2018版高中物理 第3章 交變電流 3.2 交變電流是怎樣產(chǎn)生的學(xué)案 魯科版選修3-2.docx
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第2講 交變電流是怎樣產(chǎn)生的 [目標(biāo)定位] 1.認(rèn)識(shí)交流發(fā)電機(jī),了解交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu).2.理解交變電流產(chǎn)生的原理,知道中性面的概念.3.能用數(shù)學(xué)表達(dá)式和圖象描述正弦交變電流的變化規(guī)律,知道最大值、有效值和瞬時(shí)值之間的關(guān)系.4.能用交變電流的變化規(guī)律解決實(shí)際問題. 一、交流發(fā)電機(jī) 1.發(fā)電機(jī)主要由線圈(電樞)和磁極兩部分組成. 2.磁極固定不動(dòng),讓電樞在磁極中旋轉(zhuǎn),使穿過線圈的磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),這種發(fā)電機(jī)稱為旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī).反之,稱為旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī). 二、交變電流的產(chǎn)生原理 1.典型模型 圖1 想一想 如圖1所示,當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中繞OO′軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),哪些邊切割磁感線?線圈轉(zhuǎn)到哪些位置時(shí)沒有感應(yīng)電流? 答案 當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中繞OO′軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),AB、CD邊切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流.線圈轉(zhuǎn)到甲和丙位置時(shí)沒有感應(yīng)電流,我們稱之為中性面. 2.在線圈連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,感應(yīng)電流的大小和方向都將隨時(shí)間做周期性變化.線圈每經(jīng)過中性面1次,感應(yīng)電流的方向就改變1次;線圈每轉(zhuǎn)動(dòng)1周,感應(yīng)電流的方向就改變2次. 三、交變電流的變化規(guī)律 1.正弦式交變電流瞬時(shí)值表達(dá)式 當(dāng)從中性面開始計(jì)時(shí): 瞬時(shí)電動(dòng)勢(shì):e=Emsin_ωt, 瞬時(shí)電壓:u=Umsin_ωt, 瞬時(shí)電流:i=Imsin_ωt. 式中Em、Um、Im分別表示電動(dòng)勢(shì)、電壓、電流的最大值. 2.交流電的圖象(如圖2所示) 圖2 想一想 正弦式交變電流的圖象一定是正弦函數(shù)曲線嗎? 答案 不一定,根據(jù)計(jì)時(shí)起點(diǎn)不同,也可能是余弦函數(shù)曲線. 一、交變電流的產(chǎn)生過程 1.正弦式交流電的產(chǎn)生 如圖3所示,是線圈ABCD在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞軸OO′轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的截面圖.線圈從中性面開始轉(zhuǎn)動(dòng),角速度為ω,經(jīng)過時(shí)間t轉(zhuǎn)過的角度是ωt.設(shè)AB邊長(zhǎng)為L(zhǎng)1,BC邊長(zhǎng)為L(zhǎng)2,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,AB邊和CD邊轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì). 圖3 (1)在圖甲中,v∥B,eAB=eCD=0,e=0 (2)在圖丙中,eAB=BL1v=BL1=BSω 同理eCD=BSω 所以e=eAB+eCD=BSω (3)在圖乙中,eAB=BL1vsinωt=BL1L2ωsinωt= BSωsinωt 同理eCD=BSωsinωt 所以e=eAB+eCD=BSωsinωt 若線圈有n匝,則e=nBSωsinωt 2.兩個(gè)特殊位置 (1)中性面(S⊥B位置) 線圈平面與磁場(chǎng)垂直的位置,此時(shí)Φ最大,為0,e為0,i為0. 線圈經(jīng)過中性面時(shí),電流方向就發(fā)生改變,線圈轉(zhuǎn)一圈電流方向改變兩次. (2)垂直中性面位置(S∥B位置) Φ為0,為最大,e最大,i最大. 3.正弦式交流電的峰值 Em=nBSω 4.正弦式交流電的瞬時(shí)值表達(dá)式 e=Emsinωt,u=Umsinωt,i=Imsinωt 例1 矩形線框繞垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)且在線框平面內(nèi)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.當(dāng)線框經(jīng)過中性面時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或感應(yīng)電流的方向就改變一次 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,所以電動(dòng)勢(shì)等于零,即此時(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)電流的方向在此時(shí)刻改變;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是垂直切割,有效切割速度最大,所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大,即此時(shí)穿過線框的磁通量的變化率最大.故C、D選項(xiàng)正確. 針對(duì)訓(xùn)練 如圖4所示為演示交變電流產(chǎn)生的裝置圖,關(guān)于這個(gè)實(shí)驗(yàn),正確的說法是( ) 圖4 A.線圈每轉(zhuǎn)動(dòng)一周,指針左右擺動(dòng)兩次 B.圖示位置為中性面,線圈中無感應(yīng)電流 C.圖示位置ab邊的感應(yīng)電流方向?yàn)閍→b D.線圈平面與磁場(chǎng)方向平行時(shí),磁通量變化率為零 答案 C 解析 線圈在磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),在電路中產(chǎn)生呈周期性變化的交變電流,線圈經(jīng)過中性面時(shí)電流改變方向,線圈每轉(zhuǎn)動(dòng)一周,有兩次通過中性面,電流方向改變兩次,指針左右擺動(dòng)一次.線圈處于圖示位置時(shí),ab邊向右運(yùn)動(dòng),由右手定則,ab邊的感應(yīng)電流方向?yàn)閍→b;線圈平面與磁場(chǎng)方向平行時(shí),ab、cd邊垂直切割磁感線,線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)最大,也可以這樣認(rèn)為,線圈處于豎直位置時(shí),磁通量為零,但磁通量的變化率最大。 二、對(duì)峰值Em=nBSω和瞬時(shí)值e=Emsinωt的理解 1.對(duì)峰值的理解 (1)對(duì)轉(zhuǎn)軸的要求:在線圈所在平面內(nèi)且與磁場(chǎng)垂直.當(dāng)線圈平面與磁場(chǎng)平行時(shí),線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)達(dá)到峰值,且滿足Em=nBSω. (2)決定因素:由線圈匝數(shù)n、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω和線圈面積S決定,與線圈的形狀無關(guān),與軸的位置無關(guān). 如圖5所示的幾種情況中,如果n、B、ω、S均相同,則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的峰值均為Em=nBSω. 圖5 2.對(duì)瞬時(shí)值的理解 必須明確是從中性面計(jì)時(shí),還是從與中性面垂直的位置計(jì)時(shí). (1)從中性面計(jì)時(shí),e=Emsinωt. (2)從與中性面的垂直位置計(jì)時(shí),e=Emcosωt. 例2 如圖6所示,勻強(qiáng)磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.1T,所用矩形線圈的匝數(shù)N=100,邊長(zhǎng)lab=0.2m,lbc=0.5m,以角速度ω=100πrad/s繞OO′軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng).試求: 圖6 (1)交變電動(dòng)勢(shì)的峰值; (2)若從線圈平面垂直磁感線時(shí)開始計(jì)時(shí),線圈中瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式; (3)若從線圈平面平行磁感線時(shí)開始計(jì)時(shí),求線圈在t=時(shí)刻的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大?。? 答案 (1)314V (2)e=314sin (100πt) V (3)157V 解析 (1)由題可知:S=lablbc=0.20.5m2=0.1m2,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的峰值Em=NBSω=1000.10.1100π=100πV=314V. (2)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值e=Emsinωt 所以e=314sin (100πt) V (3)從線圈平面平行磁感線時(shí)開始計(jì)時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式為 e=Emcosωt,代入數(shù)值得e=314cos (100πt) V 當(dāng)t=時(shí),e=314cosV=157V. 三、正弦式交變電流的圖象 1.注意:開始計(jì)時(shí)時(shí)線圈所處的位置不同,得到的圖象也不同.如圖7所示. 圖7 2.從圖象中可以解讀到以下信息: (1)交變電流的峰值Em、Im和周期T. (2)可確定線圈位于中性面的時(shí)刻以及根據(jù)電流最大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、最小時(shí)刻. (4)分析判斷i、e大小和方向隨時(shí)間的變化規(guī)律. 例3 線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng),產(chǎn)生交流電的圖象如圖8所示,由圖可知( ) 圖8 A.在A和C時(shí)刻線圈處于中性面位置 B.在B和D時(shí)刻穿過線圈的磁通量為零 C.在A時(shí)刻到D時(shí)刻線圈轉(zhuǎn)過的角度為π弧度 D.在A和C時(shí)刻磁通量變化率絕對(duì)值最大 答案 D 解析 當(dāng)線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)到位于中性面時(shí),磁通量最大,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零,感應(yīng)電流為零,B、D兩時(shí)刻線圈位于中性面;當(dāng)線圈平面與磁感線平行時(shí),磁通量為零、磁通量的變化率最大,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大,感應(yīng)電流最大,A、C時(shí)刻線圈平面與磁感線平行,D正確;在A時(shí)刻到D時(shí)刻線圈轉(zhuǎn)過的角度為弧度.故選D. 交變電流的產(chǎn)生及規(guī)律 1.當(dāng)交流發(fā)電機(jī)的線圈轉(zhuǎn)到線圈平面與中性面重合時(shí),下列說法中正確的是( ) A.電流將改變方向 B.磁場(chǎng)方向和線圈平面平行 C.線圈的磁通量最大 D.線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大 答案 AC 解析 當(dāng)線圈平面與中性面重合時(shí),磁通量最大,磁通量的變化率為零,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零,電流將改變方向.故選A、C. 正弦式交變電流的圖象 2.一個(gè)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)間變化的圖象如圖9甲所示,則下列說法中正確的是( ) 圖9 A.t=0時(shí)刻,線圈平面與中性面垂直 B.t=0.01s時(shí)刻,Φ的變化率最大 C.t=0.02s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)交變電動(dòng)勢(shì)的圖象如圖乙所示 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=0.01s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=0.02s時(shí),交變電動(dòng)勢(shì)應(yīng)為零,C、D項(xiàng)均錯(cuò)誤. 峰值和瞬時(shí)值問題 3.交流發(fā)電機(jī)工作時(shí)電動(dòng)勢(shì)為e=Emsinωt,若將發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速提高一倍,同時(shí)將電樞所圍面積減小一半,其他條件不變,則其電動(dòng)勢(shì)變?yōu)? ) A.e′=Emsin B.e′=2Emsin C.e′=Emsin2ωtD.e′=sin2ωt 答案 C 解析 本題考查交變電壓的瞬時(shí)值表達(dá)式e=Emsinωt,而Em=nBωS,當(dāng)ω加倍而S減半時(shí),Em不變,故正確答案為C. 4.有一10匝正方形線框,邊長(zhǎng)為20cm,線框總電阻為1Ω,線框繞OO′軸以10πrad/s的角速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng),如圖10所示,垂直于線框平面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.5T.問: 圖10 (1)該線框產(chǎn)生的交變電流電動(dòng)勢(shì)最大值、電流最大值分別是多少? (2)線框從圖示位置轉(zhuǎn)過60時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值是多大? 答案 (1)6.28V 6.28A (2)5.44V 解析 (1)交變電流電動(dòng)勢(shì)最大值為Em=nBSω=100.50.2210πV=6.28V,電流最大值為Im==A=6.28A. (2)線框從圖示位置轉(zhuǎn)過60時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e=Emsin60≈5.44V.- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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