资源简介

3.1　认识交变电流
【学习目标】
1.通过任务1及其活动,知道直流与交变电流的概念,理解正弦式交变电流的产生原理。(物理观念、科学思维)
2.通过任务2及其活动,掌握正弦式交变电流的变化规律及表示方法,会用函数与图像表述交变电流,培养运用数学知识描述物理规律的能力。(物理观念、科学思维)
3.通过任务3及其活动,了解旋转电枢式交流发电机和旋转磁极式交流发电机的基本结构及其能量转化过程,体验科学技术与生活、生产的关系。(物理观念、科学态度与责任)
【自主预习·悟新知】
思考并回答问题。
思考1:如图所示的电流为交流电吗 说出你的判断理由。

思考2:矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场且与线圈共面的转轴匀速转动时,产生的感应电动势最大值为50 V,那么该线圈由图示位置(线圈平面与磁场方向平行)转过30°时,线圈中的感应电动势大小为多少




正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)交流电的图像一定是正弦曲线。 ( )
(2)只要线圈在磁场中转动,就可以产生交变电流。 ( )
(3)线圈在通过中性面时磁通量最大,电流也最大。 ( )
(4)线圈在通过中性面时电流的方向发生改变。 ( )
【合作探究·提素养】
任务1　交变电流及其产生
把两个发光颜色不同的发光二极管并联,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(如下图)。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,并回答下列问题。
1.先缓慢转动手柄,观察到两个发光二极管发光情况如何 逐渐加快转动速度,观察到两个发光二极管发光情况如何


2.假定线圈沿逆时针方向匀速转动,当线圈在图1位置时,线圈AB、CD两边瞬时速度方向怎样 在线圈由图1转到图2所示位置的过程中,AB、CD边中电流向哪个方向流动



3.在线圈由图3转到图4所示位置的过程中,AB、CD边中电流向哪个方向流动



4.转到什么位置时通过线圈的磁通量为零 转到什么位置时通过线圈的磁通量最大 转到什么位置时线圈中没有电流 转到什么位置时线圈中的电流最大


1.交变电流
(1)交变电流(AC):①　　　　随时间做②　　　　变化的电流,简称交流。
(2)直流(DC):③　　　　不随时间变化的电流。
2.交变电流的产生:在匀强磁场中,线圈绕垂直于磁感线的轴转动,如图所示,线圈中就会产生④　　　　和⑤　　　　都随时间变化的交变电流。
应用　判断交变电流
对于如图所示的电流i随时间t做周期性变化的图像,下列描述正确的是 ( )
A.电流的大小变化,方向也变化,是交变电流
B.电流的大小变化,方向不变,不是交变电流
C.电流的大小不变,方向不变,是直流电
D.电流的大小不变,方向变化,是交变电流
交变电流图像描绘
因为AB、CD两边在运动时,垂直于磁感线方向的速度不断变化,所以感应电动势也在变化,感应电流同时发生变化。假设电流从电刷E 经过负载流向电刷F的方向记为正,反之为负,在图5横坐标轴上标出线圈到达图1、图2、图3、图4几个位置时对应的时刻,请在图5中大致画出感应电流随时间变化的曲线。
图5
任务2　用公式描述交变电流
在完成上面素养拓展的基础上,阅读课本“用公式描述交变电流”部分的内容,结合数学知识,思考、回答下列问题。
1.设线圈匀速旋转的角速度为ω,AB和CD 的长度为l,AD 和BC 的长度为d,那么线框旋转过程中AB和CD边的速度v是多少



2.如图所示,以线圈刚好转到中性面位置为初始时刻,则经历t时间线圈转过的角度是多少




3.速度v在与磁感线垂直方向的分速度v⊥是多少


4.t时刻线框中产生的感应电动势为多少 如果线框的匝数为N呢



5.若发电机与负载电阻分别为r、R,则电路中t时刻的电流与路端电压分别是多少




　　交变电流的变化规律
(1)正弦式交变电流
a.定义:按⑥　　　　规律变化的交变电流叫作正弦式交变电流,简称⑦　　　　。
b.线圈平面转到中性面位置时电动势为⑧　　　　,线圈平面转到与磁场平行的位置时电动势为⑨　　　　。
c.函数与图像
函　数 图　像
瞬时电动势: ⑩　　　　
瞬时电压: 　　　　
瞬时电流: 　　　　
　　注:表达式中Em、Um、Im分别是电动势、电压、电流的　　　　,而e、u、i则是这几个量的　　　　。
(2)其他交变电流
应用1　交变电流电动势瞬时值的计算
图2是图1中线圈ABCD在磁场中绕轴OO'转动时三个不同时刻的截面图。线圈平面从中性面开始转动,角速度为ω,经过时间t,线圈转过的角度是ωt,设AB边长为L1,BC边长为L2,线圈面积S=L1L2,磁感应强度为B,AB、CD关于轴OO'对称,则:
(1)甲、乙、丙中AB边产生的感应电动势各为多大
(2)甲、乙、丙中整个线圈中的感应电动势各为多大
(3)若线圈有N匝,则甲、乙、丙中整个线圈的感应电动势各为多大






归纳总结
求解交变电动势瞬时值的步骤如下:
(1)确定线圈转动是从哪个位置开始计时的。
(2)确定表达式是正弦函数还是余弦函数。
(3)确定线圈转动的角速度ω、线圈匝数N、磁感应强度B、线圈面积S等。
(4)求出峰值Em=NBSω,写出表达式,代入时间求瞬时值。
应用2　峰值与线圈面积的关系
在匀强磁场中有一矩形导线框,以相同的角速度按图1、图2、图3、图4所示的固定转轴旋转,用I1、I2、I3、I4表示四种情况下线框中产生的感应电流的最大值,则 ( )
　　　　　　　　　　　　　　　
A.I1=I2=I3=I4 B.I2>I1>I3>I4
C.I1>I2>I3>I4 D.I1=I2=I3>I4
归纳总结
线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴转动时,其感应电动势的峰值Em=NBSω,与转轴的位置及线圈的形状无关。
任务3　交流发电机
如图所示,工人正在吊装巨大的风力发电机的机组。阅读课本“交流发电机”部分的内容,回答下列问题。
1.交流发电机基本组成部分有哪些


2.什么是旋转电枢式发电机 什么是旋转磁极式发电机

3.旋转电枢式发电机与旋转磁极式发电机相比,有什么缺点


4.发电机是如何实现能量转化的



　　交流发电机
(1)交流发电机的基本组成:用来产生感应电动势的线圈(通常叫作　　　　)和用来产生磁场的　　　　。
(2)交流发电机的基本种类:线圈旋转,磁极不动的发电机叫作 　　　　式发电机;磁极旋转,线圈不动的发电机叫作　　　　式发电机。
(3)发电机的转子由蒸汽轮机、水轮机、风机等带动。发电机将　　　　能转化为电能。
应用　发电过程的能量转化
下列关于发电机的说法正确的是 ( )
A.线圈是转子,磁极是定子
B.只有当线圈转动时,才能产生感应电动势
C.火电站把燃料燃烧的内能直接转化为电能
D.所有的发电机都是把机械能转化为电能
【随堂检测·精评价】
1.(任务1)(多选)下列各图中,线圈中会产生交变电流的是 ( )
A　　 　　B　　 　　C　　　　　 D
2.(任务1)一闭合矩形线圈abcd绕垂直于磁感线的固定轴OO'匀速转动,线圈平面位于图1所示的匀强磁场中。通过线圈内的磁通量Φ随时间的变化规律如图2所示。则下列说法正确的是 ( )
A.t1、t3时刻通过线圈的磁通量变化率最大
B.t2、t4时刻线圈中感应电流方向改变
C.t1、t3时刻线圈中感应电流方向改变
D.t2、t4时刻线圈中感应电动势最小
3.(任务2)电吉他是利用电磁感应原理工作的一种乐器。图1为电吉他的拾音器的原理图,在金属弦的下方放置一个连接到放大器的螺线管。一条形磁铁固定在螺线管内,当拨动金属弦后,螺线管内就会产生感应电流,经一系列转化后可将电信号转为声音信号。若由于金属弦的振动,螺线管内的磁通量Φ随时间t的变化情况如图2所示,则螺线管内感应电流i随时间t的变化图像可能为 ( )
A　　　　　　　　　B
C　　　　　　　　　D
4.(任务2)(多选)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e=0.5sin 20t (V),由该表达式可推出的物理量是 ( )
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
参考答案
自主预习·悟新知
思考1:该电流不是交流电,因为该电流虽然大小随时间周期性变化,但其方向没有变化。
思考2:线圈绕垂直于磁场的转轴匀速转动,从垂直中性面的位置开始计时,感应电动势的瞬时值e=Emcos θ,当θ=30°时,感应电动势的瞬时值e=Emcos 30°=25 V。
判断　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√
合作探究·提素养
任务1
问题引领
1.转动较慢时,观察到两个二极管轮流发光;转速太快时,会发现眼睛不能分辨,观察到的是二极管连续发光。
2.作侧视图,如图甲所示,当线圈在图1位置时,线圈AB、CD两边瞬时速度方向分别为水平向左和向右;如图乙所示,由右手定则可知,在线圈由图1转到图2所示位置的过程中,AB、CD边中电流方向分别为B→A、D→C。
3.作侧视图如图所示,由右手定则可知,在线圈由图3转到图4所示位置的过程中,AB、CD边中电流方向分别为A→B、C→D。
4.转到图2和图4位置,通过线圈的磁通量为零;转到图1和图3位置,通过线圈的磁通量最大。转到图1和图3位置,由于AB、CD边速度方向恰好与磁场方向平行,线圈中没有电流;转到图2和图4位置,由于AB、CD边速度方向恰好与磁场方向垂直,线圈中电流最大。
知识生成　①方向　②周期　③方向　④大小　⑤方向
应用探究
例1　B　【解析】由图像可知,电流的方向不变,而大小做周期性变化,所以不是交流,而是直流,但不是恒定直流,B项正确。
活动　【提示】如图所示。
任务2
问题引领
1.v=ωd。
2.θ=ωt。
3.v⊥=vsin θ=ωdsin ωt。
4.线框上产生的感应电动势等于AB、CD两边产生的电动势之和,e=2Bl v⊥=Bldωsin ωt=BSωsin ωt(其中S表示线框的面积)。设Em=BSω,则有e=Emsin ωt;若线框匝数为N,则有e=NBSωsin ωt。
5.根据闭合电路知识可知t时刻的电流i=Imsin ωt,其中Im=,t时刻的路端电压u=Umsin ωt,其中Um=Em。
知识生成　⑥正弦　⑦正弦式电流　⑧0　⑨最大值　⑩e=Emsin ωt　u=Umsin ωt　i=Imsin ωt　峰值　瞬时值
应用探究
例2　【解答】(1)甲中:eAB=0
乙中:eAB=BL1vsin ωt=BL1·sin ωt=BSωsin ωt
丙中:eAB=BL1v=BL1·=BSω。
(2)整个线圈中的感应电动势由AB和CD两部分组成,且eAB=eCD,所以
甲中:e=0
乙中:e=eAB+eCD=BSωsin ωt
丙中:e=BSω。
(3)若线圈有N匝,则相当于N个完全相同的电源串联,所以
甲中:e=0
乙中:e=NBSωsin ωt
丙中:e=NBSω。
例3　A　【解析】由Em=nBSω可知感应电动势的最大值与转轴的位置无关,故四种情况下的最大值相同,因此电流的最大值也相同,A项正确,B、C、D三项错误。
任务3
问题引领
1.产生感应电动势的线圈和产生磁场的磁体两部分。
2.电枢转动,磁极不动的发电机叫作旋转电枢式发电机。磁极转动,电枢不动的发电机叫作旋转磁极式发电机。
3.首先,旋转电枢式发电机转子产生的电流,必须经过裸露的滑环和电刷引到外电路,如果电压很高,很容易发生火花放电,烧坏滑环和电刷。其次,转动的电枢无法做得很大,线圈匝数也不可能很多,所以产生的感应电动势也不能很高。这种发电机输出的电压一般不超过500 V。旋转磁极式发电机克服了上述缺点,能够产生几千伏到几万伏的电压,输出功率可达几百兆瓦。所以,现在大多数发电机是旋转磁极式的。
4.发电机的转子由蒸汽轮机、水轮机、风机等带动。蒸汽轮机、水轮机、风机等将机械能传递给发电机,发电机将机械能转化为电能,输送给外电路。
知识生成　电枢　磁极　旋转电枢　旋转磁极
机械
应用探究
例4　D　【解析】有旋转磁极式发电机和旋转电枢式发电机,A项错误;线圈相对于磁场转动和磁场相对于线圈转动,都可以产生感应电动势,B项错误;火电站利用燃料燃烧产生的内能对水加热,产生高温高压的水蒸气推动蒸汽轮机转化为机械能,蒸汽轮机带动发电机发电,机械能转化为电能,C项错误;所有的发电机都是靠外力转动磁极或电枢发电,机械能转化为电能,D项正确。
随堂检测·精评价
1.BCD　【解析】正弦、余弦交变电流的产生条件是线框在匀强磁场中匀速转动,转轴必须垂直于磁感线,并在线框平面内,但对线圈的形状没有特别的要求,B、C、D三项正确。
2.C　【解析】t1、t3时刻磁通量最大,磁通量的变化率为零,这两个时刻感应电流方向改变,t2、t4时刻感应电动势最大,A、B、D三项错误,C项正确。
3.B　【解析】由法拉第电磁感应定律可知,螺线管内感应电流i随时间t的变化图像可能为B项。
4.CD　【解析】根据正弦式交变电流的瞬时值表达式e=BSωsin ωt,可得ω=20 rad/s,而磁通量的最大值的表达式为Φ=BS,所以可以根据BSω=0.5求出磁通量的最大值。

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