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(共51張PPT)
第三章　交流電
1.交變電流
核心素養(yǎng)：1.了解交變電流、中性面的概念，了解發(fā)電機(jī)的構(gòu)造和不同發(fā)電機(jī)的優(yōu)缺 點. 2.掌握交變電流的產(chǎn)生和變化規(guī)律. 3.分析討論交變電流產(chǎn)生的過程，能解決交 變電流的瞬時值、峰值的有關(guān)問題.
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研習(xí)任務(wù)一　認(rèn)識交變電流
教材　認(rèn)知
大小　
方向　
周期性　
正弦　
研習(xí)　經(jīng)典
解析：A、B、D中電流i的方向都發(fā)生了周期性變化，是交流電；C中電流方向不變， 不是交流電.
C
對應(yīng)　訓(xùn)練
C
解析：根據(jù)交流電定義，方向發(fā)生周期性改變，只有C符合.
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研習(xí)任務(wù)二　正弦交流電的產(chǎn)生
合作　討論
如圖所示，將發(fā)電機(jī)的兩個輸出端通過滑動變阻器連接到電流計的兩個接線柱上，搖 動發(fā)電機(jī)手柄，讓線圈在兩磁極間連續(xù)轉(zhuǎn)動，可以觀察到電流計指針如何偏轉(zhuǎn)？
提示：發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電流的大小和方向是不斷變化的.仔細(xì)觀察可發(fā)現(xiàn)，線圈在 磁場中轉(zhuǎn)動時，感應(yīng)電流的大小和方向都隨時間做周期性變化，線圈每轉(zhuǎn)動一周，電 流方向改變兩次.
教材　認(rèn)知
垂直　
勻速　
垂直　
項目 中性面位置
（圖2中的甲、丙） 與中性面垂直位置
（圖2中的乙、丁）
位置 線圈平面與磁場垂直 線圈平面與磁場平行
磁通量 最大 零
磁通量變化率 零 最大
感應(yīng)電動勢 零 最大
感應(yīng)電流 零 最大
電流方向 改變 不變
3. 兩個特殊位置
[理解]　正弦式交變電流的產(chǎn)生過程分析
圖1
如圖1所示為線圈ABCD在磁場中繞軸OO'轉(zhuǎn)動時的截面圖，AB和CD兩個邊切割磁感線，產(chǎn)生電動勢，線圈中就有了電流（或者說穿過線圈的磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生了感應(yīng)電流）.具體分析如圖2所示.
甲 乙
丙 丁
圖2
轉(zhuǎn)動過程 磁通量變化 電流方向
甲→乙 減小 B→A→D→C
乙→丙 增大 B→A→D→C
丙→丁 減小 A→B→C→D
丁→甲 增大 A→B→C→D
研習(xí)　經(jīng)典
AC
A. 從中性面開始，線圈每轉(zhuǎn)動一周，指針左右擺動一次
B. 圖示位置為中性面，線圈中無感應(yīng)電流
C. 線圈逆時針轉(zhuǎn)動到圖示位置ab邊的感應(yīng)電流方向為a→b
D. 線圈平面與磁場方向平行時，磁通量變化率為零
解析：線圈在磁場中勻速轉(zhuǎn)動時，在電路中產(chǎn)生呈周期性變化的交變電流，線圈經(jīng)過 中性面時電流改變方向，線圈每轉(zhuǎn)動一周，有兩次通過中性面位置，電流方向改變兩 次，指針左右擺動一次，故選項A正確；線圈處于圖示位置時，ab邊向右運動，由右 手定則，ab邊的感應(yīng)電流方向為a→b，故選項B錯誤，C正確；線圈平面與磁場方向 平行時，ab、cd邊垂直切割磁感線，線圈產(chǎn)生的電動勢最大，線圈平面與磁場方向平 行時，磁通量為零，磁通量的變化率最大，故選項D錯誤.
　　解決此類問題必須熟練掌握交變電流的變化特點.
（1）線圈轉(zhuǎn)至與磁感線平行時，磁通量的變化率最大，感應(yīng)電動勢最大.
（2）線圈每經(jīng)過中性面位置一次，感應(yīng)電流和感應(yīng)電動勢的方向都要改變一次.
（3）線圈轉(zhuǎn)動一周，兩次經(jīng)過中性面位置，感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流的方向都改 變兩次，最大值出現(xiàn)兩次.
名師點評
對應(yīng)　訓(xùn)練
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. 穿過線圈的磁通量一直在減小
D. 穿過線圈的磁通量的變化率一直在減小
AD
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研習(xí)任務(wù)三　交變電流的變化規(guī)律
合作　討論
如圖所示為發(fā)電機(jī)的原理圖，設(shè)t＝0時線圈剛好轉(zhuǎn)到中性面位置.設(shè)線圈旋轉(zhuǎn)的角速 度為ω，線圈面積為S，AB和CD的長度為l，AD和BC的長度為d，請推導(dǎo)感應(yīng)電動勢隨 時間變化的規(guī)律，若線圈有N匝，電動勢又該如何表示？
提示：經(jīng)過時間t，線圈轉(zhuǎn)過的角度θ＝ωt，
根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢
e＝2Blvsin θ＝ωBldsin ωt＝ωBSsin ωt
如果線圈匝數(shù)為N，則e＝NωBSsin ωt.
教材　認(rèn)知
2. 表達(dá)式（從中性面開始計時）
正弦　
正弦式電流
Emsin ωt　
NBSω　
Imsin ωt　
Umsin ωt　
[理解]　
1. 正弦式交變電流的瞬時值表達(dá)式
（1）從中性面位置開始計時：e＝Emsin ωt，i＝Imsin ωt，u＝Umsin ωt.
（2）從與中性面垂直的位置開始計時：e＝Emcos ωt，i＝Imcos ωt，u＝Umcos ωt.
2. 正弦式交變電流的峰值
3. 峰值的相關(guān)因素
（1）電動勢峰值Em＝NωBS由線圈匝數(shù)N、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、轉(zhuǎn)動角速度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).
（2）如圖所示的幾種情況中，如果N、B、ω、S均相同，則感應(yīng)電動勢的峰值 均相同.
　　 　　
研習(xí)　經(jīng)典
（1）線圈中感應(yīng)電動勢的瞬時值表達(dá)式；
答案：（1）e＝50sin 10πt（V）　
解析：（1）線圈轉(zhuǎn)速n＝300 r/min＝5 r/s，
角速度ω＝2πn＝10π rad/s，
線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大值Em＝NBSω＝50 V，
則感應(yīng)電動勢瞬時值表達(dá)式為e＝Emsin ωt＝50sin 10πt（V）.
（3）外電路R兩端電壓瞬時值的表達(dá)式.
答案：（3）u＝40sin 10πt（V）
名師點評
　　寫出正弦式交變電流電動勢的瞬時值表達(dá)式是解題的關(guān)鍵，可按照如下步 驟進(jìn)行：
（1）確定計時起點，以確定瞬時值表達(dá)式是正弦規(guī)律變化還是余弦規(guī)律變化.
（2）確定線圈轉(zhuǎn)動的角速度.
（3）確定感應(yīng)電動勢的峰值Em＝NBSω.
（4）寫出瞬時值表達(dá)式e＝Emsin ωt或e＝Emcos ωt.
對應(yīng)　訓(xùn)練
3. 如圖所示，KLMN是一個豎直的矩形導(dǎo)線框，全部處于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的水平方向 的勻強(qiáng)磁場中，線框面積為S，MN邊水平，線框繞某一豎直固定軸以角速度ω勻速轉(zhuǎn) 動.在MN邊與磁場方向的夾角到達(dá)30°的時刻（圖示位置），導(dǎo)線框中產(chǎn)生的瞬時電 動勢e的大小是多少？標(biāo)出線框此時的電流方向.已知線框按俯視的逆時針方向轉(zhuǎn)動.
解析：由圖可知，穿過線框的向右的磁通量增大，感應(yīng)電流的磁場方向向左，所以感 應(yīng)電流的方向為K→N→M→L→K，如圖所示.
從垂直中性面位置開始計時，感應(yīng)電動勢的瞬時值表達(dá)式為
e＝Emcos ωt
當(dāng)線圈平面與磁場方向夾角為30°時，即ωt＝30°
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研習(xí)任務(wù)四　發(fā)電機(jī)與電動機(jī)中的能量轉(zhuǎn)化
教材　認(rèn)知
3. 發(fā)電機(jī)與電動機(jī)的能量轉(zhuǎn)化流程圖
電能　
機(jī)械能　
研習(xí)　經(jīng)典
A. 電動機(jī)是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象制成的，工作時把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能
B. 電動機(jī)是利用磁場對電流的作用制成的，工作時把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能
C. 發(fā)電機(jī)是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象制成的，工作時把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能
D. 發(fā)電機(jī)是利用磁場對電流的作用制成的，工作時把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能
解析：電動機(jī)是利用磁場對電流的作用制成的，工作時把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，故A錯 誤，B正確；發(fā)電機(jī)是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象制成的，工作時把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，故 C、D錯誤.
B
對應(yīng)　訓(xùn)練
A. 電動機(jī)的發(fā)明，實現(xiàn)了機(jī)械能向電能的大規(guī)模轉(zhuǎn)化
B. 發(fā)電機(jī)是利用通電線圈在磁場中受力轉(zhuǎn)動的原理制成的
C. 電磁感應(yīng)說明電流通過感應(yīng)能產(chǎn)生磁
D. 發(fā)電機(jī)工作時把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能
解析：電動機(jī)的發(fā)明，實現(xiàn)了電能向機(jī)械能的大規(guī)模轉(zhuǎn)化，A錯誤；電動機(jī)是利用通 電線圈在磁場中受力轉(zhuǎn)動的原理制成的，發(fā)電機(jī)是根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象原理制成的，B 錯誤；電磁感應(yīng)是“磁”生“電”現(xiàn)象，電流的磁效應(yīng)說明電流周圍能產(chǎn)生磁場，C 錯誤；發(fā)電機(jī)工作時把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，D正確.故選D.
D
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課時作業(yè)（九）
[基礎(chǔ)訓(xùn)練]
解析：選項A、B、C中e的方向均發(fā)生了變化，故它們屬于交變電流，但不是按正弦 規(guī)律變化的交變電流，選項D中e的方向未變化，是直流電，選項A、B、C正確.
ABC
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A. 在A、C時刻線圈處于中性面位置
B. 在B、D時刻穿過線圈的磁通量為零
C. 從A時刻到D時刻線圈轉(zhuǎn)過的角度為π
D. 若從O時刻到D時刻經(jīng)過0.02 s，則在1 s內(nèi)交變電流的方向改變 100次
D
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C. e'＝Emsin 2ωt
C
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A. 甲圖中線圈轉(zhuǎn)動區(qū)域磁場可視為勻強(qiáng)磁場
B. 乙圖中線圈轉(zhuǎn)動區(qū)域磁場可視為勻強(qiáng)磁場
C. 甲圖中線圈轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的電流是正弦交流電
D. 乙圖中線圈勻速轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的電流是正弦交流電
A
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解析：甲圖中細(xì)短鐵絲顯示的磁場分布均勻，則線圈轉(zhuǎn)動區(qū)域磁場可視為勻強(qiáng)磁場， 故A正確；乙圖中細(xì)短鐵絲顯示的磁場分布不均勻，則線圈轉(zhuǎn)動區(qū)域磁場不能看成勻 強(qiáng)磁場，故B錯誤；根據(jù)發(fā)電機(jī)原理可知甲圖中線圈在勻強(qiáng)磁場中繞垂直磁場的轉(zhuǎn)軸 勻速轉(zhuǎn)動時才能產(chǎn)生正弦交流電，故C錯誤；乙圖中是非勻強(qiáng)磁場，則線圈勻速轉(zhuǎn)動 時不能產(chǎn)生正弦交流電，故D錯誤.
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D
A B
C D
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解析：磁場為沿半徑的輻向磁場，可以認(rèn)為磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小不變，線圈始終垂直切 割磁感線，所以產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小不變，由于每個周期磁場方向要改變兩次，所 以產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的方向也要改變兩次.故選D.
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B. 線框中的電流方向在圖示位置發(fā)生變化
C. 當(dāng)穿過線框的磁通量為Фm的時刻，線框中的感應(yīng)電動勢為Em
D. 若轉(zhuǎn)動周期減小一半，線框中的感應(yīng)電動勢也減小一半
A
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圖（a） 圖（b）
C
圖（c） 圖（d） 圖（e）
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A. 圖（a）中，線圈平面與磁感線垂直，磁通量變化率最大
B. 從圖（b）開始計時，線圈中電流i隨時間t變化的關(guān)系是i＝Imsin ωt
C. 當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到圖（c）位置時，感應(yīng)電流最小，且感應(yīng)電流方向改變
D. 當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到圖（d）位置時，感應(yīng)電動勢最大，ab邊感應(yīng)電流方向為a→b
解析：圖（a）中，線圈平面與磁感線垂直，磁通量最大，但磁通量變化率最小為 零，故A錯誤；從圖（b）開始計時，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大，形成的感應(yīng)電流 最大，線圈中電流隨時間變化的關(guān)系是i＝Imcos ωt，故B錯誤；當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到圖（c）位 置時，線圈位于中性面位置，此時感應(yīng)電流最小，且感應(yīng)電流方向改變，故C正確； 當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到圖（d）位置時，感應(yīng)電動勢最大，根據(jù)楞次定律可知ab邊感應(yīng)電流方向 為b→a，故D錯誤.
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[能力提升]
A. 當(dāng)線框位于中性面時，線框中感應(yīng)電動勢最大
B. 當(dāng)穿過線框的磁通量為零時，線框中的感應(yīng)電動勢也為零
C. 每當(dāng)線框經(jīng)過中性面時，感應(yīng)電動勢或感應(yīng)電流方向就改變一次
D. 線框經(jīng)過中性面時，各邊切割磁感線的速度為零
CD
解析：線框位于中性面時，線框平面與磁感線垂直，穿過線框的磁通量最大，但此時 切割磁感線的兩邊的速度與磁感線平行，不切割磁感線，所以電動勢等于零，此時穿 過線框的磁通量的變化率等于零，感應(yīng)電動勢或感應(yīng)電流的方向也就在此時變化；線 框垂直于中性面時，穿過線框的磁通量為零，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)電動勢最大，也可以說此時穿過線框的磁通量的變化率最 大.故選CD.
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A. 大小和方向都隨時間做周期性變化
B. 大小和方向都不隨時間做周期性變化
C. 大小不斷變化，方向總是P→R→Q
D. 大小不斷變化，方向總是Q→R→P
C
解析：半圓環(huán)交替接觸電刷，從而使輸出電流方向不變，這是一個直流發(fā)電機(jī)模型，由右手定則知，外電路中電流方向是P→R→Q，故C正確.
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甲 乙
BC
A. t1時刻線圈中的感應(yīng)電動勢最大
B. t2時刻ab的運動方向與磁場方向垂直
C. t3時刻線圈平面與中性面重合
D. t4、t5時刻線圈中感應(yīng)電流的方向相同
解析：t1時刻通過線圈的磁通量最大，此時磁通量的變化率等于零，故感應(yīng)電動勢為 零，故A錯誤；t2時刻磁通量為零，線圈與磁場平行，故導(dǎo)線ab的速度方向跟磁感線 垂直，故B正確；t3時刻線圈的磁通量最大，故此時線圈與中性面重合，故C正確；由 圖可知t5時刻線圈中磁通量最大，此時沒有感應(yīng)電流，故D錯誤.
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甲　　 乙
BC
A. 在t＝0時刻，線框中的感應(yīng)電流最大
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12. 如圖所示，矩形線圈匝數(shù)N＝100，ab＝30 cm，ad＝20 cm，勻強(qiáng)磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度 B＝0.8 T，繞軸OO'從圖示位置（線圈平面與磁感線平行）開始勻速轉(zhuǎn)動，角速度
ω＝100π rad/s，則：
（1）穿過線圈的磁通量最大值Фm為多大？
答案：（1）0.048 Wb　
解析：（1）當(dāng)線圈轉(zhuǎn)至與磁感線垂直時，穿過線圈的磁通量有最大值，Фm＝BS＝0.8×0.3×0.2 Wb＝0.048 Wb.
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（2）線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大值Em為多大？
答案：（2）480π V　
解析（2）線圈平面與磁感線平行時，感應(yīng)電動勢有最大值
Em＝NBSω＝480π V.
（3）求感應(yīng)電動勢e隨時間t變化的表達(dá)式.（從圖示位置開始計時）
答案：（3）e＝480πcos 100πt（V）　
解析（3）從題圖所示位置開始計時，感應(yīng)電動勢的瞬時值表達(dá)式為e＝Emcos ωt＝480πcos 100πt（V）.
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（4）從圖示位置開始勻速轉(zhuǎn)動60°時，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為多少？
答案：（4）240π V
解析（4）從圖示位置開始勻速轉(zhuǎn)動60°，即ωt＝60°，則此時線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的瞬時值e'＝480π×cos 60°
V＝240π V.
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