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

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2.1　怎樣產(chǎn)生交變電流 [目標(biāo)定位] 1.會(huì)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(chǎn)生過程，會(huì)分析電動(dòng)勢(shì)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(shí)值、最大值的物理含義. 一、交變電流 兩個(gè)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(shí)，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(jī)兩端時(shí)，又會(huì)觀察到怎樣的現(xiàn)象？ 答案　(1)當(dāng)接在干電池兩端時(shí)，只有一個(gè)發(fā)光二極管會(huì)亮. (2)當(dāng)接在手搖式發(fā)電機(jī)兩端時(shí)，兩個(gè)發(fā)光二極管間或閃亮，原因是發(fā)電機(jī)產(chǎn)生與直流不同的電流，兩個(gè)發(fā)光二極管一會(huì)兒接通這一個(gè)，一會(huì)兒再接通另外一個(gè)，電流方向不停地改變. [要點(diǎn)總結(jié)] 1.交流：大小和方向都隨時(shí)間做周期性變化的電流叫交變電流，簡(jiǎn)稱交流. 2.直流：方向不隨時(shí)間變化的電流稱為直流.大小、方向都不隨時(shí)間變化的電流稱為恒定電流. 3.對(duì)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(xiàng)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(xiàng)D中e的方向未變化，故是直流. 二、交變電流的產(chǎn)生 圖2 假定線圈沿逆時(shí)針方向勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2甲至丁所示.請(qǐng)分析判斷： (1)圖中，在線圈由甲轉(zhuǎn)到乙的過程中，AB邊中電流向哪個(gè)方向流動(dòng)？ (2)在線圈由丙轉(zhuǎn)到丁的過程中，AB邊中電流向哪個(gè)方向流動(dòng)？ (3)當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到什么位置時(shí)線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零，轉(zhuǎn)到什么位置時(shí)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大？ (4)大致畫出線圈轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過程中，電動(dòng)勢(shì)e隨時(shí)間變化的曲線，從E經(jīng)過負(fù)載流向F的電流記為正，反之為負(fù).在橫坐標(biāo)上標(biāo)出線圈到達(dá)甲、乙、丙、丁幾個(gè)位置時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻. 答案　(1)由B到A　(2)由A到B (3)線圈轉(zhuǎn)到甲或丙位置時(shí)線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零，稱為中性面.線圈轉(zhuǎn)到乙或丁位置時(shí)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大. (4) [要點(diǎn)總結(jié)] 1.交流發(fā)電機(jī)的構(gòu)造：主要由可轉(zhuǎn)動(dòng)的線圈(電樞)和磁體兩部分組成. 2.正弦式交變電流的產(chǎn)生：將閉合線圈置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，并繞垂直磁場(chǎng)方向的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng). 3.中性面——線圈平面與磁感線垂直時(shí)的位置 (1)線圈處于中性面位置時(shí)，穿過線圈的Φ最大，但線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零(填“最大”或“零”). (2)線圈每次經(jīng)過中性面時(shí)，線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向都要改變.線圈轉(zhuǎn)動(dòng)一周，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向改變兩次. 4.旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī) (1) 旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電壓一般不超過500 V (2) 旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)能產(chǎn)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(zhuǎn)化的角度看，發(fā)電機(jī)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿臋C(jī)器. 例2　(多選)矩形線框繞垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)且在線框平面的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了交變電流，下列說法正確的是 (　　) A.當(dāng)線框位于中性面時(shí)，線框中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大 B.當(dāng)穿過線框的磁通量為零時(shí)，線框中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也為零 C.每當(dāng)線框經(jīng)過中性面時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或感應(yīng)電流方向就改變一次 D.線框經(jīng)過中性面時(shí)，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(shí)，線框平面與磁感線垂直，穿過線框的磁通量最大，但此時(shí)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(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于零，也應(yīng)該知道此時(shí)穿過線框的磁通量的變化率等于零，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或感應(yīng)電流的方向也就在此時(shí)刻變化.線框垂直于中性面時(shí)，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(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，也可以說此時(shí)穿過線框的磁通量的變化率最大.故C、D選項(xiàng)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(chǎng)中繞軸OO′轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的截面圖.設(shè)AB邊長(zhǎng)為L(zhǎng)1，BC邊長(zhǎng)為L(zhǎng)2，線圈面積S＝L1L2，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為ω，則： 圖3 (1)甲、乙、丙位置AB邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)各為多大？ (2)甲、乙、丙位置整個(gè)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)各為多大？ (3)若線圈有n匝，則甲、乙、丙中整個(gè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(gè)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)由AB和CD兩部分產(chǎn)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(dāng)于n個(gè)完全相同的電源串聯(lián)，所以 甲：e＝0 乙：e＝nBSωsin ωt 丙：e＝nBSω [要點(diǎn)總結(jié)] 1.正弦式交變電流的瞬時(shí)值表達(dá)式 (1)當(dāng)從中性面開始計(jì)時(shí)：e＝Emaxsin ωt. (2)當(dāng)從與中性面垂直的位置開始計(jì)時(shí)：e＝Emaxcos ωt. 2.正弦式交變電流的最大值表達(dá)式 Emax＝nBSω 與線圈的形狀及轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置無關(guān).(填“有關(guān)”或“無關(guān)”) 3.兩個(gè)特殊位置 (1)中性面：線圈平面與磁場(chǎng)垂直. Φ最大，為0，e為0，i為0.(填“0”或“最大”) 線圈每次經(jīng)過中性面時(shí)，線圈感應(yīng)電流的方向要改變.線圈轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，感應(yīng)電流方向改變兩次. (2)垂直中性面：線圈平面與磁場(chǎng)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(yīng)用 或 從中性面計(jì)時(shí)　　　從垂直中性面(B∥S)計(jì)時(shí) (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(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零，磁通量最大，所以可確定線圈位于中性面的時(shí)刻，也可根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大值找出線圈平行磁感線的時(shí)刻. ③判斷線圈中磁通量Φ最小、最大的時(shí)刻及磁通量變化率最大、最小的時(shí)刻. ④分析判斷e的大小和方向隨時(shí)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(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝ T，當(dāng)線圈以300 r/min的轉(zhuǎn)速勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，求： 圖4 (1)若從線圈的中性面開始計(jì)時(shí)，寫出線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式. (2)從中性面開始計(jì)時(shí)，線圈轉(zhuǎn)過 s時(shí)電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)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?yàn)閺闹行悦骈_始轉(zhuǎn)動(dòng)，并且求的是瞬時(shí)值，故 e＝Emaxsin ωt＝NBS2πnsin (2πnt)＝50sin (10πt)V (2)當(dāng)t＝ s時(shí)，e＝50sin (10π)V≈43.3 V 例4　線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)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(shí)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(zhuǎn)過的角度為2π D.若從O～D歷時(shí)0.02 s，則在1 s內(nèi)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(shí)值表達(dá)式i＝Imaxsin ωt.其中Imax是交變電流的最大值，ω是線圈旋轉(zhuǎn)的角速度.另外，應(yīng)該進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到線圈是從中性面開始旋轉(zhuǎn)，而且線圈每旋轉(zhuǎn)一周，兩次經(jīng)過中性面，經(jīng)過中性面的位置時(shí)電流改變方向，從題圖可以看出，在O、B、D時(shí)刻電流為零，所以此時(shí)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(shí)刻電流最大，線圈處于和中性面垂直的位置，此時(shí)磁通量為零；從A到D，線圈旋轉(zhuǎn)周，轉(zhuǎn)過的角度為；如果從O到D歷時(shí)0.02 s，恰好為一個(gè)周期，所以1 s內(nèi)線圈轉(zhuǎn)過50個(gè)周期，100次經(jīng)過中性面，電流方向改變100次.綜合以上分析可得，只有選項(xiàng)D正確. 針對(duì)訓(xùn)練　(多選)矩形線圈的匝數(shù)為50匝，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，穿過線圈的磁通量隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖6所示，下列結(jié)論正確的是(　　) 圖6 A.在t＝0.1 s和t＝0.3 s時(shí)，電動(dòng)勢(shì)最大 B.在t＝0.2 s和t＝0.4 s時(shí)，電動(dòng)勢(shì)改變方向 C.電動(dòng)勢(shì)的最大值是157 V D.當(dāng)t＝0.4 s時(shí)，磁通量變化率達(dá)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?yàn)閚＝50，所以Emax＝nBSω＝nΦmax＝157 V，C正確.t＝0.1 s 和t＝0.3 s時(shí)，Φ最大，e＝0，電動(dòng)勢(shì)改變方向；t＝0.2 s和t＝0.4 s時(shí)，Φ＝0，e＝Emax最大，故A、B錯(cuò)誤.根據(jù)線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的特點(diǎn)知，當(dāng)t＝0.4 s時(shí)，最大，＝3.14 Wb/s，D正確. 1.(交變電流的產(chǎn)生)(多選)下列各圖中，線圈中能產(chǎn)生交變電流的有(　　) 答案　BCD 2.(交變電流的產(chǎn)生及規(guī)律)(多選)如圖7所示，一矩形閉合線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)方向的轉(zhuǎn)軸OO′以恒定的角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)，從線圈平面與磁場(chǎng)方向平行時(shí)開始計(jì)時(shí)，則在0～這段時(shí)間內(nèi)(　　) 圖7 A.線圈中的感應(yīng)電流一直在減小 B.線圈中的感應(yīng)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(chǎng)平行，感應(yīng)電流最大，因?yàn)椋?，?～時(shí)間內(nèi)線圈轉(zhuǎn)過四分之一個(gè)周期，感應(yīng)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(cuò)誤. 3.(交變電流的圖像)一只矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁感線的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，穿過線圈的磁通量隨時(shí)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(shí)刻，線圈平面與中性面垂直 B.t＝0.01 s時(shí)刻，Φ的變化率最大 C.t＝0.02 s時(shí)刻，交變電動(dòng)勢(shì)達(dá)到最大 D.該線圈產(chǎn)生的相應(yīng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的圖像如圖乙所示 答案　B 解析　由題圖甲可知t＝0時(shí)刻，線圈的磁通量最大，線圈處于中性面.t＝0.01 s時(shí)刻，磁通量為零，但變化率最大，所以A項(xiàng)錯(cuò)誤，B項(xiàng)正確.t＝0.02 s時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)應(yīng)為零，C、D項(xiàng)均錯(cuò)誤. 4.(交變電流的變化規(guī)律)如圖9所示，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝ T，邊長(zhǎng)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(zhuǎn)動(dòng)，角速度ω＝2π rad/s，外電路電阻R＝4 Ω.求： 圖9 (1)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值. (2)從圖示位置開始感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式. (3)由圖示位置(線圈平面與磁感線平行)轉(zhuǎn)過30角電路中電流的瞬時(shí)值. 答案　(1)2 V　(2)e＝2cos 2πt (V)　(3) A 解析　(1)設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值為Em，則Em＝NBL2ω＝1000.012π V＝2 V. (2)從圖示位置開始感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式為e＝Emcos ωt＝2cos 2πt (V) (3)從圖示位置開始轉(zhuǎn)過30角時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值e′＝2cos 30＝ V，i＝＝ A.