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(共48张PPT)
1　交变电流
素养 目标定位
目标素养
1.知道交变电流的定义,认识其与恒定电流的区别
2.了解中性面的概念,掌握线圈处于中性面时的特征规律
3.掌握交变电流的变化规律
4.能运用正弦式交变电流的瞬时表达式和图像解决相关问题
知识概览
课前 基础认知
一、交变电流
1.交变电流:电流、电压的大小和方向随时间做周期性变化,简称交流。
2.直流:方向不随时间变化的电流。大小和方向都不随时间变化的电流称为恒定电流。
微思考1 给你一块磁体,你怎样判断白炽灯发光时用的是直流还是交变电流
提示:把磁体的磁极靠近白炽灯,如果用的是直流,灯丝不会抖动;如果灯丝中通有交变电流,则灯丝受到变化的安培力,灯丝会抖动。
二、交变电流的产生
1.交流发电机中两磁极之间产生的磁场可近似为匀强磁场。
2.产生条件:在匀强磁场中,矩形线圈绕垂直于磁场方向的轴匀速转动。
3.判断感应电流方向的方法:用右手定则判断线圈切割磁感线产生的感应电流方向。
微判断1 (1)只要线圈在磁场中转动,就可以产生交变电流。
(　　)
(2)线圈绕垂直于磁场的轴匀速转动时产生的电流是交变电流。(　　)
(3)当线圈中的磁通量最大时,产生的感应电流也最大。(　　)
×
√
×
三、交变电流的变化规律
1.正弦式交变电流:按正弦规律变化的交变电流叫作正弦式交变电流,简称正弦式电流。
2.中性面。
(1)中性面:与磁感线垂直的平面。
(2)当线圈平面位于中性面时,线圈中的磁通量最大,线圈的感应电动势为零,线圈中的电流为零。
3.从中性面开始计时,电动势、电压和电流的瞬时值表达式:
e= Emsin ωt ,u=Umsin ωt,i=Imsin ωt。Em、Um、Im为电动势、电压、电流的最大值,也叫峰值;e、u、i为电动势、电压、电流的瞬时值。
微判断2 (1)线圈转一周有两次经过中性面,每转一周电流方向改变一次。(　　)
(2)当线圈中的磁通量最大时,产生的电流也最大。(　　)
(3)交变电流的瞬时值表达式与开始计时的位置无关。(　　)
(4)表达式为e=Emsin(ωt+ )的交变电流也是正弦式交变电流。
(　　)
×
×
×
√
四、交流发电机
1.电枢转动,磁极不动的发电机,叫作旋转电枢式发电机。
2.磁极转动,电枢不动,线圈中同样会产生感应电动势,这种发电机叫作旋转磁极式发电机。
3.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。
微思考2 交流发电机输出的电流都可以表示为i=Imsin ωt吗
提示:不一定。如果线圈从中性面的垂面开始计时,则输出的电流表示为i=Imcos ωt。
课堂 重难突破
一 交变电流的产生
问题探究
情景1:如图甲、乙所示,把两只反向并联的发光二极管分别接到干电池和手摇模型发电机的输出端。
情景2:如图丙所示,把电流表接到手摇模型发电机的输出端。
试结合上述情景,讨论下列问题:
(1)闭合图甲、乙中开关,且缓慢匀速转动发电机的手柄,观察两只反向并联的发光二极管的发光情况是怎样的 两只反向并联的发光二极管的发光情况能够说明什么
(2)缓慢匀速转动图丙中发电机的手柄,观察电流表的指针摆动情况是怎样的 电流表指针的摆动情况说明什么问题
提示:(1)接在直流电路中的两只发光二极管,仅有一只发光二极管稳定常亮,一只始终熄灭,接在手摇模型发电机输出端的两只发光二极管交替轮流发光。缓慢匀速转动手摇模型发电机的手柄,两只发光二极管交替轮流发光,这说明了手摇模型发电机产生的电流发生了周期性变化,不同于电池产生的恒定电流。
(2)电流表的指针不停地在“0”刻度线两侧左右摆动,说明电路中产生的电流方向发生周期性变化。
归纳总结
1.正弦式交变电流的产生条件。
(1)匀强磁场。
(2)线圈匀速转动。
(3)线圈的转轴垂直于磁场方向。
2.两个特殊位置的特点。
比较项目 中性面 与中性面垂直的位置
磁通量 最大 零
磁通量的
变化率 零 最大
感应电动势 零 最大
感应电流 零 最大
电流方向 改变 不变
3.交变电流的产生过程分析。
典型例题
【例1】 在交变电流产生的实验中,关于中性面,下列说法正确的是(　　)
A.此时线圈垂直切割磁感线,感应电流最大
B.磁感线垂直于该时刻的线圈平面,所以磁通量最大,磁通量的变化率也最大
C.线圈平面每次经过中性面时,感应电流的方向一定会发生改变
D.线圈平面处于跟中性面垂直的位置时,磁通量的变化率为零,感应电动势、感应电流均最大,电流方向不变
C
解析:在中性面,线圈的各边不切割磁感线,感应电动势为零,感应电流为零,选项A错误。线圈在中性面,磁通量最大,磁通量的变化率最小,为零,选项B错误。线圈平面每次经过中性面时,感应电流的方向一定会发生改变,选项C正确。线圈平面处于跟中性面垂直的位置时,磁通量的变化率最大,感应电动势、感应电流均最大,电流方向不变,选项D错误。
特别提醒
(1)中性面是分析交变电流产生过程中各物理量变化情况的关键位置。 (2)线圈转动一周,经过中性面两次,感应电流的方向改变两次。
二 交变电流的变化规律
问题探究
如图所示,单匝线圈abcd在匀强磁场B中以恒定的角速度ω绕垂直于磁场的中心轴OO'转动。
试结合上述现象讨论:
(1)当线圈平面从中性面开始计时,试分析并计算单匝线圈中感应电动势瞬时值的表达式,若线圈为n匝呢
(2)若从垂直中性面的位置开始计时,电动势的表达式是怎样的
(3)电动势的最大值与开始计时的位置是否有关
(4)在(1)(2)两种情况下感应电动势图像有什么区别
提示:(1)若线圈平面从中性面开始计时,如图所示,
则经时间t,线圈转过的角度为ωt,ab边的线速度跟磁感线方向的夹角θ=ωt,
整个线圈产生的感应电动势e=2eab=BSωsin ωt。
若线圈为n匝,则e=nBSωsin ωt。
(2)若线圈从垂直于中性面的位置开始计时,t=0时电动势e为最大值,则电动势的表达式为e=BSωcos ωt。
(3)线圈在匀强磁场中匀速转动时,电动势的最大值Em=BSω,与开始计时的位置无关。
(4)线圈从中性面开始计时,感应电动势图像为正弦图像;线圈从垂直中性面开始计时,感应电动势图像为余弦图像。
归纳总结
1.从两个特殊位置开始计时时的瞬时值表达式。
2.正弦式交变电流电动势的峰值Em=nBSω,由线圈的匝数n、磁感应强度B、线圈的面积S及其转动的角速度ω共同决定,与线圈的形状无关,与转轴的位置无关。如图所示的三种情况,若三个线圈的n、B、S、ω相同,则感应电动势的最大值相同。
典型例题
【例2】 一矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时,产生的电动势的图像如图所示,则(　　)
A.交变电流的频率是4π Hz
B.当t=0时,线圈平面与磁感线垂直,
磁通量最大
C.当t=π s时,e有最大值
D.t= π s时,e=-10 V最小,磁通量变化率最小
答案:B
特别提醒
图像的分析方法
一看:看“轴”、看“线”、看“斜率”、看“点”,并理解其物理意义。 二变:掌握“图与图”“图与式”和“图与物”之间的变通关系。 三判:在此基础上进行正确的分析和判断。
成 果 验 收 站
1.(多选)如图所示的图像中属于交变电流的是(　　)
答案:ABC
解析:选项A、B、C中e的方向均发生了变化,故它们属于交变电流,但不是正弦式交变电流;选项D中e的方向未变化,故是直流。
2.(多选)下列方法中能够产生交变电流的是(　　)
答案:ACD
解析:选项A中线圈在匀强磁场中按逆时针方向匀速转动,会产生正弦式交变电流。选项B中的金属棒不切割磁感线,无闭合回路,不产生感应电动势,无感应电流。选项C中的折线与矩形线圈的效果是相同的。选项D中能产生按余弦规律变化的交变电流。
4.(多选)如图所示,矩形线圈abcd放在匀强磁场中,ad=bc=l1, ab=cd=l2。从图示位置起该线圈以角速度ω绕不同转轴匀速转动,则(　　)
A.以OO'为转轴时,感应电动势e=Bl1l2ωsin ωt
B.以O1O1'为转轴时,感应电动势e=Bl1l2ωsin ωt
C.以OO'为转轴时,感应电动势e=Bl1l2ωcos ωt
D.以OO'为转轴跟以ab为转轴一样,
感应电动势e=Bl1l2ωcos ωt
答案:CD
解析:以O1O1'为轴转动时,磁通量不变,不产生交变电流,选项B错误。无论以OO'为轴还是以ab为轴转动,感应电动势的最大值都是Bl1l2ω,由于是从与磁场平行的面开始计时,因此e=Bl1l2ωcos ωt,选项C、D正确,A错误。
5.(多选)如图甲所示,一个矩形线圈abcd在匀强磁场中绕垂直于磁场方向且与线圈共面的轴OO'匀速转动,从某个时刻开始计时,穿过线圈的磁通量Φ随时间t的变化如图乙所示,则下列说法正确的是(　　)
A.t=0时刻线圈处于中性面位置
B.t1、t3时刻线圈中的感应电流
最大且方向相同
C.t2、t4时刻穿过矩形线圈的磁通量最大,但感应电流却为零
D.t5时刻穿过线圈的磁通量为零,磁通量的变化率也为零
答案:AC
解析:t=0时刻穿过线圈的磁通量最大,所以线圈处在中性面位置,选项A正确。t1、t3时刻穿过线圈的磁通量为零,线圈平面与磁场平行,磁通量的变化率最大,感应电流最大,但方向相反,选项B错误。t2、t4时刻穿过矩形线圈的磁通量最大,磁通量的变化率为零,所以感应电流为零,选项C正确。t5时刻穿过线圈的磁通量为零,磁通量的变化率最大,选项D错误。

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