19.2 发电机是怎样工作的 学案--沪科版新版九年级

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【学习目标】
1.能了解发电机的工作原理，了解发电机发电过程中的能量转化，知道电磁感应与多种发电形式的联系，能初步了解我国三峡大坝工程的发电概况。
2.能辨析发电机与电动机工作原理的不同及其意义，能体会电磁学给人类生产生活带来的变化，能感受物理学对社会发展的推动作用。
重点：发电机是根据电磁感应原理制造的，其核心在于导体线圈在磁场中做切割磁感线的相对运动从而产生感应电流；
难点：1.理解交流发电机中感应电流方向随线圈转动而周期性改变的原因；
2.能辨析发电机与电动机工作原理的不同及其意义。
【自主学习】
1.发电机是根据__________原理制造的。发电机所产生的电流分为______电与______电。
2.交流发电机的结构主要由______部分(转子)、不动部分(定子)和其他部件组成。在大型发电机中,转子实际上是产生磁场的________,而产生感应电流的线圈却是不动的(定子),这种结构便于产生________和强电流。
3.发电机是一种把其他形式的能转化成______的装置。目前常用的发电方式有________发电、________发电和________发电等。
【合作探究】
1. 发电机的工作原理：发电机是根据_____________原理制造的，是机械能转化为电能的机器。
2.按输出电流类型的分类
（1）直流发电机：输出电流__________不变，结构复杂需_______，多用于电池充电、小型设备；
（2）交流发电机：输出电流方向____________交替，结构简单、效率高，是电网供电、工业/家用的绝对主力。
（3）发电机产生的电流大小和方向都是周期性变化的，这种电流叫做___________，简称交流。在交变电流中，电流在每秒内周期性变化的次数叫做频率。我国电网以交流供电，频率为50Hz，每秒电流方向改变100次。
3.发电机主要构造
发电机主要由______ (不动部分)和_______ (转动部分)组成
4.交流发电机发电原理示意图
（1）设线圈绕自身的轴线逆时针转动。当线圈平面与磁感线垂直时，线圈ab边和cd边运动方向与磁感线______，______磁感线，线圈中不能产生电流。
（a）
（2）当线圈平面与磁感线平行时，ab边向下切割磁感线，cd边向上切割磁感线，产生______，外部电流方向为A到B。
（b）
（3）线圈平面再次转到与磁感线垂直时，ab边与cd边运动方向又与磁感线平行，线圈中______产生感应电流。
（c）
（4）线圈平面再次与磁感线平行，此时ab边向上，cd边向下____________磁感线，产生感应电流。电流方向与前面图乙中的相反。
（d）
5.归纳总结
（1）起始平衡位置是当转子转到与磁感线垂直时，线圈没有切割磁感线，线圈中______电流。
（2）转过90 是当转子转过平衡位置时，线圈切割磁感线，线圈中_______电流。
由图可知：ab和cd不断做________运动，由于磁感线方向是______的，而ab和cd的运动方向总是________，并且不断改变，于是线圈和外部电路就有了方向不断改变的感应电流。
6. 实际发电机的构造
实际上，交流发电机的结构要复杂得多，在大型发电机中，转子实际上是产生磁场的_____，而产生感应电流的线圈却是不动的(定子），这种结构便于产生高电压和强电流。
7.发电机与电动机的比较
种类 构造 工作原理 能量转化
电动机 都是由转子和定子两部分组成。 利用_______________里转动的原理. 消耗_____能而输出______能.
发电机 利用_________原理. 消耗______能而输出____能.
8.探究手摇发电机输出电压的特点
如图所示，将电压传感器并联在手摇发电机输出端。缓慢转动发电机手柄，观察计算机屏幕上电压随时间变化的图像。
思考1：由屏幕上电压随时间变化的图像，结合交流发电机发电原理示意图，你能得到什么结论？
思考2：改变转动手柄的快慢，观察图像变化，你又能得到什么结论？
发电机是一种把其他形式的能转化成电能的装置。目前常用的发电方式有火力发电、水力发电和核能发电等。
1.火力发电
（1）核心原理：火力发电是通过______、______等燃料的燃烧来加热锅炉中的水，产生高温、高压水蒸气，推动汽轮机叶轮高速旋转，从而带动发电机转子转动发电。
巨大的汽轮机叶轮
（2）火力发电的能量转化过程
（3）特点
①技术成熟、建厂灵活，不受地理限制，
②污染大，例如：排放CO 、粉尘等；且依赖不可再生化石燃料，发电效率约30%-40%。
2.水力发电
（1）核心原理：水力发电一般是在江河上_______建水库，让水库中的水从可控制的闸门中奔泻而出，冲击_________，使水轮机带动发电机转子转动，从而实现发电
（2）水力发电的能量传递和转化过程
（3）特点：
①清洁无污染、可再生、运行成本低，②受地理条件限制，需有河流、落差，且建设周期长、可能影响生态环境。
3.核电站
（1）核心原理：核能发电是利用铀原子核_______时释放出的核能来加热水，用水产生的高温、高压蒸汽作为动力，推动蒸汽涡轮机转动，从而带动发电机转子发电。
秦山核电站
（2）核能发电的能量传递和转化过程
（3）特点
①高效：1千克铀裂变能量约等于2500吨煤燃烧能量；清洁，燃料消耗少。
②技术门槛高、核废料需特殊处理、存在核泄漏风险。
4. 其它发电方式_____________、_____________、_____________、_____________等
【归纳整理】
1. 发电机的工作原理：发电机是根据电磁感应原理制造的
2.发电机主要构造：发电机主要由定子(不动部分)和转子(转动部分)组成。
3.发电机是一种把其他形式的能转化成电能的装置。目前常用的发电方式有火力发电、水力发电和核能发电等。
【课堂练习】
1. 如图是小明自制的发电机模型，用纸做一个小风车固定在转动轴上，将小发电机与小量程电流表相连。有风吹动小风车时，小量程电流表的指针 （选填“会”“不会”）偏转，它利用了 原理；如果将图中的小量程电流表换成 ，就变成了电动机模型。
2.如图所示，放在磁场中的矩形线圈ABCD自图示位置（即线圈平面垂直于磁感应线的位置）开始绕轴沿逆时针匀速转动，下列说法中正确的是（　　）
A．线圈在磁场中转动过程中不受磁场力的作用
B．线圈在转动的前半周中，线圈中的电流方向不变
C．线圈在转动的过程中，每时每刻都有感应电流产生
D．线圈在转动的过程中，AB、BC、CD及AD边都不停地切割磁感线
3. 杭州亚运会期间，如图所示的“智能太阳能座椅”不仅提供了舒适的座位，还使用了太阳能面板，可实现无线充电，可支持座椅下的蓝牙音箱播放歌曲，可支持座椅上的LED灯在有需要时亮起。其中将其它形式能转化为电能的装置是（　　）
A．手机 B．LED灯 C．蓝牙音箱 D．太阳能面板
【课后巩固】
1.（课本165页第1题）发电机的工作原理是（　　）。
A. 磁场对电流的作用 B. 磁极间的相互作用
C. 电磁感应现象 D. 电流周围存在磁场
2.（课本165页第2题）在下列现象中，能反映发电机原理的是（　　）。
A. 电路中导体棒切割磁感线产生电流
B. 通电导体棒在磁场中运动
C. 导线通电后，其附近的小磁针发生偏转
D. 同名磁极相互排斥
3.（课本165页第3题）图为发电机模型示意图，下列说法中正确的是（　　）。
A. 线圈中产生电流是由于电流的磁效应
B. 通过灯泡的电流方向不变
C. 与电动机原理相同
D. 其他形式能量转化为电能
4.（课本166页第4题）科技创新大赛上展示了一款新型皮箱，其内部没有电源，但拖动皮箱让轮子滚动时，嵌在轮子里的 LED 灯会发光，夜间行走更安全。下列选项中能说明箱轮发光原理的是（　　）。
A. 电磁感应
B. 磁场对电流的作用
C. 电流的热效应
D. 电流的磁效应
5.（课本166页第5题）请你说一说扬声器、发电机和电动机在工作过程中涉及的能量转化。
6. （课本166页第6题）常见的发电方式有火力发电、水力发电、风力发电和核能发电。请进一步查询资料，总结上述四种发电方式的优缺点。
1．如图所示的装置中，导线ab在水平的支架上，闭合开关，有电流通过时，它会运动起来。那么下列说法中错误的是（ ）
A．此装置是用来探究磁生电的
B．导线ab运动方向与电流方向和磁场方向有关
C．发电机是利用这一现象来工作的
D．通电过程中导线ab的机械能转化为电能
2.关于如图所示的四个电磁实验，下列说法正确的是（　　）
A．实验甲：断开开关S，小磁针静止，其指向如图所示，闭合开关S，小磁针发生偏转，实验表明通电导线周围存在磁场
B．实验乙：断开开关S，导体棒ab静止，闭合开关S，导体棒ab在磁场中运动，实验表明通电导体在磁场中受到力的作用
C．实验丙：闭合开关S，部分导体在磁场中做切割磁感线运动，灵敏电流计指针发生偏转，产生感应电流，这是电动机的工作原理
D．实验丁：闭合开关S，甲、乙两电磁铁吸起大头针的数目不同，实验表明电磁铁磁性强弱与电流大小有关
3．如图所示，放在磁场中的导体棒、用导线串联，闭合开关。当用力使导体棒在磁场中做切割磁感线运动时，发现用绝缘细线悬挂着的导体棒也随之摆动，此时图中乙部分导体棒与磁体的组合相当于 （选填“电动机”或“发电机”），与甲部分工作原理相同的是 （选填“电铃”“动圈式话筒”或“扬声器”）。
4. 小强在“探究什么情况下磁可以生电”的实验中，连接了如图所示的装置。
（1）实验中是通过观察 来判断电路中是否有感应电流的。
（2）小强将实验中观察到的现象记录在表中。分析下表可以得出产生感应电流的条件是： 做 运动时，电路中就会产生感应电流。
次数 开关 磁场方向 导体ab的运动方向 电流表的指针
1 断开 上N下S 向右运动 不偏转
2 断开 上N下S 向左运动 不偏转
3 闭合 上N下S 向右运动 向左偏转
4 闭合 上N下S 向左运动 向右偏转
5 闭合 上N下S 向上运动 不偏转
6 闭合 上S下N 向下运动 不偏转
7 闭合 上S下N 向右运动 向右偏转
8 闭合 上S下N 向左运动 向左偏转
（3）通过比较实验次数3和4（或7和8）可知： 。
（4）此实验原理可用来制造 （选填“电动机”或“发电机”）。
【课后评价】
这节课我给自己☆☆☆☆☆颗星。
【参考答案】
【课前预习】
答案：1.电磁感应 直流 交流 2. 转动 电磁铁 高电压3. 电能 火力 水力 核能
【合作探究】
探究点一：
答案：1. 电磁感应2.（1）方向 换向器（2）周期性（3）交变电流3. 定子 转子4.（1）平行 不切割（2）感应电流（3）不会（4）切割5. （1）没有（2）有 切割磁感线 不变 相反6. 电磁铁7. 通电线圈在磁场 电磁感应 电 机械 机械 电8. 思考1参考答案：在电脑屏幕上看到波浪线，说明手摇发电机的输出电压的大小和方向是变化的。思考2参考答案：手摇得慢时波浪线“又矮又宽”， 手摇得快时波浪线“又高又密”，图像的波浪线方向来回变，波浪“上下起伏”。
结论：手摇发电机的输出电压的大小和方向是变化的，转速越大，输出电压越高。
探究点二：
答案：1. 煤 石油2. 筑坝 水轮机3. 裂变4. 潮汐发电 地热发电 太阳能发电 风力发电
【课堂练习】
1.【答案】会 电磁感应 电源
【解析】有风吹动小风车时，闭合电路的一部分导体切割磁感线，产生感应电流，小量程电流表的指针会发生偏转。它利用了电磁感应原理，将机械能转化为电能。如果将图中的小量程电流表换成电源，有电源，通电导线在磁场中受到了力的作用，将电能转化为机械能。
2.【答案】B
【解析】A．在磁场中的矩形线圈ABCD自图示位置（即线圈平面垂直于磁感应线的位置）开始绕轴沿逆时针匀速转动，线圈在磁场中转动过程中线圈切割磁感线，产生感应电流，电流在磁场中受磁场力的作用，故A错误；
B．线圈在转动的前半周中，磁场方向不变，切割磁感线的运动方向不变，线圈中产生的电流方向不变，故B正确；
C．线圈在转动的过程中，当线圈处在其平面垂直于磁感应线的位置时，运动方向与磁场方向平行，线圈没有切割磁感应线，此时没有感应电流产生，故C错误；
D．线圈在转动的过程中，BC、AD边没有切割磁感线，故D错误。
3.【答案】D
【解析】A．手机工作时，将电能转化为光能和声能，故A不符合题意；
B．LED灯工作时，将电能转化为光能，故B不符合题意；
C．蓝牙音箱工作时，将电能转化为声能，故C不符合题意；
D．太阳能面板是将太阳能转化为电能，故D符合题意。故选D
【课后巩固】
基础练习
1．答案：C
解析：发电机是根据电磁感应现象的原理制造的。
2.答案：A
解析：发电机的原理是电磁感应现象，即闭合电路的部分导体在磁场中做切割磁感线运动。
3. D
解析：线圈中产生电流的原理是电磁感应，故A错误。交流发电机的线圈在磁场中转动时产生的电流是交变电流，电流的大小和方向都在不停地变化，故B、C错误。发电机的线圈在转动过程中，消耗机械能，产生电能，即将机械能转化为电能，故D 正确。
4.答案：A
解析：皮箱内部没有电源,轮子滚动，轮子做切割磁感线运动,产生感应电流使LED灯发光,利用了电磁感应。
5.答案：扬声器工作时电能转化为声能；发电机工作时机械能转化为电能；电动机工作时电能转化为机械能。
6．
发电方式 火力发电 水力. 发电 风力发电 核能发电
优点 技术成熟成本较低 可再生，污染少 可再生，无污染 高效，低碳排放
缺点 污染环境, 消耗化石燃料 受地理位置限制，对生态环境有影响。 受风力条件限制，噪声和视觉影响 核废料处理困难,潜在核事故风险
能力提升
1.【答案】ACD
【详解】A．该装置中有电源，是用来探究通电导线在磁场中受力作用的，故A错误，符合题意；
B．通电导体在磁场中受力的方向与电流方向和磁场方向有关，所以导线ab运动方向与电流方向和磁场方向有关，故B正确，不符合题意；
C．发电机是利用电磁感应现象工作的，而此装置是磁场对电流的作用，电动机是利用该原理制成的，故C错误，符合题意；
D．通电导体在磁场中受力运动，则通电过程中，是电能转化为导线ab的机械能，故D错误，符合题意。
2.【答案】AB
【详解】A．闭合开关S，通电导线周围存在磁场，小磁针受到磁场的作用发生偏转，表明通电导线的周围存在磁场，故A正确；
B．闭合开关S，导体在磁场中运动，其工作原理是通电导体在磁场中受力而运动，电动机是利用这一原理制成的，故B正确；
C．实验丙，闭合开关后，导体在磁场中做切割磁感线运动，电路中就会有感应电流，这是发电机的工作原理，故C错误；
D．闭合开关S，甲、乙两电磁铁吸起大头针的数目不同，实验表明电磁铁磁性强弱与线圈匝数有关，故D错误。
3.【答案】电动机 动圈式话筒
【解析】【小题1】[1][2]由题可知，当导体棒在磁场中做切割磁感线运动时，甲部分产生感应电流，电流通过导体棒，导体棒在磁场中受到力的作用而摆动。电动机是利用通电导体在磁场中受力运动的原理制成的，所以图中乙部分导体棒与磁体的组合相当于电动机。图中甲部分，导体棒在磁场中做切割磁感线运动产生感应电流，应用的物理原理是电磁感应现象，动圈式话筒也是利用此原理工作的。
4.【答案】（1）灵敏电流计的指针是否偏转
（2）闭合电路的一部分导体在磁场中 切割磁感线
（3）感应电流的方向与导体做切割磁感线运动的方向有关
（4）发电机
【详解】（1）在“探究什么情况下磁可以生电”的实验中，由于感应电流比较微弱，难以直接观察，所以通过观察灵敏电流计的指针是否偏转来判断电路中是否有感应电流。
（2）[1][2]当开关断开时（如次数1、2），不管导体如何运动，电流表指针都不偏转，说明电路不闭合时，没有感应电流产生。当开关闭合时，若导体做切割磁感线运动（如次数3、4中导体水平运动，切割了磁感线；而次数5中导体向上运动，没有切割磁感线，次数6中导体向下运动，也没有切割磁感线），电流表指针偏转，有感应电流产生；若导体不做切割磁感线运动，电流表指针不偏转，没有感应电流产生。所以得出产生感应电流的条件是：闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，电路中就会产生感应电流。
（3）比较实验3、4（或7和8）可知：在磁场方向一定时，感应电流的方向与导体做切割磁感线运动的方向有关。
（4）在电磁感应现象中，消耗了机械能，产生了电能，此实验原理可用来制造发电机。
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