第3章 第2节 交变电流的产生（Word教参）-【新课程学案】新教材2023-2024学年高中物理选择性必修第二册（鲁科版2019）

第2节　交变电流的产生 核心素养导学 物理观念 (1)知道交流发电机的原理、构造及分类。 (2)知道正弦交流电的产生原理，理解中性面及特点。 (3)结合交变电流的表达式和图像识别交流电的“四值”。 科学思维 (1)会用右手定则和法拉第电磁感应定律推理得出正弦式交变电流方向和大小的变化规律的过程。 (2)会用公式法和图像法解决相关问题。 科学探究 观察交流发电机产生交变电流的模型。 科学态度与责任 了解交变电流在工农业生产中的应用。 一、交流发电机和正弦式交变电流的产生原理 1．交流发电机 (1)定义：能产生大小和方向随时间做周期性变化电流的发电机。 (2)构造：主要由线圈(电枢)和磁极两部分组成。 (3)原理：只要通过闭合回路的磁通量发生变化，就可产生感应电动势和感应电流。 2．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)中性面：线圈在磁场中转动的过程中，线圈平面与磁感线垂直时所在的平面。 正弦式交变电流产生过程中的两个重要平面： (1)中性面：线圈转到与磁场方向垂直时的平面，此时感应电动势、电压、电流的值都为0。 (2)和中性面垂直的平面：线圈平面与磁场方向平行，此时感应电动势、电压、电流都达到最大值。　　 二、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) 2．正弦式交变电流的图像 3．拓展一步：交变电流的相位 (1)相位：从线圈平面与中性面夹角为φ0的位置开始计时，经过时间t后，ωt＋φ0称为交变电流的相位或相。 (2)初相：t＝0时的相φ0称为初相。,1. 以下四个图表示交变电流产生的过程，如何理解线圈平面转到中性面时感应电动势为0，而线圈平面与中性面垂直时感应电动势最大呢？ 提示：根据法拉第电磁感应定律E＝n可知，感应电动势的大小不是与磁通量Φ直接对应，而是与磁通量的变化率成正比。虽然线圈经过中性面时磁通量最大，但磁通量的变化率为0，所以感应电动势为0；虽然线圈平面与中性面垂直时磁通量为0，但磁通量的变化率最大，所以感应电动势最大。 2．如图，设线圈t＝0时刚好转到与中性面垂直的位置，设线圈转动的角速度为ω，线圈匝数为N，线圈面积为S，经过时间t，线圈转过角度θ＝ωt。 (1)线圈产生的感应电动势的最大值是多少？ (2)写出经过时间t，交变电流电动势的瞬时值表达式。 提示：(1)Em＝NBSω (2)e＝NBSωcos ωt 新知学习(一)|正弦式交变电流的产生 [重点释解] 1．正弦式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。 2．中性面 (1)中性面——线圈平面与磁感线垂直的位置。 (2)线圈处于中性面位置时，穿过线圈磁通量Φ最大，但＝0，e＝0，i＝0。 (3)线圈越过中性面，线圈中感应电流方向要改变。线圈转一周，感应电流方向改变两次。 3．两个特殊位置 中性面 中性面的垂直位置 图示 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 0 磁通量的变化率 0 最大 感应电动势 0 最大 感应电流 0 最大 电流方向改变情况 改变 不变 [典例体验] [典例]　一闭合矩形线圈abcd绕垂直于磁感线的固定轴OO′匀速转动，线圈平面位于如图甲所示的匀强磁场中。通过线圈内的磁通量Φ随时间t的变化规律如图乙所示，下列说法正确的是(　　) A．t1、t3时刻线圈中感应电流方向改变 B．t1、t3时刻通过线圈的磁通量变化率最大 C．t2、t4时刻线圈中磁通量最大 D．t2、t4时刻线圈中感应电动势最小 [解析]　t1、t3时刻通过线圈的磁通量最大，而磁通量的变化率等于0，线圈中感应电流方向改变，A正确，B错误；t2、t4时刻磁通量为0，线圈与磁场平行，磁通量变化率最大，产生的感应电动势最大，线圈中感应电流方向没有改变，C、D错误。 [答案]　A /方法技巧/ 分析图像问题的两个关键点 (1)线圈绕垂直于磁场的轴匀速转动时，开始计时时线圈所处的位置不同，得到的i­t或e­t图像也就不同。 (2)分析有关交变电流的图像问题时，要注意从图像中找出两个特殊位置(中性面和垂直中性面位置)所对应的时刻。 [针对训练] 1.(2022·漳州高二检测)在匀强磁场中，一个100匝的闭合矩形金属线圈，绕与磁感线垂直的固定轴匀速转动，如图所示，穿过该线圈的磁通量随时间按正弦规律变化。则(　 ) A．t＝0时，线圈位于中性面位置 B．t＝0.5 s时，线圈中的磁通量变化率为零 C．t＝0.8 s时，线圈产生的感应电动势处于减