3.2 交变电流的产生 课件 (共37张PPT) 2024-2025学年高中物理鲁科版（2019）选择性必修第二册
文档属性
| 名称 | 3.2 交变电流的产生 课件 (共37张PPT) 2024-2025学年高中物理鲁科版（2019）选择性必修第二册 |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 51.7MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 鲁科版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2024-12-20 21:15:44 | ||
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文档简介
(共37张PPT)
第二节 交变电流的产生
教学课件
Teaching Courseware
20XX.XX.XX
第三章 交变电流与远距离运输
高中物理鲁科版（2019）选择性必修第二册
PART.1
PART.2
PART.3
PART.4
素养目标
新课讲解
新课导入
经典例题
目录
CONTENTS
PART.2
PART.4
课堂练习
课堂小结
素养目标
1.[物理观念]认识交流发电机，了解交流发电机结构。
2.[科学思维|理解交变电流的产生原理，知道中性面的概念。
3.[科学思维]掌握交变电流的变化规律，能用数学表达式和图像描述正弦交变电流的变化规律
4.[科学思维]理解交变电流的瞬时值和最大值，能正确表示出正弦交变电流的瞬时值、峰值。
新课导入
什么是交变电流？
方向随时间变化的电流。
交变电流的大小和方向都随时间发生变化。它究竟是怎样产生的呢？
根据法拉第电磁感应定律，只要通过闭合导体的磁通量发生变化，就可以产生感应电动势和感应电流。
发电机就是利用这种方式制成的
新课讲解
New lesson explanation
新课讲解
一、交流发电机
磁极
磁极
电枢（线圈）
有的使用永久磁铁
有的使用电磁铁
线圈端头的滑环
电刷
发电机根据旋转主体不同可分为：
1、旋转电枢式发电机
2、旋转磁极式发电机
发电机中转的称为转子，不转的称为定子
新课讲解
实验：用发电机产生交变电流
能产生大小和方向随时间做周期性变化电流的发电机，称为交流发电机。
线圈在磁场中转动时，电流计指针来回偏转。
线圈在磁场中转动时，感应电流的大小和方向都随时间做周期性变化，线圈每转动一周，电流方向改变两次。产生的电流是交变电流。
新课讲解
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
1.交变发电机
新课讲解
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
新课讲解
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
新课讲解
二、正弦式交变电流的产生原理
交流发电机是如何产生大小和方向都随时间做周期性变化的电流的？
新课讲解
(1)中性面位置(S⊥B，如图)
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。
没有边切割磁感应线
B⊥S， Φ最大，E=0 , I=0
特点:
新课讲解
(2)垂直中性面位置(S∥B，如图)
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。
感应电流方向：d → c → b → a
ab、dc边垂直切割磁感应线
特点:
B//S，Φ=0，E 最大，I 最大
新课讲解
没有边切割磁感应线
特点:
B⊥S， Φ 最大，E=0 , I=0 （中性面）
新课讲解
感应电流方向：a → b → c → d
特点:
ab、dc边垂直切割磁感应线
B//S，Φ=0，E 最大，I 最大
新课讲解
当线圈继续转过 90°时，就回到图 （a）所示的位置，交变电流完成了一次周期性变化。接下来，线圈将重复上述转动过程，线圈中的电流也将重复上述变化过程。 在线圈的转动过程中，感应电动势和感应电流的大小和方向随时间呈周期性变化。
线圈处于中性面
特点
线圈垂直中性面
每次经过中性面电流方向发生改变，线圈转一周，两次经过中性面，电流的方向改变两次。
新课讲解
三、正弦式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？
新课讲解
(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。
新课讲解
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。
新课讲解
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)
新课讲解
交变电流的变化规律
正弦 余弦
条件 经中性面时开始计时 垂直中性面时开始计时
电动势 e=Emsinωt e=Emcosωt
电流 i=Imsinωt i=Imcosωt
电压 u=Umsinωt u=Umcosωt
新课讲解
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
新课讲解
如果我们从线圈平面转到与中性面成某一夹角φ0的位置开始计时，那么经过时间t之后，线圈平面跟中性面之间的夹角就是ωt+ φ0.(图3-10),这时交变电动势瞬时值为e=Emsin(ωt+ φ0),它的大小和方向都随时间不断变化。在Em一定时，瞬时值不完全由时间t决定，而是由ωt+ φ0决定，ωt+ φ0称为交变电流的相位或相。t=0时的相φ0称为初相。相位不仅可反映交变电流任何时刻的状态，还可用来比较不同交变电流的变化步调。
交变电流的相位
起始位置
t时刻位置
中性面
初相
相位
经典例题
Classic Example
新课讲解
(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。( )
×
×
×
√
经典例题
例2.(多选)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
经典例题
例3：线框在匀强磁场中绕OO′轴匀速转动(由上向下看是逆时针方向)，当转到如图所示位置时，磁通量和感应电动势大小的变化情况是( )
A．磁通量和感应电动势都在变大
B．磁通量和感应电动势都在变小
C．磁通量在变小，感应电动势在变大
D．磁通量在变大，感应电动势在变小
解析：由题图可知,Φ＝Φmcos θ，e＝Emsin θ，所以磁通量变大,感应电动势变小
D
经典例题
例3：一只矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，穿过线圈的磁通量随时间变化的图像如图甲所示，则下列说法中正确的是( )
A．t＝0时刻，线圈平面与中性面垂直
B．t＝0.01 s时刻，Φ的变化率最大
C．t＝0.02 s时刻，交变电动势达到最大
D．该线圈产生的相应交变电动势的图像如图乙所示
解析：t=0时刻，磁通量最大，线圈处于中性面位置，A错误；
t=0.01s时刻，磁通量为零，斜率最大， Φ变化率最大，B正确；
t=0.02s时刻，处于中性面位置，磁通量最大，变化率为零，电动势为零，C错误；
B
该线圈产生的交变电动势应该是正弦函数，D错误
课堂练习
Classroom Practice
课堂练习
1.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
√
课堂练习
2．如图所示，一单匝闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的转轴匀速转动，转动过程中线框中产生的感应电动势的瞬时值为e＝0.5sin(20t) V，由该表达式可推知以下哪些物理量( )
A．匀强磁场的磁感应强度
B．线框的面积
C．穿过线框的磁通量的最大值
D．线框转动的角速度
解析：由 e＝BSωsin ωt，可得 ω＝20 rad/s
由 BSω＝0.5 可求出 BS 数值，即磁通量的最大值 Φm＝BS
CD
课堂练习
3．线圈在匀强磁场中匀速转动，产生交流电的图像如图所示，由图可知( )
A．在A和C时刻线圈处于中性面位置
B．在B和D时刻穿过线圈的磁通量为零
C．在A时刻到D时刻线圈转过的角度为π弧度
D．在A和C时刻磁通量变化率绝对值最大
中性面时
磁通量最大
感应电动势为零
感应电流为零
与磁感线平行时
磁通量为零
磁通量的变化率最大
感应电动势最大
感应电流最大
D
课堂练习
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
√
√
√
课堂练习
5.(多选)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
√
√
课堂小结
Class Summary
课堂小结
一、交流发电机
三、正弦式交变电流的变化规律
二、正弦式交变电流的产生原理
发电机中转的称为转子，不转的称为定子
线圈处于中性面
线圈垂直中性面
感谢观看
THANK YOU
第二节 交变电流的产生
教学课件
Teaching Courseware
20XX.XX.XX
第三章 交变电流与远距离运输
高中物理鲁科版（2019）选择性必修第二册
PART.1
PART.2
PART.3
PART.4
素养目标
新课讲解
新课导入
经典例题
目录
CONTENTS
PART.2
PART.4
课堂练习
课堂小结
素养目标
1.[物理观念]认识交流发电机，了解交流发电机结构。
2.[科学思维|理解交变电流的产生原理，知道中性面的概念。
3.[科学思维]掌握交变电流的变化规律，能用数学表达式和图像描述正弦交变电流的变化规律
4.[科学思维]理解交变电流的瞬时值和最大值，能正确表示出正弦交变电流的瞬时值、峰值。
新课导入
什么是交变电流？
方向随时间变化的电流。
交变电流的大小和方向都随时间发生变化。它究竟是怎样产生的呢？
根据法拉第电磁感应定律，只要通过闭合导体的磁通量发生变化，就可以产生感应电动势和感应电流。
发电机就是利用这种方式制成的
新课讲解
New lesson explanation
新课讲解
一、交流发电机
磁极
磁极
电枢（线圈）
有的使用永久磁铁
有的使用电磁铁
线圈端头的滑环
电刷
发电机根据旋转主体不同可分为：
1、旋转电枢式发电机
2、旋转磁极式发电机
发电机中转的称为转子，不转的称为定子
新课讲解
实验：用发电机产生交变电流
能产生大小和方向随时间做周期性变化电流的发电机，称为交流发电机。
线圈在磁场中转动时，电流计指针来回偏转。
线圈在磁场中转动时，感应电流的大小和方向都随时间做周期性变化，线圈每转动一周，电流方向改变两次。产生的电流是交变电流。
新课讲解
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
1.交变发电机
新课讲解
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
新课讲解
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
新课讲解
二、正弦式交变电流的产生原理
交流发电机是如何产生大小和方向都随时间做周期性变化的电流的？
新课讲解
(1)中性面位置(S⊥B，如图)
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。
没有边切割磁感应线
B⊥S， Φ最大，E=0 , I=0
特点:
新课讲解
(2)垂直中性面位置(S∥B，如图)
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。
感应电流方向：d → c → b → a
ab、dc边垂直切割磁感应线
特点:
B//S，Φ=0，E 最大，I 最大
新课讲解
没有边切割磁感应线
特点:
B⊥S， Φ 最大，E=0 , I=0 （中性面）
新课讲解
感应电流方向：a → b → c → d
特点:
ab、dc边垂直切割磁感应线
B//S，Φ=0，E 最大，I 最大
新课讲解
当线圈继续转过 90°时，就回到图 （a）所示的位置，交变电流完成了一次周期性变化。接下来，线圈将重复上述转动过程，线圈中的电流也将重复上述变化过程。 在线圈的转动过程中，感应电动势和感应电流的大小和方向随时间呈周期性变化。
线圈处于中性面
特点
线圈垂直中性面
每次经过中性面电流方向发生改变，线圈转一周，两次经过中性面，电流的方向改变两次。
新课讲解
三、正弦式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？
新课讲解
(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。
新课讲解
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。
新课讲解
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)
新课讲解
交变电流的变化规律
正弦 余弦
条件 经中性面时开始计时 垂直中性面时开始计时
电动势 e=Emsinωt e=Emcosωt
电流 i=Imsinωt i=Imcosωt
电压 u=Umsinωt u=Umcosωt
新课讲解
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
新课讲解
如果我们从线圈平面转到与中性面成某一夹角φ0的位置开始计时，那么经过时间t之后，线圈平面跟中性面之间的夹角就是ωt+ φ0.(图3-10),这时交变电动势瞬时值为e=Emsin(ωt+ φ0),它的大小和方向都随时间不断变化。在Em一定时，瞬时值不完全由时间t决定，而是由ωt+ φ0决定，ωt+ φ0称为交变电流的相位或相。t=0时的相φ0称为初相。相位不仅可反映交变电流任何时刻的状态，还可用来比较不同交变电流的变化步调。
交变电流的相位
起始位置
t时刻位置
中性面
初相
相位
经典例题
Classic Example
新课讲解
(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。( )
×
×
×
√
经典例题
例2.(多选)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
经典例题
例3：线框在匀强磁场中绕OO′轴匀速转动(由上向下看是逆时针方向)，当转到如图所示位置时，磁通量和感应电动势大小的变化情况是( )
A．磁通量和感应电动势都在变大
B．磁通量和感应电动势都在变小
C．磁通量在变小，感应电动势在变大
D．磁通量在变大，感应电动势在变小
解析：由题图可知,Φ＝Φmcos θ，e＝Emsin θ，所以磁通量变大,感应电动势变小
D
经典例题
例3：一只矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，穿过线圈的磁通量随时间变化的图像如图甲所示，则下列说法中正确的是( )
A．t＝0时刻，线圈平面与中性面垂直
B．t＝0.01 s时刻，Φ的变化率最大
C．t＝0.02 s时刻，交变电动势达到最大
D．该线圈产生的相应交变电动势的图像如图乙所示
解析：t=0时刻，磁通量最大，线圈处于中性面位置，A错误；
t=0.01s时刻，磁通量为零，斜率最大， Φ变化率最大，B正确；
t=0.02s时刻，处于中性面位置，磁通量最大，变化率为零，电动势为零，C错误；
B
该线圈产生的交变电动势应该是正弦函数，D错误
课堂练习
Classroom Practice
课堂练习
1.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
√
课堂练习
2．如图所示，一单匝闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的转轴匀速转动，转动过程中线框中产生的感应电动势的瞬时值为e＝0.5sin(20t) V，由该表达式可推知以下哪些物理量( )
A．匀强磁场的磁感应强度
B．线框的面积
C．穿过线框的磁通量的最大值
D．线框转动的角速度
解析：由 e＝BSωsin ωt，可得 ω＝20 rad/s
由 BSω＝0.5 可求出 BS 数值，即磁通量的最大值 Φm＝BS
CD
课堂练习
3．线圈在匀强磁场中匀速转动，产生交流电的图像如图所示，由图可知( )
A．在A和C时刻线圈处于中性面位置
B．在B和D时刻穿过线圈的磁通量为零
C．在A时刻到D时刻线圈转过的角度为π弧度
D．在A和C时刻磁通量变化率绝对值最大
中性面时
磁通量最大
感应电动势为零
感应电流为零
与磁感线平行时
磁通量为零
磁通量的变化率最大
感应电动势最大
感应电流最大
D
课堂练习
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
√
√
√
课堂练习
5.(多选)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
√
√
课堂小结
Class Summary
课堂小结
一、交流发电机
三、正弦式交变电流的变化规律
二、正弦式交变电流的产生原理
发电机中转的称为转子，不转的称为定子
线圈处于中性面
线圈垂直中性面
感谢观看
THANK YOU