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3.1 交變電流
人教版（2019）物理（選擇性必修第二冊）
第三章 交變電流
目錄
素養(yǎng)目標(biāo)
01
課程導(dǎo)入
02
新課講解
03
總結(jié)歸納
04
課堂練習(xí)
05
正確教育
素養(yǎng)目標(biāo)
1.理解交變電流的產(chǎn)生原理，知道什么是中性面
2.掌握交變電流的變化規(guī)律及表示方法
3.理解交變電流的瞬時值和最大值及中性面的準(zhǔn)確含義
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(xué)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？
你知道下圖中的輸電線始于哪里，最終又輸送到哪里嗎？
發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)利用什么原理發(fā)出來的電？它具有哪些特點？
始于：發(fā)電廠、變電站
輸送到：鄉(xiāng)村、工廠……
新課講解
第一節(jié)
交變電流
利用示波器觀察交變電流
利用示波器，觀察用學(xué)生電源的交流擋供電時候的波形
利用示波器，觀察用干電池供電時電流的波形，這兩種波形有什么特點？
點擊觀看視頻
觀察直流電的波形
觀察交變電流的波形
點擊返回
1.直流電：電流、電壓方向不隨時間變化的電流，簡稱直流（DC）。
大小和方向都不隨時間變化的電流為恒定電流。
2.交流電：電流、電壓大小和方向都隨時間做周期性變化的電流，簡稱交流（AC）。
交變電流的概念
說明：
（1）方向呈周期性變化是判斷交流的標(biāo)準(zhǔn)。
（大小不變，方向改變的電流也是交流）
（2）交變電流經(jīng)電子電路處理后可變成直流。
（3）直流
恒定電流：大小和方向不隨時間變化的電流
脈動直流：方向不變，大小隨時間變化的電流
經(jīng)典例題
如圖所示，屬于交流電的是(　　)
C
觀察交變電流的方向
現(xiàn)象：
說明：
兩個二極管會交替發(fā)光
發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電電流方向在不斷變化。
問題：交流發(fā)電機(jī)的工作原理是怎樣的呢？
把兩個發(fā)光顏色不同的發(fā)光二極管并聯(lián)，注意使兩者正、負(fù)極的方向不同，然后連接到教學(xué)用發(fā)電機(jī)的兩端。轉(zhuǎn)動手柄，兩個磁極之間的線圈隨著轉(zhuǎn)動。觀察發(fā)光二極管的發(fā)光情況。
第二節(jié)
交變電流的產(chǎn)生
E
F
作用：將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能
轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動時保
持與外電路的連接
交流發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造
基本組成：
定子：不動的部分叫定子
--磁極(產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場)
轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)動的部分叫轉(zhuǎn)子
--電樞(產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的線圈)
討論交流發(fā)電機(jī)發(fā)電的原理。
線圈轉(zhuǎn)動的過程中，哪些位置穿過線圈的磁通量最大？哪些位置線圈中的電流最大？
側(cè)視圖
a(b)
d(c)
請判斷下列四個位置時電流方向？發(fā)發(fā)電機(jī)在勻速轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的電流方向有什么特點？
a(b)
d(c)
a(b)
a(b)
a(b)
d(c)
d(c)
d(c)
電流方向具有周期性變化的特點
E=0、I=0
電流：a→d→c→b→a
電流：a→b→c→d→a
E=0、I=0
（1）線圈轉(zhuǎn)到如圖所示位置時，磁通量有什么特點？
（2）線圈ab段的速度方向與磁場方向是什么關(guān)系？
（3）此時的感應(yīng)電動勢多大？磁通量的變化率有什么特點？
a(b)
d(c)
a(b)
d(c)
中性面及其特點
線圈平面與磁感線垂直時的位置，B⊥S
中性面
中性面的特點
a(b)
d(c)
B
①線圈處于中性面位置時，穿過線圈的磁通量最大，（）磁通量的變化率為0，但線圈中的電流為0。
②線圈每次經(jīng)過中性面時，線圈中感應(yīng)電流的方向都要改變。線圈轉(zhuǎn)動一周，感應(yīng)電流的方向改變兩次。
（1）線圈轉(zhuǎn)到如圖所示位置時，磁通量有什么特點？
（2）線圈ab段的速度方向與磁場方向是什么關(guān)系？
（3）此時的感應(yīng)電動勢多大？磁通量的變化率有什么特點？
a(b)
a(b)
d(c)
d(c)
與中性面垂直的面的特點
a(b)
d(c)
B
（1）與中性面垂直的面，B∥S
（2）磁通量的變化率最大，
（3）速度方向與磁場垂直，感應(yīng)電動勢最大，電流最大
（4）磁通量最小，
第三節(jié)
交變電流的變化規(guī)律
矩形線圈ab、cd寬L1，ad、bc長L2 ，磁感應(yīng)強(qiáng)度是B，設(shè)線圈平面從中性面開始轉(zhuǎn)動，角速度是ω．經(jīng)過時間t，
求此時的感應(yīng)電動勢.
1.經(jīng)過時間t，線圈轉(zhuǎn)過的角度為多大？
2.線圈ab邊或cd邊轉(zhuǎn)動的線速度為多大？
3.線圈ab邊中的感應(yīng)電動勢為多少？
4.線圈cd邊切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為多少？
5.整個線圈的電動勢為多少？若線圈為N匝，則電動勢又為多少？
a(b)
d(c)
v
交流電流的變化規(guī)律
1.轉(zhuǎn)過的角度為
2.線圈ab邊或cd邊轉(zhuǎn)動的線速度為
3.ab邊中的感應(yīng)電動勢為
4.cd邊中的感應(yīng)電動勢為
5.整個線圈的電動勢為。若線圈為N匝，則電動勢為
a(b)
d(c)
v
以線圈經(jīng)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(yīng)電動勢
e :為電動勢在時刻t的瞬時值
Em :為電動勢可能達(dá)到的最大值——峰值
令 Em = NBSω 則 e = Em sin ωt
若為N匝線圈
e=BSω sin ωt
e = NBSω sin ωt
e
o
Em
T/4
T/2
3T/4
T
π/2
π
3π/2
2π
ωt
t
- Em
匝數(shù)
面積
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(qiáng)磁場中繞垂直于磁場的轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動時，所產(chǎn)生的交變電流按照正弦函數(shù)的規(guī)律變化，這種交變電流叫正弦式交變電流
電動勢變化規(guī)律：
負(fù)載兩端電壓變化規(guī)律：
從與中性面垂直的位置（峰值面）開始計時，瞬時值：
流過負(fù)載的電流變化規(guī)律：
交流電流的變化規(guī)律
1.瞬時值表達(dá)式：電動勢為，電壓為，電流為
2.峰值：表達(dá)式中的分別為電動勢、
電壓和電流可能達(dá)到的最大值，叫作峰值
3.正弦式電流：按正弦規(guī)律變化的交變電流
4.正弦式交變電壓隨時間的變化關(guān)系如圖所示
正弦式交變電流
正弦式電流是最簡單、最基本的交變電流。電力系統(tǒng)中應(yīng)用的大多是正弦式電流。在電子技術(shù)中也常遇到其他形式的交流。
幾種常見交變電流現(xiàn)象
正弦式電流
矩形脈沖
第四節(jié)
交流發(fā)電機(jī)
交流發(fā)電機(jī)
用來產(chǎn)生感應(yīng)電動勢
（電樞）
用來產(chǎn)生電勢
旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)
交流發(fā)電機(jī)
旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)
經(jīng)典例題
1.交變電流是( )
A.矩形線圈繞垂直于磁場方向的軸在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的電流
B.按正弦規(guī)律變化的電流
C.按余弦規(guī)律變化的電流
D.大小、方向隨時間做周期性變化的電流
D
答案：D
解析：矩形線圈繞垂直于磁場方向的軸在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的電流，產(chǎn)生的正弦式交流電，故A錯誤；矩形線圈繞垂直于磁場方向的軸在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動時，若從中性面計時，則產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的電流，若從垂直中性面計時，則按余弦規(guī)律變化的電流，都是交流電，但交流電不一定是正余弦規(guī)律變化的，故BC錯誤；交變電流的大小和方向都隨時間做周期性變化，故D正確；故選D.
經(jīng)典例題
2.關(guān)于正弦式交變電流的產(chǎn)生過程，下列說法正確的是( )
A.當(dāng)線圈平面與中性面垂直時，電流方向發(fā)生變化
B.線圈平面經(jīng)中性面時開始計時，周期內(nèi)，電流先增大后減小
C.線圈平面與中性面垂直開始計時，2個周期內(nèi)電流方向改變4次
D.線圈轉(zhuǎn)動過程中通過線圈的磁通量最大的位置，也是感應(yīng)電流最大的位置
C
答案：C
解析：線圈轉(zhuǎn)動過程中，在中性面位置，通過線圈的磁通量最大，感應(yīng)電流等于零，方向改變，2個周期內(nèi)電流方向改變4次；線圈由中性面經(jīng) 周期轉(zhuǎn)動到與中性面垂直位置，此過程中電流逐漸增大到最大，故C正確，A、B、D錯誤。
3.下列各圖像中表達(dá)的電流是正弦式交變電流的( )
A. B.
C. D.
C
經(jīng)典例題
答案：C
解析：正弦交流電是指大小和方向隨時間做正弦規(guī)律變化的電流；由圖可知，只有C正確，ABD錯誤；
故選C.
1.交變電流
（1）定義：大小和方向都隨時間做周期性變化的電流。
（2）圖像：如圖甲、乙、丙、丁所示都屬于交變電流。
i
t
O
甲
i
t
O
乙
i
t
O
丙
i
t
O
丁
僅大小周期性變化的電流不是交變電流，如圖
i
t
O
2.正顯示交變電流
（1）產(chǎn)生：在勻強(qiáng)磁場中，線圈繞垂直于磁場方向的軸勻速轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的交變電流叫正弦式交變電流
（2）圖像：如果從線圈位于中性面位置開始計時，描述交變電流隨時間變化的規(guī)律的圖像為正弦曲線。如圖甲、乙所示
（3）正弦式交變電流的峰值表達(dá)式：Em=NBSw
穿過線圈的磁通量最大，感應(yīng)電動勢最小，Emin=0
i
t
O
乙
Im
-Im
u
t
O
甲
Um
-Um
若從垂直中性面位置開始計時，則為余弦曲線
線圈轉(zhuǎn)動一周，感應(yīng)電流方向改變兩次
最大值
1.如圖垂直于紙面向里的有界勻強(qiáng)磁場中有一個矩形線框abcd，線框OO`以為軸勻速轉(zhuǎn)動，與磁場右邊界重合。若線框中產(chǎn)生電流的峰值為Im，由圖示位置開始計時，則下列可以正確描述線框中電流隨時間變化的圖象是( )
D
A.
B.
C.
D.
答案：D
解析：在 內(nèi)，由于線圏在勻強(qiáng)磁場中從中性面開始轉(zhuǎn)動，故產(chǎn)生正弦式交變電流，在 內(nèi)都有感應(yīng)電流，整個周期都有感應(yīng)電流，所以ABC錯誤；D正確；
故選D。
2.矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中繞垂直于磁場的軸勻速轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大值為50 V，那么該線圈由圖示位置（線圈平面與磁場方向平行）轉(zhuǎn)過30°時，線圈中的感應(yīng)電動勢大小為( )
A.50 V B.25 V
C. D.10 V
C
答案：C
解析：線圈繞垂直于磁感線的軸勻速轉(zhuǎn)動，從垂直中性面的位置開始計時，感應(yīng)電動勢的瞬時值表達(dá)式為 ，故當(dāng) 時，感應(yīng)電動勢的瞬時值為 ，故選C
3.如圖甲所示，由交流發(fā)電機(jī)、定值電阻R、交流電流表A組成的閉合回路，線圈ABCD沿逆時針方向轉(zhuǎn)動，圖甲所示位置磁感線與線圈平面平行，從此刻開始計時，穿過線圈的磁通量隨時間變化的圖像如圖乙所示，下列說法正確的是( )
A.t2、t4時刻線圈中感應(yīng)電動勢最小
B.t1、t3時刻線圈中感應(yīng)電流方向改變
C.線圈轉(zhuǎn)到圖甲所示位置時，線圈中磁通量變化率為零
D.線圈轉(zhuǎn)動到圖甲所示位置時，感應(yīng)電流方為A→B→C→D→A
B
答案：B
解析：根據(jù)題圖乙，結(jié)合交流發(fā)電機(jī)工作原理可知，在t2、t4時刻，穿過線圈的磁通量為零，但磁通量變化率最大，則線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大，故A錯誤；由題圖乙知，在t1、t3時刻，穿過線圈的磁通量最大，線圈位于中性面，線圈中感應(yīng)電流方向改變，故B正確；線圈轉(zhuǎn)到題圖甲所示位置時，穿過線圈的磁通量為零，但磁通量變化率最大，故C錯誤；線圈ABCD沿逆時針方向轉(zhuǎn)動，根據(jù)右手定則判斷可知，當(dāng)線圈轉(zhuǎn)動到題圖甲所示位置時，感應(yīng)電流方向為D→C→B→A→D，故D錯誤.

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