通用版2018-2019版高中物理第2章交變電流與發(fā)電機2.1怎樣產生交變電流學案滬科版選修3 .doc

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2.1　怎樣產生交變電流 [目標定位] 1.會觀察電流(或電壓)的波形圖，理解交變電流和直流的概念.2.理解交變電流的產生過程，會分析電動勢和電流方向的變化規(guī)律.3.知道交變電流的變化規(guī)律及表示方法，知道交變電流的瞬時值、最大值的物理含義. 一、交變電流 兩個發(fā)光二極管接成如圖1所示電路 圖1 (1)把電路接在干電池的兩端時，可以觀察到的現(xiàn)象是什么？ (2)把電路接在手搖式發(fā)電機兩端時，又會觀察到怎樣的現(xiàn)象？ 答案　(1)當接在干電池兩端時，只有一個發(fā)光二極管會亮. (2)當接在手搖式發(fā)電機兩端時，兩個發(fā)光二極管間或閃亮，原因是發(fā)電機產生與直流不同的電流，兩個發(fā)光二極管一會兒接通這一個，一會兒再接通另外一個，電流方向不停地改變. [要點總結] 1.交流：大小和方向都隨時間做周期性變化的電流叫交變電流，簡稱交流. 2.直流：方向不隨時間變化的電流稱為直流.大小、方向都不隨時間變化的電流稱為恒定電流. 3.對直流電流和交變電流的區(qū)分主要是看電流方向是否變化. 例1　(多選)如圖所示的圖像中屬于交變電流的有(　　) 答案　ABC 解析　選項A、B、C中e的方向均發(fā)生了變化，故它們屬于交變電流，但不是正弦式交變電流；選項D中e的方向未變化，故是直流. 二、交變電流的產生 圖2 假定線圈沿逆時針方向勻速轉動，如圖2甲至丁所示.請分析判斷： (1)圖中，在線圈由甲轉到乙的過程中，AB邊中電流向哪個方向流動？ (2)在線圈由丙轉到丁的過程中，AB邊中電流向哪個方向流動？ (3)當線圈轉到什么位置時線圈中感應電動勢為零，轉到什么位置時線圈中的感應電動勢最大？ (4)大致畫出線圈轉動一周的過程中，電動勢e隨時間變化的曲線，從E經過負載流向F的電流記為正，反之為負.在橫坐標上標出線圈到達甲、乙、丙、丁幾個位置時對應的時刻. 答案　(1)由B到A　(2)由A到B (3)線圈轉到甲或丙位置時線圈中感應電動勢為零，稱為中性面.線圈轉到乙或丁位置時線圈中的感應電動勢最大. (4) [要點總結] 1.交流發(fā)電機的構造：主要由可轉動的線圈(電樞)和磁體兩部分組成. 2.正弦式交變電流的產生：將閉合線圈置于勻強磁場中，并繞垂直磁場方向的軸勻速轉動. 3.中性面——線圈平面與磁感線垂直時的位置 (1)線圈處于中性面位置時，穿過線圈的Φ最大，但線圈中的感應電動勢為零(填“最大”或“零”). (2)線圈每次經過中性面時，線圈中感應電動勢方向都要改變.線圈轉動一周，感應電動勢方向改變兩次. 4.旋轉電樞式發(fā)電機和旋轉磁極式發(fā)電機 (1) 旋轉電樞式發(fā)電機產生電壓一般不超過500 V (2) 旋轉磁極式發(fā)電機能產生幾千伏到幾萬伏電壓 5.交變電流的電能從哪里來 從能量轉化的角度看，發(fā)電機是把機械能轉變?yōu)殡娔艿臋C器. 例2　(多選)矩形線框繞垂直于勻強磁場且在線框平面的軸勻速轉動時產生了交變電流，下列說法正確的是 (　　) A.當線框位于中性面時，線框中感應電動勢最大 B.當穿過線框的磁通量為零時，線框中的感應電動勢也為零 C.每當線框經過中性面時，感應電動勢或感應電流方向就改變一次 D.線框經過中性面時，各邊切割磁感線的速度為零 答案　CD 解析　線框位于中性面時，線框平面與磁感線垂直，穿過線框的磁通量最大，但此時切割磁感線的兩邊的速度與磁感線平行，即不切割磁感線，所以感應電動勢等于零，也應該知道此時穿過線框的磁通量的變化率等于零，感應電動勢或感應電流的方向也就在此時刻變化.線框垂直于中性面時，穿過線框的磁通量為零，但切割磁感線的兩邊都垂直切割，有效切割速度最大，所以感應電動勢最大，也可以說此時穿過線框的磁通量的變化率最大.故C、D選項正確. 三、交變電流的變化規(guī)律 如圖3所示是圖2中線圈ABCD在磁場中繞軸OO′轉動時的截面圖.設AB邊長為L1，BC邊長為L2，線圈面積S＝L1L2，磁感應強度為B，線圈轉動的角速度為ω，則： 圖3 (1)甲、乙、丙位置AB邊產生的感應電動勢各為多大？ (2)甲、乙、丙位置整個線圈中的感應電動勢各為多大？ (3)若線圈有n匝，則甲、乙、丙中整個線圈的感應電動勢各為多大？ 答案　(1)甲：eAB＝0 乙：eAB＝BL1vsin ωt＝BL1sin ωt ＝BL1L2ωsin ωt＝BSωsin ωt 丙：eAB＝BL1v＝BL1＝BL1L2ω＝BSω (2)整個線圈中的感應電動勢由AB和CD兩部分產生，且eAB＝eCD，所以 甲：e＝0 乙：e＝eAB＋eCD＝BSωsin ωt 丙：e＝BSω (3)若線圈有n匝，則相當于n個完全相同的電源串聯(lián)，所以 甲：e＝0 乙：e＝nBSωsin ωt 丙：e＝nBSω [要點總結] 1.正弦式交變電流的瞬時值表達式 (1)當從中性面開始計時：e＝Emaxsin ωt. (2)當從與中性面垂直的位置開始計時：e＝Emaxcos ωt. 2.正弦式交變電流的最大值表達式 Emax＝nBSω 與線圈的形狀及轉動軸的位置無關.(填“有關”或“無關”) 3.兩個特殊位置 (1)中性面：線圈平面與磁場垂直. Φ最大，為0，e為0，i為0.(填“0”或“最大”) 線圈每次經過中性面時，線圈感應電流的方向要改變.線圈轉動一圈，感應電流方向改變兩次. (2)垂直中性面：線圈平面與磁場平行. Φ為0，最大，e為最大，i最大.(填“0”或“最大”) 4.(1)正弦式交變電流的圖像及應用 或 從中性面計時　　　從垂直中性面(B∥S)計時 (2)從正弦式交變電流的圖像中可以解讀到以下信息： ①交變電流的周期T、最大值Em. ②因線圈在中性面時感應電動勢為零，磁通量最大，所以可確定線圈位于中性面的時刻，也可根據(jù)感應電動勢最大值找出線圈平行磁感線的時刻. ③判斷線圈中磁通量Φ最小、最大的時刻及磁通量變化率最大、最小的時刻. ④分析判斷e的大小和方向隨時間變化的規(guī)律. 例3　如圖4所示，線圈的面積是0.05 m2，共100匝，勻強磁場的磁感應強度B＝ T，當線圈以300 r/min的轉速勻速旋轉時，求： 圖4 (1)若從線圈的中性面開始計時，寫出線圈中感應電動勢的瞬時值表達式. (2)從中性面開始計時，線圈轉過 s時電動勢瞬時值多大？ 答案　(1)e＝50sin(10πt)V　(2)43.3 V 解析　(1)n＝300 r/min＝5 r/s，因為從中性面開始轉動，并且求的是瞬時值，故 e＝Emaxsin ωt＝NBS2πnsin (2πnt)＝50sin (10πt)V (2)當t＝ s時，e＝50sin (10π)V≈43.3 V 例4　線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場的轉軸勻速轉動，產生交變電流的圖像如圖5所示，由圖中信息可以判斷(　　) 圖5 A.在A和C時刻線圈處于中性面位置 B.在B和D穿過線圈的磁通量為零 C.從A～D線圈轉過的角度為2π D.若從O～D歷時0.02 s，則在1 s內交變電流的方向改變100次 答案　D 解析　根據(jù)題圖，首先判斷出交變電流的瞬時值表達式i＝Imaxsin ωt.其中Imax是交變電流的最大值，ω是線圈旋轉的角速度.另外，應該進一步認識到線圈是從中性面開始旋轉，而且線圈每旋轉一周，兩次經過中性面，經過中性面的位置時電流改變方向，從題圖可以看出，在O、B、D時刻電流為零，所以此時刻線圈恰好在中性面的位置，且穿過線圈的磁通量最大；在A、C時刻電流最大，線圈處于和中性面垂直的位置，此時磁通量為零；從A到D，線圈旋轉周，轉過的角度為；如果從O到D歷時0.02 s，恰好為一個周期，所以1 s內線圈轉過50個周期，100次經過中性面，電流方向改變100次.綜合以上分析可得，只有選項D正確. 針對訓練　(多選)矩形線圈的匝數(shù)為50匝，在勻強磁場中繞垂直于磁場的軸勻速轉動時，穿過線圈的磁通量隨時間的變化規(guī)律如圖6所示，下列結論正確的是(　　) 圖6 A.在t＝0.1 s和t＝0.3 s時，電動勢最大 B.在t＝0.2 s和t＝0.4 s時，電動勢改變方向 C.電動勢的最大值是157 V D.當t＝0.4 s時，磁通量變化率達到最大，其值為3.14 Wb/s 答案　CD 解析　由Φ－t圖像可知Φmax＝BS＝0.2 Wb，T＝0.4 s，又因為n＝50，所以Emax＝nBSω＝nΦmax＝157 V，C正確.t＝0.1 s 和t＝0.3 s時，Φ最大，e＝0，電動勢改變方向；t＝0.2 s和t＝0.4 s時，Φ＝0，e＝Emax最大，故A、B錯誤.根據(jù)線圈在磁場中轉動時產生感應電動勢的特點知，當t＝0.4 s時，最大，＝3.14 Wb/s，D正確. 1.(交變電流的產生)(多選)下列各圖中，線圈中能產生交變電流的有(　　) 答案　BCD 2.(交變電流的產生及規(guī)律)(多選)如圖7所示，一矩形閉合線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的轉軸OO′以恒定的角速度ω轉動，從線圈平面與磁場方向平行時開始計時，則在0～這段時間內(　　) 圖7 A.線圈中的感應電流一直在減小 B.線圈中的感應電流先增大后減小 C.穿過線圈的磁通量一直在減小 D.穿過線圈的磁通量的變化率一直在減小 答案　AD 解析　題圖位置，線圈平面與磁場平行，感應電流最大，因為＝，在0～時間內線圈轉過四分之一個周期，感應電流從最大值減小為零，穿過線圈的磁通量逐漸增大，穿過線圈的磁通量的變化率一直在減小，故A、D正確，B、C錯誤. 3.(交變電流的圖像)一只矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁感線的軸勻速轉動，穿過線圈的磁通量隨時間變化的圖像如圖8甲所示，則下列說法中正確的是(　　) 圖8 A.t＝0時刻，線圈平面與中性面垂直 B.t＝0.01 s時刻，Φ的變化率最大 C.t＝0.02 s時刻，交變電動勢達到最大 D.該線圈產生的相應感應電動勢的圖像如圖乙所示 答案　B 解析　由題圖甲可知t＝0時刻，線圈的磁通量最大，線圈處于中性面.t＝0.01 s時刻，磁通量為零，但變化率最大，所以A項錯誤，B項正確.t＝0.02 s時，感應電動勢應為零，C、D項均錯誤. 4.(交變電流的變化規(guī)律)如圖9所示，勻強磁場的磁感應強度B＝ T，邊長L＝10 cm的正方形線圈abcd共100匝，線圈總電阻r＝1 Ω，線圈繞垂直于磁感線的軸OO′勻速轉動，角速度ω＝2π rad/s，外電路電阻R＝4 Ω.求： 圖9 (1)轉動過程中線圈中感應電動勢的最大值. (2)從圖示位置開始感應電動勢的瞬時值表達式. (3)由圖示位置(線圈平面與磁感線平行)轉過30角電路中電流的瞬時值. 答案　(1)2 V　(2)e＝2cos 2πt (V)　(3) A 解析　(1)設轉動過程中感應電動勢的最大值為Em，則Em＝NBL2ω＝1000.012π V＝2 V. (2)從圖示位置開始感應電動勢的瞬時值表達式為e＝Emcos ωt＝2cos 2πt (V) (3)從圖示位置開始轉過30角時感應電動勢的瞬時值e′＝2cos 30＝ V，i＝＝ A.