第7.4节 电动机和发电机-【帮课堂】2024-2025学年高二物理同步学与练（沪科版2020上海选择性必修第二册）

第七章 ·电磁感应定律的应用 7．4 发电机和电动机 课程标准 1. 了解发电机和电动机的能量转换和物理原理的区别。 2. 了解换向器在直流电动机连续转动的作用。 物理素养 物理观念：用能量转化观点理解发电机和电动机的物理原理。 科学思维：理解发电机中定子和转子概念中的运动相对性思维方法。 科学探究：探究直流电动机为何能连续转动？ 科学态度与责任：通过发电器和电动机的应用，体会科学技术推动社会发展的巨大作用，培养探索科学的精神。 一、发电机 (1)能量转化：发电机将机械能转化为电能的装置。 由水轮机、风能、化石燃料（汽轮、柴油）、核能或其他形式能，先转化为机械能，再转化为电能。 能量损耗：发电机各种能量损耗如下图，但都比较小，一般发电机的效率可以达到 95% 以上。 注：太阳能发电一般不属于上述范畴。 (2)工作原理：法拉第电磁感应定律，参见正弦交流电产生示意图。 (3)分类：直流发电机和交流发电机。 (4)构成 发电机里产生感应电动势的线圈通常叫电枢。转动的部分都叫转子，静止的部分都叫定子。 电枢转动、磁极不动的发电机叫做旋转电枢式发电机，电枢是转子，如图(a)。 磁极转动、电枢不动的发电机叫做旋转磁极式发电机，电枢是定子，如图(b)。 (a) (b) 二、电动机 (1)能量转化：电动机将电能转化为机械能的装置。能量转换和损耗，如下图。 (2)工作原理：通电导线在磁场中受到安培力的作用。 (3)分类：直流电动机和交流电动机。 (4)直流电动 机换向器（改变电流方向，使转子能朝一个方向转动）； 换向器作用：当通电线圈刚转过平衡位置时，能自动改变线圈中的电流方向，使线圈持续转动下去。 例1. 关于交流发电机和直流电动机，下列说法正确的是（　　） A. 电动机是利用电磁感应现象制成的，工作时把机械能转化为电能 B. 电动机是利用磁场对电流的作用制成的，工作时把电能转化为机械能 C. 发电机是利用电磁感应现象制成的，工作时把电能转化为机械能 D. 发电机是利用磁场对电流的作用制成的，工作时把机械能转化为电能 【答案】B 【详解】AB．电动机原理是利用磁场对电流作用，工作时把电能转化为机械能，故A错误，B正确； CD．发电机是利用电磁感应现象制成的，工作时把机械能转化为电能，故CD错误。 例2. 如图所示，甲→乙→丙→丁→甲过程是交流发电机发电的示意图，线圈的ab边连在金属滑环K上，cd边连在金属滑环L上，用导体制成的两个电刷分别压在两个滑环上，线圈在匀速转动时可以通过滑环和电刷保持与外电路连接。已知线圈转动的角速度为，转动过程中电路中的最大电流为。下列选项正确的是（　　） A. 在图甲位置时，线圈中的磁通量最大，感应电流最大 B. 从图乙位置开始计时，线圈中电流i随时间t变化的关系式为 C. 在图丙位置时，线圈中的磁通量最大，磁通量的变化率也最大 D. 在图丁位置时，感应电动势最大，cd边电流方向为d→c 【答案】D 【详解】A．在图甲位置时，线圈中的磁通量最大，磁通量变化率为零，感应电流为零，故A错误； B．从图乙位置开始计时，此时线圈中的磁通量为零，磁通量变化量最大，感应电动势最大，感应电流最大，线圈中电流i随时间t变化的关系式为 故B错误； C．在图丙位置时，线圈中的磁通量最大，磁通量的变化率为零，故C错误； D．在图丁位置时，线圈中的磁通量为零，磁通量变化量最大，感应电动势最大，由丙到丁可知，线框在做逆时针转动，即cd向右运动，根据右手定则可知，cd边电流方向为d→c，故D正确。 题型01 交流电动机的工作原理 例3. 如图所示为交流发电机的示意图，两磁极之间可视为磁感应强度为B的匀强磁场。矩形线圈ABCD面积为S、匝数为N、整个线圈的电阻为r，线圈绕轴以角速度逆时针匀速转动，外电阻为R，线圈在转动时可以通过滑环和电刷保持与外电路相连。下列说法正确的是（　　） A. 线圈转到图甲位置时，穿过线圈的磁通量为NBS B. 线圈转到图乙位置时，穿过线圈的磁通量的变化率为 C. 线圈转到图丙位置时，外电路中交流电流表的示数为 D. 线圈转到图丁位置时，电流的方向从D流向C 【答案】B 【详解】A．线圈转到图甲位置时，其穿过线圈的磁通量为 故A项错误； B．线圈转到图乙位置时，感应电动势为 解得 故B项正确； C．电流表示数显示的为有效值，所以有 故C项错误； D．线圈转到图丁位置时，根据右手定则可知，电流方向为，即从C流向D，D项错误。 题型02 直流电动机的工作原理 例4. 如图甲为市面上常见的一种电动车，图乙为这种电动车的电动机的工作示意图。电动机电路两端电压为10V，额定功率为200W，A、B为线圈上的两点。下列选项中不正确的是（　　） A. 在额定功率下运行时，电动机电路中的电流大小为20A B. 电刷a接入电路正极，电刷b接入电路负极 C. A点与B点间电流方向在不断变化 D. 直流电源可以驱动该电动机正常工作 【答案】B 【详解】A．电动机的电功率，代入数据可得 解得： A项正确； B．磁场方向在磁体外部由N极指向S极，由电动机运转方向可知，段受力方向向上，再由左手定则可知，电流方向由A指向B，故b为正极，a为负极，B项错误； C．电动机转过180°后两半铜环所接电刷互换，间电流方向改变，依次类推可知，A点与B点间电流方向不断改变，C项正确； D．直流电源可以驱动该电动机正常工作，D项正确。 1． 直流电动机通电后，使线圈发生转动的力是（　　） A. 重力 B. 电场力 C. 磁场力 D. 摩擦力 【答案】C 【详解】直流电动机通电后，线圈中有电流通过，通电线圈在磁场中受到磁场力的作用开始转动，ABD错误，C正确。 2． 有关直流电动机的换向器的作用，以下说法正确的是 （ ） A．当线圈平面与磁感线平行时，自动改变电流方向 B．当线圈平面与磁感线垂直时，自动改变电流方向 C．当线圈平面与磁感线平行时，自动改变磁感线的方向 D．当线圈平面与磁感线平行时，自动改变线圈转动方向 【答案】B 【解析】在线圈平面和磁场方向垂直时受安培力为0，如果不转换电流方向，则受力方向改变不能持续转动，所以在此时改变电流方向，B正确。 3． 一台组装齐全的直流电动机模型，接通电源后电动机不转，用手拨动一下转子后，线圈转子就正常转动起来，则该直流电动机模型开始时不转的原因是（ ） A．线圈正好处于平衡位置 B．线圈中的电流太小 C．换向器与电刷接触不良 D．线圈内部断路 【答案】A 【解析】在平衡位置，线框接触在换向器的空缺位置，电流为0不受安培力，不能转动，转动后由于惯性通过中性面，由上述分析可知A正确。 4．（多选）线圈ab、bc的边长分别为L1、L2，通以电流I，开始时线圈平面与匀强磁场B的磁感线平行，当线圈绕OO′轴转过90º角时（ ） A．ab边和cd边受到的安培力不变 B．ab边和cd边受到的安培力逐渐变小 C．ad边和cb边始终不受安培力 D．ad边和cd边受到的安培力逐渐变大 【答案】AD 【解析】对于ab边和dc边，整个过程中B与I始终垂直，所以安培力大小不变方向不变； 对ad边和cb边F＝BILsinθ，θ逐渐变大，所以安培力也逐渐变大，方向分别为向上和向下。 5. （多选）如果直流电动机转子线圈按如图所示方式连接，则闭合电键后（　　） A. 转子线圈能持续转动 B. 应该使用换向器，转子线圈才会持续转动 C. 电动机的线圈在左图位置时不会转动 D. 电动机的线圈在右图位置时最终会停止转动 【答案】BD 【详解】ABD．直流电动机转子线圈想要持续转动，必须使用换向器，否则最终将停止在右图所示中性面位置。A错误，B正确，D正确； C．线圈在左图位置时，ab边受到向上的安培力，cd边受到向下的安培力，所以会顺时针转动，C错误。 6. 如图所示，在一蹄形磁铁两极之间放一个矩形线框abcd，磁铁和线框都可以绕竖直轴OO′自由转动，若使蹄形磁铁以某角速度转动时，线框的情况将是（ ） A．静止 B．随磁铁同方向转动 C．沿与磁铁相反方向转动 D．由磁铁具体转动方向来决定 【答案】 B 【解析】 A、根据楞次定律可知，为阻碍磁通量增加，则导致线圈与磁铁转动方向相同，但快慢不一，线圈的转速一定比磁铁转速小，故AC错误，B正确; D、根据楞次定律可知，为阻碍磁通量的变化，所以致线圈与磁铁转动方向相同，与磁铁具体的转动方向无关，故D错误。可以用来拒去留解释。 7． 如图1所示，交流发电机的矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，穿过该线圈的磁通量随时间t变化的规律如图2所示。已知线圈匝数为20匝，则下列说法正确的是（　　） A. 线圈转动的角速度为 B. 1.5s时线圈所在平面与中性面垂直 C. 100s内线圈中电流方向改变100次 D. 感应电动势的最大值为 【答案】C 【详解】A．由图乙可得周期，故线圈转动的角速度 A错误； B．由图2可知，1.5s时磁通量最大，则线圈处于中性面位置，故B错误； C．交变电流一个周期内电流方向改变两次，则100s内线圈中电流方向改变100次，故C正确； D．BS==0.2Wb，感应电动势的最大值 ，D错误。 8．（多选）如图所示，一个小型交流发电机输出端连接在理想变压器的原线圈n1上，原线圈两端连接有理想电压表，副线圈n2连接有可变电阻R和理想电流表A，理想变压器原、副线圈匝数比，已知交流发电机内匀强磁场的磁感应强度，发电机线圈匝数，面积是，内阻不计。发电机转动的角速度是，下列说法正确的是（　　） A. 当线圈转到图示位置时磁通量的变化率为0 B. 当线圈从图示位置转过时感应电流是0，电流表示数也是0 C. 电压表的示数始终是50V D. 当时，电流表的示数是2A 【答案】CD 【详解】A．图示位置线圈平面与磁场方向平行，此时磁通量的变化率最大，故A错误； B．线圈从图示位置转过时，线圈平面与磁场方向垂直，此时感应电动势为0，而电流表显示的有效电流，所以不为0，故B错误； C．发电机产生的最大电动势为 发电机内阻忽略不计，电压表显示的是有效值，示数为 故C正确； D．由变压器的特点可知 由题，解得 当电阻时，电流表的示数 故D正确。 9． 电动机和发电机： (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) （1）如图1是直流电动机工作原理示意图。马蹄形永久磁铁产生了如图2所示的辐向磁场（类似自行车的辐条），电动机的转子可简化为矩形导线框，换向器的两个电刷分别连接直流电源的正负极。接通电源，线框的，边受磁场力作用，整个线框就会绕着中心轴不停地转动，并将动力通过转轴向外输出。如图3所示，经过P、Q两点的这根磁感线_______是闭合线条（选填“可能”、“一定”或“一定不”）； （2）接上问，、两点磁感应强度、的大小：_______（选填“相等”、“大于”、“小于”或“无法确定”），原因是_____________________________________； （3）电流表、电压表这类磁电式仪表的工作原理和上述电动机很相似，只是不需要不停转动，可以用它来测量电流、电压的大小。图4中P是带指针绕在铁芯上可转动的线框，、是两个接线柱，如果指针向右偏转，电流从_______接线柱流入电表。（选填“”或“”）； （4）如图5是发电机的工作原理图，矩形线圈的左右两边做切割磁感线运动，从而产生感应电动势，给外电路的负载电阻供电。产生感应电流方向需用_______定律判定（选填“韦伯”、“楞次”或“麦克斯韦”）； （5）直流发电机和直流电动机的工作原理更可以简化为图6、7所示的情景。两图装置均在竖直向下的磁感应强度为的匀强磁场中，两根光滑平行金属轨道MN、PQ固定在水平面内，相距为L，电阻不计。图6中电阻为的金属导体棒垂直于MN、PQ放在轨道上，与轨道接触良好，导体棒受到水平向右的外力作用，以速度（平行于）向右做匀速运动。图6轨道端点间接有阻值为的电阻，求此外力的大小； （6）图7轨道端点间接有直流电源，致使导体棒以水平向右的速度通过固定的光滑滑轮匀速提升重物，电路中的电流为，求： 在时间内，图6“发电机”产生的电能和图7“电动机”输出的机械能。 【答案】（1）一定     （2）小于     磁感线的疏密表示磁场强弱，P点处磁感线比Q点处稀疏     （3）A     （4）楞次 （5）；（6）， 【详解】（1）磁感线是闭合曲线，经过P、Q两点的这根磁感线一定是闭合线条。 （2）磁感线的疏密表示磁场强弱，P点处磁感线比Q点处稀疏，所以 （3）指针向右偏转，则线圈的左边受到向上的安培力，根据左手定则可知，线圈的左侧电流方向垂直纸面向里，即电流从A接线柱流入，从B接线柱流出。（可以把P看成小磁针） （4）产生感应电流方向需用楞次定律判定。 （5）导体棒运动产生的感应电动势 电路中感应电流 导体棒所受安培力 导体棒匀速运动时 （6）在时间内，图1“发电机”产生的电能 在时间内，“电动机”输出的机械能等于安培力对导体棒ab做的功，即：。 / 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第七章 ·电磁感应定律的应用 7．4 发电机和电动机 课程标准 1. 了解发电机和电动机的能量转换和物理原理的区别。 2. 了解换向器在直流电动机连续转动的作用。 物理素养 物理观念：用能量转化观点理解发电机和电动机的物理原理。 科学思维：理解发电机中定子和转子概念中的运动相对性思维方法。 科学探究：探究直流电动机为何能连续转动？ 科学态度与责任：通过发电器和电动机的应用，体会科学技术推动社会发展的巨大作用，培养探索科学的精神。 一、发电机 (1)能量转化：发电机将机械能转化为电能的装置。 由水轮机、风能、化石燃料（汽轮、柴油）、核能或其他形式能，先转化为机械能，再转化为电能。 能量损耗：发电机各种能量损耗如下图，但都比较小，一般发电机的效率可以达到 95% 以上。 注：太阳能发电一般不属于上述范畴。 (2)工作原理：法拉第电磁感应定律，参见正弦交流电产生示意图。 (3)分类：直流发电机和交流发电机。 (4)构成 发电机里产生感应电动势的线圈通常叫电枢。转动的部分都叫转子，静止的部分都叫定子。 电枢转动、磁极不动的发电机叫做旋转电枢式发电机，电枢是转子，如图(a)。 磁极转动、电枢不动的发电机叫做旋转磁极式发电机，电枢是定子，如图(b)。 (a) (b) 二、电动机 (1)能量转化：电动机将电能转化为机械能的装置。能量转换和损耗，如下图。 (2)工作原理：通电导线在磁场中受到安培力的作用。 (3)分类：直流电动机和交流电动机。 (4)直流电动 机换向器（改变电流方向，使转子能朝一个方向转动）； 换向器作用：当通电线圈刚转过平衡位置时，能自动改变线圈中的电流方向，使线圈持续转动下去。 例1. 关于交流发电机和直流电动机，下列说法正确的是（　　） A. 电动机是利用电磁感应现象制成的，工作时把机械能转化为电能 B. 电动机是利用磁场对电流的作用制成的，工作时把电能转化为机械能 C. 发电机是利用电磁感应现象制成的，工作时把电能转化为机械能 D. 发电机是利用磁场对电流的作用制成的，工作时把机械能转化为电能 例2. 如图所示，甲→乙→丙→丁→甲过程是交流发电机发电的示意图，线圈的ab边连在金属滑环K上，cd边连在金属滑环L上，用导体制成的两个电刷分别压在两个滑环上，线圈在匀速转动时可以通过滑环和电刷保持与外电路连接。已知线圈转动的角速度为，转动过程中电路中的最大电流为。下列选项正确的是（　　） A. 在图甲位置时，线圈中的磁通量最大，感应电流最大 B. 从图乙位置开始计时，线圈中电流i随时间t变化的关系式为 C. 在图丙位置时，线圈中的磁通量最大，磁通量的变化率也最大 D. 在图丁位置时，感应电动势最大，cd边电流方向为d→c 题型01 交流电动机的工作原理 例3. 如图所示为交流发电机的示意图，两磁极之间可视为磁感应强度为B的匀强磁场。矩形线圈ABCD面积为S、匝数为N、整个线圈的电阻为r，线圈绕轴以角速度逆时针匀速转动，外电阻为R，线圈在转动时可以通过滑环和电刷保持与外电路相连。下列说法正确的是（　　） A. 线圈转到图甲位置时，穿过线圈的磁通量为NBS B. 线圈转到图乙位置时，穿过线圈的磁通量的变化率为 C. 线圈转到图丙位置时，外电路中交流电流表的示数为 D. 线圈转到图丁位置时，电流的方向从D流向C 题型02 直流电动机的工作原理 例4. 如图甲为市面上常见的一种电动车，图乙为这种电动车的电动机的工作示意图。电动机电路两端电压为10V，额定功率为200W，A、B为线圈上的两点。下列选项中不正确的是（　　） A. 在额定功率下运行时，电动机电路中的电流大小为20A B. 电刷a接入电路正极，电刷b接入电路负极 C. A点与B点间电流方向在不断变化 D. 直流电源可以驱动该电动机正常工作 1． 直流电动机通电后，使线圈发生转动的力是（　　） A. 重力 B. 电场力 C. 磁场力 D. 摩擦力 2． 有关直流电动机的换向器的作用，以下说法正确的是 （ ） A．当线圈平面与磁感线平行时，自动改变电流方向 B．当线圈平面与磁感线垂直时，自动改变电流方向 C．当线圈平面与磁感线平行时，自动改变磁感线的方向 D．当线圈平面与磁感线平行时，自动改变线圈转动方向 3． 一台组装齐全的直流电动机模型，接通电源后电动机不转，用手拨动一下转子后，线圈转子就正常转动起来，则该直流电动机模型开始时不转的原因是（ ） A．线圈正好处于平衡位置 B．线圈中的电流太小 C．换向器与电刷接触不良 D．线圈内部断路 4．（多选）线圈ab、bc的边长分别为L1、L2，通以电流I，开始时线圈平面与匀强磁场B的磁感线平行，当线圈绕OO′轴转过90º角时（ ） A．ab边和cd边受到的安培力不变 B．ab边和cd边受到的安培力逐渐变小 C．ad边和cb边始终不受安培力 D．ad边和cd边受到的安培力逐渐变大 5.（多选）如果直流电动机转子线圈按如图所示方式连接，则闭合电键后（　　） A. 转子线圈能持续转动 B. 应该使用换向器，转子线圈才会持续转动 C. 电动机的线圈在左图位置时不会转动 D. 电动机的线圈在右图位置时最终会停止转动 6. 如图所示，在一蹄形磁铁两极之间放一个矩形线框abcd，磁铁和线框都可以绕竖直轴OO′自由转动，若使蹄形磁铁以某角速度转动时，线框的情况将是（ ） A．静止 B．随磁铁同方向转动 C．沿与磁铁相反方向转动 D．由磁铁具体转动方向来决定 7． 如图1所示，交流发电机的矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，穿过该线圈的磁通量随时间t变化的规律如图2所示。已知线圈匝数为20匝，则下列说法正确的是（　　） A. 线圈转动的角速度为 B. 1.5s时线圈所在平面与中性面垂直 C. 100s内线圈中电流方向改变100次 D. 感应电动势的最大值为 8．（多选）如图所示，一个小型交流发电机输出端连接在理想变压器的原线圈n1上，原线圈两端连接有理想电压表，副线圈n2连接有可变电阻R和理想电流表A，理想变压器原、副线圈匝数比，已知交流发电机内匀强磁场的磁感应强度，发电机线圈匝数，面积是，内阻不计。发电机转动的角速度是，下列说法正确的是（　　） A. 当线圈转到图示位置时磁通量的变化率为0 B. 当线圈从图示位置转过时感应电流是0，电流表示数也是0 C. 电压表的示数始终是50V D. 当时，电流表的示数是2A 9． 电动机和发电机： (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) （1）如图1是直流电动机工作原理示意图。马蹄形永久磁铁产生了如图2所示的辐向磁场（类似自行车的辐条），电动机的转子可简化为矩形导线框，换向器的两个电刷分别连接直流电源的正负极。接通电源，线框的，边受磁场力作用，整个线框就会绕着中心轴不停地转动，并将动力通过转轴向外输出。如图3所示，经过P、Q两点的这根磁感线_______是闭合线条（选填“可能”、“一定”或“一定不”）； （2）接上问，P、Q两点磁感应强度、的大小：_______（选填“相等”、“大于”、“小于”或“无法确定”），原因是_____________________________________； （3）电流表、电压表这类磁电式仪表的工作原理和上述电动机很相似，只是不需要不停转动，可以用它来测量电流、电压的大小。图4中P是带指针绕在铁芯上可转动的线框，、是两个接线柱，如果指针向右偏转，电流从_______接线柱流入电表。（选填“”或“”）； （4）如图5是发电机的工作原理图，矩形线圈的左右两边做切割磁感线运动，从而产生感应电动势，给外电路的负载电阻供电。产生感应电流方向需用_______定律判定（选填“韦伯”、“楞次”或“麦克斯韦”）； （5）直流发电机和直流电动机的工作原理更可以简化为图6、7所示的情景。两图装置均在竖直向下的磁感应强度为的匀强磁场中，两根光滑平行金属轨道MN、PQ固定在水平面内，相距为L，电阻不计。图6中电阻为的金属导体棒垂直于MN、PQ放在轨道上，与轨道接触良好，导体棒受到水平向右的外力作用，以速度（平行于）向右做匀速运动。图6轨道端点间接有阻值为的电阻，求此外力的大小； （6）图7轨道端点间接有直流电源，致使导体棒以水平向右的速度通过固定的光滑滑轮匀速提升重物，电路中的电流为，求： 在时间内，图6“发电机”产生的电能和图7“电动机”输出的机械能。 / 学科网（北京）股份有限公司 $$