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17．3　发电机发电的原理
学习目标 1. 了解交流发电机的简单构造和工作原理。 2. 用模型法理解发电机发电的过程。 3. 通过实验探究产生感应电流的条件及感应电流的方向与哪些因素有关。 4. 通过实验探究，培养交流与合作意识，提高动手能力。
认识发电机
　　如图所示是一个手摇发电机模型。图中，我们把两个发光二极管极性相反地并联起来，并与发电机串联。转动摇把，观察二极管的发光情况。
问题1：转动摇把，发光二极管发光，说明了什么？
答：电路中产生了电流。
问题2：在转动摇把的过程中，二极管交替发光，说明了什么？
答：电流方向是不断变化的。
问题3：仔细观察发现，手摇发电机模型与电动机模型结构相似，都由转动的__线圈__和固定的__磁体__组成。
问题4：发电机模型中发生的能量转化是__机械__能转化为__电__能；二极管发光时把__电__能转化为光能。
1. 发电机的主要部件：线圈、磁体。
2. 发电机的能量转化：把机械能转化为电能。
【应用1】如图所示是银行卡信息读卡器，将银行卡的磁条在读卡器的刷卡槽内快速刷过时，相当于磁体穿过闭合金属线圈，产生了电流，经读卡器处理，就能识别卡片信息。能量转化过程与下列图__乙__(选填“甲”或“乙”)相似。
电磁感应现象
　　把线圈简化为导线，把磁体简化为蹄形磁体，利用如图甲实验装置探究导体在磁场中产生感应电流的条件。
问题1：设计实验
(1)感应电流产生的现象：实验中，观察__灵敏电流计指针是否偏转__判断电路中是否产生感应电流；观察__灵敏电流计指针的偏转方向__判断感应电流的方向。
(2)改变磁场方向的方法：对调磁体的两极__。
问题2：实验探究
(1)断开开关后，无论导体怎样运动，灵敏电流计指针都不偏转，说明__没有__(选填“有”或“没有”)产生感应电流。
(2)闭合开关后，进行多次实验，将现象记录在下面表格中。
序号 磁极 导体运动 灵敏电流计
1 上N下S 上、下运动 不偏转
2 上N下S 水平向右运动 向左偏转
3 上N下S 水平向左运动 向右偏转
4 上S下N 水平向左运动 向左偏转
①产生感应电流的是实验__2、3、4__；没有产生感应电流的是实验__1__。(均填序号)
②对比产生感应电流和没有产生感应电流时导体的运动方向，我们发现，只有当闭合电路的导体在做__切割磁感线运动__(选填“切割磁感线运动”或“平行磁感线运动”)时，才会产生感应电流。
(3)灵敏电流计指针左右摆动，这说明感应电流的方向是__变化__(选填“变化”或“不变”)的。①分析实验2、3，可以得出感应电流方向与__导体运动方向__有关。
②分析实验3、4可以得出感应电流方向与__磁场方向__有关。
问题3：归纳总结
(1)__闭合__电路的一部分导体在磁场中做__切割磁感线__运动时，导体中就会产生感应电流。
(2)感应电流方向与__磁场__方向和__导体运动__方向有关。
问题4：拓展实验
利用图乙所示的实验装置，闭合开关后，拿一根条形磁体向右插入线圈中时，观察到灵敏电流计指针__偏转__(选填“偏转”或“不偏转”)。理由：__条形磁体与线圈发生相对运动时，线圈也会切割条形磁体周围的磁感线，产生感应电流。
1. 物理方法
(1)转换法：通过灵敏电流计的偏转情况检验感应电流的产生与方向。
①感应电流产生的检验：灵敏电流计指针偏转，说明产生感应电流；
②感应电流方向的判断：灵敏电流计指针左偏和右偏，说明感应电流方向变化。
③感应电流大小的判断：灵敏电流计指针偏转幅度大，说明感应电流大。
(2)通过控制变量法设计实验
感应电流的产生必须具备三个条件：①闭合电路；②一部分导体；③做切割磁感线运动。在实验中，我们在探究每个条件时，都让其他两个条件满足，而让探究的条件不满足。
2. 感应电流产生的条件：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。
3. 感应电流：电磁感应现象中所产生的电流，叫做感应电流。
【应用2】 在图中，a表示垂直于纸面的一根导线，它是闭合电路的一部分。当导线a在磁场中按箭头方向运动时，不能产生感应电流的是 (　B　)
　　　　　
A　　　　　　　　B
　　　　　　
C　　　　　　　　D
发电机的工作原理
　　如图是交流发电机的基本结构和工作原理的示意图。结合电磁感应现象回答下列问题。
　　
问题1：如图甲所示，线圈转至图中位置时，线圈不切割磁感线，电路中__没有__(选填“有”或“没有”)电流。
问题2：如图乙所示，线圈从图甲位置匀速转至图乙位置的过程中，__AB和CD__(选填“AB”“CD”或“AB和CD”)边切割磁感线，线圈中产生逐渐增大的感应电流。
问题3：如图丙所示，线圈从图乙位置匀速转至图丙位置的过程中，线圈切割磁感线，线圈中有感应电流，感应电流方向与问题2中__相同__(选填“相同”或“相反”)且逐渐减小。当到达此图位置时，线圈不切割磁感线，电路中电流消失。
问题4：如图丁所示，线圈由图丙位置匀速转至图丁位置的过程中，线圈切割磁感线，线圈中有感应电流，且逐渐增至最大；感应电流方向与问题3中__相反__(选填“相同”或“相反”)。
问题5：线圈从图甲位置继续转动下去，线圈中感应电流的大小和方向就不断重复上述变化。这里线圈转动一周，电流的方向和大小就发生__一__个周期性变化。
1. 发电机的工作原理
(1)电磁感应现象。
(2)把机械能转化为电能。
2. 直流电和交流电
(1)交流电：周期性改变方向和大小的电流叫做交流电。
(2)直流电：电流的方向是不变的。
【应用3】发电机的工作原理是__电磁感应__现象，它是由英国物理学家__法拉第__发现的。
知识点一　电磁感应现象
1. 高铁站采用“刷证”或“扫码”进站方式，“刷证”原理是通过身份证感应产生电流识别身份。下列实验能解释其原理的是 (　D　)
A　　 B C　 　D
2. 如图，游乐室里有一块能上下运动的木板，其下方固定一块磁体，线圈的两端和小灯泡相连。下列情形小灯泡会发光的是 (　C　)
第2题图
A. 木板上方没人 B. 人在木板上静止
C. 人在木板上蹦跳 D. 将磁体换成电池
知识点二　发电机
3. 在交流发电机中，当线圈平面：①转至与磁感线垂直位置时，感应电流为零；②转过与磁感线平行位置时，感应电流改变方向；③转至与磁感线平行位置时，感应电流为零；④转过与磁感线方向垂直位置时，感应电流方向改变。以上说法正确的是 (　C　)
第3题图
A. ①③ B. ②③
C. ①④ D. ①②④
解析：线圈在转动过程中，当转至与磁感线垂直位置时，这一瞬间线圈不切割磁感线，线圈中没有感应电流，即此时感应电流为零，故①正确；线圈转过与磁感线平行位置时，线圈运动方向和磁感线方向都不变，所以线圈中电流方向不变，故②错误；线圈转至与磁感线平行位置时，线圈做切割磁感线运动，此时线圈中的感应电流最大，故③错误；线圈在转动过程中，当转过与磁感线垂直位置时，这一瞬间感应电流方向改变，故④正确。故选C。
4. 对于交流电，下列说法正确的是 (　C　)
A. 线圈转动一周，电流方向改变一次，大小改变两次
B. 线圈转动一周，电流方向改变两次，大小改变两次
C. 线圈转动一周，电流方向改变两次，大小随时间改变
D. 线圈转动一周，电流方向改变四次，大小随时间改变
解析：交流电是线圈在磁场中转动形成的；线圈转动一周即为一个周期；在一个周期内电流方向改变两次；电流的大小随时间做周期性变化。
5. 发电机是根据闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中会产生电流的原理制成的，则 (　B　)
A. 发电机的转子一定是线圈
B. 发电机的转子可能是线圈，也可能是磁极
C. 发电机的转子一定是磁极
D. 发电机的转子是换向器
解析：简单的发电机由固定不动的磁体(定子)和转动的线圈(转子)组成，实际的发电机比模型发电机复杂得多，但仍是由转子和定子两部分组成；一般采取线圈不动、磁极旋转的方式来发电，这种发电机叫做旋转磁极式发电机，故A、C错误，B正确；发电机的转子不是换向器，故D错误。
6. 汽车刹车时，将机械能转化为__内__能；新能源汽车的“动能回收装置”可在刹车时带动__发电__机工作，将动能转化为电能储存起来。
解析：汽车刹车时，将机械能转化为内能；新能源汽车的“动能回收装置”可在刹车时带动发电机工作，将动能转化为电能储存起来。
7. 图中__乙__(选填“甲”或“乙”)为发电机模型，其工作原理是__电磁感应__。
第7题图
解析：题图甲中有电源，把电能转化为机械能，是电动机原理图；题图乙中没有电源，把机械能转化为电能，是发电机原理图。
8. 如图所示为磁悬浮LED灯，灯座A内有电磁铁，灯头B内有磁体和接收线圈，此时灯泡悬浮在空中是由于异名磁极相互__吸引__；当底座C的开关闭合时，内部的发射线圈产生变化的磁场，灯泡被隔空点亮，这个过程与__发电机__(选填“电动机”或“发电机”)的工作原理相同。
第8题图
解析：灯泡的上边有磁体，对灯泡有吸引力，所以利用的是异名磁极相互吸引；当底座C的开关闭合时，内部的发射线圈产生变化的磁场，灯泡被隔空点亮，这个过程与发电机的工作原理相同，都是利用闭合电路中的部分导体切割磁感线产生感应电流。
9. 导线a是闭合电路的一部分(图中的“○”为导线a的剖面图)。下列图中不能产生感应电流的是 (　A　)
A　 B C　 D
解析：闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动，才会产生感应电流，选项A中的导体上下运动，没有切割磁感线，所以不会产生感应电流。
10. 小明在科技节表演“隔板推物”，其装置如图所示。甲、乙两线圈分别悬挂在两个蹄形磁体的磁场中，通过导线连接构成闭合电路，推动线圈甲摆动切割磁感线，在闭合电路中产生__感应电流__，同时线圈乙会随之摆动，此时线圈乙相当于__电动机__(选填“电动机”或“发电机”)。如果只将线圈乙处的磁体两极位置对调，重复刚才操作，则线圈乙的摆动方向与之前__相反__(选填“相同”或“相反”)。
第10题图
解析：线圈甲摆动切割磁感线，在闭合电路中产生感应电流；同时线圈乙会随之摆动，此时线圈乙相当于电动机；如果磁极方向改变了，则线圈乙的摆动方向与之前相反。
11. 图甲是物理老师上课时使用的“小蜜蜂”扩音器，图乙是其工作原理图，声信号由麦克风(话筒)转化为电信号，经放大器放大后，再传入扬声器转化为声信号播出。麦克风的工作原理是__电磁感应__现象，扬声器的工作原理与__电动机__(选填“发电机”“电动机”或“电铃”)的工作原理相同。
　
第11题图
解析：麦克风的工作原理是电磁感应现象，扬声器的工作原理与电动机的工作原理相同。
12. 小明利用如图所示的实验装置，探究导体在磁场中运动时产生感应电流的条件。
第12题图
(1)实验中，通过观察__灵敏电流计的指针是否偏转__来判断电路中是否有感应电流产生。
(2)通过__B__(选填字母)的操作可以在电路中产生感应电流。
A. 磁体不动，导体AB上下运动
B. 导体AB不动，磁体左右运动
C. 以上两种方法都可以
(3)在仪器和电路连接都完好的情况下，为使实验现象更明显，可选择__C__(选填字母)。
A. 改变磁场方向
B. 把灵敏电流计换成电流表
C. 换用磁性更强的磁体
(4)当导体AB向右运动时，导体AB__受到__(选填“受到”或“不受”)磁场对它的力的作用。
(5)生活中利用该原理的例子是__发电机__(选填“电动机”或“发电机”)。
(6)小明将灵敏电流计更换成带有开关的电池组，闭合开关后观察到导体棒向左侧摆动，若想改变导体棒摆动方向应__A__(选填字母)。
A. 改变磁场方向
B. 增大电源电压
C. 增大磁场强度
D. 同时改变磁场方向和电路中的电流方向
【章末整体回顾】
1/1217．3　发电机发电的原理
学习目标 1. 了解交流发电机的简单构造和工作原理。 2. 用模型法理解发电机发电的过程。 3. 通过实验探究产生感应电流的条件及感应电流的方向与哪些因素有关。 4. 通过实验探究，培养交流与合作意识，提高动手能力。
认识发电机
　　如图所示是一个手摇发电机模型。图中，我们把两个发光二极管极性相反地并联起来，并与发电机串联。转动摇把，观察二极管的发光情况。
问题1：转动摇把，发光二极管发光，说明了什么？
问题2：在转动摇把的过程中，二极管交替发光，说明了什么？
问题3：仔细观察发现，手摇发电机模型与电动机模型结构相似，都由转动的__ __和固定的__ __组成。
问题4：发电机模型中发生的能量转化是__ __能转化为__ __能；二极管发光时把__ __能转化为光能。
1. 发电机的主要部件：线圈、磁体。
2. 发电机的能量转化：把机械能转化为电能。
【应用1】如图所示是银行卡信息读卡器，将银行卡的磁条在读卡器的刷卡槽内快速刷过时，相当于磁体穿过闭合金属线圈，产生了电流，经读卡器处理，就能识别卡片信息。能量转化过程与下列图__ __(选填“甲”或“乙”)相似。
电磁感应现象
　　把线圈简化为导线，把磁体简化为蹄形磁体，利用如图甲实验装置探究导体在磁场中产生感应电流的条件。
问题1：设计实验
(1)感应电流产生的现象：实验中，观察__ __判断电路中是否产生感应电流；观察__ __判断感应电流的方向。
(2)改变磁场方向的方法： __。
问题2：实验探究
(1)断开开关后，无论导体怎样运动，灵敏电流计指针都不偏转，说明__ __(选填“有”或“没有”)产生感应电流。
(2)闭合开关后，进行多次实验，将现象记录在下面表格中。
序号 磁极 导体运动 灵敏电流计
1 上N下S 上、下运动 不偏转
2 上N下S 水平向右运动 向左偏转
3 上N下S 水平向左运动 向右偏转
4 上S下N 水平向左运动 向左偏转
①产生感应电流的是实验__ __；没有产生感应电流的是实验__ __。(均填序号)
②对比产生感应电流和没有产生感应电流时导体的运动方向，我们发现，只有当闭合电路的导体在做__ __(选填“切割磁感线运动”或“平行磁感线运动”)时，才会产生感应电流。
(3)灵敏电流计指针左右摆动，这说明感应电流的方向是__ __(选填“变化”或“不变”)的。①分析实验2、3，可以得出感应电流方向与__ __有关。
②分析实验3、4可以得出感应电流方向与__ __有关。
问题3：归纳总结
(1)__ __电路的一部分导体在磁场中做__ __运动时，导体中就会产生感应电流。
(2)感应电流方向与__ __方向和__ __方向有关。
问题4：拓展实验
利用图乙所示的实验装置，闭合开关后，拿一根条形磁体向右插入线圈中时，观察到灵敏电流计指针__ __(选填“偏转”或“不偏转”)。理由：__ 。
1. 物理方法
(1)转换法：通过灵敏电流计的偏转情况检验感应电流的产生与方向。
①感应电流产生的检验：灵敏电流计指针偏转，说明产生感应电流；
②感应电流方向的判断：灵敏电流计指针左偏和右偏，说明感应电流方向变化。
③感应电流大小的判断：灵敏电流计指针偏转幅度大，说明感应电流大。
(2)通过控制变量法设计实验
感应电流的产生必须具备三个条件：①闭合电路；②一部分导体；③做切割磁感线运动。在实验中，我们在探究每个条件时，都让其他两个条件满足，而让探究的条件不满足。
2. 感应电流产生的条件：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。
3. 感应电流：电磁感应现象中所产生的电流，叫做感应电流。
【应用2】 在图中，a表示垂直于纸面的一根导线，它是闭合电路的一部分。当导线a在磁场中按箭头方向运动时，不能产生感应电流的是 ( )
　　　　　
A　　　　　　　　B
　　　　　　
C　　　　　　　　D
发电机的工作原理
　　如图是交流发电机的基本结构和工作原理的示意图。结合电磁感应现象回答下列问题。
　　
问题1：如图甲所示，线圈转至图中位置时，线圈不切割磁感线，电路中__ __(选填“有”或“没有”)电流。
问题2：如图乙所示，线圈从图甲位置匀速转至图乙位置的过程中，__ __(选填“AB”“CD”或“AB和CD”)边切割磁感线，线圈中产生逐渐增大的感应电流。
问题3：如图丙所示，线圈从图乙位置匀速转至图丙位置的过程中，线圈切割磁感线，线圈中有感应电流，感应电流方向与问题2中__ __(选填“相同”或“相反”)且逐渐减小。当到达此图位置时，线圈不切割磁感线，电路中电流消失。
问题4：如图丁所示，线圈由图丙位置匀速转至图丁位置的过程中，线圈切割磁感线，线圈中有感应电流，且逐渐增至最大；感应电流方向与问题3中__ __(选填“相同”或“相反”)。
问题5：线圈从图甲位置继续转动下去，线圈中感应电流的大小和方向就不断重复上述变化。这里线圈转动一周，电流的方向和大小就发生__ __个周期性变化。
1. 发电机的工作原理
(1)电磁感应现象。
(2)把机械能转化为电能。
2. 直流电和交流电
(1)交流电：周期性改变方向和大小的电流叫做交流电。
(2)直流电：电流的方向是不变的。
【应用3】发电机的工作原理是__ __现象，它是由英国物理学家__ __发现的。
知识点一　电磁感应现象
1. 高铁站采用“刷证”或“扫码”进站方式，“刷证”原理是通过身份证感应产生电流识别身份。下列实验能解释其原理的是 ( )
A　　 B C　 　D
2. 如图，游乐室里有一块能上下运动的木板，其下方固定一块磁体，线圈的两端和小灯泡相连。下列情形小灯泡会发光的是 ( )
第2题图
A. 木板上方没人 B. 人在木板上静止
C. 人在木板上蹦跳 D. 将磁体换成电池
知识点二　发电机
3. 在交流发电机中，当线圈平面：①转至与磁感线垂直位置时，感应电流为零；②转过与磁感线平行位置时，感应电流改变方向；③转至与磁感线平行位置时，感应电流为零；④转过与磁感线方向垂直位置时，感应电流方向改变。以上说法正确的是 ( )
第3题图
A. ①③ B. ②③
C. ①④ D. ①②④
4. 对于交流电，下列说法正确的是 ( )
A. 线圈转动一周，电流方向改变一次，大小改变两次
B. 线圈转动一周，电流方向改变两次，大小改变两次
C. 线圈转动一周，电流方向改变两次，大小随时间改变
D. 线圈转动一周，电流方向改变四次，大小随时间改变
5. 发电机是根据闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中会产生电流的原理制成的，则 ( )
A. 发电机的转子一定是线圈
B. 发电机的转子可能是线圈，也可能是磁极
C. 发电机的转子一定是磁极
D. 发电机的转子是换向器
6. 汽车刹车时，将机械能转化为__ __能；新能源汽车的“动能回收装置”可在刹车时带动__ __机工作，将动能转化为电能储存起来。
7. 图中__ __(选填“甲”或“乙”)为发电机模型，其工作原理是__ __。
第7题图
8. 如图所示为磁悬浮LED灯，灯座A内有电磁铁，灯头B内有磁体和接收线圈，此时灯泡悬浮在空中是由于异名磁极相互__ __；当底座C的开关闭合时，内部的发射线圈产生变化的磁场，灯泡被隔空点亮，这个过程与__ __(选填“电动机”或“发电机”)的工作原理相同。
第8题图
9. 导线a是闭合电路的一部分(图中的“○”为导线a的剖面图)。下列图中不能产生感应电流的是 ( )
A　 B C　 D
10. 小明在科技节表演“隔板推物”，其装置如图所示。甲、乙两线圈分别悬挂在两个蹄形磁体的磁场中，通过导线连接构成闭合电路，推动线圈甲摆动切割磁感线，在闭合电路中产生__ __，同时线圈乙会随之摆动，此时线圈乙相当于__ __(选填“电动机”或“发电机”)。如果只将线圈乙处的磁体两极位置对调，重复刚才操作，则线圈乙的摆动方向与之前__ __(选填“相同”或“相反”)。
第10题图
11. 图甲是物理老师上课时使用的“小蜜蜂”扩音器，图乙是其工作原理图，声信号由麦克风(话筒)转化为电信号，经放大器放大后，再传入扬声器转化为声信号播出。麦克风的工作原理是__ __现象，扬声器的工作原理与__ __(选填“发电机”“电动机”或“电铃”)的工作原理相同。
　
第11题图
12. 小明利用如图所示的实验装置，探究导体在磁场中运动时产生感应电流的条件。
第12题图
(1)实验中，通过观察__ __来判断电路中是否有感应电流产生。
(2)通过__ __(选填字母)的操作可以在电路中产生感应电流。
A. 磁体不动，导体AB上下运动
B. 导体AB不动，磁体左右运动
C. 以上两种方法都可以
(3)在仪器和电路连接都完好的情况下，为使实验现象更明显，可选择__ __(选填字母)。
A. 改变磁场方向
B. 把灵敏电流计换成电流表
C. 换用磁性更强的磁体
(4)当导体AB向右运动时，导体AB__ __(选填“受到”或“不受”)磁场对它的力的作用。
(5)生活中利用该原理的例子是__ __(选填“电动机”或“发电机”)。
(6)小明将灵敏电流计更换成带有开关的电池组，闭合开关后观察到导体棒向左侧摆动，若想改变导体棒摆动方向应__ __(选填字母)。
A. 改变磁场方向
B. 增大电源电压
C. 增大磁场强度
D. 同时改变磁场方向和电路中的电流方向
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