3.1 交變電流 課件-高二下學期物理人教版（2019）選擇性必修第二冊

第3章

交變電流

用示波器或電壓傳感器先觀察電池供給的電壓的波形，再觀察學生電源交流擋供給的電壓的波形。這兩種波形各有什么特點？新課導入第1節(jié)交變電流tI0tI0①交流電（AC）：大小和方向都隨時間做周期性變化②直流電（DC）：方向不隨時間變化。大小不變變化（恒定電流）交變電流的概念學習任務一交變電流的概念學習任務一幾種常見的交變電流的種類學習任務一學習任務一交變電流的概念[物理觀念]下列6個圖，哪些是描述交變電流的?判斷依據是什么?C、E、F是交變電流,判斷依據是大小和方向隨時間周期性變化。

探究F方向呈周期性變化是判斷交流的標準。交變電流和直流、恒定電流的區(qū)分:電流方向發(fā)生變化的是交流電,電流方向始終不變的是直流電,電流大小和方向都不變的是恒定電流,恒定電流也屬于直流電.學習任務一觀察交變電流的方向

把兩個發(fā)光顏色不同的發(fā)光二極管"并聯，注意使兩者正、負極的方向不同，然后連接到教學用發(fā)電機的兩端。轉動手柄，兩個磁極之間的線圈隨著轉動。觀察發(fā)光二極管的發(fā)光情況?，F象：說明：發(fā)電機產生的交流電電流方向在不斷變化。兩個二極管會交替發(fā)光演示1、交流發(fā)電機的基本構造EF定子：不動的部分叫定子--磁極(產生勻強磁場)轉子：轉動的部分叫轉子--電樞(產生感應電動勢的線圈)作用：將機械能轉化為電能轉子定子abcd——線圈（切割磁感線）K、L——圓環(huán)E、F——電刷｝使線圈在轉動時保持與外電路的連接學習任務二交變電流的產生學習任務二[物理建模]I=0,中性面I方向：dcbaI=0,中性面I方向：abcd思考：1、線圈轉動一周，電流方向改變多少次？2、線圈轉到什么位置時磁通最大？這時感應電動勢最大還是最小？3、線圈轉到什么位置時磁通最??？這時感應電動勢最大還是最??？2次中性面時磁通量最大，感應電動勢最小與中性面垂直時磁通量最小，感應電動勢最大DCBADACB學習任務二對比分析D(C)A(B)BB⊥SΦ最大E=0I=0B∥SΦ=0E、I最大感應電流方向C到DV//BV⊥BD(C)A(B)B每經過中性面一次，電流方向就改變一次。學習任務二交變電流的產生學習任務二[物理建模][科學推理]分析教材中交流發(fā)電機的示意圖(如圖所示),回答下列問題:(1)請分析線圈轉動一周的過程中,線圈中的電流方向的變化情況.

學習任務二交變電流的產生學習任務二[答案]①從甲到乙過程,電流方向為D→C→B→A→D;②從乙到丙過程,電流方向為D→C→B→A→D;③從丙到丁過程,電流方向為A→B→C→D→A;④從丁到甲過程,電流方向為A→B→C→D→A.(2)線圈轉動過程中,當產生的感應電動勢最大和最小時,線圈分別在什么位置?學習任務二[答案]線圈轉到乙、丁瞬間,AB邊與CD邊都垂直切割磁感線,產生的感應電動勢最大;轉到甲、丙瞬間,AB邊與CD邊都不切割磁感線,產生的感應電動勢最小.例2

如圖所示為交流發(fā)電機示意圖,線圈的AB邊連在金屬滑環(huán)K上,CD邊連在滑環(huán)L上,兩個電刷E、F分別壓在兩個滑環(huán)上,線圈在轉動時可以通過滑環(huán)和電刷保持與外電路的連接.下列說法正確的是(

)

A.當線圈平面轉到中性面的瞬間,穿過線圈的磁通量最小B.當線圈平面轉到跟中性面垂直的瞬間,穿過線圈的磁通量最小C.當線圈平面轉到中性面的瞬間,線圈中的感應電流最大D.當線圈平面轉到跟中性面垂直的瞬間,線圈中的感應電流最小學習任務二B[解析]

當線圈平面轉到中性面的瞬間,線圈平面與磁場垂直,穿過線圈的磁通量最大,但磁通量的變化率最小,為零,故感應電流為零,A、C錯誤;當線圈平面轉到跟中性面垂直的瞬間,線圈平面與磁場平行,穿過線圈的磁通量最小,為零,但磁通量的變化率最大,故感應電流最大,B正確,D錯誤.學習任務二[科學推理]如圖所示,線圈平面從中性面開始繞垂直于勻強磁場的中心軸勻速轉動,角速度為ω.經過時間t,線圈轉過的角度是ωt,ab邊的線速度v的方向跟磁感線方向的夾角也等于ωt.設ab邊長為L1,bc邊長為L2,線圈面積S=L1L2,磁感應強度為B,則:

(1)ab邊產生的感應電動勢為多大?學習任務三交變電流的變化規(guī)律學習任務三

[科學推理][科學推理]如圖所示,線圈平面從中性面開始繞垂直于勻強磁場的中心軸勻速轉動,角速度為ω.經過時間t,線圈轉過的角度是ωt,ab邊的線速度v的方向跟磁感線方向的夾角也等于ωt.設ab邊長為L1,bc邊長為L2,線圈面積S=L1L2,磁感應強度為B,則:

(2)整個線圈中的感應電動勢為多大?學習任務三

[答案]整個線圈中的感應電動勢由ab和cd兩部分切割磁感線產生的感應電動勢組成,且eab=ecd,所以e=eab+ecd=BSωsinωt.[科學推理]如圖所示,線圈平面從中性面開始繞垂直于勻強磁場的中心軸勻速轉動,角速度為ω.經過時間t,線圈轉過的角度是ωt,ab邊的線速度v的方向跟磁感線方向的夾角也等于ωt.設ab邊長為L1,bc邊長為L2,線圈面積S=L1L2,磁感應強度為B,則:(3)若線圈有N匝,則整個線圈的感應電動勢為多大?

學習任務三

[答案]若線圈有N匝,則相當于N個完全相同的電源串聯,所以e總=NBSωsinωt.以線圈經過中性面開始計時（AB和CD邊切割磁感線），在時刻t線圈中的感應電動勢e

:為電動勢在時刻t的瞬時值Em:為電動勢可能達到的最大值——峰值令Em=NBSω

則e=Em

sinωt

若為N匝線圈e=BSωsinωte=NBSωsinωteoEmT/42T/43T/4Tπ/2π3π/22πωtt-Em匝數面積學習任務三交變電流的變化規(guī)律學習任務三[科學推理]

Em=NBSω

若從中性面開始計時，則：t

時刻瞬時值峰值（最大值）從瞬時值可以看出：矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場的轉軸勻速轉動時，所產生的交變電流按照正弦函數的規(guī)律變化，這種交變電流叫正弦式交變電流，簡稱正弦式電流。學習任務三交變電流的變化規(guī)律學習任務三[物理建模]學習任務三交變電流的變化規(guī)律學習任務三[物理建模]若線圈從平行面（峰值面）開始計時，在t時刻線圈中的感應電動勢是多少？BvA(B)D(C)中性面ωtt=0

v‖v⊥ωt另一種推導方式：說明：物理學中，正弦交變電流與余弦交變電流(本質規(guī)律都相同)統(tǒng)稱為正弦式交流電負載兩端電壓變化規(guī)律：流過負載的電流變化規(guī)律：例3

有一個10匝正方形線框,邊長為20cm,線框總電阻為1Ω,如圖所示,垂直于線框平面向里的勻強磁場的磁感應強度為0.5T,OO'軸垂直于磁場方向,線框繞OO'軸以10πrad/s的角速度勻速轉動.(1)該線框產生的交變電流的電動勢最大值、電流最大值分別是多少?學習任務三[答案]

6.28

V

6.28

A

例3

有一個10匝正方形線框,邊長為20cm,線框總電阻為1Ω,如圖所示,垂直于線框平面向里的勻強磁場的磁感應強度為0.5T,OO'軸垂直于磁場方向,線框繞OO'軸以10πrad/s的角速度勻速轉動.(2)線框從圖示位置轉過60°角時,感應電動勢的瞬時值是多大?學習任務三[答案]

5.44

V[解析]線框轉過60°角時,感應電動勢e=Emsin60°≈5.44V.例3

有一個10匝正方形線框,邊長為20cm,線框總電阻為1Ω,如圖所示,垂直于線框平面向里的勻強磁場的磁感應強度為0.5T,OO'軸垂直于磁場方向,線框繞OO'軸以10πrad/s的角速度勻速轉動.(3)寫出感應電動勢隨時間變化的表達式(從圖示位置開始計時).學習任務三[答案]

e=6.28sin10πt(V)

[解析]

由于線框轉動是從中性面位置開始計時的,故感應電動勢的瞬時值表達式為e=Emsinωt=6.28sin10πt(V).

學習任務三(2)電動勢最大值(峰值)①表達式:Em=NBSω.②由線圈匝數N、磁感應強度B、轉動角速度ω和線圈面積S決定,與線圈的形狀無關,與轉軸的位置無關.如圖所示的幾種情況,若N、B、S、ω相同,則電動勢的最大值相同.學習任務三[科學思維]正弦式交變電流隨時間的變化情況可以用圖像表示,它是一條正弦(或余弦)曲線,如圖所示.從圖像中可以獲得以下信息:(1)交變電流的最大值Im、Em、Um.(2)根據線圈在中性面時感應電動勢、感應電流均為零,磁通量最大可確定線圈位于中性面的時刻.(3)可找出線圈平行于磁感線的時刻.(4)判斷線圈中磁通量的變化情況.(5)分析判斷i、e、u隨時間的變化規(guī)律.學習任務四交變電流的圖像學習任務四

[物理觀念]正弦式電流是最簡單、最基本的交變電流。電力系統(tǒng)中應用的大多是正弦式電流。在電子技術中也常遇到其他形式的交流，如圖乙、丙所示。學習任務四交變電流的圖像學習任務四例4

某交流發(fā)電機的線圈在勻強磁場中勻速轉動時,產生正弦式交變電流,磁通量Φ隨時間t變化的關系如圖所示,則下列說法正確的是(

)A.t=0時刻,線圈平面與中性面平行B.t=0.005s時刻,線圈中的感應電動勢達到最大值C.t=0.015s時刻,線圈中的感應電流最大D.t=0.01s時刻,圖像的切線斜率的絕對值為40πWb/s學習任務四D

學習任務四交變電流的變化規(guī)律和正弦式交流電的圖像學習任務四物理量函數表達式圖像磁通量Φ=Φmcosωt=BScosωt電動勢e=Emsinωt=nBSωsinωt續(xù)表學習任務四物理量函數表達式圖像電壓u=Umsinωt=sinωt電流i=Imsinωt=sinωt一、發(fā)電機的基本組成：①用來產生感應電動勢的線圈（叫電樞）②用來產生磁場的磁極二、發(fā)電機的基本種類①旋轉電樞式發(fā)電機（電樞動磁極不動）②旋轉磁極式發(fā)電機（磁極動電樞不動）無論哪種發(fā)電機，轉動的部分叫轉子，不動的部分叫定子[物理觀念]學習任務五交流發(fā)電機學習任務五旋轉電樞式的缺點：旋轉磁極式的優(yōu)點：電壓高會火花放電、電樞無法做大高電壓、高功率輸出[物理觀念]學習任務五交流發(fā)電機學習任務四三峽電站一臺正在吊裝的發(fā)電機轉子課堂小結交變電流交變電流交變電流的變化規(guī)律交變電流直流交變電流的產生過程分析感應電動勢的表達式兩個