第3章 第2节 交变电流的产生-2021-2022学年新教材高中物理选择性必修第二册【名师导航】同步Word教参(鲁科版)

第2节　交变电流的产生 学习目标：1.[物理观念]认识交流发电机，了解交流发电机结构。　2.[科学思维]理解交变电流的产生原理，知道中性面的概念。　3.[科学思维]掌握交变电流的变化规律，能用数学表达式和图像描述正弦交变电流的变化规律。　4.[科学思维]理解交变电流的瞬时值和最大值，能正确表示出正弦交变电流的瞬时值、峰值。 阅读本节教材，回答第56 页“问题”并梳理必要知识点。 教材P56问题提示：让闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动，由法拉第电磁感应定律可知线圈产生大小和方向都随时间做周期性变化的交变电流。 一、交流发电机 1．交流发电机的原理 由法拉第电磁感应定律可知，只要通过闭合导体的磁通量发生变化，就可以产生感应电动势和感应电流。 2．交流发电机的构造：发电机主要由线圈(电枢)和磁极两部分组成。 3．交流发电机的种类 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、正弦式交变电流的产生原理 1．产生条件：在匀强磁场中，矩形线圈绕垂直于磁场方向的轴匀速转动。 2．过程分析(如图所示)： 3．中性面：物理学中，把线圈平面与磁感线垂直的位置叫作中性面。 (1)线圈经过中性面时，穿过线圈的磁通量最大，但磁通量的变化率为零，线圈中的感应电动势为零，感应电流为零。 (2)线圈每经过中性面时，感应电流方向改变，线圈转动一周，两次通过中性面，感应电流方向改变两次。 三、正弦式交变电流的变化规律 1．正弦式交变电流的表达式 (1)e＝Emsin_ωt(从中性面开始计时，其中Em＝nBSω) (2)i＝Imsin_ωt (3)u＝Umsin_ωt(其中Um＝ImR) 注：表达式中Em、Im、Um分别为电动势、电流、电压的峰值，而e、u、i则是这几个量的瞬时值。 2．正弦式交变电流的图像 1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)线圈转一周有两次经过中性面，每转一周电流方向改变一次。 (×) (2)当线圈中的磁通量最大时，产生的电流也最大。 (×) (3)线圈只要在匀强磁场内匀速转动就能产生正弦式交变电流。 (×) (4)交变电流的瞬时值表达式与开始计时的位置无关。 (×) (5)从线圈转至与磁场方向平行开始计时，线圈所产生的感应电动势e＝Emcos ωt。 (√) (6)正弦交流电电动势最大值Em＝nBSω。 (√) 2．一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 B　[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。] 3．交流发电机在工作时电动势为e＝Emsin ωt，若将发电机的转速提高一倍，同时将电枢所围面积减小一半，其他条件不变，则其电动势变为(　　) A．e′＝Emsin B．e′＝2Emsin C．e′＝Emsin 2ωt D．e′＝sin 2ωt C　[本题考查交变电压的瞬时值表达式e＝Emsin ωt，而Em＝NBSω，当ω加倍而S减半时，Em不变，故正确选项为C。] 交流发电机及交变电流的产生原理 (教师用书独具)教材P56“迷你实验室”答案提示：指针围绕0刻度左右摆动。 假定线圈绕OO′轴沿逆时针方向匀速转动，如图甲至丁所示。请分析判断： (1)线圈转动一周的过程中，线圈中的电流方向的变化情况。 (2)线圈转动过程中，当产生的感应电流有最大值和最小值时线圈分别在什么位置？ 提示：(1) 转动过程 电流方向 甲→乙 B→A→D→C 乙→丙 B→A→D→C 丙→丁 A→B→C→D 丁→甲 A→B→C→D (2)线圈转到乙或丁位置时线圈中的电流最大。线圈转到甲或丙位置时线圈中电流最小，为零，此时线圈所处的平面称为中性面。 1．产生原理：由法拉第电磁感应定律可知，当闭合回路的部分导体做切割磁感线的运动时，闭合回路中就有感应电流产生。 2．正弦交变电流的产生条件 (1)匀强磁场。 (2)线圈匀速转动。 (3)线圈的转轴垂直于磁场方向。 3．两个特殊位置物理量的特点比较 项目 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 磁通量的变化率 零 最大 感应电动势 零 最大 线圈边框切割磁感线的有效速度 零 最大 感应电流 零 最大 电流方向 改变 不变 特别提醒：(1)线圈中的磁通量最大时，交流电电流并不是最大，这时磁通量的变化率为零，电流为零。