《沪科版高中物理选修(3-2)第2章第1节《怎样产生交变电流》学案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《沪科版高中物理选修(3-2)第2章第1节《怎样产生交变电流》学案.docx（20页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、最新沪科版高中物理选修（3-2）第 2 章第 1 节怎样产生交变电流学案怎样产生交变电流学习目标定位 1.会观察电流 (或电压 )的波形图 ,理解交变电流和直流的概念.2.理解交变电流的产生过程,会分析电动势和电流方向的变化规律.3.知道交变电流的变化规律及表示方法,知道交变电流的瞬时值、最大值的物理含义1感应电动势的大小基本式： E nt (法拉第电磁感应定律 )导出式： EBLv(导体切割磁感线时的感应电动势)2感应电动势的方向基本规律：楞次定律导出规律：右手定则一、什么是交变电流1交变电流：大小和方向都随时间做周期性变化的电流2正弦式交变电流：按正弦函数规律变化的交变电流1 / 16二、
2、交流发电机1构造：发电机主要由可转动的线圈(电枢 )和磁体两部分组成2原理：线圈在磁场中不同位置时切割磁感线的速度不同,因而产生了大小和方向随时间不断变化的交变电流三、旋转电枢式发电机和旋转磁极式发电机1.旋转电枢式发电机定子：磁体产生电压一般不超过 500 V转子：线圈2. 旋转磁极式发电机定子：线圈能产生几千伏到几万伏电压转子：磁体四、交变电流的电能从哪里来从能量转化的角度看,发电机是把机械能转变为电能的机器一、交变电流问题设计 两个发光二极管接成如图1 所示电路图 1(1)把电路接在干电池的两端时,可以观察到的现象是什么？(2)把电路接在手摇式发电机两端时,又会观察到怎样的现象？答案(1
3、)当接在干电池两端时,只有一个发光二极管会亮(2) 当接在手摇式发电机两端时,两个发光二极管间或的闪亮,原因是发电机产生与直流不同的电流 ,两个发光二极管一会儿接通这一个 ,一会儿再接通另外一个 ,电流方向不停地改变要点提炼 1交变电流大小和方向都随时间做周期性变化的电流,叫做交变电流 ,简称交流2直流2 / 16方向不随时间变化的电流,叫直流对直流电流和交变电流的区分主要是看电流方向是否变化3图像特点(1)恒定电流的图像是一条与时间轴平行的直线(2) 交变电流的图像有时在时间轴的上方,有时在时间轴的下方,方向随时间做周期性变化二、交变电流的产生问题设计 图 2假定线圈沿逆时针方向匀速转动,如
4、图 2 甲至丁所示请分析判断：(1)图中 ,在线圈由甲转到乙的过程中,AB 边中电流向哪个方向流动？(2)在线圈由丙转到丁的过程中,AB 边中电流向哪个方向流动？(3)当线圈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？(4)大致画出通过电流表的电流随时间变化的曲线,从 E 经过负载流向F 的电流记为正,反之为负在横坐标上标出线圈到达甲、乙、丙、丁几个位置时对应的时刻答案(1)由 B 到 A(2) 由 A 到 B(3)线圈转到甲或丙位置时线圈中没有电流,称为中性面线圈转到乙或丁位置时线圈中的电流最大3 / 16(4)要点提炼 1正弦式交变电流的产生：将闭合矩形线圈置于匀强磁场中
5、,并绕垂直磁场方向的轴匀速转动2中性面 线圈平面与磁感线垂直时的位置(1) 线圈处于中性面位置时 ,穿过线圈的 最大 ,但线圈中的电流为零 (填“最大”或“零” )(2) 线圈每次经过中性面时,线圈中感应电流方向都要改变线圈转动一周, 感应电流方向改变两次三、交变电流的变化规律问题设计 如图 3 所示是图2 中线圈ABCD 在磁场中绕轴OO 转动时的截面图设AB 边长为L1,BC 边长为 L 2,线圈面积S L1L2,磁感应强度为B,线圈转动的角速度为,则：图 3(1)甲、乙、丙位置AB 边产生的感应电动势各为多大？(2)甲、乙、丙位置整个线圈中的感应电动势各为多大？(3)若线圈有n 匝,则甲
6、、乙、丙中整个线圈的感应电动势各为多大？答案(1)甲： eAB 0L2乙： eAB BL 1vsin tBL 12 sin t11 BL 1L 2sint BSsin t22丙： eAB BL 1L21111 2 BSv BL22BL L2(2)整个线圈中的感应电动势由AB 和 CD 两部分组成 ,且 eABeCD ,所以4 / 16甲： e 0乙： e eAB eCD BSsin t丙： e BS(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： e 0乙： e nBSsin t丙： e nBS要点提炼 1正弦式交变电流的瞬时值表达式：(1)当从中性面开始计时：e Emaxsi
7、n_t.(2)当从与中性面垂直的位置开始计时：e Emaxcos_t.2正弦式交变电流的峰值表达式：Emax nBS与线圈的形状及转动轴的位置无关(填“有关”或“无关”)3两个特殊位置：(1)中性面：线圈平面与磁场垂直e 为 0,i 为 0, 最大 ,t 为 0.(填“ 0”或“最大” )线圈每次经过中性面时,线圈感应电流的方向要改变线圈转动一圈,感应电流方向改变两次(2)垂直中性面：线圈平面与磁场平行e 为最大 ,i 最大 , 为 0,最大 (填“ 0”或“最大”)t4正弦式交变电流的图像及应用：或从中性面计时从垂直中性面(B S)计时(1) 线圈绕垂直于磁场的轴匀速转动时,开始计时时线圈所
8、处的位置不同,得到的i t 图像也就不同；(2)分析有关交变电流的图像问题时,要注意从图像中找出两个特殊位置所对应的时刻5 / 16一、交变电流的判断例 1下列选项所示图像中属于交流电的有()解析根据交变电流的定义分析,是否属于交变电流关键是看电流方向是否发生变化,而不是看大小答案ABC二、正弦式交变电流的产生例 2矩形线框绕垂直于匀强磁场且在线框平面的轴匀速转动时产生了交变电流,下列说法正确的是()A 当线框位于中性面时,线框中感应电动势最大B当穿过线框的磁通量为零时,线框中的感应电动势也为零C每当线框经过中性面时,感应电动势或感应电流方向就改变一次D线框经过中性面时,各边切割磁感线的速度为
9、零解析线框位于中性面时,线框平面与磁感线垂直, 穿过线框的磁通量最大,但此时切割磁感线的两边的速度与磁感线平行,即不切割磁感线, 所以电动势等于零,也应该知道此时穿过线框的磁通量的变化率等于零,感应电动势或感应电流的方向也就在此时刻变化线框垂直于中性面时, 穿过线框的磁通量为零,但切割磁感线的两边都垂直切割,有效切割速度最大,所以感应电动势最大,也可以说此时穿过线框的磁通量的变化率最大故C、 D 选项正确答案CD三、交变电流的规律例 3有一个正方形线圈的匝数为10 匝,边长为20 cm,线圈总电阻为1 ,线圈绕OO轴以10rad/s 的角速度匀速转动,如图 4 所示 ,匀强磁场的磁感应强度为0
10、.5 T,问：6 / 16(1)该线圈产生的交变电流电动势的峰值、电流的峰值分别是多少(2)若从中性面位置开始计时 ,写出感应电动势随时间变化的表达式图 4(3)线圈从中性面位置开始,转过 30时 ,感应电动势的瞬时值是多大解析(1)交变电流电动势的峰值为Emax 2nBLv nBS 100.5 0.22 10 V 6.28 V电流的峰值为 Imax EmaxR 6.28 A.(2)从中性面位置开始计时,感应电动势的瞬时值表达式为e Emaxsin t 6.28sin(10 t)V.(3)线圈从中性面位置开始转过30,感应电动势e Emaxsin 30 3.14. V答案(1)6.28 V6.
11、28 A(2)e 6.28sin (10t) V(3)3.14 V四、交变电流的图像例 4 线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的转轴匀速转动,产生交变电流的图像如图 5 所示 ,由图中信息可以判断 ()A 在 A 和 C 时刻线圈处于中性面位置B在 B 和 D 穿过线圈的磁通量为零图 5C从 AD 线圈转过的角度为 2D若从 O D 历时 0.02 s,则在 1 s 内交变电流的方向改变100 次解析 根据题图 ,首先判断出交变电流的瞬时值表达式i I maxsint.其中 I max 是交变电流的最大值 , 是线圈旋转的角速度另外,应该进一步认识到线圈是从中性面开始旋转,而且线圈每旋转一周 ,两次
12、经过中性面 ,经过中性面的位置时电流改变方向,从题图可以看出,在O、 B、 D 时刻电流为零 ,所以此时刻线圈恰好在中性面的位置,且穿过线圈的磁通量最大；在 A、 C 时刻电流最大 ,线圈处于和中性面垂直的位置,此时磁通量为零；从 A 到 D,线圈旋转3/4 周 ,转过的角度为 3/2；如果从 O 到 D 历时 0.02s,恰好为一个周期 ,所以 1 s 内线圈转过50 个周期 ,100 次经过中性面 ,电流方向改变100 次综合以上分析可得,只有选项 D 正确答案 D7 / 161 (交变电流的产生)下列各图中 ,线圈中能产生交变电流的有()答案BCD2 (交变电流的规律)如图 6 所示 ,
13、矩形线圈abcd 放在匀强磁场中,ad bc l 1,abcd l 2.从图示位置起该线圈以角速度 绕不同转轴匀速转动,则 ()图 6A 以 OO 为转轴时 ,感应电动势e Bl 1l2sin tB以 O1O1为转轴时 ,感应电动势e Bl 1l 2sin tC以 OO 为转轴时 ,感应电动势e Bl 1l 2cos tD以 OO 为转轴跟以ab 为转轴一样 ,感应电动势e Bl 1l 2sin ( t 2)8 / 16答案CD解析以 O1O1 为轴转动时 ,磁通量不变 , 不产生交变电流无论以OO 为轴还是以ab 为轴转动 ,感应电动势的最大值都是Bl 1 l2.由于是从与磁场平行的面开始计
14、时,产生的是余弦式交变电流,故 C、 D 正确3 (交变电流的图像)一只矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动,穿过线圈的磁通量随时间变化的图像如图7 甲所示 ,则下列说法中正确的是()图 7A t0 时刻 ,线圈平面与中性面垂直Bt 0.01 s 时刻 ,的变化率最大Ct 0.02 s 时刻 ,交变电动势达到最大D该线圈产生的相应交变电动势的图像如图乙所示答案B解析由题图甲可知t 0 时刻 ,线圈的磁通量最大,线圈处于中性面t 0.01 s 时刻 ,磁通量为零 ,但变化率最大,所以 A 项错误 ,B 项正确 t 0.02 s 时,交变电动势应为零,C、D 项均错误4 (交变电流的规律
15、)如图 8 所示 ,线圈的面积是0.05 m2,共 100 匝 ,匀强磁场的磁感应强度 B 1 T,当线圈以 300 r/min 的转速匀速旋转时 ,求：图 8(1)若从线圈的中性面开始计时,写出线圈中感应电动势的瞬时值表达式1(2)从中性面开始计时,线圈转过 30 s 时电动势瞬时值多大？答案(1)e 50sin(10t)V(2)43.3 V解析(1)n300 r/min 5 r/ s,因为从中性面开始转动,并且求的是瞬时值,故9 / 16e Emaxsin t NBS 2nsin (2nt) 50sin (10t)V(2)当 t 1s 时 ,e 50sin (101 )V 43.3 V30
16、30题组一交变电流的产生1一矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动,当线圈通过中性面时()A 线圈平面与磁感线方向平行B通过线圈的磁通量达到最大值C通过线圈的磁通量变化率达到最大值D线圈中的感应电动势达到最大值答案B解析 中性面是通过磁通量最大的位置 ,也是磁通量变化率为零的位置 ,即在该位置通过线圈的磁通量最大 ,线圈中的感应电动势为零 ,无感应电流 B 正确2关于线圈在匀强磁场中转动产生的交变电流,以下说法中正确的是()A 线圈平面每经过中性面一次,感应电流方向就改变一次,感应电动势方向不变B线圈每转动一周,感应电流方向就改变一次C线圈平面每经过中性面一次,感应电动势和感应电流的
17、方向都要改变一次D线圈转动一周,感应电动势和感应电流方向都要改变一次答案C解析根据交流电的变化规律可得,如果从中性面开始计时有eEmax sin t和 i Imaxsint；如果从垂直于中性面的位置开始计时有e Emaxcos t和 i I maxcos t,不难看出：线圈平面每经过中性面一次,感应电流方向就改变一次,感应电动势方向也改变一次；线圈每转动一周 ,感应电流和感应电动势方向都改变两次C 正确3.如图1 所示 ,一矩形线圈绕与匀强磁场垂直的中心轴OO 沿顺时针方向转动,引出线的两端分别与相互绝缘的两个半圆形铜环M 和 N 相连 M 和 N 又通过固定的电刷P 和 Q与电阻 R 相连在
18、线圈转动过程中,通过电阻R 的电流 ()10 / 16图 1A 大小和方向都随时间做周期性变化B大小和方向都不随时间做周期性变化C大小不断变化,方向总是P RQD大小不断变化,方向总是Q R P答案C解析半圆环交替接触电刷,从而使输出电流方向不变,这是一个直流发电机模型,由右手定则知 ,外电路中电流方向是PRQ.题组二交变电流的图像4处在匀强磁场中的矩形线圈abcd,以恒定的角速度绕ab 边转动 ,磁场方向平行于纸面并与ab 边垂直在t0 时刻 ,线圈平面与纸面重合,如图 2 所示 ,线圈的 cd 边离开纸面向外运动若规定沿a b cd a 方向的感应电流为正,则能反映线圈中感应电流i 随时间
19、 t变化的图像是 ()图 211 / 16答案C解析线圈在磁场中从题图位置开始匀速转动时可以产生按余弦规律变化的交流电对于题图起始时刻,线圈的cd 边离开纸面向外运动,速度方向和磁场方向垂直,产生的电动势的瞬时值最大；用右手定则判断出电流方向为逆时针方向,与规定的正方向相同,所以 C对5矩形线圈在匀强磁场中匀速转动,所产生的交变电流的波形图如图3 所示 ,下列说法中正确的是 ()图 3A 在 t1 时刻穿过线圈的磁通量达到峰值B在 t2 时刻穿过线圈的磁通量达到峰值C在 t3 时刻穿过线圈的磁通量的变化率达到峰值D在 t4 时刻穿过线圈的磁通量的变化率达到峰值答案BC解析从题图中可知 ,t1、
20、 t3 时刻线圈中感应电流达到峰值,磁通量变化率达到峰值,而磁通量最小 ,线圈平面与磁感线平行；t2、 t4时刻感应电流等于零,磁通量变化率为零 ,线圈处于中性面位置 ,磁通量达到峰值 ,正确答案为B、 C.6如图 4 甲所示为一个矩形线圈abcd 在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动线圈内磁通量随时间t 变化如图乙所示 ,则下列说法中正确的是 ()图 4A t1 时刻线圈中的感应电动势最大12 / 16Bt 2 时刻 ab 的运动方向与磁场方向垂直Ct 3 时刻线圈平面与中性面重合D t4、 t5 时刻线圈中感应电流的方向相同答案BC解析 t 1 时刻通过线圈的 最大 , 磁通量变化率t
21、 最小 , 此时感应电动势为零 ,A 错；在 t 2、 t 4 时刻感应电动势为 Emax, 此时 ab、 cd 的运动方向垂直于磁场方向,B 正确； t 1、t 3、t 5 时刻 , 最大 ,t 0, 此时线圈平面垂直于磁场方向, 与中性面重合 ,C 正确； t 5 时刻感应电流为零 ,D 错故正确答案为 B、 C.7如图 5 甲所示 ,一矩形闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的转轴OO 以恒定的角速度 转动从线圈平面与磁场方向平行时开始计时,线圈中产生的交变电流按照图乙所示的余弦规律变化,则在 t 时刻 ()2图 5A 线圈中的电流最大B穿过线圈的磁通量为零C线圈所受的安培力为零D线圈中
22、的电流为零答案CD21解析线圈转动的角速度为,则转过一圈用时 ,当 t 2时说明转过了4圈 ,此时线圈位于中性面位置 ,所以穿过线圈的磁通量最大,B 错误由于此时感应电动势为零,所以线圈中电流为零 ,线圈所受的安培力为零,A 错误 ,C、 D 正确题组三交变电流的规律8一矩形线圈在匀强磁场中转动产生的交变电动势为e 10 2sin ( 20t) V, 则下列说法正确的是 ()A t0 时 ,线圈位于中性面Bt 0 时 ,穿过线圈的磁通量为零Ct 0 时 ,线圈切割磁感线的有效速度最大13 / 16D t0.4 s 时 ,电动势第一次出现最大值答案A解析由电动势e 102sin (20t) V
23、知 ,计时从线圈位于中性面时开始,所以 t0 时 ,线圈位于中性面,磁通量最大,但此时线圈切割磁感线的线速度方向与磁感线平行,切割磁感线的有效速度为零,A 正确 ,B、 C 错误当t 0.4 s 时,e 102sin(20 0.4) V 0,D 错误9.矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时,产生的感应电动势最大值为50 V,那么该线圈由图6 所示位置转过30,线圈中的感应电动势大小为()图 6A 50 VB 25 3 VC25 VD 10 V答案B解析由题给条件知：交变电流瞬时值表达式为e 50cos tV 50cos V,当 30时 ,e 25 3 V,B 对10交流发电机在工作时电动势为e Em
24、axsin t,若将发电机的转速提高一倍,同时将线圈所围面积减小一半,其他条件不变 ,则其电动势变为 ()maxtB e 2EmaxtA e E sin 2sin 2Ce Emaxsin 2 tD e Emaxsin22t答案C解析交变电动势瞬时值表达式e Emaxsin t,而 Emax nBS.当 加倍而S 减半时,Emax 不变 ,故正确答案为 C 选项11.如图 7 所示 ,匀强磁场的磁感应强度为B 0.50T,矩形线圈的匝数 N 100 匝 ,边长 L ab0.20 m,L bc 0.10m,以 3 000 r/min 的转速匀速转动 ,若从线圈平面通过中性面时开始计时,试求：14
25、/ 16图 7(1)交变电动势的瞬时值表达式；(2)若线圈总电阻为 2,线圈外接电阻为 8 ,写出交变电流的瞬时值表达式；(3)线圈由图示位置转过 /2的过程中 ,交变电动势的平均值答案 (1)e 314sin (314 t) V (2) i 31.4sin (314 t) A(3)200 V解析(1)线圈的角速度 2n314 rad/s线圈电动势的最大值Emax NBS 314 V故交变电动势的瞬时值表达式：e Emaxsin t 314sin (314 t) V(2) I max Emax 31.4 A R r所以交变电流的瞬时值表达式：i 31.4sin (314 t) ABS(3) E
26、 N t N1 4NBSn 200 V4T12如图 8 甲所示 ,矩形线圈匝数N 100匝 ,ab 30 cm,ad20 cm,匀强磁场磁感应强度 B 0.8 T,绕轴 OO从图示位置开始匀速转动,角速度 100rad/s,试求：甲乙图 8(1)穿过线圈的磁通量最大值max 为多大？线圈转到什么位置时取得此值？(2)线圈产生的感应电动势最大值Emax 为多大？线圈转到什么位置时取得此值？(3)写出感应电动势e 随时间变化的表达式,并在图乙中作出图像15 / 16答案见解析解析(1)当线圈转至与磁感线垂直时,磁通量有最大值max BS 0.8 0.3 0.2 Wb 0.048 Wb(2)线圈与磁感线平行时,感应电动势有最大值Emax NBS 480V(3)表达式 eEmaxcos t 480 cos(100 t) V图像如图所示16 / 16