第3章 第2节 交变电流的产生-【高考领航】2023-2024学年高中物理选择性必修第二册同步核心辅导与测评（鲁科版）

第2节　交变电流的产生 核心素养要求 核心素养呈现 1.认识交流发电机，了解交流发电机结构. 2.理解交变电流的产生原理，知道中性面的概念. 3.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式交变电流的变化规律. 4.理解交变电流的瞬时值和最大值，能正确表示出正弦式交变电流的瞬时值、峰值. 　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 发电机工作过程中能量是如何转化的？ 提示：发电机工作时产生的感应电流在磁场中会受到安培力，安培力的作用总是阻碍转子的运动，在这一过程中发电机把机械能转化成了电能． 　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)线圈每次经过中性面时，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． (1)线圈经过中性面时磁通量最大，但感应电动势为零．(√) (2)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．(×) (3)只要线圈在磁场中转动就会产生交变电流．(×) 　正弦式交变电流的变化规律 1．瞬时值：感应电动势随时间按正弦规律变化，在不同的时刻电动势具有不同的数值． 2．正弦式交变电流的瞬时值表达式 (1)e＝Emsin ωt(从中性面开始计时，其中Em＝nBSω)． (2)i＝Imsin ωt(外电路为纯电阻电路，其中Im＝)． (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． 　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，写出电动势的表达式． 提示： 由瞬时值表达式e＝Emsin ωt及Em＝NBSω，当ω加倍而S减半时，电动势e′＝Emsin 2ωt . 　交流发电机及交变电流的产生原理 [思考探究] 在发电机模型中，线圈所处的位置和感应电动势的大小有直接关系．请思考并回答下列问题： (1)当线圈处于如图所示的位置时，线圈的AB边或CD边切割磁感线的速度有何特点？线圈中的感应电流有何特点？穿过线圈的磁通量的变化率有何特点？ 提示：线圈处于图中所示的位置时，线圈的AB边或CD边的速度方向与磁感线方向垂直，所以切割磁感线的速度最大，线圈中的感应电流最大，磁通量的变化率最大． (2)当线圈转到什么位置时线圈中没有电流？ 提示：当线圈转到与图中位置垂直的位置时，AB、CD的速度方向都与磁感线方向平行，不切割磁感线，故线圈中没有感应电动势，没有感应电流． [思维深化] 1．产生原理：由电磁感应定律可知，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． 3．两个特殊位置物理量的特点比较 图示 概念 中性面位置 与中性面垂直的位置 特点 B⊥S B∥S Φ＝BS，最大 Φ＝0，最小 e＝n＝0，最小 e＝n＝nBSω，最大 感应电流为零，方向改变 感应电流最大，方向不变 4.两点说明 (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． (2)线圈转动一周，交变电流的方向并不是改变一次，而是改变两次． 　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时刻通过线圈的磁通量变化率最大 B．t1、t3时刻线圈中感应电流方向改变 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 【思路点拨】　(1)明确中性面的概念以及中性面的位置． (2)明确线圈在中性面位置时，各物理量有什么特点． (3)明确线圈在与中性面垂直位置时，各物理量有什么特点． 【解析】　从题图乙可以看出，t1、t3时刻通过线圈的磁通量最大，线圈经过中性面位置时线圈中感应电流方向改变，A错误，B正确；t2、t4时刻通过线圈的磁