3.2 交变电流的产生（课件PPT）-【优化指导】2024-2025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 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 栏目索引 必备知识 自主学习 关键能力 互动探究 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 必备知识 自主学习 感应电动势 感应电流 线圈 磁极 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 垂直 零 零 两 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 × √ √ 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 Emsin ωt Imsin ωt Umsin ωt 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 × × × 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 关键能力 互动探究 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 谢谢观看！ 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 核心素养 物理观念 科学思维 科学探究 科学态度与责任 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。 1.能用数学表达式和图像来描述正弦式交变电流的变化规律，知道最大值、有效值和瞬时值之间的关系。 2．可以通过已知数学表达式描绘出图像，也可以通过已知图像写出数学表达式。 探究正弦式交变电流的产生原理，能用法拉第电磁感应定律和楞次定律或右手定则分析解释交变电流的形成过程。 领会将法拉第电磁感应定律应用于交变电流这一技术的重大意义，感受物理学对技术发展的重大推动作用，培养学习科学并有志于利用科学技术服务于人类的意识。 知识点一 交流发电机❶ 1．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_______________和____________。 2．构造：发电机主要由______(电枢)和______两部分组成。 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．中性面：线圈平面与磁感线______的位置。 (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___，感应电流为___。 (2)线圈每经过中性面一次，感应电流的方向就改变一次，线圈每转动一周，感应电流的方向就改变___次。 1．线圈在通过中性面时磁通量最大，电流也最大。(　 　) 2．线圈在通过垂直中性面的平面时电流最大，但磁通量为零。(　 　) 3．线圈在通过中性面时电流的方向发生改变。(　 　) 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❷ (1)e＝____________________ (从中性面开始计时，其中Em＝nBSω) (2)i＝____________________ (外电路为纯电阻电路，其中Im＝ eq \f(Em,R＋r) ) (3)u＝____________________ (其中Um＝ImR) 2．正弦式交变电流的图像❸ 1．正弦式交变电流的峰值越大，则瞬时值也越大。(　 　) 2．交变电流的图像均为正弦函数图像或余弦函数图像。(　 　) 3．交变电流瞬时值表达式与开始计时的位置无关。(　 　) 批注❶：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 批注❷：表达式中Em、Im、Um分别为电动势、电流、电压的峰值，而e、i、u则是这几个量的瞬时值。 批注❸：几种不同类型的交变电流 探究点一　交变电流的产生原理　(科学思维之提升) ►情境探究 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)在线圈由甲转到乙的过程中，AB边的电流向哪个方向流动？ (2)在线圈由丙转到丁的过程中，AB边的电流向哪个方向流动？ (3)当线圈转到什么位置时线圈中没有电流，转到什么位置时线圈中的电流最大？ 提示：(1)由B到A。 (2)由A到B。 (3)线圈转到甲或丙位置时线圈中没有电流；线圈转到乙或丁位置时线圈中的电流最大。 ►探究归纳 两个特殊位置的对比 中性面 与中性面垂直的位置 图示 位置 线圈平面与磁场方向垂直 线圈平面与磁场方向平行 中性面 与中性面垂直的位置 磁通量 最大 零 磁通量的变化率 零 最大 感应电动势 零 最大 感应电流 零 最大 电流方向 改变 不变 注意：(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)线圈转动每一周，交变电流的方向改变两次。 ►对点例练 A．金属线圈恰好处于图甲所示的位置时感应电动势为0，对应图乙中t1或t3时刻 B．金属线圈恰好处于图甲所示的位置时感应电动势最大，对应图乙中t2或t4时刻 C．t1、t3时刻穿过线圈的磁通量的绝对值最小，磁通量的变化率最大 D．t2、t4时刻穿过线圈的磁通量的绝对值最小，磁通量的变化率最大 AD　解析：金属线圈恰好处于图甲所示的位置时，磁通量最大，AB、CD边均不切割磁感线，感应电动势为0，电流为0，对应图乙中t1或t3时刻，由法拉第电磁感应定律可知，磁通量的变化率为0, B、C错误，A正确；t2、t4时刻感应电流最大，感应电动势最大，由法拉第电磁感应定律可知，磁通量的变化率最大，AB、CD边垂直切割磁感线，线圈平面与磁感线平行，磁通量最小，D正确。 [练1] (多选)图示为交流发电机的原理示意图，将矩形线框置于竖直向下的匀强磁场中，通过导线与灵敏电流表相连，线框在磁场中绕垂直于磁场方向的转轴匀速转动，图中线框平面处于竖直面内，下列说法正确的是(　　) A．线框通过图中位置时，产生的电动势最大 B．线框通过图中位置时，穿过线框的磁通量最大 C．线框通过图中位置时，通过电流表的电流瞬时值最大 D．若线框转动的角速度增大，那么通过电流表的电流有效值可能不变 AC　解析：线框处于图中位置时，速度方向与磁场方向垂直，产生的电动势最大，由闭合电路欧姆定律可得，通过电流表的电流瞬时值最大，此时穿过线框的磁通量最小，为零，A、C正确，B错误；若线框转动的角速度增大，则产生的感应电动势的有效值增大，由闭合电路欧姆定律可得，通过电流表的电流有效值增大，D错误。 探究点二　交变电流变化规律的理解　(科学思维之提升) ►情境探究 如图所示，线圈平面绕bc边的中点从中性面开始转动，角速度为ω。经过时间t，线圈转过的角度是ωt，ab边线速度v的方向跟磁感线方向的夹角也等于ωt。设ab边长为L1，bc边长为L2，线圈面积S＝L1L2，磁感应强度为B，则： (1)ab边产生的感应电动势为多大？ (2)整个线圈中的感应电动势为多大？ (3)若线圈有N匝，则整个线圈的感应电动势为多大？ 提示：(1)eab＝BL1v sin ωt＝BL1 eq \f(L2ω,2) sin ωt＝ eq \f(1,2) BL1L2ωsin ωt＝ eq \f(1,2) BSωsin ωt。 (2)整个线圈中的感应电动势由ab和cd两边产生的感应电动势组成，且eab＝ecd，所以e总＝eab＋ecd＝BSωsin ωt。 (3)若线圈有N匝，则相当于N个完全相同的电源串联，所以e＝NBSωsin ωt。 ►探究归纳 1．正弦交变电流瞬时值的表达式 (1)从中性面位置开始计时： e＝Emsin ωt，i＝Imsin ωt，u＝Umsin ωt。 (2)从与中性面垂直的位置开始计时： e＝Emcos ωt，i＝Imcos ωt，u＝Umcos ωt。 2．交变电流的峰值 Em＝NBSω，Im＝ eq \f(NBSω,R＋r) ，Um＝ eq \f(NBSωR,R＋r) 。 说明：电动势峰值Em＝NBSω，由线圈匝数N、磁感应强度B、角速度ω和线圈面积S决定，与线圈的形状无关，与转轴的位置无关。如图所示的几种情况中，如果N、B、ω、S均相同，则感应电动势的峰值均相同。 ►对点例练 (1)求该线圈产生的交变电流的电动势最大值以及电流最大值。 (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。 答案：（1）6.28 V　6.28 A　（2）5.44 V (3)e＝6.28sin 10πt V 解析：(1)交变电流电动势的最大值为 Em＝2NBlv＝2NBlω eq \f(l,2) ＝NBSω＝10×0.5×0.22×10π(V)＝6.28 V， 电流的最大值为 Im＝ eq \f(Em,R) ＝ eq \f(6.28,1) A＝6.28 A。 (2)线圈转过60°时，感应电动势为 e＝Emsin 60°＝5.44 V。 (3)由于线圈的转动是从中性面开始计时的，所以感应电动势随时间变化的表达式为 e＝Emsin ωt＝6.28sin 10πt V。 [练2] (2021·江苏盐城实验高级中学高二期中)一低压教学电源输出的交变电压为u＝10 eq \r(2) sin 314t V，则以下说法正确的是(　　) A．该电源可以使“10 V　2 W”的灯泡正常发光 B．该电源交变电压的周期是314 s C．该电源在t＝0.01 s时电压达到最大值 D．“10 V　2 μF”的电容器可以接在该电源上 A　解析：该电源交流电的峰值Um＝10 eq \r(2) V，则有效值U＝ eq \f(Um,\r(2)) ＝10 V，所以该电源可以使“10 V　2 W”的灯泡正常发光，A正确；根据交变电压瞬时值的表达式可知ω＝100π rad/s，则T＝ eq \f(2π,ω) ＝ eq \f(2π,100π) s＝0.02 s，B错误；t＝0.01 s时，经过半个周期，电压为零，C错误；当电容器的耐压值小于交变电压的峰值时，电容器会被击穿，而10 V小于10 eq \r(2) V，则“10 V　2 μF”的电容器不能接在该电源，D错误。 [练3] (2021·山东烟台高二期末)如图所示是交流发电机模型示意图。在匀强磁场中，有一匝数为10的矩形线圈abcd可绕线圈平面内垂直于磁感线的轴OO′以恒定角速度ω＝100 rad/s逆时针转动，由线圈引出的导线ae和df分别与两个跟线圈一起绕OO′转动的金属环相连接，金属环分别与两个固定的电刷保持滑动接触，矩形线圈在转动中和R＝4 Ω的电阻形成闭合电路。当线圈处在中性面时，穿过矩形线圈的磁通量Φ＝0.02 Wb。若线圈电阻r＝1 Ω，其他电阻不计，则下列说法中正确的是(　　) A．电流表的示数为4 A B．2 s时间内电阻R上产生的热量为64 J C．线圈由中性面位置开始转过30°时，电流表的示数为2 A D．线圈从中性面位置开始转过90°的过程中，通过电阻R的电荷量为4×10－3 C B　解析：交流电动势的最大值Em＝nBSω＝nΦω＝10×0.02×100 V＝20 V，电动势的有效值E＝ eq \f(Em,\r(2)) ＝ eq \f(20,\r(2)) V＝10 eq \r(2) V，电流的有效值I＝ eq \f(E,R＋r) ＝ eq \f(10\r(2),5) A＝2 eq \r(2) A＝2.83 A，即电流表读数为2.83 A，A错误；2 s时间内电阻R上产生的热量为Q＝I2Rt＝(2 eq \r(2) )2×4×2 J＝64 J，B正确；电流表的读数为交流电的有效值，则线圈由中性面位置开始转过30°时，电流表的示数仍为2.83 A，C错误； 线圈从中性面位置开始转过90°的过程中，通过电阻R的电荷量为q＝ eq \x\to(I) Δt＝ eq \f(\x\to(E),R＋r) Δt＝ eq \f(n\f(ΔΦ,Δt),R＋r) Δt＝ eq \f(nBS,R＋r) ＝ eq \f(nΦ,R＋r) ＝4×10－2 C，D错误。 交变电流四值的比较 物理含义 重要关系 适用情况 瞬时值 交变电流某一时刻的值 e＝Emsin ωt u＝Umsin ωt i＝Imsin ωt 计算线圈某一时刻的安培力 最大值 最大的瞬时值 Em＝NBSω Um＝ eq \f(Em,R＋r) ·R Im＝ eq \f(Em,R＋r) 确定电容器的击穿电压 物理含义 重要关系 适用情况 有效值 与交变电流的热效应等效的恒定电流的值 对正(余)弦交变电流： Em＝ eq \r(2) E Um＝ eq \r(2) U Im＝ eq \r(2) I (1)计算与电流的热效应有关的量 (2)电气设备“铭牌”上的标注 (3)保险丝的熔断电流 (4)交流电表的示数 物理含义 重要关系 适用情况 平均值 交变电流图像中图线与时间轴所围面积与时间的比值 eq \x\to(E) ＝n eq \f(ΔΦ,Δt) eq \x\to(E) ＝BL eq \x\to(v) eq \x\to(I) ＝ eq \f(\x\to(E),R＋r) q＝ eq \x\to(I) Δt (1)计算平均感应电动势 (2)计算通过电路中某截面的电荷量 注意：交变电流的有效值和电流的方向无关，交变电流的平均值是根据法拉第电磁感应定律E＝N· eq \f(ΔΦ,Δt) 计算的，与交变电流的方向、所选取的时间有关。 探究点三　交变电流图像的理解与应用　(科学思维之提升) ►情境探究 如图所示，矩形线圈在匀强磁场中绕垂直磁场方向的轴匀速转动。若从中性面开始计时，我们得到关系式e＝Emsin ωt，请结合数学知识y＝A sin α回答下列问题： (1)e＝Emsin ωt对应的函数图像是什么形式？ (2)从该图像中可以直接得到哪些信息？ 提示：(1)该图像为正弦函数图像。 (2)可直接获取周期与最大值(峰值)等信息。 ►探究归纳 1．正弦式交变电流的图像(从中性面开始计时) 项目 函数 图像 磁通量 Φ＝Φm·cos ωt ＝BS cos ωt 电动势 e＝Em·sin ωt ＝nBSωsin ωt 项目 函数 图像 电压 u＝Um·sin ωt ＝ eq \f(REm,R＋r) sin ωt 电流 i＝Im·sin ωt ＝ eq \f(Em,R＋r) sin ωt 2.交变电流图像的应用 (1)根据图像可直接得到正弦式交变电流的最大值和周期，瞬时值，还可以求出频率、有效值和角速度等。 (2)根据线圈位于中性面时感应电动势、感应电流为零，可确定线圈位于中性面的时刻，亦为穿过线圈的磁通量最大的时刻和磁通量变化率为零的时刻。 (3)根据线圈平面与中性面垂直时感应电动势、感应电流最大，可确定线圈与中性面垂直的时刻，亦为穿过线圈的磁通量为零的时刻和磁通量变化率最大的时刻。 (4)判断线圈中磁通量的变化情况。 (5)分析判断电动势e、电流i、电压u随时间的变化规律。 ►对点例练 A．电流表的示数为14.1 A B．0.02 s时线圈平面与中性面重合 C．线圈转动的角速度为50π rad/s D．电阻R上的热功率为100 W D　解析：电流表示数为I＝ eq \f(Im,\r(2)) ＝ eq \f(10\r(2),\r(2)) A＝10 A，A错误；0.02 s时线圈中的感应电流达到最大，感应电动势最大，则穿过线圈的磁通量变化最快，磁通量为0，故线圈平面与中性面垂直，B错误；线圈转动的角速度 ω＝ eq \f(2π,T) ＝100π rad/s，C错误；电阻R上的热功率为P＝I2R＝102×1 W＝100 W，D正确。 [练4] (多选)(2021·广东珠海高二月考)单匝闭合矩形线框电阻为R，在匀强磁场中绕与磁感线垂直的轴匀速转动，穿过线框的磁通量Φ与时间t的关系图像如图所示。下列说法正确的是(　　) A． eq \f(T,2) 时刻线框平面处于中性面 B．从t＝0到t＝ eq \f(T,4) 的过程中，线框的平均感应电动势为2 eq \f(πΦm,T) C．线框感应电动势的有效值为 eq \f(\r(2)πΦm,T) D．线框转一周外力所做的功为2),\s\do1(m)) eq \f(2π2Φ,RT) ACD　解析： eq \f(T,2) 时刻线框的磁通量最大，则线圈平面处于中性面，A正确；从t＝0到t＝ eq \f(T,4) 的过程中，线框的平均感应电动势为 eq \x\to(E) ＝ eq \f(ΔΦ,Δt) ＝ eq \f(Φm,\f(T,4)) ＝ eq \f(4Φm,T) ， B错误；因为ω＝ eq \f(2π,T) ，所以线框感应电动势的最大值Em＝BSω＝ωΦm＝ eq \f(2πΦm,T) ，有效值为E＝ eq \f(Em,\r(2)) ＝ eq \f(\r(2)πΦm,T) ，C正确；线框转一周外力所做的功等于产生的电能，即W外＝Q＝ eq \f(E2,R) T＝2),\s\do1(m)) eq \f(2π2Φ,RT) ，D正确。 探究点四　解决实际问题　(科学态度与责任之落实) [练5] (科技情境)(2021·重庆第二十九中学高二期中)“人工肺ecomo”呼吸机是治疗新型冠状病毒肺炎重症患者的重要设备。现有一呼吸机接在交流电源上，已知该电源的电压随时间变化的规律为u＝220 eq \r(2) sin 100π V，且呼吸机正常工作时的电流为2.5 A，则(　　) A．该交流电压的周期为50 s B．每秒内该交流电的电流方向变化50次 C．该交流电压的最大值为220 V D．该呼吸机正常工作时的功率为550 W D　解析：由题可知，该交流电压的周期T＝ eq \f(2π,100π) s＝0.02 s，A错误；正弦交流电一个周期内电流方向变化两次，所以每秒内该交流电压的电流方向变化2× eq \f(1,0.02) ＝100次，B错误；由题可知，该交流电压的最大值为220 eq \r(2) V，C错误；该交流电压的有效值为 eq \f(220\r(2),\r(2)) V，此时电流的值为2.5 A，可得呼吸机正常工作时的功率P＝U有I＝220×2.5 W＝550 W，D正确。 [练6] (科技情境)(2021·江苏高考)贯彻新发展理念，我国风力发电发展迅猛，2020年我国风力发电量高达4 000亿千瓦时。某种风力发电机的原理如图所示，发电机的线圈固定，磁体在叶片的驱动下绕线圈的对称轴转动，已知磁体间的磁场为匀强磁场，磁感应强度的大小为0.20 T，线圈的匝数为100、面积为0.5 m2，电阻为0.6 Ω，若磁体转动的角速度为90 rad/s，线圈中产生的感应电流为50 A。求： (1)线圈中感应电动势的有效值E； (2)线圈的输出功率P。 答案：(1)6.4×102 V　(2)3.1×104 W 解析：(1)电动势的最大值Em＝NBSω 有效值E＝ eq \f(Em,\r(2)) 解得E＝ eq \f(NBSω,\r(2)) 代入数据得E＝6.4×102 V (2)输出电压U＝E－Ir 输出功率P＝IU 解得P＝I(E－Ir) 代入数据得P＝3.1×104 W $$