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(共37张PPT)
第二节 交变电流的产生
教学课件
Teaching Courseware
20XX.XX.XX
第三章 交变电流与远距离运输
高中物理鲁科版（2019）选择性必修第二册
PART.1
PART.2
PART.3
PART.4
素养目标
新课讲解
新课导入
经典例题
目录
CONTENTS
PART.2
PART.4
课堂练习
课堂小结
素养目标
1.[物理观念]认识交流发电机，了解交流发电机结构。
2.[科学思维|理解交变电流的产生原理，知道中性面的概念。
3.[科学思维]掌握交变电流的变化规律，能用数学表达式和图像描述正弦交变电流的变化规律
4.[科学思维]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瞬时值、峰值。
新课导入
什么是交变电流？
方向随时间变化的电流。
交变电流的大小和方向都随时间发生变化。它究竟是怎样产生的呢？
根据法拉第电磁感应定律，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。
发电机就是利用这种方式制成的
新课讲解
New lesson explanation
新课讲解
一、交流发电机
磁极
磁极
电枢（线圈）
有的使用永久磁铁
有的使用电磁铁
线圈端头的滑环
电刷
发电机根据旋转主体不同可分为：
1、旋转电枢式发电机
2、旋转磁极式发电机
发电机中转的称为转子，不转的称为定子
新课讲解
实验：用发电机产生交变电流
能产生大小和方向随时间做周期性变化电流的发电机，称为交流发电机。
线圈在磁场中转动时，电流计指针来回偏转。
线圈在磁场中转动时，感应电流的大小和方向都随时间做周期性变化，线圈每转动一周，电流方向改变两次。产生的电流是交变电流。
新课讲解
如图所示两磁极间产生的磁场可近似为匀强磁场，转轴与磁场方向垂直。线圈绕中心轴匀速转动，线圈的BC、DA边始终在平行于磁感线的平面内转动，不产生感应电动势，只起导线作用。AB、DC边切割磁感线时产生感应电动势，相当于电源。
交流发电机的基本构造
1.交变发电机
新课讲解
线圈平面 磁感线，AB、CD边的速度方向与磁感线 ，线圈 感应电动势； 线圈逆时针转过90°，线圈平面与磁感线 ，AB、CD边都垂直切割磁感线，这时感应电动势 ，线圈中的感应电流也 ，感应电流方向为 ；
平行
不产生
垂直于
平行
最大
最大
D→C→B→A
2.交变电流的产生过程分析
A
B
D
新课讲解
当线圈再逆时针转过90°时线圈平面又 于磁感线，线圈 感应电动势； 当线圈再逆时针转过90°时，AB、CD边的瞬时速度方向跟线圈经过乙图位置时的速度方向相反，产生的感应电动势方向也跟在乙图位置时相反，感应电流方向为 。
垂直
不产生
A→B→C→D
A
B
D
C
D
C
A
新课讲解
二、正弦式交变电流的产生原理
交流发电机是如何产生大小和方向都随时间做周期性变化的电流的？
新课讲解
(1)中性面位置(S⊥B，如图)
线圈平面与磁场垂直的位置，此时Φ最大， 为0，e为0，i为0(均选填“最大”或“0”)；
线圈经过中性面时，电流方向发生改变，线圈转一圈电流方向改变两次。
没有边切割磁感应线
B⊥S， Φ最大，E=0 , I=0
特点:
新课讲解
(2)垂直中性面位置(S∥B，如图)
线圈平面与磁场平行的位置，此时Φ为0， 最大，e最大，i最大(均选填“最大”或“0”)。
线圈经过垂直中性面位置时，电流方向不发生改变。
感应电流方向：d → c → b → a
ab、dc边垂直切割磁感应线
特点:
B//S，Φ=0，E 最大，I 最大
新课讲解
没有边切割磁感应线
特点:
B⊥S， Φ 最大，E=0 , I=0 （中性面）
新课讲解
感应电流方向：a → b → c → d
特点:
ab、dc边垂直切割磁感应线
B//S，Φ=0，E 最大，I 最大
新课讲解
当线圈继续转过 90°时，就回到图 （a）所示的位置，交变电流完成了一次周期性变化。接下来，线圈将重复上述转动过程，线圈中的电流也将重复上述变化过程。 在线圈的转动过程中，感应电动势和感应电流的大小和方向随时间呈周期性变化。
线圈处于中性面
特点
线圈垂直中性面
每次经过中性面电流方向发生改变，线圈转一周，两次经过中性面，电流的方向改变两次。
新课讲解
三、正弦式交变电流的变化规律
如图所示，线圈平面绕bc边的中点从中性面开始转动，角速度为ω。经过时间t，线圈转过的角度是ωt，ab边的线速度v的方向跟磁感线方向间的夹角也等于ωt。设ab边长为L1，bc边长为L2，线圈面积S＝L1L2，磁感应强度为B，则：
(1)ab边产生的感应电动势为多大？
新课讲解
(2)整个线圈中的感应电动势为多大？
整个线圈中的感应电动势由ab和cd两边产生的感应电动势组成，且eab＝ecd，所以e总＝eab＋ecd＝BSωsin ωt。
(3)若线圈有N匝，则整个线圈的感应电动势为多大？
若线圈有N匝，则相当于N个完全相同的电源串联，
所以e＝NBSωsin ωt。
新课讲解
1.正弦式交变电流：矩形线圈在匀强磁场中绕 的轴匀速转动时，产生按 规律变化的电流，叫作正弦式交变电流，简称正弦式电流。
2.从中性面开始计时，线圈中产生的电动势的瞬时值表达式e＝ ，其中
Em＝ 为交变电流的峰值。
垂直于磁场方向
正弦
Emsin ωt
NBSω
说明：(1)若从与中性面垂直的位置开始计时e＝Emcos ωt。
(2)电动势峰值Em＝NωBS由线圈匝数N、磁感应强度B、转动角速度ω和线圈面积S决定，与线圈的形状无关，与转轴的位置无关。
如图所示的几种情况中，如果N、B、ω、S均相同，则感应电动势的峰值均相同。
新课讲解
3.正弦式交变电流和电压
4.正弦式交变电流的图像。(从中性面开始计时)
新课讲解
交变电流的变化规律
正弦 余弦
条件 经中性面时开始计时 垂直中性面时开始计时
电动势 e=Emsinωt e=Emcosωt
电流 i=Imsinωt i=Imcosωt
电压 u=Umsinωt u=Umcosωt
新课讲解
在电子技术中也常遇到其他形式的交流，如图乙、丙所示。
甲
家庭电路中的
正强式电流
丙
电子电路中的矩形脉冲
乙
示波器中的
锯齿形扫描电压
新课讲解
如果我们从线圈平面转到与中性面成某一夹角φ0的位置开始计时，那么经过时间t之后，线圈平面跟中性面之间的夹角就是ωt+ φ0.(图3-10),这时交变电动势瞬时值为e=Emsin(ωt+ φ0),它的大小和方向都随时间不断变化。在Em一定时，瞬时值不完全由时间t决定，而是由ωt+ φ0决定，ωt+ φ0称为交变电流的相位或相。t=0时的相φ0称为初相。相位不仅可反映交变电流任何时刻的状态，还可用来比较不同交变电流的变化步调。
交变电流的相位
起始位置
t时刻位置
中性面
初相
相位
经典例题
Classic Example
新课讲解
(1)只要线圈在磁场中转动，就可以产生交变电流。(　　)
(2)线圈在通过中性面时磁通量最大，电流也最大。(　　)
(3)线圈在垂直中性面位置时电流的方向发生改变。(　　)
(4)从线圈平面与中性面垂直开始计时，在线圈转动2圈的过程中电流方向改变4次。(　　)
×
×
×
√
经典例题
例2.(多选)如图所示为交流发电机的示意图，电阻与电流表串联后接在电刷E、F间，线圈ABCD绕垂直于磁场方向的转轴OO′逆时针匀速转动，下列说法正确的是
A.线圈经过图示位置时线圈磁通量的变化率为零
B.线圈经过图示位置时电流方向沿DCBA
C.线圈经过图示位置时电流最大
D.线圈每经过图示位置，电流方向就会发生改变
经典例题
例3：线框在匀强磁场中绕OO′轴匀速转动(由上向下看是逆时针方向)，当转到如图所示位置时，磁通量和感应电动势大小的变化情况是(　　)
A．磁通量和感应电动势都在变大
B．磁通量和感应电动势都在变小
C．磁通量在变小，感应电动势在变大
D．磁通量在变大，感应电动势在变小
解析：由题图可知,Φ＝Φmcos θ，e＝Emsin θ，所以磁通量变大,感应电动势变小
D
经典例题
例3：一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甲所示，则下列说法中正确的是(　　)
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，交变电动势达到最大
D．该线圈产生的相应交变电动势的图像如图乙所示
解析：t=0时刻，磁通量最大，线圈处于中性面位置，A错误；
t=0.01s时刻，磁通量为零，斜率最大， Φ变化率最大，B正确；
t=0.02s时刻，处于中性面位置，磁通量最大，变化率为零，电动势为零，C错误；
B
该线圈产生的交变电动势应该是正弦函数，D错误
课堂练习
Classroom Practice
课堂练习
1.如图所示的线圈匀速转动或做匀速直线运动，能产生交变电流的是
√
课堂练习
2．如图所示，一单匝闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的转轴匀速转动，转动过程中线框中产生的感应电动势的瞬时值为e＝0.5sin(20t) V，由该表达式可推知以下哪些物理量(　　)
A．匀强磁场的磁感应强度
B．线框的面积
C．穿过线框的磁通量的最大值
D．线框转动的角速度
解析：由 e＝BSωsin ωt，可得 ω＝20 rad/s
由 BSω＝0.5 可求出 BS 数值，即磁通量的最大值 Φm＝BS
CD
课堂练习
3．线圈在匀强磁场中匀速转动，产生交流电的图像如图所示，由图可知(　　)
A．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π弧度
D．在A和C时刻磁通量变化率绝对值最大
中性面时
磁通量最大
感应电动势为零
感应电流为零
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
D
课堂练习
4.(多选)一矩形线圈绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定轴匀速转动，线圈中的感应电动势e随时间t变化的规律如图所示，则下列说法正确的是
A.图中曲线是从线圈平面与磁场方向平行时
开始计时的
B.t1和t3时刻穿过线圈的磁通量为零
C.t1和t3时刻穿过线圈的磁通量的变化率为零
D.感应电动势e的方向变化时，穿过线圈的磁通量最大
√
√
√
课堂练习
5.(多选)在匀强磁场中，一闭合矩形金属线圈绕与磁感线垂直的固定轴匀速转动，穿过该线圈的磁通量随时间按如图所示正弦规律变化，则（ ）
A.t＝0时，线圈平面与磁场方向平行，线圈中的
感应电动势为零
B.t＝1 s时，线圈平面与磁场方向平行，线圈中的电流改变方向
C.t＝1.5 s时，线圈平面与磁场方向垂直，线圈中的感应电动势为零
D.t＝2 s时，线圈平面与磁场方向平行，线圈中的磁通量的变化率最大
√
√
课堂小结
Class Summary
课堂小结
一、交流发电机
三、正弦式交变电流的变化规律
二、正弦式交变电流的产生原理
发电机中转的称为转子，不转的称为定子
线圈处于中性面
线圈垂直中性面
感谢观看
THANK YOU

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