3.1交变电流 课件-2022-2023学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册(共42张PPT)

(共42张PPT)
3.1 交变电流
1831年法拉第发现了电磁感应现象，为人类进入电气化时代打开了大门．今天我们使用的电灯、微波炉等家用电器中的交流电是怎样产生的并且怎样送到我们的家庭中来的呢？这就是这一章要学习的主要内容，先看“交变电流的产生”．
用示波器或电压传感器先观察电池供给的电压的波形，再观察学生电源交流挡供给的电压的波形。这两种波形各有什么特点？
情景导引：观察交变电流的方向
一、交变电流
1.恒定电流：
大小方向都不随时间变化的电流。
2.直流电：方向不随时间变化的电流叫做直流电，
简称直流（DC）。
3.交流电：方向随时间做周期性变化的电流叫做
交流电，简称交流（AC）。
常见交流电的种类：
【典例1】如图所示，属于交流电的是(　　)
C
一、交变电流
思考判断：
(1)交变电流的大小一定随时间变化。( )
(2)大小和方向都不随时间变化的电流才是直流电。( )
(3)交变电流的大小可以不变，但方向一定随时间周期性变化。( )
(4)交变电流不稳定，很容易“烧坏”家用电器。( )
×
×
√
×
如何产生交流电呢？
一、交变电流
二、交变电流的产生
K
A
F
E
L
D
C
B
线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴逆时针匀速转动
交流发电机的基本构造
1.交变电流的产生过程分析
A(B)
D(C)
A(B)
D(C)
A(B)
D(C)
A(B)
D(C)
二、交变电流的产生
立体图
平面图
A
B
C
D
问题:当线圈在磁场中绕轴转动时,哪些边切割磁感线
v∥B，没有边切割磁感线。
①起始位置
特点：1.B⊥S，φ最大
2.没有切割，E=0，I=0
此时位置称之为--中性面
B⊥S，φ最大
E=0，I=0
二、交变电流的产生
E
F
A(B)
D(C)
A
B
C
D
②向左转过90度
a（b）、d（c）边垂直切割磁感应线，
特点：1.B∥S，φ=0，E最大，I最大，
E最大，I最大
2.感应电流方向DCBA
B∥S，φ=0
二、交变电流的产生
E
F
A
B
C
D
D(C)
A(B)
B
③转过180度
v∥B，没有边切割磁感线。
特点：B⊥S，φ最大
没有切割，E=0，I=0
此时位置称之为--中性面
B⊥S，φ最大，E=0
B⊥S，φ最大
二、交变电流的产生
E
F
A
B
C
D
D(C)
A(B)
B
④转过270度
特点：1.B∥S，φ=0，E最大，I最大，
a（b）、d（c）边垂直切割磁感应线，
E最大，I最大
2.感应电流方向ABCD
B∥S，φ=0
二、交变电流的产生
E
F
此时线圈具有的特点
1.线圈平面与磁场垂直(B⊥S)，速度方向与磁场方向平行(B//v)
2.磁通量:
3.感应电动势:
5.感应电流:
4.磁通量的变化率:
v
v
Φ=BS 最大
E=0
Φ/ t= 0
I=0
二、交变电流的产生
2.两个特殊面
此时线圈具有的特点
1.线圈平面与磁场平行(B//S)，速度方向与磁场方向垂直(B⊥v)
2.磁通量:
3.感应电动势:
5.感应电流:
4.磁通量的变化率:
v
v
Φ=0
E=BLv 最大
Φ/ t 最大
I最大
我们称为平行面（峰值面）
二、交变电流的产生
2.两个特殊面
线圈处在磁感应强度是B 的匀强磁场中，AB、CD宽L1，AD、BC长L2 ，线圈平面从中性面沿逆时针方向开始转动，角速度是ω．经过时间t，推导此时线圈中产生瞬时感应电动势.
θ
①线圈与中性面的夹角是多少？
②AB边的速度多大？
③AB边速度方向与磁场方向夹角是多大？
三、交变电流的变化规律
3.电动势和电流随时间变化的推导
v11
v⊥
B
v
A(B)
D(C)
t=0
θ
θ
④AB边中的感应电动势多大？
⑤线圈中的感应电动势多大？
AB、CD等效为两个串联的电源
v11
v⊥
B
v
A(B)
D(C)
t=0
θ
θ
三、交变电流的变化规律
若为N匝线圈：
其中： 为电动势的最大值（峰值）
3.电动势和电流随时间变化的推导
⑥线圈中电流随时间变化？
为电动势的瞬时值
从瞬时值可以看出：
★矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的转轴匀速转动时，所产生的交变电流按照正弦函数的规律变化，这种交变电流叫正弦式交变电流，简称正弦式电流。
从中性面计时
电动势变化规律：
思考1：若从与中性面垂直的位置（峰值面）开始计时，瞬时值应该怎样
流过负载的电流变化规律：
三、交变电流的变化规律
思考2：正余弦交流电产生条件应该是什么？
①匀强磁场
③转轴必须和磁场垂直
②匀速转动
思考3：E感的值与线圈的形状和转轴的位置没有关系？
B
4、正弦式交变电流的峰值
(1)转轴在线圈所在平面内且与磁场垂直.当线圈平面与磁场平行时，线圈中的感应电动势达到峰值，且满足Em＝nBSω.
(2)决定因素：由线圈匝数n、磁感应强度B、转动角速度ω和线圈面积S决定，与线圈的形状无关，与转轴的位置无关.
如图所示的几种情况中，如果n、B、ω、S均相同，则感应电动势的峰值均为Em＝nBSω.
三、交变电流的变化规律
（1）矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的转轴匀速转动时，所产生的交变电流按照正弦函数的规律变化——正弦式交流电：
ω为线圈转动的角速度
此表达形式仅在从中性面开始计时成立
5、交变电流的变化规律图像
思考讨论：由图像解释两个特殊位置的磁通量、感应电动势的大小
t
e
三、交变电流的变化规律
思考讨论：由图像解释线圈完成一个周期转动，几次经过中性面？电流方向改变几次？
两次经过中性面，电流方向改变两次。
不同形式的交流电：
正弦式电流是最简单、最基本的交变电流。电力系统中应用的大多是正弦式电流。在电子技术中也常遇到其他形式的交流。
三、交变电流的变化规律
四、交变发电机
线圈(叫电枢)
→产生感应电动势
磁极
→产生磁场
1、基本组成
2、基本种类
旋转电枢式
→电枢动，磁极不动
旋转磁极式
→磁极动，电枢不动
无论哪种发电机，转动的部分叫转子，不动的部分叫定子。
四、交变发电机
旋转电枢式的缺点：
旋转磁极式的优点：
电压高会火花放电、电枢无法做大
高电压、高功率输出
四、交变发电机
三峡大坝
水力发电机组
风力发电
风力发电机组
例1：一台发电机在产生正弦式电流。如果发电机电动势的峰值为Em=400V，线圈匀速转动的角速度为ω=100πrad/s ，试写出电动势瞬时值的表达式。如果这个发电机的外电路只有电阻元件，总电阻为2000Ω，电路中电流的峰值是多少？写出电流瞬时值的表达式。
解：假定发电机从线圏中性面开始计时，线圏中电动势的瞬时表达式为：
e=Emsin ωt
数据代入：e=400sin100πt
不计发电机线圈内阻，电流中电流峰值：
所以瞬时值：i=Imsin ωt=0.2sin100πt.
四、知识应用与实践
例2：KLMN是一个竖直的矩形导线框，全部处于磁感应强度为B的水平方向的强磁场中，线框面积为S，MN边水平，线框绕某竖直固定轴以角速度ω匀速转动。在MN边与磁场方向的夹角到达30°的时刻，导线框中产生的瞬时电动势e的大小是多少 标出线框此时电流的方向。已知线框按俯视的逆时针方向。
解：KL边与磁场方向成30°时，线圈平面与中性面夹角为60°。此时感应电动势为：
e=Emsin ωt=BSωsin60°
代入数据得：
四、知识应用与实践
例3：在垂直纸面向里的有界匀强磁场中放置了矩形线圈abcd.线圈cd 边沿竖直方向且与磁场的右边界重合.线圈平面与磁场方向垂直.从t＝0时刻起，线圈以恒定角速度ω＝ 绕 cd 边沿如图所示方向转动，规定线圈中电流沿abcda方向为正方向，则从t＝0到t＝T时间内，线圈中的电流i随时间t变化关系图象为
√
四、知识应用与实践
拓展：如图所示，一矩形线圈绕与匀强磁场垂直的中心轴OO′沿顺时针方向转动，引出线的两端分别与相互绝缘的两个半圆形铜环M 和N 相连. M 和N又通过固定的电刷P 和 Q 与电阻R相连. 在线圈转动过程中，通过电阻R的电流
A.大小和方向都随时间做周期性变化
B.大小和方向都不随时间做周期性变化
C.大小不断变化，方向总是P→R→Q
D.大小不断变化，方向总是Q→R→P
√
半圆环交替接触电刷，从而使输出电流方向不变，这是一个直流发电机模型
四、知识应用与实践
课堂小结
一、交变电流
①交流电：
大小和方向都随时间做周期性变化
②直流电：
方向不随时间变化
大小
不变
变化
(恒定电流)
二、交变电流的产生
①线圈旋转过程中只有AB和CD边在做切割磁感线的运动，产生E感
②线圈每转动一周，两次经过中性面，交流电的方向改变两次。
③中性面：与磁场垂直的平面
特点：磁通量最大，E感=0，I感=0。
④与中性面垂直的平面：磁通量为0，E感最大，I感最大。
三、交变电流的变化规律
e=Emsin ωt
感应电动势：
（Em为峰值，Em=NBSω）
路端电压：
电路中的电流：
u=Umsin ωt
i=Imsin ωt
线圈（叫电枢）
→产生感应电动势
磁极
→产生磁场
①基本组成
②基本种类
旋转电枢式
→电枢动，磁极不动
旋转磁极式
→磁极动，电枢不动
四、交流发电机
无论哪种发电机，转动的部分叫转子，不动的部分叫定子。
课堂小结
1．对于如图所示的电流i随时间t做周期性变化的图像，下列描述正确的是（　　）
A．电流的大小变化，方向不变，不是交变电流
B．电流的大小不变，方向变化，是交变电流
C．电流的大小和方向都变化，是交变电流
D．电流的大小和方向都不变，是直流电
A
五、知识应用与实践
2．一矩形线圈ABCD在匀强磁场中绕其中心轴OO′匀速转动时，就会在线圈中形成交变电流。下列说法错误的是（　　）
A．线圈经过甲图位置时，穿过线圈的磁通量最大，产生的电流也最大
B．线圈经过乙图位置时，穿过线圈的磁通量为零，产生的电流最大，电流的方向为图
中箭头指向
C．线圈经过丙图位置时，穿过线圈的磁通量最大，产生的电流最小
D．线圈从丙图位置转到丁图位置的过程中，穿过线圈的磁通量减小，产生的电流在增
大
A
五、知识应用与实践
3．如图是交流发电机的示意图，线圈ab边连接在金属滑环K上，cd边连接在金属滑环L上，左右两个导体电刷分别压在滑环K、L上，线圈转动时可以通过滑环和电刷保持与外电路的连接。若线圈绕转轴顺时针匀速转动，取从左向右通过电流表G为电流正方向，从图示位置开始计时，下列图中能正确表示电流表G中电流随时间变化关系的是（　　）
A
四、知识应用与实践
N
S
4．图中闭合金属线圈都在匀强磁场中绕虚线所示的固定轴匀速转动，能产生正弦式交变电流的是（　　）
AD
五、知识应用与实践
5．在匀强磁场中，一个100匝的闭合矩形金属线圈，绕与磁感线垂直的固定轴匀速转动，穿过该线圈的磁通量随时间按图示正弦规律变化。设线圈总电阻为2Ω，则（　　）
A．t=0时，线圈平面平行于磁感线
B．t=1s时，线圈中的电流改变方向
C．t=1.5s时，线圈中的感应电动势最大
D．线圈转动的角速度为πrad/s
AD
五、知识应用与实践
6．矩形线圈在匀强磁场中匀速转动产生交流电，如图所示，下列说法中正确的是（　　）
A．当穿过线圈的磁通量最大时，产生的电动势最大
B．当穿过线圈的磁通量为零时，产生的电动势最大
C．在图示位置时，A边产生的感应电流方向垂直纸面向里
D．在图示位置时，A边产生的感应电流方向垂直纸面向外
BC
五、知识应用与实践
7．线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时产生交流电，则下列说法中正确的是（　 　）
A．当线圈位于中性面时，线圈中感应电动势为零
B．当穿过线圈的磁通量为零时，线圈中感应电动势最大
C．线圈在磁场中每转一周，产生的感应电动势和感应电流的方向改变一次
D．每当线圈越过中性面时，感应电动势和感应电流的方向就改变一次
ABD
五、知识应用与实践
8．如图所示，闭合的矩形导体线圈abcd在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴OO′匀速转动，沿着OO′方向观察，线圈沿逆时针方向转动．已知匀强磁场的磁感应强度为B，线圈匝数为n，ab边的边长为l1，ad边的边长为l2，线圈电阻为R，转动的角速度为ω，则当线圈转至图示位置时(　　)
A．线圈中感应电流的方向为abcda
B．线圈中的感应电动势为2nBl2ω
C．穿过线圈的磁通量随时间的变化率最大
D．线圈ad边所受安培力的大小为
CD
五、知识应用与实践