源
θ
新课讲授
B
A
D
C
6.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 ）
若为N匝线圈：
思考与讨论：由中性面计时，此时线圈电动势多大？转至与中性面垂直，此时线圈的电动势多大？
为电动势的最大值（峰值）
新课讲授
7.交变电流的变化规律图像
新课讲授
(1)瞬时电动势e随时间变化的规律：
(2)负载电压u随时间变化的规律：
(3)电流i随时间变化的规律：
正弦交流电
7.交变电流的变化规律图像
新课讲授
以上表达形式仅在从中性面开始计时的情况下成立
新课讲授
思考与讨论：
(1)根据e随时间变化的图像，你是否可以绘制出Φ-t图像？
(2)你是否可以由图像解释两个特殊位置的磁通量、感应电动势的大小？
(3)你是否可以由图像分析出线圈完成一个周期转动，几次经过中性面？
(4)由图像你认为线圈完成一个周期转动，电流方向改变几次？
(5)如果线圈从垂直中性面的位置开始转动，e、u、i表达形式还是正弦吗？
e＝Emcosωt，i＝Imcosωt，u＝Umcos ωt
新课讲授
思考与讨论：
(6)你认为感应电动势的峰值与线圈的形状和转轴的位置有没有关系？如图所示，如果三个不同形状面积相同的线圈产生的交变电流的感应电动势的峰值是否相同？
8.交变电流的种类
新课讲授
正弦交流电
示波器中的
锯齿波扫描电压
电子计算机中的
矩形脉冲
激光通信中的
尖脉冲
四、交变发电机
三峡大坝
水力发电机组
新课讲授
四、交变发电机
风力发电
风力发电机组
新课讲授
1．一只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像如图所示，则以下说法中正确的是（　　）
A．t=0时刻，线圈平面与中性面垂直
B．t=0.01 s时刻，Φ的变化率最大
C．t=0.02 s时刻，交变电流的电动势达到最大
D．该线圈产生的交变电流的电动势随时间变化的图像如图乙
B
课堂练习
【答案】B
【详解】A．t=0时刻，磁通量最大，则线圈平面与中性面平行，A错误；
B．t=0.01 s时刻，Φ-t图像斜率最大，则Φ的变化率最大，B正确；
C．t=0.02 s时刻，磁通量最大，感应电动势为0，C错误；
D．磁通量最大时，感应电动势为0；磁通量为0即磁通量变化率最大时，感应电动势最大，图乙不符，D错误。
故选B。
课堂练习
2．图甲、乙是交流发电机示意图，线圈ABCD在磁场中匀速转动。下列说法正确的是 （　　）
A．图甲中穿过线圈的磁通量最大，电路中的感应电流最大
B．图乙中穿过线圈的磁通量为零，电路中的感应电流为零
C．图甲中穿过线圈的磁通量变化率为零，电路中的感应电流为零
D．图乙中穿过线圈的磁通量变化率最大，电路中的感应电流为零
C
课堂练习
【答案】C
【详解】AC．图甲中线圈位于中性面位置，穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率最小，产生的感应电动势为零，电路中的感应电流为零，故A错误，C正确；
BD．图乙中线圈位于与中性面垂直位置，穿过线圈的磁通量为零，磁通量的变化率最大，产生的感应电动势最大，电路中的感应电流最大，故BD错误。
故选C。
课堂练习
3．图甲是小型交流发电机的示意图，两磁极N、S间的磁场可视为水平方向的匀强磁场，线圈绕垂直于磁场的水平轴OO'沿逆时针方向匀速转动，从图示位置开始计时，产生的交变电流随时间变化的图像如图乙所示。以下判断正确的是（　　）
A．交变电流的最大值为
B．t=0.01 s时线圈位于中性面
C．t=0.01 s时线圈平面与磁场方向平行
D．t=0.02 s时穿过线圈的磁通量最大
AC
课堂练习
【答案】AC
【详解】A．根据图像可知，交变电流的最大值为 ，A正确；
BC．0.01s时，线圈转过了半个周期，此时感应电流最大，感应电动势最大，此时线圈平面与磁场方向平行，不位于中性面，B错误，C正确；
D．0.02s时，感应电流最大，此时线圈平面与磁场方向平行，则穿过线圈的磁通量为0，D错误。
故选AC。
课堂练习
4．矩形线圈的匝数为50匝，在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动时，穿过线圈的磁通量随时间的变化规律如图所示。下列结论正确的是（ ）
A．在t=0.1s时感应电动势最大
B．在t=0.2s时电动势改变方向
C．通过图像可求出电动势的最大值
D．在t=0.4s时，磁通量为0，感应电动势最大
CD
课堂练习
【答案】CD
【详解】A．由图可知在t=0.1s时，磁通量最大，磁通量的变化率为零，线圈位于中性面位置，感应电动势为零，故A错误；
BD．在t=0.2s和t=0.4s时，磁通量为零，磁通量的变化率最大，线圈垂直于中性面，感应电动势最大，此时电动势方向不会改变，故B错误，D正确；
C．根据图像可知电动势的最大值为
故C正确；
故选CD。
课堂练习

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