通用版2018-2019版高中物理第2章交變電流與發(fā)電機(jī)2.1怎樣產(chǎn)生交變電流學(xué)案滬科版選修3 .doc
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2.1 怎樣產(chǎn)生交變電流 [目標(biāo)定位] 1.會(huì)觀察電流(或電壓)的波形圖,理解交變電流和直流的概念.2.理解交變電流的產(chǎn)生過(guò)程,會(huì)分析電動(dòng)勢(shì)和電流方向的變化規(guī)律.3.知道交變電流的變化規(guī)律及表示方法,知道交變電流的瞬時(shí)值、最大值的物理含義. 一、交變電流 兩個(gè)發(fā)光二極管接成如圖1所示電路 圖1 (1)把電路接在干電池的兩端時(shí),可以觀察到的現(xiàn)象是什么? (2)把電路接在手搖式發(fā)電機(jī)兩端時(shí),又會(huì)觀察到怎樣的現(xiàn)象? 答案 (1)當(dāng)接在干電池兩端時(shí),只有一個(gè)發(fā)光二極管會(huì)亮. (2)當(dāng)接在手搖式發(fā)電機(jī)兩端時(shí),兩個(gè)發(fā)光二極管間或閃亮,原因是發(fā)電機(jī)產(chǎn)生與直流不同的電流,兩個(gè)發(fā)光二極管一會(huì)兒接通這一個(gè),一會(huì)兒再接通另外一個(gè),電流方向不停地改變. [要點(diǎn)總結(jié)] 1.交流:大小和方向都隨時(shí)間做周期性變化的電流叫交變電流,簡(jiǎn)稱交流. 2.直流:方向不隨時(shí)間變化的電流稱為直流.大小、方向都不隨時(shí)間變化的電流稱為恒定電流. 3.對(duì)直流電流和交變電流的區(qū)分主要是看電流方向是否變化. 例1 (多選)如圖所示的圖像中屬于交變電流的有( ) 答案 ABC 解析 選項(xiàng)A、B、C中e的方向均發(fā)生了變化,故它們屬于交變電流,但不是正弦式交變電流;選項(xiàng)D中e的方向未變化,故是直流. 二、交變電流的產(chǎn)生 圖2 假定線圈沿逆時(shí)針?lè)较騽蛩俎D(zhuǎn)動(dòng),如圖2甲至丁所示.請(qǐng)分析判斷: (1)圖中,在線圈由甲轉(zhuǎn)到乙的過(guò)程中,AB邊中電流向哪個(gè)方向流動(dòng)? (2)在線圈由丙轉(zhuǎn)到丁的過(guò)程中,AB邊中電流向哪個(gè)方向流動(dòng)? (3)當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到什么位置時(shí)線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零,轉(zhuǎn)到什么位置時(shí)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大? (4)大致畫出線圈轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過(guò)程中,電動(dòng)勢(shì)e隨時(shí)間變化的曲線,從E經(jīng)過(guò)負(fù)載流向F的電流記為正,反之為負(fù).在橫坐標(biāo)上標(biāo)出線圈到達(dá)甲、乙、丙、丁幾個(gè)位置時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻. 答案 (1)由B到A (2)由A到B (3)線圈轉(zhuǎn)到甲或丙位置時(shí)線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零,稱為中性面.線圈轉(zhuǎn)到乙或丁位置時(shí)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大. (4) [要點(diǎn)總結(jié)] 1.交流發(fā)電機(jī)的構(gòu)造:主要由可轉(zhuǎn)動(dòng)的線圈(電樞)和磁體兩部分組成. 2.正弦式交變電流的產(chǎn)生:將閉合線圈置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,并繞垂直磁場(chǎng)方向的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng). 3.中性面——線圈平面與磁感線垂直時(shí)的位置 (1)線圈處于中性面位置時(shí),穿過(guò)線圈的Φ最大,但線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零(填“最大”或“零”). (2)線圈每次經(jīng)過(guò)中性面時(shí),線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向都要改變.線圈轉(zhuǎn)動(dòng)一周,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向改變兩次. 4.旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī) (1) 旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電壓一般不超過(guò)500 V (2) 旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)能產(chǎn)生幾千伏到幾萬(wàn)伏電壓 5.交變電流的電能從哪里來(lái) 從能量轉(zhuǎn)化的角度看,發(fā)電機(jī)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿臋C(jī)器. 例2 (多選)矩形線框繞垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)且在線框平面的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了交變電流,下列說(shuō)法正確的是 ( ) A.當(dāng)線框位于中性面時(shí),線框中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大 B.當(dāng)穿過(guò)線框的磁通量為零時(shí),線框中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也為零 C.每當(dāng)線框經(jīng)過(guò)中性面時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或感應(yīng)電流方向就改變一次 D.線框經(jīng)過(guò)中性面時(shí),各邊切割磁感線的速度為零 答案 CD 解析 線框位于中性面時(shí),線框平面與磁感線垂直,穿過(guò)線框的磁通量最大,但此時(shí)切割磁感線的兩邊的速度與磁感線平行,即不切割磁感線,所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于零,也應(yīng)該知道此時(shí)穿過(guò)線框的磁通量的變化率等于零,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或感應(yīng)電流的方向也就在此時(shí)刻變化.線框垂直于中性面時(shí),穿過(guò)線框的磁通量為零,但切割磁感線的兩邊都垂直切割,有效切割速度最大,所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大,也可以說(shuō)此時(shí)穿過(guò)線框的磁通量的變化率最大.故C、D選項(xiàng)正確. 三、交變電流的變化規(guī)律 如圖3所示是圖2中線圈ABCD在磁場(chǎng)中繞軸OO′轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的截面圖.設(shè)AB邊長(zhǎng)為L(zhǎng)1,BC邊長(zhǎng)為L(zhǎng)2,線圈面積S=L1L2,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為ω,則: 圖3 (1)甲、乙、丙位置AB邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)各為多大? (2)甲、乙、丙位置整個(gè)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)各為多大? (3)若線圈有n匝,則甲、乙、丙中整個(gè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)各為多大? 答案 (1)甲:eAB=0 乙:eAB=BL1vsin ωt=BL1sin ωt =BL1L2ωsin ωt=BSωsin ωt 丙:eAB=BL1v=BL1=BL1L2ω=BSω (2)整個(gè)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)由AB和CD兩部分產(chǎn)生,且eAB=eCD,所以 甲:e=0 乙:e=eAB+eCD=BSωsin ωt 丙:e=BSω (3)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 甲:e=0 乙:e=nBSωsin ωt 丙:e=nBSω [要點(diǎn)總結(jié)] 1.正弦式交變電流的瞬時(shí)值表達(dá)式 (1)當(dāng)從中性面開始計(jì)時(shí):e=Emaxsin ωt. (2)當(dāng)從與中性面垂直的位置開始計(jì)時(shí):e=Emaxcos ωt. 2.正弦式交變電流的最大值表達(dá)式 Emax=nBSω 與線圈的形狀及轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置無(wú)關(guān).(填“有關(guān)”或“無(wú)關(guān)”) 3.兩個(gè)特殊位置 (1)中性面:線圈平面與磁場(chǎng)垂直. Φ最大,為0,e為0,i為0.(填“0”或“最大”) 線圈每次經(jīng)過(guò)中性面時(shí),線圈感應(yīng)電流的方向要改變.線圈轉(zhuǎn)動(dòng)一圈,感應(yīng)電流方向改變兩次. (2)垂直中性面:線圈平面與磁場(chǎng)平行. Φ為0,最大,e為最大,i最大.(填“0”或“最大”) 4.(1)正弦式交變電流的圖像及應(yīng)用 或 從中性面計(jì)時(shí) 從垂直中性面(B∥S)計(jì)時(shí) (2)從正弦式交變電流的圖像中可以解讀到以下信息: ①交變電流的周期T、最大值Em. ②因線圈在中性面時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零,磁通量最大,所以可確定線圈位于中性面的時(shí)刻,也可根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大值找出線圈平行磁感線的時(shí)刻. ③判斷線圈中磁通量Φ最小、最大的時(shí)刻及磁通量變化率最大、最小的時(shí)刻. ④分析判斷e的大小和方向隨時(shí)間變化的規(guī)律. 例3 如圖4所示,線圈的面積是0.05 m2,共100匝,勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B= T,當(dāng)線圈以300 r/min的轉(zhuǎn)速勻速旋轉(zhuǎn)時(shí),求: 圖4 (1)若從線圈的中性面開始計(jì)時(shí),寫出線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式. (2)從中性面開始計(jì)時(shí),線圈轉(zhuǎn)過(guò) s時(shí)電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值多大? 答案 (1)e=50sin(10πt)V (2)43.3 V 解析 (1)n=300 r/min=5 r/s,因?yàn)閺闹行悦骈_始轉(zhuǎn)動(dòng),并且求的是瞬時(shí)值,故 e=Emaxsin ωt=NBS2πnsin (2πnt)=50sin (10πt)V (2)當(dāng)t= s時(shí),e=50sin (10π)V≈43.3 V 例4 線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng),產(chǎn)生交變電流的圖像如圖5所示,由圖中信息可以判斷( ) 圖5 A.在A和C時(shí)刻線圈處于中性面位置 B.在B和D穿過(guò)線圈的磁通量為零 C.從A~D線圈轉(zhuǎn)過(guò)的角度為2π D.若從O~D歷時(shí)0.02 s,則在1 s內(nèi)交變電流的方向改變100次 答案 D 解析 根據(jù)題圖,首先判斷出交變電流的瞬時(shí)值表達(dá)式i=Imaxsin ωt.其中Imax是交變電流的最大值,ω是線圈旋轉(zhuǎn)的角速度.另外,應(yīng)該進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到線圈是從中性面開始旋轉(zhuǎn),而且線圈每旋轉(zhuǎn)一周,兩次經(jīng)過(guò)中性面,經(jīng)過(guò)中性面的位置時(shí)電流改變方向,從題圖可以看出,在O、B、D時(shí)刻電流為零,所以此時(shí)刻線圈恰好在中性面的位置,且穿過(guò)線圈的磁通量最大;在A、C時(shí)刻電流最大,線圈處于和中性面垂直的位置,此時(shí)磁通量為零;從A到D,線圈旋轉(zhuǎn)周,轉(zhuǎn)過(guò)的角度為;如果從O到D歷時(shí)0.02 s,恰好為一個(gè)周期,所以1 s內(nèi)線圈轉(zhuǎn)過(guò)50個(gè)周期,100次經(jīng)過(guò)中性面,電流方向改變100次.綜合以上分析可得,只有選項(xiàng)D正確. 針對(duì)訓(xùn)練 (多選)矩形線圈的匝數(shù)為50匝,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),穿過(guò)線圈的磁通量隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖6所示,下列結(jié)論正確的是( ) 圖6 A.在t=0.1 s和t=0.3 s時(shí),電動(dòng)勢(shì)最大 B.在t=0.2 s和t=0.4 s時(shí),電動(dòng)勢(shì)改變方向 C.電動(dòng)勢(shì)的最大值是157 V D.當(dāng)t=0.4 s時(shí),磁通量變化率達(dá)到最大,其值為3.14 Wb/s 答案 CD 解析 由Φ-t圖像可知Φmax=BS=0.2 Wb,T=0.4 s,又因?yàn)閚=50,所以Emax=nBSω=nΦmax=157 V,C正確.t=0.1 s 和t=0.3 s時(shí),Φ最大,e=0,電動(dòng)勢(shì)改變方向;t=0.2 s和t=0.4 s時(shí),Φ=0,e=Emax最大,故A、B錯(cuò)誤.根據(jù)線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的特點(diǎn)知,當(dāng)t=0.4 s時(shí),最大,=3.14 Wb/s,D正確. 1.(交變電流的產(chǎn)生)(多選)下列各圖中,線圈中能產(chǎn)生交變電流的有( ) 答案 BCD 2.(交變電流的產(chǎn)生及規(guī)律)(多選)如圖7所示,一矩形閉合線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)方向的轉(zhuǎn)軸OO′以恒定的角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng),從線圈平面與磁場(chǎng)方向平行時(shí)開始計(jì)時(shí),則在0~這段時(shí)間內(nèi)( ) 圖7 A.線圈中的感應(yīng)電流一直在減小 B.線圈中的感應(yīng)電流先增大后減小 C.穿過(guò)線圈的磁通量一直在減小 D.穿過(guò)線圈的磁通量的變化率一直在減小 答案 AD 解析 題圖位置,線圈平面與磁場(chǎng)平行,感應(yīng)電流最大,因?yàn)椋?,?~時(shí)間內(nèi)線圈轉(zhuǎn)過(guò)四分之一個(gè)周期,感應(yīng)電流從最大值減小為零,穿過(guò)線圈的磁通量逐漸增大,穿過(guò)線圈的磁通量的變化率一直在減小,故A、D正確,B、C錯(cuò)誤. 3.(交變電流的圖像)一只矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁感線的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng),穿過(guò)線圈的磁通量隨時(shí)間變化的圖像如圖8甲所示,則下列說(shuō)法中正確的是( ) 圖8 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)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的圖像如圖乙所示 答案 B 解析 由題圖甲可知t=0時(shí)刻,線圈的磁通量最大,線圈處于中性面.t=0.01 s時(shí)刻,磁通量為零,但變化率最大,所以A項(xiàng)錯(cuò)誤,B項(xiàng)正確.t=0.02 s時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)應(yīng)為零,C、D項(xiàng)均錯(cuò)誤. 4.(交變電流的變化規(guī)律)如圖9所示,勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B= T,邊長(zhǎng)L=10 cm的正方形線圈abcd共100匝,線圈總電阻r=1 Ω,線圈繞垂直于磁感線的軸OO′勻速轉(zhuǎn)動(dòng),角速度ω=2π rad/s,外電路電阻R=4 Ω.求: 圖9 (1)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值. (2)從圖示位置開始感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式. (3)由圖示位置(線圈平面與磁感線平行)轉(zhuǎn)過(guò)30角電路中電流的瞬時(shí)值. 答案 (1)2 V (2)e=2cos 2πt (V) (3) A 解析 (1)設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值為Em,則Em=NBL2ω=1000.012π V=2 V. (2)從圖示位置開始感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式為e=Emcos ωt=2cos 2πt (V) (3)從圖示位置開始轉(zhuǎn)過(guò)30角時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值e′=2cos 30= V,i== A.- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來(lái)的問(wèn)題本站不予受理。
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