第三章 第二节 交变电流是怎样产生的-2020-2021学年高中物理选修3-2【导学教程】同步辅导（鲁科版）word

第二节　交变电流是怎样产生的 [学习目标] 1．了解交流发电机的主要组成部分。 2．知道交变电流产生的原理，知道中性面的特点。 3．能用数学表达式和图象描述正弦式交变电流的变化规律，知道最大值、有效值、平均值和瞬时值之间的关系。 一、交流发电机 1．原理：闭合导体与磁极之间做相对运动。穿过闭合导体的磁通量发生变化。 2．构造：线圈(电枢)和磁极两部分。 3．分类 　　　　　特点 两种类型 转子 定子 特点 旋转电枢式 电枢 磁极 电压低，功率小 旋转磁极式 磁极 电枢 电压高，功率大 二、交变电流的产生原理 1．产生方法：闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动。 2．过程分析： 图3－2－1 3．中性面：线圈平面与磁感线垂直的位置。 4．周期性：线圈每转动1周，感应电流的方向变化2次。线圈转动所产生的感应电动势和感应电流都随时间做周期性变化。 ►自主思考——练一练 1．关于中性面，下列说法错误的是 A．中性面就是穿过线圈的磁通量为零的面 B．中性面就是线圈中磁通量变化率为零的面 C．线圈经过中性面时，电流方向一定改变 D．中性面就是线圈内电动势为零的面 解析　中性面与磁场方向垂直，通过线圈的磁通量最大，但磁通量变化率为零，因此电动势为零，当线圈经过中性面时，电流方向改变。选项A符合题意。 答案　A 三、正弦式交变电流的变化规律 1．定义：按正弦规律变化的交变电流，简称正弦式电流。[来源:学科网ZXXK] 2．函数和图象 函数 图象 瞬时电动势： e＝Emsin_ωt 瞬时电压： u＝Umsin_ωt 瞬时电流： i＝Imsin_ωt 注：表达式中Em、Um、Im分别是电动势、电压、电流的峰值，而e、u、i则是这几个量的瞬时值。 ►自主思考——练一练 2．交流发电机的线圈在转动过程中产生最大感应电动势的是____________的位置，穿过线圈的磁通量最大的位置是________。若线圈转过了10周，电流方向改变了________次。 答案　与磁感线平行　中性面　20 考点一　交变电流的产生及变化规律 [问题探究] 某同学认为，在交流发电机中(如图3－2－2所示)，线圈平面转到中性面的瞬间，穿过线圈的磁通量最大，因而线圈中的感应电动势最大；线圈平面与中性面垂直的瞬间，穿过线圈的磁通量为零，因而线圈中的感应电动势为零。这种说法对不对，为什么？ 图3－2－2 提示　这种说法不对，因为线圈平面转到中性面的瞬间，虽然穿过线圈的磁通量最大，但穿过线圈的磁通量的变化率为零，所以在这一瞬间没有感应电动势产生；在线圈平面与中性面垂直的瞬间，虽然穿过线圈的磁通量为零，但穿过线圈的磁通量的变化率最大，所以在这一瞬间产生的感应电动势最大。 [知识提炼] 1．线圈在匀强磁场中的两个特殊位置的比较 中性面 中性面的垂面 位置 线圈平面与磁场垂直 线圈平面与磁场平行 磁通量 最大 零 磁通量变化率 零 最大 感应电动势 零 最大 线圈边缘线速度与磁场方向夹角 0 90° 电动势方向 改变 不变 2.正弦式交变电流的变化规律 (1)瞬时值： 若线圈平面从中性面开始转动，如图3－2－3所示，则经时间t， 图3－2－3 ①线圈转过的角度为ωt。 ②ab边的线速度跟磁感线方向的夹角θ＝ωt。 ③ab边转动的线速度大小v＝ω。 ④ab边产生的感应电动势eab＝Blabvsin θ＝sin ωt。 ⑤整个线圈产生的感应电动势 e＝2eab＝BSωsin ωt；若线圈为n匝，则e＝nBSωsin ωt。 ⑥若线圈给外电阻R供电，设线圈本身电阻为r，由闭合电路欧姆定律得，i＝＝sin ωt，即i＝Imsin ωt。R两端的电压可记为u＝Umsin ωt。 (2)峰值： ①由e＝nBSωsin ωt可知，电动势的峰值Em＝nBSω。 ②交变电动势最大值由线圈匝数n、磁感应强度B、转动角速度ω及线圈面积S决定，与线圈的形状无关，与转轴的位置无关，因此如图3－2－4所示的几种情况，若n、B、S、ω相同，则电动势的最大值相同。 图3－2－4 [特别提醒]　(1)若线圈从中性面开始计时，e＝Emsin ωt。 若线圈从位于与中性面垂直的位置开始计时，e＝Emcos ωt，所用瞬时值表达式与开始计时的位置有关。 (2)物理学中，正弦交变电流与余弦交变电流都统称为正弦式交变电流，简称正弦式电流。 　如图3－2－5所示，匝数为100匝的圆形线圈绕与磁场垂直的轴OO′以50 r/s的转速转动，穿过线圈的最大磁通量为0.01 Wb，从图示的位置开始计时，写出线圈中感应电动势的瞬时值表达式。 图3－2－5 [解题提示]　电动势的最大值Em＝NBSω，与线圈的形状无关。 [解析]　线圈在匀强磁场中