(讲义)第3章 第2节 交变电流的产生-【提分教练】2023-2024学年新教材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 1．掌握交流发电机、交变电流的“四值”的概念。 2．会用公式法、图像法解决问题。 3．观察交流发电机产生交变电流的过程与规律。 4．了解交变电流在工农业生产中的应用。 知识点一　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，只要通过闭合回路的磁通量发生变化，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 　发电机的原理是电磁感应现象，电动机的原理是通电导体在磁场中受力而运动。 1．思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)发电机是把电能转化为机械能。 (×) (2)在交流发电机线圈转动过程中，线圈中的每一条边都切割磁感线。 (×) 知识点二　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。 　当线圈平面与磁感线平行时，磁通量为零，感应电动势最大。 2．思考辨析(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。 (×) 知识点三　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 　若从线圈垂直于中性面时开始计时，则瞬时值表达式为e＝nBSωcos ωt。 3．思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)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。 (×) (2)交变电流的瞬时值表达式与开始计时的位置无关。 (×) 4．填空 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e′＝Emsin 2ωt。 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。 考点1　交流发电机及交变电流的产生原理 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，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。 【典例1】　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(　　) 甲　　　　　　　　乙 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。 B　[从题图乙可以看出，t1、t3时刻通过线圈的磁通量最大，为中性面位置，则线圈经过中性面位置时线圈中感应电