3.1　交变电流 课件 2023-2024学年高二物理人教版（2019）选择性必修2

(共40张PPT)
第三章　交变电流
交变电流
2
会分析交变电流的产生过程，会推导交变电流电动势的表达式。
1
通过实验观察交变电流的方向。
重点
3
知道什么是正弦式交变电流，知道正弦式交变电流的瞬时值表达式。
4
了解交流发电机的构造及工作原理。
交变电流
在显示屏上显示的电压（或电流）随时间变化的图像，在电工技术和电子技术中常常被叫作波形图。用示波器或电压传感器先观察电池供给的电压的波形，再观察家用电源供给的电压的波形。这两种波形各有什么特点
1.交变电流：大小和方向随时间做 变化的电流叫作交变电流，简称 。
在电力系统中，从发电到输配电，用的都是交变电流。
在无线电电子设备中的各种电信号，大多数也是交变电流信号。
周期性
交流
2.直流： 不随时间变化的电流称为直流。大小和方向都不随时间变化的电流叫作恒定电流。
交变电流经过电子电路的处理，也能变成直流。如学生电源、手机充电器等。
电池供给的电流方向不随时间变化，所以属于直流。
方向
下列属于交变电流的是________；属于直流的是________。交变电流与直流的本质区别是_______________________。
(1)(2)(6)
(3)(4)(5)
电流方向是否随时间变化
交变电流的产生
观察视频中发光二极管的发光情况。实验现象说明了什么？
两个二极管交替发光。说明教学所用发电机产生了交流电。
1.交流发电机能产生交变电流。交流发电机最基本的结构是线圈和磁极，如图所示两磁极间产生的磁场可近似为匀强磁场，转轴与磁场方向垂直。线圈绕中心轴匀速转动，线圈的BC、DA边始终在平行于磁感线的平面内转动，不产生感应电动势，只起导
线作用。AB、DC边切割磁感线时产
生感应电动势，相当于电源。
交流发电机的基本构造
线圈平面 磁感线，AB、CD边的速度方向与磁感线 ，线圈 感应电动势； 线圈逆时针转过90°，线圈平面与磁感线 ，AB、CD边都垂直切割磁感线，这时感应电动势 ，线圈中的感应电流也 ，感应电流方向为 ；
平行
不产生
垂直于
平行
最大
最大
D→C→B→A
2.交变电流的产生过程分析
A
B
D
当线圈再逆时针转过90°时线圈平面又 于磁感线，线圈 感应电动势； 当线圈再逆时针转过90°时，AB、CD边的瞬时速度方向跟线圈经过乙图位置时的速度方向相反，产生的感应电动势方向也跟在乙图位置时相反，感应电流方向为 。
垂直
不产生
A→B→C→D
A
B
D
C
D
C
A
3.两个特殊位置
(1)中性面位置(S⊥B，如图中的甲、丙)
线圈平面与磁场垂直的位置，此时Φ最大， 为0，e为0，i为0(均选填“最大”或“0”)；
线圈经过中性面时，电流方向发生改变，线圈转一圈电流方向改变两次。
甲
A
B
D
乙
A
B
D
C
丙
D
C
A
丁
(2)垂直中性面位置(S∥B，如图中的乙、丁)
线圈平面与磁场平行的位置，此时Φ为0， 最大，e最大，i最大(均选填“最大”或“0”)。
线圈经过垂直中性面位置时，电流方向不发生改变。
甲
A
B
D
乙
A
B
D
C
丙
D
C
A
丁
为研究问题方便，常用到正视图。请画出“交变电流的产生过程分析”中甲、乙、丙、丁4个位置的正视图。
A(B)
D(C)
A(B)
D(C)
A(B)
D(C)
A(B)
D(C)
甲
A
B
D
乙
A
B
D
C
丙
D
C
A
丁
(1)只要线圈在磁场中转动，就可以产生交变电流。(　　)
(2)线圈在通过中性面时磁通量最大，电流也最大。(　　)
(3)线圈在垂直中性面位置时电流的方向发生改变。(　　)
(4)从线圈平面与中性面垂直开始计时，在线圈转动2圈的过程中电流方向改变4次。(　　)
×
×
×
√
1.(2022·汪清第六中学高二期末)如图所示的线圈匀速转动或做匀速直线运动，能产生交变电流的是
√
2.(多选)(2023·山东菏泽市高二统考期中)如图所示为交流发电机的示意图，电阻与电流表串联后接在电刷E、F间，线圈ABCD绕垂直于磁场方向的转轴OO′逆时针匀速转动，下列说法正确的是
A.线圈经过图示位置时线圈磁通量的变化率为零
B.线圈经过图示位置时电流方向沿DCBA
C.线圈经过图示位置时电流最大
D.线圈每经过图示位置，电流方向就会发生改变
√
√
交变电流的变化规律
如图所示，线圈平面绕bc边的中点从中性面开始转动，角速度为ω。经过时间t，线圈转过的角度是ωt，ab边的线速度v的方向跟磁感线方向间的夹角也等于ωt。设ab边长为L1，bc边长为L2，线圈面积S＝L1L2，磁感应强度为B，则：
(1)ab边产生的感应电动势为多大？
(2)整个线圈中的感应电动势为多大？
整个线圈中的感应电动势由ab和cd两边产生的感应电动势组成，且eab＝ecd，所以e总＝eab＋ecd＝BSωsin ωt。
(3)若线圈有N匝，则整个线圈的感应电动势为多大？
若线圈有N匝，则相当于N个完全相同的电源串联，
所以e＝NBSωsin ωt。
1.正弦式交变电流：矩形线圈在匀强磁场中绕 的轴匀速转动时，产生按 规律变化的电流，叫作正弦式交变电流，简称正弦式电流。
2.从中性面开始计时，线圈中产生的电动势的瞬时值表达式e＝ ，其中Em＝ 为交变电流的峰值。
垂直于磁场方向
正弦
Emsin ωt
NBSω
说明：(1)若从与中性面垂直的位置开始计时e＝Emcos ωt。
(2)电动势峰值Em＝NωBS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相同。
3.正弦式交变电流和电压
4.正弦式交变电流的图像。(从中性面开始计时)
在电子技术中也常遇到其他形式的交流，如图乙、丙所示。
甲
家庭电路中的
正强式电流
丙
电子电路中的矩形脉冲
乙
示波器中的
锯齿形扫描电压
3.如图所示，匀强磁场的磁感应强度大小B＝ ，边长L＝10 cm的正方形线圈abcd共100匝，线圈总电阻r＝1 Ω，线圈绕垂直于磁感线的轴OO′匀速转动，角速度ω＝2π rad/s，外电路电阻R＝4 Ω。求：
(1)转动过程中线圈中感应电动势的最大值；
(2)从图示位置(线圈平面与磁感线平行)开始计时，
感应电动势的瞬时值表达式；
(3)由图示位置转过30°角时电路中电流的瞬时值；
3.如图所示，匀强磁场的磁感应强度大小B＝ ，边长L＝10 cm的正方形线圈abcd共100匝，线圈总电阻r＝1 Ω，线圈绕垂直于磁感线的轴OO′匀速转动，角速度ω＝2π rad/s，外电路电阻R＝4 Ω。求：
(4)线圈从图示位置开始计时经 时线圈中的感应电流的瞬时值；
(5)电阻R两端电压的瞬时值表达式。
(1)设转动过程中线圈中感应电动势的最大值为Em，
(2)从题图所示位置开始计时，
(3)从题图所示位置转过30°角时感应电动势的瞬时值
确定正弦式交变电流的电动势瞬时值表达式的基本方法
1.确定线圈转动从哪个位置开始计时，以确定瞬时值表达式是按正弦规律变化还是按余弦规律变化。
2.确定线圈转动的角速度。
3.确定感应电动势的峰值Em＝NωBS。
4.写出瞬时值表达式e＝Emsin ωt或e＝Emcos ωt。
4.(多选)一矩形线圈绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定轴匀速转动，线圈中的感应电动势e随时间t变化的规律如图所示，则下列说法正确的是
A.图中曲线是从线圈平面与磁场方向平行时
开始计时的
B.t1和t3时刻穿过线圈的磁通量为零
C.t1和t3时刻穿过线圈的磁通量的变化率为零
D.感应电动势e的方向变化时，穿过线圈的磁通量最大
√
√
√
如图甲、乙所示，从图像中可以得到以下信息：
(1)交变电流的峰值Em、Im。
(2)两个特殊值对应的位置：
(3)e、i大小和方向随时间的变化规律。
5.(多选)(2023·四川省雅安中学月考)在匀强磁场中，一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如图所示正弦规律变化，则
A.t＝0时，线圈平面与磁场方向平行，线圈中的
感应电动势为零
B.t＝1 s时，线圈平面与磁场方向平行，线圈中的电流改变方向
C.t＝1.5 s时，线圈平面与磁场方向垂直，线圈中的感应电动势为零
D.t＝2 s时，线圈平面与磁场方向平行，线圈中的磁通量的变化率最大
√
√
交流发电机
1.主要构造： 和 。
2.分类
(1)旋转电枢式发电机： 转动， 不动。（如左图）
(2)旋转磁极式发电机： 转动， 不动。（如右图）
电枢
磁体
电枢
磁极
磁极
电枢
6.(2023·上海市延安中学高二期末)关于交流发电机和直流电动机，下列说法正确的是
A.电动机是利用电磁感应现象制成的，工作时把机械能转化为电能
B.电动机是利用磁场对电流的作用制成的，工作时把电能转化为机械能
C.发电机是利用电磁感应现象制成的，工作时把电能转化为机械能
D.发电机是利用磁场对电流的作用制成的，工作时把机械能转化为电能
√
交变电流
交变电流
交变电流的变化规律
交变电流
直流
交变电流的产生过程分析
感应电动势的表达式
两个特殊位置
峰值表达式
交变电流的产生过程
电压、电流的表达式
正弦式交变电流的图像
交流发电机