3.1 交變電流 課件-高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第二冊

第3章

交變電流

用示波器或電壓傳感器先觀察電池供給的電壓的波形，再觀察學(xué)生電源交流擋供給的電壓的波形。這兩種波形各有什么特點？新課導(dǎo)入第1節(jié)交變電流tI0tI0①交流電（AC）：大小和方向都隨時間做周期性變化②直流電（DC）：方向不隨時間變化。大小不變變化（恒定電流）交變電流的概念學(xué)習(xí)任務(wù)一交變電流的概念學(xué)習(xí)任務(wù)一幾種常見的交變電流的種類學(xué)習(xí)任務(wù)一學(xué)習(xí)任務(wù)一交變電流的概念[物理觀念]下列6個圖，哪些是描述交變電流的?判斷依據(jù)是什么?C、E、F是交變電流,判斷依據(jù)是大小和方向隨時間周期性變化。

探究F方向呈周期性變化是判斷交流的標準。交變電流和直流、恒定電流的區(qū)分:電流方向發(fā)生變化的是交流電,電流方向始終不變的是直流電,電流大小和方向都不變的是恒定電流,恒定電流也屬于直流電.學(xué)習(xí)任務(wù)一觀察交變電流的方向

把兩個發(fā)光顏色不同的發(fā)光二極管"并聯(lián)，注意使兩者正、負極的方向不同，然后連接到教學(xué)用發(fā)電機的兩端。轉(zhuǎn)動手柄，兩個磁極之間的線圈隨著轉(zhuǎn)動。觀察發(fā)光二極管的發(fā)光情況?，F(xiàn)象：說明：發(fā)電機產(chǎn)生的交流電電流方向在不斷變化。兩個二極管會交替發(fā)光演示1、交流發(fā)電機的基本構(gòu)造EF定子：不動的部分叫定子--磁極(產(chǎn)生勻強磁場)轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)動的部分叫轉(zhuǎn)子--電樞(產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的線圈)作用：將機械能轉(zhuǎn)化為電能轉(zhuǎn)子定子abcd——線圈（切割磁感線）K、L——圓環(huán)E、F——電刷｝使線圈在轉(zhuǎn)動時保持與外電路的連接學(xué)習(xí)任務(wù)二交變電流的產(chǎn)生學(xué)習(xí)任務(wù)二[物理建模]I=0,中性面I方向：dcbaI=0,中性面I方向：abcd思考：1、線圈轉(zhuǎn)動一周，電流方向改變多少次？2、線圈轉(zhuǎn)到什么位置時磁通最大？這時感應(yīng)電動勢最大還是最小？3、線圈轉(zhuǎn)到什么位置時磁通最??？這時感應(yīng)電動勢最大還是最??？2次中性面時磁通量最大，感應(yīng)電動勢最小與中性面垂直時磁通量最小，感應(yīng)電動勢最大DCBADACB學(xué)習(xí)任務(wù)二對比分析D(C)A(B)BB⊥SΦ最大E=0I=0B∥SΦ=0E、I最大感應(yīng)電流方向C到DV//BV⊥BD(C)A(B)B每經(jīng)過中性面一次，電流方向就改變一次。學(xué)習(xí)任務(wù)二交變電流的產(chǎn)生學(xué)習(xí)任務(wù)二[物理建模][科學(xué)推理]分析教材中交流發(fā)電機的示意圖(如圖所示),回答下列問題:(1)請分析線圈轉(zhuǎn)動一周的過程中,線圈中的電流方向的變化情況.

學(xué)習(xí)任務(wù)二交變電流的產(chǎn)生學(xué)習(xí)任務(wù)二[答案]①從甲到乙過程,電流方向為D→C→B→A→D;②從乙到丙過程,電流方向為D→C→B→A→D;③從丙到丁過程,電流方向為A→B→C→D→A;④從丁到甲過程,電流方向為A→B→C→D→A.(2)線圈轉(zhuǎn)動過程中,當(dāng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大和最小時,線圈分別在什么位置?學(xué)習(xí)任務(wù)二[答案]線圈轉(zhuǎn)到乙、丁瞬間,AB邊與CD邊都垂直切割磁感線,產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大;轉(zhuǎn)到甲、丙瞬間,AB邊與CD邊都不切割磁感線,產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最小.例2

如圖所示為交流發(fā)電機示意圖,線圈的AB邊連在金屬滑環(huán)K上,CD邊連在滑環(huán)L上,兩個電刷E、F分別壓在兩個滑環(huán)上,線圈在轉(zhuǎn)動時可以通過滑環(huán)和電刷保持與外電路的連接.下列說法正確的是(

)

A.當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)到中性面的瞬間,穿過線圈的磁通量最小B.當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)到跟中性面垂直的瞬間,穿過線圈的磁通量最小C.當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)到中性面的瞬間,線圈中的感應(yīng)電流最大D.當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)到跟中性面垂直的瞬間,線圈中的感應(yīng)電流最小學(xué)習(xí)任務(wù)二B[解析]

當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)到中性面的瞬間,線圈平面與磁場垂直,穿過線圈的磁通量最大,但磁通量的變化率最小,為零,故感應(yīng)電流為零,A、C錯誤;當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)到跟中性面垂直的瞬間,線圈平面與磁場平行,穿過線圈的磁通量最小,為零,但磁通量的變化率最大,故感應(yīng)電流最大,B正確,D錯誤.學(xué)習(xí)任務(wù)二[科學(xué)推理]如圖所示,線圈平面從中性面開始繞垂直于勻強磁場的中心軸勻速轉(zhuǎn)動,角速度為ω.經(jīng)過時間t,線圈轉(zhuǎn)過的角度是ωt,ab邊的線速度v的方向跟磁感線方向的夾角也等于ωt.設(shè)ab邊長為L1,bc邊長為L2,線圈面積S=L1L2,磁感應(yīng)強度為B,則:

(1)ab邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為多大?學(xué)習(xí)任務(wù)三交變電流的變化規(guī)律學(xué)習(xí)任務(wù)三

[科學(xué)推理][科學(xué)推理]如圖所示,線圈平面從中性面開始繞垂直于勻強磁場的中心軸勻速轉(zhuǎn)動,角速度為ω.經(jīng)過時間t,線圈轉(zhuǎn)過的角度是ωt,ab邊的線速度v的方向跟磁感線方向的夾角也等于ωt.設(shè)ab邊長為L1,bc邊長為L2,線圈面積S=L1L2,磁感應(yīng)強度為B,則:

(2)整個線圈中的感應(yīng)電動勢為多大?學(xué)習(xí)任務(wù)三

[答案]整個線圈中的感應(yīng)電動勢由ab和cd兩部分切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢組成,且eab=ecd,所以e=eab+ecd=BSωsinωt.[科學(xué)推理]如圖所示,線圈平面從中性面開始繞垂直于勻強磁場的中心軸勻速轉(zhuǎn)動,角速度為ω.經(jīng)過時間t,線圈轉(zhuǎn)過的角度是ωt,ab邊的線速度v的方向跟磁感線方向的夾角也等于ωt.設(shè)ab邊長為L1,bc邊長為L2,線圈面積S=L1L2,磁感應(yīng)強度為B,則:(3)若線圈有N匝,則整個線圈的感應(yīng)電動勢為多大?

學(xué)習(xí)任務(wù)三

[答案]若線圈有N匝,則相當(dāng)于N個完全相同的電源串聯(lián),所以e總=NBSωsinωt.以線圈經(jīng)過中性面開始計時（AB和CD邊切割磁感線），在時刻t線圈中的感應(yīng)電動勢e

:為電動勢在時刻t的瞬時值Em:為電動勢可能達到的最大值——峰值令Em=NBSω

則e=Em

sinωt

若為N匝線圈e=BSωsinωte=NBSωsinωteoEmT/42T/43T/4Tπ/2π3π/22πωtt-Em匝數(shù)面積學(xué)習(xí)任務(wù)三交變電流的變化規(guī)律學(xué)習(xí)任務(wù)三[科學(xué)推理]

Em=NBSω

若從中性面開始計時，則：t

時刻瞬時值峰值（最大值）從瞬時值可以看出：矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場的轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動時，所產(chǎn)生的交變電流按照正弦函數(shù)的規(guī)律變化，這種交變電流叫正弦式交變電流，簡稱正弦式電流。學(xué)習(xí)任務(wù)三交變電流的變化規(guī)律學(xué)習(xí)任務(wù)三[物理建模]學(xué)習(xí)任務(wù)三交變電流的變化規(guī)律學(xué)習(xí)任務(wù)三[物理建模]若線圈從平行面（峰值面）開始計時，在t時刻線圈中的感應(yīng)電動勢是多少？BvA(B)D(C)中性面ωtt=0

v‖v⊥ωt另一種推導(dǎo)方式：說明：物理學(xué)中，正弦交變電流與余弦交變電流(本質(zhì)規(guī)律都相同)統(tǒng)稱為正弦式交流電負載兩端電壓變化規(guī)律：流過負載的電流變化規(guī)律：例3

有一個10匝正方形線框,邊長為20cm,線框總電阻為1Ω,如圖所示,垂直于線框平面向里的勻強磁場的磁感應(yīng)強度為0.5T,OO'軸垂直于磁場方向,線框繞OO'軸以10πrad/s的角速度勻速轉(zhuǎn)動.(1)該線框產(chǎn)生的交變電流的電動勢最大值、電流最大值分別是多少?學(xué)習(xí)任務(wù)三[答案]

6.28

V

6.28

A

例3

有一個10匝正方形線框,邊長為20cm,線框總電阻為1Ω,如圖所示,垂直于線框平面向里的勻強磁場的磁感應(yīng)強度為0.5T,OO'軸垂直于磁場方向,線框繞OO'軸以10πrad/s的角速度勻速轉(zhuǎn)動.(2)線框從圖示位置轉(zhuǎn)過60°角時,感應(yīng)電動勢的瞬時值是多大?學(xué)習(xí)任務(wù)三[答案]

5.44

V[解析]線框轉(zhuǎn)過60°角時,感應(yīng)電動勢e=Emsin60°≈5.44V.例3

有一個10匝正方形線框,邊長為20cm,線框總電阻為1Ω,如圖所示,垂直于線框平面向里的勻強磁場的磁感應(yīng)強度為0.5T,OO'軸垂直于磁場方向,線框繞OO'軸以10πrad/s的角速度勻速轉(zhuǎn)動.(3)寫出感應(yīng)電動勢隨時間變化的表達式(從圖示位置開始計時).學(xué)習(xí)任務(wù)三[答案]

e=6.28sin10πt(V)

[解析]

由于線框轉(zhuǎn)動是從中性面位置開始計時的,故感應(yīng)電動勢的瞬時值表達式為e=Emsinωt=6.28sin10πt(V).

學(xué)習(xí)任務(wù)三(2)電動勢最大值(峰值)①表達式:Em=NBSω.②由線圈匝數(shù)N、磁感應(yīng)強度B、轉(zhuǎn)動角速度ω和線圈面積S決定,與線圈的形狀無關(guān),與轉(zhuǎn)軸的位置無關(guān).如圖所示的幾種情況,若N、B、S、ω相同,則電動勢的最大值相同.學(xué)習(xí)任務(wù)三[科學(xué)思維]正弦式交變電流隨時間的變化情況可以用圖像表示,它是一條正弦(或余弦)曲線,如圖所示.從圖像中可以獲得以下信息:(1)交變電流的最大值Im、Em、Um.(2)根據(jù)線圈在中性面時感應(yīng)電動勢、感應(yīng)電流均為零,磁通量最大可確定線圈位于中性面的時刻.(3)可找出線圈平行于磁感線的時刻.(4)判斷線圈中磁通量的變化情況.(5)分析判斷i、e、u隨時間的變化規(guī)律.學(xué)習(xí)任務(wù)四交變電流的圖像學(xué)習(xí)任務(wù)四

[物理觀念]正弦式電流是最簡單、最基本的交變電流。電力系統(tǒng)中應(yīng)用的大多是正弦式電流。在電子技術(shù)中也常遇到其他形式的交流，如圖乙、丙所示。學(xué)習(xí)任務(wù)四交變電流的圖像學(xué)習(xí)任務(wù)四例4

某交流發(fā)電機的線圈在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動時,產(chǎn)生正弦式交變電流,磁通量Φ隨時間t變化的關(guān)系如圖所示,則下列說法正確的是(

)A.t=0時刻,線圈平面與中性面平行B.t=0.005s時刻,線圈中的感應(yīng)電動勢達到最大值C.t=0.015s時刻,線圈中的感應(yīng)電流最大D.t=0.01s時刻,圖像的切線斜率的絕對值為40πWb/s學(xué)習(xí)任務(wù)四D

學(xué)習(xí)任務(wù)四交變電流的變化規(guī)律和正弦式交流電的圖像學(xué)習(xí)任務(wù)四物理量函數(shù)表達式圖像磁通量Φ=Φmcosωt=BScosωt電動勢e=Emsinωt=nBSωsinωt續(xù)表學(xué)習(xí)任務(wù)四物理量函數(shù)表達式圖像電壓u=Umsinωt=sinωt電流i=Imsinωt=sinωt一、發(fā)電機的基本組成：①用來產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的線圈（叫電樞）②用來產(chǎn)生磁場的磁極二、發(fā)電機的基本種類①旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機（電樞動磁極不動）②旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機（磁極動電樞不動）無論哪種發(fā)電機，轉(zhuǎn)動的部分叫轉(zhuǎn)子，不動的部分叫定子[物理觀念]學(xué)習(xí)任務(wù)五交流發(fā)電機學(xué)習(xí)任務(wù)五旋轉(zhuǎn)電樞式的缺點：旋轉(zhuǎn)磁極式的優(yōu)點：電壓高會火花放電、電樞無法做大高電壓、高功率輸出[物理觀念]學(xué)習(xí)任務(wù)五交流發(fā)電機學(xué)習(xí)任務(wù)四三峽電站一臺正在吊裝的發(fā)電機轉(zhuǎn)子課堂小結(jié)交變電流交變電流交變電流的變化規(guī)律交變電流直流交變電流的產(chǎn)生過程分析感應(yīng)電動勢的表達式兩個