2020版高中物理 第2章 交变电流与发电机 1 怎样产生交变电流 2 怎样描述交变电流课件 沪科版

第2章交变电流与发电机2.1怎样产生交变电流2.2怎样描述交变电流一、交变电流1.交变电流:大小和方向随时间做___________的电流,简称交流(AC)。2.直流:_____不随时间变化的电流称为直流(DC)。周期性变化方向3.图像特点:(1)恒定电流的图像是一条与时间轴平行的直线。(2)交变电流的图像随时间做周期性变化,如图所示是正弦式交变电流的图像。二、交流发电机1.构造:发电机主要由_____(电枢)和_____两部分组成。2.原理:线圈在外力驱动下匀速转动,与磁感线垂直的两条边因___________而产生感应电动势,由于线圈在磁场中不同位置时切割磁感线的速度不同,因而产生了_____和_____随时间不断变化的交变电流。线圈磁体切割磁感线大小方向3.交流电的产生:(1)产生过程(示意图):(2)中性面:线圈平面与磁场_____的位置。垂直4.分类:两种类型转子定子特点旋转电枢式__________电压低(产生不超500V电压),功率小旋转磁极式__________电压高(产生几千伏到几万伏电压),功率大电枢磁极磁极电枢【思考辨析】(1)线圈在通过中性面时的磁通量最大,电流也最大。()(2)线圈在通过垂直中性面的平面时电流最大,但磁通量为零。()(3)线圈在通过中性面时电流的方向发生改变。()提示:(1)×。线圈在通过中性面时的磁通量最大,但此时通过线圈的磁通量的变化率为零,电流为零。(2)√。线圈在通过垂直中性面时磁通量为零,但磁通量的变化率最大,所以通过线圈的电流最大。(3)√。由右手定则可知线圈在通过中性面时,电流的方向发生改变。三、交变电流的描述1.描述交变电流的物理量:(1)周期、频率、最大值、有效值。区别联系物理量概念(或物理意义)符号及单位联系周期完成________________所需要的时间T、__用来表示电流变化的_____,f=频率1s内完成____________的次数f、___一次周期性变化s快慢周期性变化Hz1T区别联系物理量概念(或物理意义)符号及单位联系最大值交变电流在一个周期内所能达到的最大值Um、__Im、__对正弦式(或余弦式)交流电有I=____ImU=____Um有效值和交变电流通过相同阻值的电阻,在相等时间内_____________的恒定电流的值称为交变电流的有效值U、__I、__产生热量相等VAVA1212(2)有关交流的常见数值及说法。①我国工农业生产及生活用电的周期为_____s,频率为50Hz,电流方向每秒改变____次。②电气元件或设备上所标的耐压值是指该设备所能承受的交流电压的_______。③交流用电设备上所标的额定电压和额定电流是________;交流电流表和交流电压表的示数是_______;交变电流的数值在无特别说明时都指_______。0.02100最大值有效值有效值有效值函数图像瞬时电动势:e=________瞬时电压:u=________瞬时电流:i=________2.正弦式交变电流的函数和图像:EmsinωtUmsinωtImsinωt注:表达式中Em、Um、Im分别是电动势、电压、电流的_______,而e、u、i则是这几个量的_______。最大值瞬时值一直流电和交变电流【典例】(多选)下列图像中属于交流电的有()世纪金榜导学号【解题探究】(1)区分直流电和交流电的关键是什么?提示:区分直流电和交流电的关键是看电流的方向是否随时间发生变化。(2)电流方向的变化在电流-时间图像中是如何体现的?提示:电流的方向变化在电流-时间图像中体现为电流正负数值的变化。【解析】选A、B、C。判断电流是交流还是直流,就看方向是否随时间周期性变化。选项D中,尽管大小随时间变化,但因其方向不变,所以是直流。选项A、B、C中e的方向均发生了变化,故它们属于交流电。【核心归纳】1.直流电及其分类:(1)直流电:方向不随时间变化的电流。(2)分类:直流电分为恒定电流和脉动直流电两类。①大小和方向都不随时间改变的电流叫恒定电流,如图甲所示。②方向不随时间改变而大小随时间改变的电流叫脉动直流电,如图乙所示。2.交变电流及其分类:(1)交变电流:大小和方向随时间做周期性变化的电流,或大小不变、方向改变的电流。(2)分类:分为正弦(或余弦)式交变电流和矩形波交变电流、锯齿波交变电流等。3.交变电流的图像:(1)正弦式交变电流随时间变化的图像是一条正弦曲线,如图所示。从图中可以知道正弦式交变电流的最大值Im和周期T。(2)非正弦式交变电流的形式多种多样,如图是几种常见的交变电流的图像。【过关训练】1.交变电流是()A.矩形线圈绕垂直于磁场方向的轴在匀强磁场中匀速转动时产生的电流B.按正弦规律变化的电流C.大小随时间做周期性变化的电流D.方向随时间做周期性变化的电流【解析】选D。方向随时间做周期性变化的电流就是交变电流。2.(多选)如图所示的四种电流随时间变化的图像中,属于交变电流的有()【解析】选C、D。A图电流数值总为正,表示电流方向不变,是直流电。B图电流值也总是正值,表示电流方向不变,电流大小随时间变化,也是直流电。C图电流大小不随时间变化,但方向随时间变化,是交变电流。D图电流大小和方向都随时间变化,是交变电流,而且是正弦式交变电流。因此,是交变电流的有C和D。【补偿训练】1.关于交变电流,下列说法正确的是()A.变化的电流,一定不是直流电B.大小不变的电流,一定是恒定电流C.方向变化的电流是交变电流D.方向变化的电流不一定是交变电流【解析】选C。大小变化,方向不变的电流是直流电,故选项A错误;大小不变的电流,如果方向变化,就不是恒定电流,故选项B错误;交变电流是指方向随时间变化的电流,不管其大小是否变化,只要方向变化就是交变电流,故选项C正确,D错误。2.判断图中哪个是正弦式交变电流()【解析】选D。A图中电流的大小在变化,但是电流的方向一直没有变化,是直流电,A错误;B图中电流的大小均匀变化,电流的方向也在不停地变化,是交变电流,但不是正弦交流电,B错误;和A类似,C图中电流的大小在变化,但是电流的方向一直没有变化,是直流电,C错误;D图中电流的大小在变化,且大小是正弦变化规律,而电流的方向也在变化,是正弦交流电,D正确。故选D。二交变电流的产生及其变化规律【典例】如图所示,一个边长L=10cm、匝数N=100的正方形线圈abcd在匀强磁场中绕垂直于磁感线的对称轴OO′匀速转动,磁感应强度B=0.50T,角速度ω=10πrad/s,外电路电阻R=4.0Ω,线圈内阻r=1.0Ω。世纪金榜导学号(1)写出线圈由图中所示位置开始计时时,感应电动势的瞬时值表达式。(2)求交流电压表的示数。(3)线圈转一圈外力做多少功?(4)从图示位置转过90°的过程中流过电阻R的电荷量是多大?【解析】(1)感应电动势的最大值为Em=NBL2ω=100×0.50×0.12×10×3.14V=15.7V。图示位置(t=0时)感应电动势最大,所以感应电动势的瞬时值表达式为e=Emcosωt=15.7cos(10πt)V。(2)电压表示数为电阻两端电压的有效值,即U=·=×V=8.9V。RRrmE24.04.01.015.72(3)电动势的有效值E=。线圈匀速转动的周期T=。线圈匀速转动一圈,外力做功大小等于电功的大小,即W=T。代入数据联立解得W=4.9J。mE222ERr(4)从t=0起转过90°过程中,Δt内流过R的电荷量q=Δt=。代入数据得q=0.1C。答案:(1)e=15.7cos(10πt)V(2)8.9V(3)4.9J(4)0.1CNRrt2NBLRr【核心归纳】1.交变电流的变化规律:(1)正弦式交变电流的瞬时值表达式的推导。若线圈平面从中性面开始转动,如图所示,则经时间t,①线圈转过的角度为ωt。②ab边的线速度跟磁感线方向的夹角θ=ωt。③ab边转动的线速度大小:v=ω。④ab边产生的感应电动势:eab=BLabvsinθ=。adL2BSsint2⑤整个线圈产生的感应电动势:e=2eab=BSωsinωt,若线圈为N匝,e=NBSωsinωt。⑥若线圈给外电阻R供电,设线圈本身电阻为r,由闭合电路欧姆定律得i==sinωt,即i=Imsinωt。R两端的电压可记为u=Umsinωt。eRrmERr(2)正弦式交变电流的峰值。①由e=NBSωsinωt可知,电动势的峰值Em=NBSω。②感应电动势的峰值由线圈匝数N、磁感应强度B、转动角速度ω及线圈面积S决定,与线圈的形状无关,与转动轴的位置无关,因此如图所示几种情况,若N、B、S、ω相同,则感应电动势的峰值相同。③电流的峰值可表示为Im=。NBSRr2.两个特殊位置物理量的特点比较:位置比较项目中性面中性面的垂面位置线圈平面与磁场垂直线圈平面与磁场平行磁通量最大零磁通量的变化率零最大感应电动势零最大线圈边框切割磁感线的有效速度零最大感应电流零最大电流方向改变不变【过关训练】1.一闭合矩形线圈abcd绕垂直于磁感线的固定轴OO′匀速转动,线圈平面位于如图甲所示的匀强磁场中。通过线圈的磁通量Φ随时间t的变化规律如图乙所示,下列说法正确的是()A.t1、t3时刻通过线圈的磁通量变化率最大B.t1、t3时刻线圈中感应电流方向改变C.t2、t4时刻线圈中磁通量最大D.t2、t4时刻线圈中感应电动势最小【解析】选B。t1、t3时刻通过线圈的磁通量Φ最大,磁通量变化率=0,此时感应电动势、感应电流为零,线圈中感应电流方向改变,A错误,B正确;t2、t4时刻线圈中磁通量为零,磁通量的变化率最大,即感应电动势最大,C、D错误。t2.(多选)在匀强磁场中,一矩形金属线框绕与磁感线垂直的转轴匀速转动如图甲所示,产生的交变电动势的图像如图乙所示,则世纪金榜导学号()A.t=0.005s时线框的磁通量变化率最大B.t=0.01s时线框平面与中性面垂直C.电流方向每秒改变100次D.该交流电的瞬时表达式为e=311sin50πtV【解析】选A、C。由图乙可知,t=0.005s时产生的感应电动势最大,所以线框的磁通量变化率最大,A正确;t=0.01s时感应电动势为零,所以线框平面位于中性面位置,B错误;由图乙可知交流电的周期为T=0.02s,且线框在一个周期内两次经过中性面,所以电流方向每秒改变100次,C正确;由于ω==100π,所以该交流电的瞬时表达式为e=311sin100πtV,D错误。故选A、C。2T【补偿训练】如图甲所示,单匝矩形线圈的一半放在有界匀强磁场中,中心轴线OO′与磁场边界重合,线圈绕中心轴线按图示方向(从上向下看逆时针方向)匀速转动,t=0时刻线圈平面与磁场方向垂直,规定电流方向沿abcd为正方向,则图乙中能表示线圈内感应电流随时间变化规律的是()【解析】选B。在0～内,ab一侧的线框在磁场中绕OO′转动产生正弦交变电流,电流方向由楞次定律判断为dcba且越来越大。～内,ab一侧线框在磁场外,而dc一侧线框又进入磁场产生交变电流,电流方向为dcba且越来越小,以此类推,可知i-t图像正确的为B。T4T4T2三交变电流有效值的定义和计算【典例】如图表示一交变电流随时间变化的图像,此交变电流的有效值是世纪金榜导学号()A.5AB.AC.AD.A25272272【解析】选B。根据交变电流有效值的定义易知,让题图中的交变电流和一恒定电流通过同一个电阻,如果在相同时间内电阻产生的热量相同,则此时恒定电流就等于此交变电流的有效值。设此交变电流的有效值为I,则在任意一个周期内有I2RT=+,I2=(2A)2×+×,解得I=2.5A。21TIR221TIR222TIR2212232(A)212【核心归纳】1.交变电流有效值的定义:(1)交变电流的有效值是根据电流的热效应定义的。(2)等效是指恒定电流和交变电流,在相同的时间内,在相同的电阻上产生的热量相同。(3)通常所说的交变电流的电压、电流,用电表测量的交变电流的电压、电流,以及用电器的额定电压、额定电流,还有保险丝的熔断电流,都是指