高中物理 交變電流課件 新人教版選修1-11

一 、 交 變 電 流 穿 過 閉 合 電 路 的 磁 通 量 發(fā) 生 變 化 時(shí) ， 產(chǎn)生 感 應(yīng) 電 流 ， 而 磁 通 量 變 化 的 方 式 不 同 ， 產(chǎn)生 的 感 應(yīng) 電 流 也 不 同 ， 感 應(yīng) 電 流 可 以 是 恒 定的 ， 可 以 是 變 化 的 ， 可 以 是 周 期 性 變 化 的 ，本 節(jié) 我 們 將 研 究 一 種 十 分 重 要 的 周 期 性 變 化的 電 流 正 弦 式 交 變 電 流 直 流 電 :電 流 方 向 不 隨 時(shí) 間 而 改 變 一 、 交 變 電 流 的 產(chǎn) 生按 下 圖 所 示 進(jìn) 行 實(shí) 驗(yàn) 演 示 實(shí) 驗(yàn) 現(xiàn) 象 ： 緩 慢 轉(zhuǎn) 動(dòng) 線 圈 時(shí) ， 電 流 計(jì) 指 針 在 左 右搖 動(dòng) ， 線 圈 每 轉(zhuǎn) 一 周 ， 指 針 左 右 擺 動(dòng) 一 次 1 交 變 電 流 ： 大 小 和 方 向 都 隨 時(shí) 間 作 周 期 變 化的 電 流 ， 叫 做 交 變 電 流 ， 簡(jiǎn) 稱 交 流 2 閉 合 的 線 圈 在 勻 強(qiáng) 磁 場(chǎng) 中 繞 垂 直 于 磁 場(chǎng) 的 軸勻 速 轉(zhuǎn) 動(dòng) 時(shí) ， 產(chǎn) 生 交 流 ， 但 這 不 是 產(chǎn) 生 交 流 的惟 一 方 式 設(shè) 正 方 形 線 圈 的 邊 長(zhǎng) 為 L， 在 勻 強(qiáng) 磁 場(chǎng) B中 繞 垂直 于 磁 場(chǎng) 的 對(duì) 稱 軸 以 角 速 度 勻 速 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 如 圖 所示 ， ab和 cd邊 垂 直 于 紙 面 ， 轉(zhuǎn) 軸 為 O1、 線 圈 轉(zhuǎn) 動(dòng) 一 周 ， 電 流 方 向 改 變 多 少 次 ？2、 線 圈 轉(zhuǎn) 到 什 么 位 置 時(shí) 磁 通 量 最 大 ？ 這 時(shí)感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) 是 最 大 還 是 最 小 ？3、 線 圈 轉(zhuǎn) 到 什 么 位 置 時(shí) 磁 通 量 最 小 ？ 這 時(shí)感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) 是 最 大 還 是 最 小 ？看 動(dòng) 畫 回 答 問 題 ： 為 了 能 更 方 便 地 說 明 問 題 ， 我 們 將 立 體 圖 轉(zhuǎn) 化為 平 面 圖 來 分 析 . B S， 最 大 ， 各 邊 不 切 割 磁 感 應(yīng) 線 ， 無 感 應(yīng) 電 流 中 性 面(甲 ) B S， 最 大 ， 各 邊 不 切 割 磁 感 應(yīng) 線 ， 無 感 應(yīng) 電 流 中 性 面E=0 , I=0， 有 最 大 值 B S， =0，a（ b） d（ c） 垂 直 切 割 ， 感 應(yīng) 電 流 最 大B S， =0，a（ b） d（ c） 垂 直 切 割 ， E最 大 ,感 應(yīng) 電 流 最 大 ,電 流方 向 a b(乙 ) B S， 最 大 ， 各 邊 不 切 割 磁 感 應(yīng) 線 ， 無 感 應(yīng) 電 流 中 性 面B S， 最 大 ， 各 邊 不 切 割 磁 感 應(yīng) 線 ， 無 感 應(yīng) 電 流 中 性 面 (丙 )E=0 , I=0， 有 最 大 值 B S， =0， 垂 直 切 割 ， 感 應(yīng) 電 流 最 大B S， =0， 垂 直 切 割 ， E最 大 ,感 應(yīng) 電 流 最 大 ,電 流方 向 ba 特 點(diǎn) ： a. 磁 通 量 為 0 b. E最 大 ， 磁 通 量 的 變 化 率 /t最 大 返 回（ 1） （ 甲 ） （ 丙 ） 中 性 面 （ 線 圈 與 磁 感 線 垂 直 的 平 面 ）（ 2） （ 乙 ） （ 丁 ） 最 大 值 面 （ 線 圈 垂 直 中 性 面 ）a. 磁 通 量 最 大b. E 0， 磁 通 量 的 變 化 率 /t為 零c. 當(dāng) 線 圈 轉(zhuǎn) 至 中 性 面 時(shí) ， 電 流 方 向 發(fā) 生 改 變d. 線 圈 轉(zhuǎn) 動(dòng) 一 周 電 流 方 向 改 變 兩 次 以 線 圈 經(jīng) 過 中 性 面 開 始 計(jì) 時(shí) ， 在 時(shí) 刻 t線 圈 中的 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) （ ab和 cd邊 切 割 磁 感 線 ）tBLve sin221v tLBe sin2所 以 2LBEm 令 則 有 tEe m sine為 電 動(dòng) 勢(shì) 在 時(shí) 刻 t的 瞬 時(shí) 值 ，Em為 電 動(dòng) 勢(shì) 的 最 大 值 =B S 二 、 交 變 電 流 的 變 化 規(guī) 律Em NBS 設(shè) 線 圈 平 面 從 中 性 面 開始 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 角 速 度 是 經(jīng)過 時(shí) 間 t， 線 圈 轉(zhuǎn) 過 的 角度 是 t， cd邊 的 線 速 度 v的 方 向 跟 磁 感 線 方 向 間 的夾 角 也 等 于 t ab、 cd寬 L1， ad、 bc長(zhǎng) L2 ， 磁感 應(yīng) 強(qiáng) 度 是 B.cd邊 中 的 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) 就 是ab 邊 中 的 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) 跟 cd邊 中 的 大 小 相 同 ，而 且 兩 邊 又 是 串 聯(lián) 的所 以 ， 這 一 瞬 間 整 個(gè) 線 圈 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) t BL 1L2tL2BL1BL1V ecd sin21sin2 成 立 條 件 ： 轉(zhuǎn) 軸 垂 直 勻 強(qiáng) 磁 場(chǎng) ， 經(jīng) 中 性 面時(shí) 開 始 計(jì) 時(shí) （ 1） 電 動(dòng) 勢(shì) 按 正 弦 規(guī) 律 變 化 tEe m sin（ 2） 電 流 按 正 弦 規(guī) 律 變 化 tIi m sin（ 3） 電 路 上 的 電 壓 按 正 弦 規(guī) 律 變 化 tUu m sin 電 流 通 過 R時(shí) ： tIi m sin .RIUiRu mm ， 2、 交 變 電 流 的 變 化 規(guī) 律e=nBssint=Emsint(從 中 性 面 開 始 計(jì) 時(shí) )e=nBscost=Emcost(從 B S開 始 計(jì) 時(shí) )i=(nBs/R)sint=Imsint(從 中 性 面 開 始 計(jì) 時(shí) )i=(nBs/R)cost=Imcost(從 從 B S開 始 計(jì) 時(shí) )u=Umsint(從 中 性 面 開 始 計(jì) 時(shí) )u=Umcost(從 從 B S開 始 計(jì) 時(shí) )(1)感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) :(2)感 應(yīng) 電 流 :(3)外 電 路 電 阻 兩 端 的 電 壓 : 1.建 立 交 流 電 的 瞬 時(shí) 方 程 必 須 首 先 確 定 Em、 ，同 時(shí) 注 意 起 始 位 置 （ 是 從 中 性 面 開 始 是 正 弦 曲線 ， e=Emsint;從 垂 直 中 性 面 開 始 是 余 弦 曲 線 ，e=Emcost） .2.由 Em=N2BL1v=NBL1L2=NBS=Nm可知 ， 峰 值 Em與 線 圈 的 面 積 有 關(guān) 。 而 與 垂 直 于 磁場(chǎng) 方 向 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 軸 的 位 置 無 關(guān) ， 與 線 圈 的 形 狀 也無 關(guān) 。3.轉(zhuǎn) 速 對(duì) 交 變 電 流 的 影 響 ： 由 e=NBSsint可知 ， 當(dāng) 轉(zhuǎn) 速 增 大 時(shí) ， 角 速 度 也 增 大 ， 使 得 感 應(yīng)電 動(dòng) 勢(shì) 隨 之 增 大 ， 同 時(shí) 交 變 電 流 的 變 化 也 加 快 。 交 流 電 的 圖 像 a bcdKL AB a bcdK L ABa b cdkL AB a b cdkL ABa bcdkL AB 3、 交 變 電 流 的 種 類(1)正 弦 交 流 電(2)示 波 器 中 的 鋸 齒 波 掃 描 電 壓(3)電 子 計(jì) 算 機(jī) 中 的 矩 形 脈 沖(4)激 光 通 信 中 的 尖 脈 沖 完 整 地 看 交 流 電 產(chǎn) 生 交 流 發(fā) 電 機(jī) 發(fā) 電 機(jī) 的 基 本 組 成 ? 發(fā) 電 機(jī) 的 基 本 種 類 ? 交 流 發(fā) 電 機(jī) 簡(jiǎn) 介 （ 1） 發(fā) 電 機(jī) 的 基 本 組 成 ： 用 來 產(chǎn) 生 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) 的 線 圈 （ 叫 電 樞 ） 用 來 產(chǎn) 生 磁 場(chǎng) 的 磁 極 （ 2） 發(fā) 電 機(jī) 的 基 本 種 類 旋 轉(zhuǎn) 電 樞 式 發(fā) 電 機(jī) （ 電 樞 動(dòng) 磁 極 不 動(dòng) ） 旋 轉(zhuǎn) 磁 極 式 發(fā) 電 機(jī) （ 磁 極 動(dòng) 電 樞 不 動(dòng) ）無 論 哪 種 發(fā) 電 機(jī) ， 轉(zhuǎn) 動(dòng) 的 部 分 叫 轉(zhuǎn) 子 ， 不 動(dòng) 的 部 分 叫 定 子 總 結(jié) ： 1.交 變 電 流 ： 大 小 和 方 向 都 隨 時(shí) 間 作 周 期 性 變 化 的 電 流 。 2.交 變 電 流 的 變 化 規(guī) 律 ： 方 向 變 化 規(guī) 律 -線 圈 平 面 每 經(jīng) 過 中 性 面 一 次 ， 感 應(yīng) 電 流 的 方 向 就 改 變 一 次 ； 線 圈 轉(zhuǎn) 動(dòng) 一 周 ，感 應(yīng) 電 流 的 方 向 改 變 兩 次 。 大 小 變 化 規(guī) 律 -按 正 弦 規(guī) 律 變 化 ： e=E msint Em=NBS叫 電 動(dòng) 勢(shì) 的 最 大 值 i=Imsint Im=Em/R叫 電 流 的 最 大 值 u=Umsint Um=ImR叫 電 壓 的 最 大 值 1 在 如 圖 所 示 的 幾 種 電 流 隨 時(shí) 間 變 化 的 圖 線 中 ， 屬于 交 變 電 流 的 是 ， 屬 于 正 弦 交 變 電 流 的是 。 tiA B C DA B DA 2 一 矩 形 線 圈 繞 垂 直 于 勻 強(qiáng) 磁 場(chǎng) 并 位 于 線 圈 平 面 內(nèi)的 固 定 軸 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 線 圈 中 的 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) 隨 時(shí) 間 的 變 化規(guī) 律 如 圖 所 示 ， 下 面 說 法 中 正 確 的 是 ：A. t1時(shí) 刻 通 過 線 圈 的 磁 通 量 為 零 ；B. t2時(shí) 刻 通 過 線 圈 的 磁 通 量 的 絕 對(duì) 值 最 大 ；C. t3時(shí) 刻 通 過 線 圈 的 磁 通 量 變 化 率 的 絕 對(duì) 值 最 大 ；D. 每 當(dāng) e變 換 方 向 時(shí) ， 通 過 線 圈 的 磁 通 量 的 絕 對(duì) 值 都為 最 大 。 答 案 ： D 3. 交 流 發(fā) 電 機(jī) 工 作 時(shí) 的 電 動(dòng) 勢(shì) 的 變 化 規(guī) 律 為 e=EmSint， 如 果 轉(zhuǎn) 子 的 轉(zhuǎn) 速 n提 高 一 倍 ， 其 它 條 件 不變 ， 則 電 動(dòng) 勢(shì) 的 變 化 規(guī) 律 將 變 化 為 ：A。 e=EmSin2t B. e=2EmSin2t C. e=2EmSin4t D. e=2EmSint 答案 B 、 線 圈 從 中 性 面 開 始 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 角 速 度 是 ，線 圈 中 的 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) 的 峰 值 是 Em， 那 么 在任 一 時(shí) 刻 t 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) 的 瞬 時(shí) 值 e 為 若 線 圈 電 阻 為 ， 則 感 應(yīng) 電 流 的 瞬 時(shí)值 為 0Em -Em t 5.影 響 產(chǎn) 生 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) 大 小 的 因 素 可 能 是（ ）A.線 圈 的 面 積 B.線 圈 的 轉(zhuǎn) 速C.磁 場(chǎng) 強(qiáng) 弱 D.線 圈 電 阻ABC 6. 一 臺(tái) 發(fā) 電 機(jī) 產(chǎn) 生 的 按 正 弦 規(guī) 律 變 化 的 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) 的 最大 值 為 311V， 線 圈 在 磁 場(chǎng) 中 轉(zhuǎn) 動(dòng) 的 角 速 度 是 100 rad/s。 （ 1） 寫 出 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) 的 瞬 時(shí) 值 表 達(dá) 式 。 （ 2） 若 該 發(fā) 電 機(jī) 只 與 含 電 阻 的 負(fù) 載 組 成 閉 合 電 路 ， 電 路 的總 電 阻 為 100 ， 試 寫 出 通 過 負(fù) 載 的 電 流 強(qiáng) 度 的 瞬 時(shí) 表 達(dá) 式 、在 t=1/120s時(shí) 電 流 強(qiáng) 度 的 瞬 時(shí) 值 為 多 少 ？（ 3） 線 圈 從 中 性 面 轉(zhuǎn) 過 180度 的 過 程 中 ， 電 動(dòng) 勢(shì) 的 最 大 值 、 平 均 值 分 別 是 多 少 ？（ 4） 轉(zhuǎn) 動(dòng) 過 程 中 磁 通 量 的 變 化 率 最 大 值 是 多 少 ？答 案 （ 1） e=311Sin100 t(V) （ 2） I=3.11Sin（ 100 1/120） =3.11 1/2=1.55（ A）（ 3） E m=311V E=N / t=2NBS / 198V（ 4） / t=311/N（ Wb/s） 7、 手 搖 發(fā) 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 時(shí) ， 小 燈 泡 為 何 一 閃 一 閃 的 呢 ？ 分 析 ： （ 1） 燈 泡 發(fā) 光 需 要 一 定 的 電 壓 ， 只 有 大 于 該 值時(shí) ， 才 能 使 燈 泡 發(fā) 光 。（ 2） 如 圖 所 示 ， 當(dāng) T1tT2時(shí) 間內(nèi) ， 小 燈 泡 亮 了 ， 當(dāng) T2tT3時(shí) 間內(nèi) ， 小 燈 泡 變 暗 了 ， 在 T3tT4時(shí)間 內(nèi) 小 燈 泡 又 亮 了 。 8.放 置 在 水 平 面 上 彼 此 平 行 的 導(dǎo) 軌 與 電 阻 R相 連 ， 如 圖所 示 ， 勻 強(qiáng) 磁 場(chǎng) 的 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 為 B， 與 導(dǎo) 軌 平 面 垂直 一 根 長(zhǎng) 度 為 l (等 于 平 行 導(dǎo) 軌 間 距 )的 金 屬 棒 電 阻 為 r，放 置 在 導(dǎo) 軌 上 ， 當(dāng) 金 屬 棒 在 AA 和 BB 之 間 做 簡(jiǎn) 諧 運(yùn)動(dòng) 時(shí) ， 速 度 隨 時(shí) 間 的 變 化 規(guī) 律 是 v=v0cost 試 求 ： (1)通 過 電 阻 R的 電 流 和 它 兩 端 的 電 壓 (2)說 明 通 過 R的 電 流 在 什 么 時(shí) 刻 改 變 方 向 ?在 什 么時(shí) 刻 變 化 率 最 大 ? 思 路 分 析 ： 本 題 考 查 做 簡(jiǎn) 諧 運(yùn) 動(dòng) 的 物 體 切 割 磁 感 線產(chǎn) 生 的 交 流 電 既 然 是 切 割 磁 感 線 的 運(yùn) 動(dòng) ， 根 據(jù) E Blv即 可 求 得感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) ， 要 注 意 v應(yīng) 代 入 瞬 時(shí) 值 求 得 瞬 時(shí) 感 應(yīng) 電動(dòng) 勢(shì) 導(dǎo) 體 棒 速 度 為 零 時(shí) ， 瞬 時(shí) 電 動(dòng) 勢(shì) 為 零 ， 就 在 此時(shí) 改 變 速 度 方 向 ， 也 同 時(shí) 改 變 電 流 方 向 解 析 :(1)因 為 導(dǎo) 體 棒 做 簡(jiǎn) 諧 運(yùn) 動(dòng) ， 必 定 在 AA 和 BB中 間 的 OO 速 度 最 大 ， 此 時(shí) 刻 便 是 v=v0cost的 計(jì) 時(shí)起 點(diǎn) 導(dǎo) 體 棒 產(chǎn) 生 的 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) 0 cosBlv Ru iR tR r 0cose Blv Blv t 通 過 電 阻 R的 電 流 0 cosBlvei tR r R r R兩 端 的 電 壓 0 cosBlv Ru iR tR r (2)導(dǎo) 體 運(yùn) 動(dòng) 方 向 發(fā) 生 變 化 ， 即 導(dǎo) 體 棒 在 AA 、 BB 位置 時(shí) 電 流 的 方 向 發(fā) 生 變 化 ， 此 時(shí) 刻 導(dǎo) 體 棒 的 速 度 為 零 ，瞬 時(shí) 電 動(dòng) 勢(shì) 和 電 流 都 為 零 ， 電 流 的 變 化 率 等 最 大 拓 展 延 伸 ： 產(chǎn) 生 正 弦 交 流 電 不 一 定 是 矩 形 線 圈 在 勻 強(qiáng)磁 場(chǎng) 中 繞 垂 直 于 磁 場(chǎng) 方 向 的 軸 勻 速 轉(zhuǎn) 動(dòng) 才 能 產(chǎn) 生 本題 金 屬 棒 在 導(dǎo) 軌 上 作 簡(jiǎn) 諧 運(yùn) 動(dòng) 切 割 磁 感 線 ， 也 能 產(chǎn) 生正 弦 式 交 流 電 即 使 是 線 圈 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 也 不 一 定 是 矩 形 線圈 ， 也 不 一 定 繞 線 圈 的 對(duì) 稱 軸 只 要 是 繞 垂 直 于 磁 場(chǎng)方 向 的 軸 ， 無 論 什 么 形 狀 的 閉 合 線 圈 ， 產(chǎn) 生 的 感 應(yīng) 電流 仍 是 正 弦 式 交 流 電