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(共37張PPT)
第二節(jié) 交變電流的產(chǎn)生
教學(xué)課件
Teaching Courseware
20XX.XX.XX
第三章 交變電流與遠(yuǎn)距離運(yùn)輸
高中物理魯科版（2019）選擇性必修第二冊(cè)
PART.1
PART.2
PART.3
PART.4
素養(yǎng)目標(biāo)
新課講解
新課導(dǎo)入
經(jīng)典例題
目錄
CONTENTS
PART.2
PART.4
課堂練習(xí)
課堂小結(jié)
素養(yǎng)目標(biāo)
1.[物理觀念]認(rèn)識(shí)交流發(fā)電機(jī)，了解交流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)。
2.[科學(xué)思維|理解交變電流的產(chǎn)生原理，知道中性面的概念。
3.[科學(xué)思維]掌握交變電流的變化規(guī)律，能用數(shù)學(xué)表達(dá)式和圖像描述正弦交變電流的變化規(guī)律
4.[科學(xué)思維]理解交變電流的瞬時(shí)值和最大值，能正確表示出正弦交變電流的瞬時(shí)值、峰值。
新課導(dǎo)入
什么是交變電流？
方向隨時(shí)間變化的電流。
交變電流的大小和方向都隨時(shí)間發(fā)生變化。它究竟是怎樣產(chǎn)生的呢？
根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，只要通過閉合導(dǎo)體的磁通量發(fā)生變化，就可以產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流。
發(fā)電機(jī)就是利用這種方式制成的
新課講解
New lesson explanation
新課講解
一、交流發(fā)電機(jī)
磁極
磁極
電樞（線圈）
有的使用永久磁鐵
有的使用電磁鐵
線圈端頭的滑環(huán)
電刷
發(fā)電機(jī)根據(jù)旋轉(zhuǎn)主體不同可分為：
1、旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)
2、旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)
發(fā)電機(jī)中轉(zhuǎn)的稱為轉(zhuǎn)子，不轉(zhuǎn)的稱為定子
新課講解
實(shí)驗(yàn)：用發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交變電流
能產(chǎn)生大小和方向隨時(shí)間做周期性變化電流的發(fā)電機(jī)，稱為交流發(fā)電機(jī)。
線圈在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電流計(jì)指針來回偏轉(zhuǎn)。
線圈在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電流的大小和方向都隨時(shí)間做周期性變化，線圈每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，電流方向改變兩次。產(chǎn)生的電流是交變電流。
新課講解
如圖所示兩磁極間產(chǎn)生的磁場可近似為勻強(qiáng)磁場，轉(zhuǎn)軸與磁場方向垂直。線圈繞中心軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈的BC、DA邊始終在平行于磁感線的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，只起導(dǎo)線作用。AB、DC邊切割磁感線時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，相當(dāng)于電源。
交流發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造
1.交變發(fā)電機(jī)
新課講解
線圈平面 磁感線，AB、CD邊的速度方向與磁感線 ，線圈 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)； 線圈逆時(shí)針轉(zhuǎn)過90°，線圈平面與磁感線 ，AB、CD邊都垂直切割磁感線，這時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) ，線圈中的感應(yīng)電流也 ，感應(yīng)電流方向?yàn)? ；
平行
不產(chǎn)生
垂直于
平行
最大
最大
D→C→B→A
2.交變電流的產(chǎn)生過程分析
A
B
D
新課講解
當(dāng)線圈再逆時(shí)針轉(zhuǎn)過90°時(shí)線圈平面又 于磁感線，線圈 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)； 當(dāng)線圈再逆時(shí)針轉(zhuǎn)過90°時(shí)，AB、CD邊的瞬時(shí)速度方向跟線圈經(jīng)過乙圖位置時(shí)的速度方向相反，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向也跟在乙圖位置時(shí)相反，感應(yīng)電流方向?yàn)? 。
垂直
不產(chǎn)生
A→B→C→D
A
B
D
C
D
C
A
新課講解
二、正弦式交變電流的產(chǎn)生原理
交流發(fā)電機(jī)是如何產(chǎn)生大小和方向都隨時(shí)間做周期性變化的電流的？
新課講解
(1)中性面位置(S⊥B，如圖)
線圈平面與磁場垂直的位置，此時(shí)Φ最大， 為0，e為0，i為0(均選填“最大”或“0”)；
線圈經(jīng)過中性面時(shí)，電流方向發(fā)生改變，線圈轉(zhuǎn)一圈電流方向改變兩次。
沒有邊切割磁感應(yīng)線
B⊥S， Φ最大，E=0 , I=0
特點(diǎn):
新課講解
(2)垂直中性面位置(S∥B，如圖)
線圈平面與磁場平行的位置，此時(shí)Φ為0， 最大，e最大，i最大(均選填“最大”或“0”)。
線圈經(jīng)過垂直中性面位置時(shí)，電流方向不發(fā)生改變。
感應(yīng)電流方向：d → c → b → a
ab、dc邊垂直切割磁感應(yīng)線
特點(diǎn):
B//S，Φ=0，E 最大，I 最大
新課講解
沒有邊切割磁感應(yīng)線
特點(diǎn):
B⊥S， Φ 最大，E=0 , I=0 （中性面）
新課講解
感應(yīng)電流方向：a → b → c → d
特點(diǎn):
ab、dc邊垂直切割磁感應(yīng)線
B//S，Φ=0，E 最大，I 最大
新課講解
當(dāng)線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)過 90°時(shí)，就回到圖 （a）所示的位置，交變電流完成了一次周期性變化。接下來，線圈將重復(fù)上述轉(zhuǎn)動(dòng)過程，線圈中的電流也將重復(fù)上述變化過程。 在線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流的大小和方向隨時(shí)間呈周期性變化。
線圈處于中性面
特點(diǎn)
線圈垂直中性面
每次經(jīng)過中性面電流方向發(fā)生改變，線圈轉(zhuǎn)一周，兩次經(jīng)過中性面，電流的方向改變兩次。
新課講解
三、正弦式交變電流的變化規(guī)律
如圖所示，線圈平面繞bc邊的中點(diǎn)從中性面開始轉(zhuǎn)動(dòng)，角速度為ω。經(jīng)過時(shí)間t，線圈轉(zhuǎn)過的角度是ωt，ab邊的線速度v的方向跟磁感線方向間的夾角也等于ωt。設(shè)ab邊長為L1，bc邊長為L2，線圈面積S＝L1L2，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，則：
(1)ab邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為多大？
新課講解
(2)整個(gè)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為多大？
整個(gè)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)由ab和cd兩邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)組成，且eab＝ecd，所以e總＝eab＋ecd＝BSωsin ωt。
(3)若線圈有N匝，則整個(gè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為多大？
若線圈有N匝，則相當(dāng)于N個(gè)完全相同的電源串聯(lián)，
所以e＝NBSωsin ωt。
新課講解
1.正弦式交變電流：矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中繞 的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生按 規(guī)律變化的電流，叫作正弦式交變電流，簡稱正弦式電流。
2.從中性面開始計(jì)時(shí)，線圈中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式e＝ ，其中
Em＝ 為交變電流的峰值。
垂直于磁場方向
正弦
Emsin ωt
NBSω
說明：(1)若從與中性面垂直的位置開始計(jì)時(shí)e＝Emcos ωt。
(2)電動(dòng)勢(shì)峰值Em＝NωBS由線圈匝數(shù)N、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω和線圈面積S決定，與線圈的形狀無關(guān)，與轉(zhuǎn)軸的位置無關(guān)。
如圖所示的幾種情況中，如果N、B、ω、S均相同，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的峰值均相同。
新課講解
3.正弦式交變電流和電壓
4.正弦式交變電流的圖像。(從中性面開始計(jì)時(shí))
新課講解
交變電流的變化規(guī)律
正弦 余弦
條件 經(jīng)中性面時(shí)開始計(jì)時(shí) 垂直中性面時(shí)開始計(jì)時(shí)
電動(dòng)勢(shì) e=Emsinωt e=Emcosωt
電流 i=Imsinωt i=Imcosωt
電壓 u=Umsinωt u=Umcosωt
新課講解
在電子技術(shù)中也常遇到其他形式的交流，如圖乙、丙所示。
甲
家庭電路中的
正強(qiáng)式電流
丙
電子電路中的矩形脈沖
乙
示波器中的
鋸齒形掃描電壓
新課講解
如果我們從線圈平面轉(zhuǎn)到與中性面成某一夾角φ0的位置開始計(jì)時(shí)，那么經(jīng)過時(shí)間t之后，線圈平面跟中性面之間的夾角就是ωt+ φ0.(圖3-10),這時(shí)交變電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值為e=Emsin(ωt+ φ0),它的大小和方向都隨時(shí)間不斷變化。在Em一定時(shí)，瞬時(shí)值不完全由時(shí)間t決定，而是由ωt+ φ0決定，ωt+ φ0稱為交變電流的相位或相。t=0時(shí)的相φ0稱為初相。相位不僅可反映交變電流任何時(shí)刻的狀態(tài)，還可用來比較不同交變電流的變化步調(diào)。
交變電流的相位
起始位置
t時(shí)刻位置
中性面
初相
相位
經(jīng)典例題
Classic Example
新課講解
(1)只要線圈在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)，就可以產(chǎn)生交變電流。(　　)
(2)線圈在通過中性面時(shí)磁通量最大，電流也最大。(　　)
(3)線圈在垂直中性面位置時(shí)電流的方向發(fā)生改變。(　　)
(4)從線圈平面與中性面垂直開始計(jì)時(shí)，在線圈轉(zhuǎn)動(dòng)2圈的過程中電流方向改變4次。(　　)
×
×
×
√
經(jīng)典例題
例2.(多選)如圖所示為交流發(fā)電機(jī)的示意圖，電阻與電流表串聯(lián)后接在電刷E、F間，線圈ABCD繞垂直于磁場方向的轉(zhuǎn)軸OO′逆時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，下列說法正確的是
A.線圈經(jīng)過圖示位置時(shí)線圈磁通量的變化率為零
B.線圈經(jīng)過圖示位置時(shí)電流方向沿DCBA
C.線圈經(jīng)過圖示位置時(shí)電流最大
D.線圈每經(jīng)過圖示位置，電流方向就會(huì)發(fā)生改變
經(jīng)典例題
例3：線框在勻強(qiáng)磁場中繞OO′軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)(由上向下看是逆時(shí)針方向)，當(dāng)轉(zhuǎn)到如圖所示位置時(shí)，磁通量和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的變化情況是(　　)
A．磁通量和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)都在變大
B．磁通量和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)都在變小
C．磁通量在變小，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在變大
D．磁通量在變大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在變小
解析：由題圖可知,Φ＝Φmcos θ，e＝Emsin θ，所以磁通量變大,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變小
D
經(jīng)典例題
例3：一只矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中繞垂直于磁感線的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，穿過線圈的磁通量隨時(shí)間變化的圖像如圖甲所示，則下列說法中正確的是(　　)
A．t＝0時(shí)刻，線圈平面與中性面垂直
B．t＝0.01 s時(shí)刻，Φ的變化率最大
C．t＝0.02 s時(shí)刻，交變電動(dòng)勢(shì)達(dá)到最大
D．該線圈產(chǎn)生的相應(yīng)交變電動(dòng)勢(shì)的圖像如圖乙所示
解析：t=0時(shí)刻，磁通量最大，線圈處于中性面位置，A錯(cuò)誤；
t=0.01s時(shí)刻，磁通量為零，斜率最大， Φ變化率最大，B正確；
t=0.02s時(shí)刻，處于中性面位置，磁通量最大，變化率為零，電動(dòng)勢(shì)為零，C錯(cuò)誤；
B
該線圈產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)應(yīng)該是正弦函數(shù)，D錯(cuò)誤
課堂練習(xí)
Classroom Practice
課堂練習(xí)
1.如圖所示的線圈勻速轉(zhuǎn)動(dòng)或做勻速直線運(yùn)動(dòng)，能產(chǎn)生交變電流的是
√
課堂練習(xí)
2．如圖所示，一單匝閉合線圈在勻強(qiáng)磁場中繞垂直于磁場方向的轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中線框中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值為e＝0.5sin(20t) V，由該表達(dá)式可推知以下哪些物理量(　　)
A．勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度
B．線框的面積
C．穿過線框的磁通量的最大值
D．線框轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度
解析：由 e＝BSωsin ωt，可得 ω＝20 rad/s
由 BSω＝0.5 可求出 BS 數(shù)值，即磁通量的最大值 Φm＝BS
CD
課堂練習(xí)
3．線圈在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生交流電的圖像如圖所示，由圖可知(　　)
A．在A和C時(shí)刻線圈處于中性面位置
B．在B和D時(shí)刻穿過線圈的磁通量為零
C．在A時(shí)刻到D時(shí)刻線圈轉(zhuǎn)過的角度為π弧度
D．在A和C時(shí)刻磁通量變化率絕對(duì)值最大
中性面時(shí)
磁通量最大
感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零
感應(yīng)電流為零
與磁感線平行時(shí)
磁通量為零
磁通量的變化率最大
感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大
感應(yīng)電流最大
D
課堂練習(xí)
4.(多選)一矩形線圈繞垂直于勻強(qiáng)磁場并位于線圈平面內(nèi)的固定軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e隨時(shí)間t變化的規(guī)律如圖所示，則下列說法正確的是
A.圖中曲線是從線圈平面與磁場方向平行時(shí)
開始計(jì)時(shí)的
B.t1和t3時(shí)刻穿過線圈的磁通量為零
C.t1和t3時(shí)刻穿過線圈的磁通量的變化率為零
D.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的方向變化時(shí)，穿過線圈的磁通量最大
√
√
√
課堂練習(xí)
5.(多選)在勻強(qiáng)磁場中，一閉合矩形金屬線圈繞與磁感線垂直的固定軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，穿過該線圈的磁通量隨時(shí)間按如圖所示正弦規(guī)律變化，則（ ）
A.t＝0時(shí)，線圈平面與磁場方向平行，線圈中的
感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零
B.t＝1 s時(shí)，線圈平面與磁場方向平行，線圈中的電流改變方向
C.t＝1.5 s時(shí)，線圈平面與磁場方向垂直，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零
D.t＝2 s時(shí)，線圈平面與磁場方向平行，線圈中的磁通量的變化率最大
√
√
課堂小結(jié)
Class Summary
課堂小結(jié)
一、交流發(fā)電機(jī)
三、正弦式交變電流的變化規(guī)律
二、正弦式交變電流的產(chǎn)生原理
發(fā)電機(jī)中轉(zhuǎn)的稱為轉(zhuǎn)子，不轉(zhuǎn)的稱為定子
線圈處于中性面
線圈垂直中性面
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