2017-2018學(xué)年高中物理 第2章 交變電流與發(fā)電機(jī) 學(xué)案1 怎樣產(chǎn)生交變電流同步備課學(xué)案 滬科版選修3-2

1、學(xué)案1怎樣產(chǎn)生交變電流目標(biāo)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(chǎn)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(jī)兩端時，又會觀察到怎樣的現(xiàn)象？答案(1)當(dāng)接在干電池兩端時，只有一個發(fā)光二極管會亮(2)當(dāng)接在手搖式發(fā)電機(jī)兩端時，兩個發(fā)光二極管間或的閃亮，原因是發(fā)電機(jī)產(chǎn)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

2、停地改變要點總結(jié)1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(chǎn)生圖2假定線圈沿逆時針方向勻速轉(zhuǎn)動，如圖2甲至丁所示請分析判斷：(1)圖中，在線圈由甲轉(zhuǎn)到乙的過程中，AB邊中電流向哪個方向流動？(2)在線圈由丙轉(zhuǎn)到丁的過程中，AB邊中電流向哪個方向流動？(3)當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到什么

3、位置時線圈中沒有電流，轉(zhuǎn)到什么位置時線圈中的電流最大？(4)大致畫出通過電流表的電流隨時間變化的曲線，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、丁幾個位置時對應(yīng)的時刻答案(1)由B到A(2)由A到B(3)線圈轉(zhuǎn)到甲或丙位置時線圈中沒有電流，稱為中性面線圈轉(zhuǎn)到乙或丁位置時線圈中的電流最大(4)要點總結(jié)1交流發(fā)電機(jī)的構(gòu)造：主要由可轉(zhuǎn)動的線圈(電樞)和磁體兩部分組成2正弦式交變電流的產(chǎn)生：將閉合矩形線圈置于勻強(qiáng)磁場中，并繞垂直磁場方向的軸勻速轉(zhuǎn)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，穿過線圈的最大，但線圈中的電流為零(填“最大”或“零”)(2

4、)線圈每次經(jīng)過中性面時，線圈中感應(yīng)電流方向都要改變線圈轉(zhuǎn)動一周，感應(yīng)電流方向改變兩次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)磁場且在線框平面的軸勻速轉(zhuǎn)動時產(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，線框中感應(yīng)電動勢最大B當(dāng)穿過線框的磁通量為零時，線框中的感應(yīng)電動勢也為零C每當(dāng)線框經(jīng)過中性面時，感應(yīng)電動勢或感應(yīng)電流方向就改變一次D線框經(jīng)過中性面時，各邊切割磁感線的速度為零答案CD

5、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，所以電動勢等于零，也應(yīng)該知道此時穿過線框的磁通量的變化率等于零，感應(yīng)電動勢或感應(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)動時的截面圖設(shè)AB邊長為L1，BC邊長為L2，線圈面積SL1L2，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，線圈轉(zhuǎn)動的角速度為，則：圖3(1)甲、乙、丙位置AB

6、邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢各為多大？(2)甲、乙、丙位置整個線圈中的感應(yīng)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(yīng)電動勢各為多大？答案(1)甲：eAB0乙：eABBL1vsin tBL1sin tBL1L2sin tBSsin t丙：eABBL1vBL1BL1L2BS(2)整個線圈中的感應(yīng)電動勢由AB和CD兩部分產(chǎn)生，且eABeCD，所以甲：e0乙：eeABeCDBSsin t丙：eBS(3)若線圈有n匝，則相當(dāng)于n個完全相同的電源串聯(lián)，所以甲：e0乙：enBSsin t丙：enBS要點總結(jié)1正弦式交變電流的瞬時值表達(dá)式(1)當(dāng)從中性面開始計時：eEmaxsin_t.(2)當(dāng)從與

7、中性面垂直的位置開始計時：eEmaxcos_t.2正弦式交變電流的峰值表達(dá)式EmaxnBS與線圈的形狀及轉(zhuǎn)動軸的位置無關(guān)(填“有關(guān)”或“無關(guān)”)3兩個特殊位置(1)中性面：線圈平面與磁場垂直最大，為0，e為0，i為0.(填“0”或“最大”)線圈每次經(jīng)過中性面時，線圈感應(yīng)電流的方向要改變線圈轉(zhuǎn)動一圈，感應(yīng)電流方向改變兩次(2)垂直中性面：線圈平面與磁場平行為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 從中性面計時從垂直中性面(BS)計時(2)從正弦式交變電流的圖像中可以解讀到以下信息：交變電流的周期T、峰值Im或者Em.因線圈在中性面時感應(yīng)電動勢、感應(yīng)電

8、流均為零，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)電流或者電壓峰值找出線圈平行磁感線的時刻判斷線圈中磁通量最小、最大的時刻及磁通量變化率最大、最小的時刻分析判斷i、e的大小和方向隨時間變化的規(guī)律例3有一個正方形線圈的匝數(shù)為10匝，邊長為20 cm，線圈總電阻為1 ，線圈繞OO軸以10 rad/s的角速度勻速轉(zhuǎn)動，如圖4所示，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.5 T，求：圖4(1)該線圈產(chǎn)生的交變電流電動勢的峰值、電流的峰值分別是多少(2)若從中性面位置開始計時，寫出感應(yīng)電動勢隨時間變化的表達(dá)式(3)線圈從中性面位置開始，轉(zhuǎn)過30時，感應(yīng)電動勢的瞬時值是多大答案(1)6.28 V6.28 A

9、(2)e6.28sin (10t) V(3)3.14 V解析(1)交變電流電動勢的峰值為Emax2nBLvnBS100.50.2210 V6.28 V電流的峰值為Imax6.28 A.(2)從中性面位置開始計時，感應(yīng)電動勢的瞬時值表達(dá)式為eEmaxsin t6.28sin (10t) V.(3)線圈從中性面位置開始轉(zhuǎn)過30，感應(yīng)電動勢eEmaxsin 303.14 V.例4線圈在勻強(qiáng)磁場中繞垂直于磁場的轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動，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5A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AD線圈轉(zhuǎn)過的角度為2D若從OD歷時0.02 s，則在1

10、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值表達(dá)式iImaxsin t.其中Imax是交變電流的最大值，是線圈旋轉(zhuǎn)的角速度另外，應(yīng)該進(jìn)一步認(rèn)識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(zhuǎn)周，轉(zhuǎn)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(nèi)線圈轉(zhuǎn)過50個周期，100次經(jīng)過中性面，電流方向改變100次綜合以上分析

11、可得，只有選項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BCD2(交變電流的規(guī)律)(多選)如圖6所示，矩形線圈abcd放在勻強(qiáng)磁場中，adbcl1，abcdl2.從圖示位置起該線圈以角速度繞不同轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動，則()圖6A以O(shè)O為轉(zhuǎn)軸時，感應(yīng)電動勢eBl1l2sin tB以O(shè)1O1為轉(zhuǎn)軸時，感應(yīng)電動勢eBl1l2sin tC以O(shè)O為轉(zhuǎn)軸時，感應(yīng)電動勢eBl1l2cos tD以O(shè)O為轉(zhuǎn)軸跟以ab為轉(zhuǎn)軸一樣，感應(yīng)電動勢eBl1l2sin (t)答案CD解析以O(shè)1O1為軸轉(zhuǎn)動時，磁通量不變，不產(chǎn)生交變電流無論以O(shè)O為軸還是以ab為軸轉(zhuǎn)動，感應(yīng)電動勢的最大值都是Bl

12、1l2.由于是從與磁場平行的面開始計時，產(chǎn)生的是余弦式交變電流，故C、D正確3(交變電流的圖像)一只矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中繞垂直于磁感線的軸勻速轉(zhuǎn)動，穿過線圈的磁通量隨時間變化的圖像如圖7甲所示，則下列說法中正確的是()圖7At0時刻，線圈平面與中性面垂直Bt0.01 s時刻，的變化率最大Ct0.02 s時刻，交變電動勢達(dá)到最大D該線圈產(chǎn)生的相應(yīng)感應(yīng)電動勢的圖像如圖乙所示答案B解析由題圖甲可知t0時刻，線圈的磁通量最大，線圈處于中性面t0.01 s時刻，磁通量為零，但變化率最大，所以A項錯誤，B項正確t0.02 s時，感應(yīng)電動勢應(yīng)為零，C、D項均錯誤圖84(交變電流的規(guī)律)如圖8所示，線圈的面積

13、是0.05 m2，共100匝，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B T，當(dāng)線圈以300 r/min的轉(zhuǎn)速勻速旋轉(zhuǎn)時，求：(1)若從線圈的中性面開始計時，寫出線圈中感應(yīng)電動勢的瞬時值表達(dá)式(2)從中性面開始計時，線圈轉(zhuǎn)過 s時電動勢瞬時值多大？答案(1)e50sin(10t)V(2)43.3 V解析(1)n300 r/min5 r/s，因為從中性面開始轉(zhuǎn)動，并且求的是瞬時值，故eEmaxsin tNBS2nsin (2nt)50sin (10t)V(2)當(dāng)t s時，e50sin (10)V43.3 V題組一交變電流的產(chǎn)生1一矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中繞垂直于磁場方向的軸勻速轉(zhuǎn)動，當(dāng)線圈通過中性面時()A線圈平面與磁

14、感線方向平行B通過線圈的磁通量達(dá)到最大值C通過線圈的磁通量變化率達(dá)到最大值D線圈中的感應(yīng)電動勢達(dá)到最大值答案B解析中性面是通過磁通量最大的位置，也是磁通量變化率為零的位置，即在該位置通過線圈的磁通量最大，線圈中的感應(yīng)電動勢為零，無感應(yīng)電流，B正確2關(guān)于線圈在勻強(qiáng)磁場中轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的交變電流，以下說法中正確的是()A線圈平面每經(jīng)過中性面一次，感應(yīng)電流方向就改變一次，感應(yīng)電動勢方向不變B線圈每轉(zhuǎn)動一周，感應(yīng)電流方向就改變一次C線圈平面每經(jīng)過中性面一次，感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流的方向都要改變一次D線圈轉(zhuǎn)動一周，感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流方向都要改變一次答案C解析根據(jù)交變電流的變化規(guī)律可得，如果從中性面開始計時有e

15、Emaxsin t和iImaxsin t；如果從垂直于中性面的位置開始計時有eEmaxcos t和iImaxcos t，不難看出：線圈平面每經(jīng)過中性面一次，感應(yīng)電流方向就改變一次，感應(yīng)電動勢方向也改變一次；線圈每轉(zhuǎn)動一周，感應(yīng)電流和感應(yīng)電動勢方向都改變兩次，C正確題組二交變電流的圖像3處在勻強(qiáng)磁場中的矩形線圈abcd，以恒定的角速度繞ab邊轉(zhuǎn)動，磁場方向平行于紙面并與ab邊垂直在t0時刻，線圈平面與紙面重合，如圖1所示，線圈的cd邊離開紙面向外運(yùn)動若規(guī)定沿abcda方向的感應(yīng)電流為正，則能反映線圈中感應(yīng)電流i隨時間t變化的圖像是()圖1答案C解析線圈在磁場中從題圖位置開始勻速轉(zhuǎn)動時可以產(chǎn)生按余

16、弦規(guī)律變化的交變電流對于題圖起始時刻，線圈的cd邊離開紙面向外運(yùn)動，速度方向和磁場方向垂直，產(chǎn)生的電動勢的瞬時值最大；用右手定則判斷出電流方向為逆時針方向，與規(guī)定的正方向相同，所以C對4如圖2所示是磁電式電流表的結(jié)構(gòu)圖和磁場分布圖，若磁極與圓柱間的磁場都是沿半徑方向，且磁場有理想的邊界，線圈經(jīng)過有磁場的位置處磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等某同學(xué)用此種電流表中的線圈和磁體做成發(fā)電機(jī)使用，讓線圈勻速轉(zhuǎn)動，若從圖中水平位置開始計時，取起始電流方向為正方向，表示產(chǎn)生的電流隨時間變化關(guān)系的下列圖像中正確的是()圖2答案C解析由于線圈在磁場中切割磁感線，切割速度方向總是與磁場方向垂直，磁感應(yīng)強(qiáng)度B、導(dǎo)線有效長度L和導(dǎo)

17、線切割速率v等都不變化，由EBLv可知產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小不變，感應(yīng)電流大小不變根據(jù)右手定則，電流方向做周期性變化，C正確5(多選)矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動，所產(chǎn)生的交變電流的波形圖如圖3所示，下列說法中正確的是()圖3A在t1時刻穿過線圈的磁通量達(dá)到峰值B在t2時刻穿過線圈的磁通量達(dá)到峰值C在t3時刻穿過線圈的磁通量的變化率達(dá)到峰值D在t4時刻穿過線圈的磁通量的變化率達(dá)到峰值答案BC解析從題圖中可知，t1、t3時刻線圈中感應(yīng)電流達(dá)到峰值，磁通量變化率達(dá)到峰值，而磁通量最小，線圈平面與磁感線平行；t2、t4時刻感應(yīng)電流等于零，磁通量變化率為零，線圈處于中性面位置，磁通量達(dá)到峰值，正確答案為

18、B、C.6(多選)如圖4甲所示為一個矩形線圈abcd在勻強(qiáng)磁場中繞垂直于磁場方向的軸勻速轉(zhuǎn)動線圈內(nèi)磁通量隨時間t變化如圖乙所示，則下列說法中正確的是 ()圖4At1時刻線圈中的感應(yīng)電動勢最大Bt2時刻ab的運(yùn)動方向與磁場方向垂直Ct3時刻線圈平面與中性面重合Dt4、t5時刻線圈中感應(yīng)電流的方向相同答案BC解析t1時刻通過線圈的最大，磁通量變化率最小，此時感應(yīng)電動勢為零，A錯；在t2、t4時刻感應(yīng)電動勢為Emax，此時ab、cd的運(yùn)動方向垂直于磁場方向，B正確；t1、t3、t5時刻，最大，0，此時線圈平面垂直于磁場方向，與中性面重合，C正確；t5時刻感應(yīng)電流為零，D錯故正確答案為B、C.7(多選

19、)如圖5甲所示，一矩形閉合線圈在勻強(qiáng)磁場中繞垂直于磁場方向的轉(zhuǎn)軸OO以恒定的角速度轉(zhuǎn)動從線圈平面與磁場方向平行時開始計時，線圈中產(chǎn)生的交變電流按照圖乙所示的余弦規(guī)律變化，則在t時刻 ()圖5A線圈中的電流最大 B穿過線圈的磁通量為零C線圈所受的安培力為零 D線圈中的電流為零答案CD解析線圈轉(zhuǎn)動的角速度為，則轉(zhuǎn)過一圈用時，當(dāng)t時說明轉(zhuǎn)過了圈，此時線圈位于中性面位置，所以穿過線圈的磁通量最大，B錯誤由于此時感應(yīng)電動勢為零，所以線圈中電流為零，線圈所受的安培力為零，A錯誤，C、D正確題組三交變電流的規(guī)律8一矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為e10sin (20t) V，則下列說法正確的是()

20、At0時，線圈位于中性面Bt0時，穿過線圈的磁通量為零Ct0時，線圈切割磁感線的有效速度最大Dt0.4 s時，電動勢第一次出現(xiàn)最大值答案A解析由電動勢e10sin (20t) V知，計時從線圈位于中性面時開始，所以t0時，線圈位于中性面，磁通量最大，但此時線圈切割磁感線的線速度方向與磁感線平行，切割磁感線的有效速度為零，A正確，B、C錯誤當(dāng)t0.4 s時，e10sin(200.4) V0，D錯誤9.矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大值為50 V，那么該線圈由圖6所示位置轉(zhuǎn)過30，線圈中的感應(yīng)電動勢大小為()圖6A50 V B25 VC25 V D10 V答案B解析由題給條件知：感應(yīng)電動勢瞬時值表達(dá)式為e50cos t V50cos V，當(dāng)30時，e25 V，B對10交流發(fā)電機(jī)在工作時電動勢為eEmaxsin t，若將發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速提高一倍，同時將線圈所圍面積減小一半，其他條件不變，則其電動勢變?yōu)?)AeEmaxsin Be2EmaxsinCeEmaxsin 2t Desin 2t答案C解析感應(yīng)電動勢瞬時值表達(dá)式eEmaxsin t，而EmaxnBS.當(dāng)加倍而S減半時，Emax不變，故正確答案為