3.1 交变电流 课件-2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

null 第三章 交变电流 高中物理《课标》要求 第二章 交变电流 高中物理《课标》要求 3.1 通过实验，认识交变电流。能用公式和图像描述正弦交变电流。 3.2 通过实验，探究并了解变压器原、副线圈电压与匝数的关系。知道远距离输电时通常采用高压输电的原因。 3.3 了解发电机和电动机工作过程中的能量转化。认识电磁学在人类生活和社会发展中的作用。 第1节 交变电流 《学习目标》 (1)通过实验认识交变电流，知道生产生活中使用的大多是正弦式交变电流，会用图像和公式描述正弦式交变电流。 (2)经历建立正弦式交变电流模型、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规律的过程，体会建立模型与推理分析的思维方法。 (3)了解发电机是将机械能转化为电能的装置，各种发电机的区别在于机械能产生的形式不同。 02 03 01 主题(二) 交流电的产生 主题(一) 交变电流 目录 CONTENTS 主题(三) 正余弦交流电 04 第1节 交变电流 主题(四) 交流发电机 新课引入：观察示波器上显示的电压，有什么特点？ 结论：电流方向随时间在周期性的变化，这样的电流称之为交变电流。 第一部分 交变电流 方向随时间周期性变化的电流 一、交变电流(alternating current, AC) 注意：①方向不变的电流叫直流电(direct current, DC) 2.种类： 1.定义： ①正余弦交流电 ②锯齿波交流电 ③矩形脉冲交流电 ④尖形脉冲交流电 ②交流电经电子电路处理后可变成直流。 【典例1】下列说法正确的是（ ） A.交变电流的大小一定随时间变化。 B.大小和方向都不随时间变化的电流才是直流电。 C.交变电流的大小可以不变，但方向一定随时间周期性变化。 D.交变电流不稳定，很容易“烧坏”家用电器。 C 思考：如何产生大小和方向都在周期性变化的交流电呢？ 通过闭合电路的磁通量大小和方向都发生周期性的变化 典例分析 第二部分 交流电的产生 二、交流电的产生 K L E F 二、交流电的产生 ①定子：不动的部分-- 磁极 ②转子：转动的部分-- 电枢 ③滑环：K、L ④电刷：E、F 1.装置： 思考：这样的装置产生的交流电大小方向的变化有什么规律？ 哪些位置切割产生的电动势最大？ AB 和CD 乙、丁 思考：哪些边在切割产生电动势？ 哪些位置切割产生的电动势最小？ 甲、丙 二、交流电的产生 甲 乙 丙 丁 二、交流电的产生 课后反思：不要试图在图上比画电流方向的改变，有点难，直接说这样产生的就是正玄交流电 E= =2BLABV =2BLABω 1 2 LAD =BSω 思考：此时线圈切割产生电动势E=？ BLABV+BLCDV 思考：经过时间t转了θ角的电动势Et=？ B A D C B ω θ =ωt 如果有N匝， E=NBSω 线圈在匀强磁场B里以ω匀速转动 B A D C B ω θ =ωt 线圈在匀强磁场B里以ω匀速转动 B A D θ V V Et=2NBLABV____ cosθ =2NBLABω cosωt 1 2 LAD =NBSωcosωt 二、交流电的产生 E= =2BLABV =2BLABω 1 2 LAD =BSω 思考：此时线圈切割产生电动势E=？ BLABV+BLCDV 如果有N匝， E=NBSω 电动势E按余弦规律变化 t e NBSω B A D C B ω Et=NBSωcosωt 2.规律： 二、交流电的产生 电动势e= =Emcosθ NBsωcosωt 瞬时值e 峰值Em=NBsω 总电流i= Imcosωt 峰值Im= R+r Em 1.装置： 瞬时值i 2.规律： 二、交流电的产生 电动势e= =Emcosθ NBsωcosωt 瞬时值e 峰值Em=NBsω 总电流i= Imcosωt 峰值Im= R+r Em 1.装置： 瞬时值i Umcosωt 峰值Um=ImR 外电压u= 瞬时值u t e t i t u t Φ 【典例2】当线圈转到 位置时线圈中没有电流？转到 位置时线圈中电流最大？从甲位置开始，电流按 规律变化？穿过线圈的磁通量按 规律变化？ t i 甲 乙 丙 丁 甲、丙 乙、丁 典例分析 甲 乙 丙 丁 正弦 余弦 第三部分 正余弦交流电 三、正余弦交流电 1.产生条件： B 思考1:下列四个线圈中能产生正余弦交流电的是哪个？ ①匀强磁场 ③转轴必须和磁场垂直 ②匀速转动 二匀一轴 思考2：前两个电动势的最大值为多少？有什么特点？ ④E感的值与线圈的形状和转轴的位置没有关系 甲 乙 丙 丁 E感、I感为零, 注意:每经中性面，I方向改变一次 2.中性面: 3.极值面: E感、I感最大, Φ为零的平面 注意:极值面Φ的变化率最大. 三、正余弦交流电 T 2T 思考3:从甲位置开始计时，线圈Φ怎么变化？I感怎么变化？ t Φ t i 甲 乙 丙 丁 1.产生条件: 二匀一轴 Φ最大的平面 【典例3】(多选)下列说法正确的是（ ） A.只要线圈在磁场中转动，就可以产生交变电流。 B.线圈在通过中性面时磁通量最大，电流也最大。 C.线圈在通过垂直中性面的平面时电流最大， 但磁通量为零。 D.线圈在通过中性面时电流的方向发生改变。 CD 典例分析 【典例4】如图所示，一半径为r＝10 cm 的圆形线圈共100匝，在磁感应强度B=5/π2，的匀强磁场中绕垂直于磁场方向的中心轴线 OO′以n＝600 r/min 的转速匀速转动，当线圈转至中性面位置时开始计时．求 (1)电动势的瞬时值表达式 (2)线圈从图示位置经1/60s时的电动势的瞬时值 (3)线圈从图示位置经T/6时的电动势的瞬时值 解:(1)e＝Emsin ωt ω＝2πn ＝20π rad/s e＝ (2)当t＝1/60 s时， Em=NBSω =100V e＝100sin20π(1/60) ＝50V 100sin20πt (V) (3)当t＝T/6时， e＝100sin600 ＝50V 典例分析 第四部分 交流发电机 四、交流发电机 1.构造： 和产生B的磁体组成。 由产生E感的线圈(电枢) 2.类别: ①旋转电枢式 ②旋转磁极式 U输一般不超过500 V。 U输可达几万伏。 注意：转动的部分又叫子转子，不动部分叫定子 3.能量转化: 将E机转为E电，输送给外电路 四、交流发电机： 1.构造： 和产生B的磁体组成。 由产生E感的线圈(电枢) 2.类别: ①旋转电枢式 ②旋转磁极式 U输一般不超过500 V。 U输可达几万伏。 注意：转动的部分又叫子转子，不动部分叫定子 《思维导图·电势能和电势》 课堂小结 交变电流 交流电的产生 交变电流 正余弦交流电 交流发电机 【练习1】如图所示,有一匝数为10匝的正方形线圈,边长为20 cm,线圈总电阻为1 Ω,线圈绕OO'轴以10π rad/s的角速度匀速转动,垂直于线圈平面向里的匀强磁场的磁感应强度为0.5 T。(线圈转动到中性面开始计时)。求：(1)求该线圈产生的交变电流的电动势最大值、电流最大值分别为多少?(2)线圈从图示位置转过60°时,感应电动势的瞬时值是多大?(3)写出感应电动势随时间变化的表达式。(4)如果从线圈与中性面垂直的位置开始计时,交变电流的感应电动势瞬时值的表达式是什么? 课堂练习 解(1) Em=NBSω=10×0.5×0.22×10π V =2π V Im= A=2π A。 (2)e=Emsin 60° (3)e=Emsinωt =π V =2πsin10πt(V) (4)e=Emcos ωt=2πcos10πt(V) 【练习2】关于线圈在匀强磁场中转动时产生的交变电流,以下说法正确的是 (　　) A.线圈平面每经过中性面一次,感应电流方向 就改变一次,感应电动势方向不变 B.线圈每转动一周,感应电流方向就改变一次 C.线圈平面每经过中性面一次,感应电动势和 感应电流的方向都要改变一次 D.线圈每转动一周,感应电动势和感应电流方向都要改变一次 C 课堂练习 【练习3】交流发电机模型如图所示,矩形线圈ABCD在匀强磁场中绕其中心轴OO'匀速转动,从线圈平面与磁场垂直时开始计时,已知线圈转动的角速度ω=2π rad/s,下列说法正确的是 (　　) A.线圈中产生按余弦规律变化的交变电流 B.t=0.25 s时,线圈位于中性面 C.t=0.5 s时,穿过线圈的磁通量变化率最大 D.t=0.75 s时,线圈的感应电动势最大 D 课堂练习 【练习4】(2024·山东高考)如图甲所示,在-d≤x≤d、-d≤y≤d的区域中存在垂直Oxy平面向里、磁感应强度大小为B的匀强磁场(用阴影表示磁场的区域),边长为2d的正方形线圈与磁场边界重合。线圈以y轴为转轴匀速转动时,线圈中产生的交变电动势如图乙所示。若仅磁场的区域发生了变化,线圈中产生的电动势变为图丙所示实线部分,则变化后磁场的区域可能为 (　　) 课堂练习 C 【练习5】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 B 课堂练习 【练习6】(多选)交流发电机的示意图如图所示,线圈的AB边连在金属滑环K上,CD边连在金属滑环L上,两个电刷E、F分别压在两个滑环上,线圈在转动时可以通过滑环和电刷保持与外电路的连接。关于其工作原理,下列分析正确的是 ( 　　) A.当线圈平面转到中性面的瞬间,穿过线圈的磁通量最大 B.当线圈平面转到中性面的瞬间,线圈中的感应电流最大 C.当线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间,穿过线圈的磁通量最小 D.当线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间,线圈中的感应电流最小 AC 课堂练习 【练习7】如图甲所示，由交流发电机、定值电阻、交流电流表A组成的闭合回路，线圈沿逆时针方向转动，图甲所示位置磁感线与线圈平面平行从此刻开始计时，穿过线圈的磁通量随时间变化的图像如图乙所示，则（　　） A．时刻线圈中感应电动势最小 B．时刻线圈中感应电流的方向改变 C．线圈转到图甲所示位置时，线圈中磁通量变化率为零 D．线圈转动到图甲所示位置时，线圈中感应电流方向为 B 课堂练习 【练习8】如图是一款高空风车及其发电模块原理图。在发电期间，发电机线圈ab在某一时刻转至图示位置。则（    ） A．发电的工作原理是电流的磁效应 B．该时刻线圈b端电势高于a端电势 C．该时刻线圈磁通量为零，感应电动势也为零 D．风力增大，线圈ab的感应电动势不变 B 课堂练习 【练习9】如图是一手摇发电机，其原理可简化为矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的中心轴OO'匀速转动，产生随时间变化的感应电动势。已知矩形线圈abcd的匝数为N，边长，。线圈所在处磁感应强度为B。线圈的角速度为。当线圈转动到如图所示位置时，其平面与磁场方向平行。(1)求线圈转动到如图位置时ab边切割磁感线产生的感应电动势大小并判断ab两端电势的高低；(2)从线圈处于如图位置开始计时，t时刻线圈转至截面图中虚线所示位置，推导t时刻线圈产生的感应电动势大小为； 课堂练习 解(1) 得 B端电势高 (2) 得 谢 谢 观 看 交变电流产生原理 返回 $$null