3.1交变电流（培优教学课件）物理人教版选择性必修第二册

1. 交变电流 第三章 交变电流 人教版选择性必修第二册 导入新课 电池直流供电 时电压的波形 学生电源交流挡供电时电压的波形 显然，两种电流存在明显的区别 学习目标 物理观念 通过实验认识交变电流，知道交变电流和直流电波形图的区别，知道生产生活中使用的大多是正弦式交流电。 科学思维 用右手定则和楞次定律推理得出正弦式交变电流的方向和大小，体会建立模型与推理分析的思维方法。 科学探究 分析矩形线圈转动过程中电动势和电流方向的变化，了解交变电流的产生过程，了解中性面、峰值面的含义。 科学态度 与责任 通过正弦式交变电流的推导，体会建立模型和推理分析的思维方法。 重点难点 重点 1. 交变电流的产生过程。 2.交变电流的特点及其规律。 难点 1.用右手定则和楞次定律推理得出正弦式交变电流的方向和大小。 1. 交变电流 2. 交变电流的产生 3. 交变电流的变化规律 4. 课堂总结 5. 练习与应用 学习内容 第1节 交变电流 一、交变电流 第1节 交变电流 一、交变电流 1.交变电流（AC）:大小和方向都随时间做周期性的变化.简称交流。 2.直流电（DC） ：方向不随时间变化的电流 0 i t 恒定直流 0 i t 脉动直流电 3.说明： （1）大小不变，方向改变的电流也是交流。 （2）交变电流经电子电路处理后可变成直流。 （3）直流 恒定电流：大小和方向不随时间变化的电流 脉动直流：方向不变，大小随时间变化的电流 交变电流 一、交变电流 几种常见的交变电流的种类 一、交变电流 问题：交流发电机的工作原理是怎样的呢？ 观察交变电流的方向 把两个发光颜色不同的发光二极管并联，注意使两者正、负极的方向不同，然后连接到教学用发电机的两端。转动手柄，两个磁极之间的线圈随着转动。观察发光二极管的发光情况。 现象： 说明：发电机产生的交流电电流方向在不断变化。 两个二极管会交替发光 一、交变电流 下列6个图，哪些是描述交变电流的?判断依据是什么? C、E、F是交变电流,判断依据是大小和方向随时间周期性变化。 例1 F 方向呈周期性变化是判断交流的标准。 二、交变电流的产生 第1节 交变电流 二、交变电流的产生 1、交流发电机的基本构造 E 定子：不动的部分叫定子--磁极(产生匀强磁场) 转子：转动的部分叫转子--电枢 (产生感应电动势的线圈) 作用：将机械能转化为电能 转子 定子 abcd——线圈（切割磁感线） K、L——圆环 A、B——电刷 使线圈在转动时保持与外电路的连接 二、交变电流的产生 2.交流电的产生原理 A B C D v 问题:当线圈在磁场中绕轴转动时,哪些边切割磁感线? v∥B，没有边切割磁感线。 B⊥S，φ最大 E=0，I=0 不平行时AB、CD切割磁感应线，产生电流 只有AB和CD边在做切割磁感线的运动 二、交变电流的产生 思考并讨论： （1）线圈沿逆时针方向匀速转动，线圈由甲图转到丁图所示位置的过程中，电流的方向如何变化？ （2）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？ 3. 过程分析 I=0 I方向：DCBAD I=0 I方向：ABCDA 甲 乙 丙 丁 I最大 I最大 I最小 I最小 二、交变电流的产生 思考与讨论： (1)线圈转到甲、丙位置时，磁通量有什么特点？ (2)AB棒速度方向与磁场方向是什么关系？ (3)此时的感应电动势多大？ (4)磁通量的变化率有什么特点？ 甲 丙 B⊥S，磁通量最大，Φ=Φmax=BS 速度方向与磁场平行，不切割磁感线 感应电动势为0，电流为0 磁场的变化率为零 中性面 二、交变电流的产生 乙 (1)线圈转到乙、丁位置时，磁通量有什么特点？ (2)AB棒速度方向与磁场方向是什么关系？ (3)此时的感应电动势多大？ (4)磁通量的变化率有什么特点？ 思考与讨论： 丁 • × B//S,磁通量最小，Φ=0 速度方向与磁场垂直 感应电动势最大，电流最大 磁场的变化率最大 平行面 二、交变电流的产生 4.中性面的特点 （1）中性面：垂直于磁场方向的平面B⊥S （2）磁通量最大，Φ=Φmax=BS （3）速度方向与磁场平行，不切割磁感线，（ΔΦ=0），E=0，I=0 （4）每当线圈经过中性面一次，感应电流方向就改变一次 甲 丙 （1）与中性面垂直的面,B//S，磁通量最小，Φ=0 （3）速度方向与磁场垂直，感应电动势最大，电流最大 （2）磁通量的变化率最大 5.与中性面垂直的面（平行面）的特点 乙 丁 二、交变电流的产生 最大 最大 最大 最大 最大 最大 总结回顾 二、交变电流的产生 6.画一画感应电流的大致随时间变化的图像 i t O 甲 甲 乙 丙 丁 乙 规定一个正方向，画出线圈在甲乙丙丁四个不同位置时对应电流的大小，大致画出电流的变化图像，看看图像的形状，猜测一下可能是什么的函数图像？ 二、交变电流的产生 交变电流的变化情况(从中性面开始计时) 甲 乙 丙 丁 戊（甲） i o t 重要结论：线圈每经过中性面一次，交流电方向改变一次， 中性面 中性面 中性面 线圈转动一圈，电流方向变化两次 二、交变电流的产生 例2：一只矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动。穿过线圈的磁通量随时间变化的图像如甲图所示，则以下说法中正确的是（　　） A．t=0时刻，线圈平面与中性面垂直 B．t=0.01 s时刻，Φ的变化率最大 C．t=0.02 s时刻，交变电流的电动势达到最大 D．该线圈产生的交变电流的电动势随时间变化 的图像如图乙 B 三、交变电流的变化规律 第1节 交变电流 三、交变电流的变化规律 矩形线圈AB、CD宽L1，AD、BC长L2 ，磁感应强度是B，设线圈平面从中性面开始转动，角速度是ω．经过时间t，求此时的感应电动势. B v A(B) D(C) t=0 θ v11 v⊥ 中性面 θ 线圈与中性面的夹角是多少？ AB边的速度多大？ AB边切割磁感线的有效速度多大？ AB边中的感应电动势多大？ 整个线圈中的感应电动势多大？ ⑥ 若为N匝线圈，则感应电动势多大？ B A D C 三、交变电流的变化规律 （1）电动势 e 随时间变化的规律： （2）负载两端的电压 u 随时间变化的规律： （3）电流 i 随时间变化的规律： 当sin𝝎t=1时，e有最大值用Em表示，Em为电动势的最大值。Em＝NωBS 式中Em、Um 和 Im 分别是电压和电流的最大值，也叫峰值。 按正弦规律变化的交变电流叫作正弦式交变电流，简称正弦式电流 。 从中性面计时开始，e为电动势在时刻t的瞬时值。 1. 交变电流的变化规律 （纯电阻电路） （4）注意事项： 匝数 面积 三、交变电流的变化规律 Em = NBSω 若从中性面开始计时，则： t 时刻瞬时值 峰值（最大值） 从瞬时值可以看出： ★矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的转轴匀速转动时，所产生的交变电流按照正弦函数的规律变化，这种交变电流叫正弦式交变电流，简称正弦式电流。 三、交变电流的变化规律 2.交变电流的变化规律图像 从中性面开始计时 (1)瞬时电动势e随时间变化的规律： (2)负载电压u随时间变化的规律： (3)电流i随时间变化的规律： 思考：如果从平行面开始计时呢？ 三、交变电流的变化规律 若线圈从中性面的垂面（峰值面）开始计时，在t 时刻线圈中的感应电动势是多少？ B v A(B) D(C) 中性面 ωt t = 0 v‖ v⊥ ωt 另一种推导方式： 说明：物理学中，正弦交变电流与余弦交变电流(本质规律都相同)统称为正弦式交流电 负载两端电压变化规律： 流过负载的电流变化规律： 三、交变电流的变化规律 若从与中性面垂直的平面开始计时的情况下成立 (1)瞬时电动势e随时间变化的规律： (2)负载电压u随时间变化的规律： (3)电流i随时间变化的规律： i＝Imcos ωt e＝Emcosωt u＝Umcosωt 三、交变电流的变化规律 例3.交流发电机工作时电动势为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e′变为（ ） C 三、交变电流的变化规律 例4.(多选)如图所示，单匝矩形线圈abcd放在匀强磁场中，磁感应强度为B，ad＝bc＝l1，ab＝cd＝l2.从图示位置起该线圈以角速度ω绕不同转轴匀速转动，则( ) A.以OO′为转轴时，感应电动势e＝Bl1l2ωsin ωt B.以O1O1′为转轴时，感应电动势e＝Bl1l2ωsin ωt C.以OO′为转轴时，感应电动势e＝Bl1l2ωcos ωt D.以OO′为转轴跟以ab为转轴一样，感应电动势e＝Bl1l2ωcos ωt BC 三、交变电流的变化规律 1.交流发电机基本组成部分。 电枢：产生感应电动势的线圈； 磁体：产生磁场的磁体 2.交流发电机的种类 基本类型 特点 转子 定子 旋转电枢式 旋转磁极式 磁极转动，电枢不动 电枢转动，磁极不动 线圈 磁极 磁极 线圈 交流发电机 三、交变电流的变化规律 旋转电枢式的缺点： 旋转磁极式的优点： 电压高会火花放电、电枢无法做大 高电压、高功率输出 3.两种发电机的比较 四、课堂总结 第1节 交变电流 四、课堂总结 交变电流 交变电流与直流 交变电流：大小和方向随时间做周期性变化的电流。 直流：方向不随时间变化的电流。 交变电流的产生 交变电流的产生原因 线圈转动 一周 ，电流方向改变两次。 交变电流的变化规律 e=Emsinωt （Em=NωBS 最大值） i=Imsinωt u=Umsinωt 交流发电机:旋转电枢式发电机 与旋转磁极式发电机 交变电流 五、练习与应用 第1节 交变电流 五、练习与应用 1.(多选)下列各图中能产生交变电流的是(　　 ) CD 五、练习与应用 2. (多选)矩形线框绕垂直于匀强磁场且在线框平面内的轴匀速转动时产生了交变电流，下列说法正确的是(　　) A．当线框位于中性面时，线框中感应电动势最大 B．当穿过线框的磁通量为零时，线框中的感应电动势也为零 C．每当线框经过中性面时，感应电动势或感应电流方向就改变一次 D．线框经过中性面时，各边不切割磁感线 CD 五、练习与应用 3.(多选)如图甲所示，一个矩形线圈abcd在匀强磁场中绕垂直于磁场方向且与线圈共面的轴OO′匀速转动，从某个时刻开始计时，穿过线圈的磁通量Φ随时间t的变化如图乙所示，则下列说法中正确的是( ) A.t＝0时刻线圈处于中性面位置 B.t1、t3时刻线圈中的感应电流最大且 方向相同 C.t2、t4时刻穿过矩形线圈的磁通量最 大，但感应电流却为零 D.t5时刻穿过线圈的磁通量为零，磁通量的变化率也为零 AC 五、练习与应用 4.(多选)关于交流发电机以下说法正确的是（ ） A.常见的交流发电机有两种，一种是旋转电枢式一种是旋转磁极式，其中旋转磁极是交流发电机的输出电压一般超过500V。 B.蒸汽轮机、水轮机等将机械能传递给发电机，发电机将机械能转化为电能，输送给外电路的装置。 C.电枢在不同的发电机机中都称为“定子”磁极则被称为“转子”。 D.我国三峡水电站的发电机为“旋转电枢”式发电机。 AB Lavf58.29.100 Lavf58.29.100 Lavf58.29.100 Lavf58.29.100 Um=eq \f(REm,R＋r) Im=eq \f(Em,R＋r) $