（选必2）3.1 交变电流（教案1）

skybamboo · 发表于 10 小时前

第3章　交变电流
第1节　交变电流

本节内容是在承接了上一章电磁感应定律的基础上，研究了当导体棒切割磁感线时，速度<Object: word/embeddings/oleObject1.bin>与磁感应强度B不垂直时，感应电动势的计算方法，以及感应电动势、磁通量随时间的变化规律。

【物理观念】理解交流电的概念、产生过程、熟悉交流电的瞬时值、峰值的物理意义并能够解决相关问题。
【科学思维】能从引导探索的形式理解交流电的产生过程及变化规律，培养学生思考分析能力以及应用数学知识解决物理问题的能力。
【科学探究】通过对交变电流产生过程及变化规律的探究，尝试用科学探究及数学分析的方法研究物理问题，认识数学工具在物理学中的应用。
【科学态度与责任】有将物理知识应用于生活和生产实践的意识，勇于探索日常生活有关的物理问题。

【教学重点】理解交变电流产生的物理过程，熟悉正弦式交电流各参数的物理意义。
【教学难点】交变电流的变化规律及正弦式交变电流瞬时值、峰值的推导过程。

一、【导入演示实验进行探究活动】
演示物理现象1：演示手摇式发电机，并按如图所示与二极管连接，注意观察二极管发光情况。

引导学生反思：当线框快速转动时，观察到什么现象?（学生：二极管交替闪烁）
做出总结：电流大小和方向随时间发生周期性变化的电流叫交变电流简称“交流”同时引出直流电、恒定电流的概念，并进行区别。

交变电流的定义：电流的和，随做变化，这样的电流叫做“交变电流”简称“交流”。

2、直流电的定义：不随时间变化的电流称为“直流”。

恒定电流的定义：和不随时间变化的电流称为“恒定电流”。

图中属于交流电的是，属于直流电的是，属于恒定电流的是

，

演示物理现象2：
将手摇式发电机与定值电阻、电流表串联。

引导学生反思：让线框从如图所示的中性面开始沿逆时针方向转动；引导学生思考以下问题

线圈在甲图位置是否有感应电流？

线圈在乙图位置是否有感应电流？

（3）在线圈由甲转到乙的过程中，AB边中电流向哪个方向流动？（由B→A）

（4）线圈在丙图位置是否有感应电流？

（5）线圈在丁图位置是否有感应电流？

（6）在线圈由丙转到丁的过程中，AB边中电流向哪个方向流动？（由A→B）

（7）线圈转到什么位置时线圈中没有电流？转到什么位置时线圈中电流最大？

【师生总结实验结论】

（1）手摇式发电机快速转动时二极管交替闪烁。

（2）线圈转动一周，感应电流的方向改变两次。

（3）两个特殊位置的各物理量有如下特征。

名称	中性面	中性面的垂面
位置	线圈平面与磁场垂直	线面平面与磁场平行
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

【展示图像进行探究】

导入下图：设线圈从中性面开始转动，角速度是ω．经过时间t，AB、CD宽L1，AD、BC长L2 ，磁感应强度是B.

引导学生反思以下问题：
（1）ts末线圈与中性面的夹角是，此时AB边的速度为，AB边切割磁感线的有效速度为，AB边中的感应电动势为，线圈中的感应电动势为，若为N匝线圈，则感应电动势为。

（2）结合上图任意时刻t的磁通量为，根据法拉第电磁感应定律该时刻感应电动势的大小为。

（3）如果计时零时刻线圈较中性面已转过30度角，线圈在任意位置的感应电动势又如何表示？

（4）如果计时开始时，线圈从垂直与中性面的位置开始，线圈在任意位置的感应电动势又如何表示？

【导入交流电的概念】

老师总结：

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

【引出交变电流的规律】

引导学生总结：

当线圈的匝数为n，从中性面开始转动，感应电动势的瞬时值为 <Object: word/embeddings/oleObject2.bin> ，峰值为 <Object: word/embeddings/oleObject3.bin> ，磁通量的瞬时值为 <Object: word/embeddings/oleObject4.bin> ，峰值为 BS 。

引导学生反思：
若该线圈给外电阻R供电，设线圈本身电阻为r，则负载两端的电压u、流过的电流i随时间变化的规律是怎样的？

流过负载的电流：

<Object: word/embeddings/oleObject5.bin>
负载两端电压：
<Object: word/embeddings/oleObject6.bin>
正弦式交变电流的图像（中性面计时）

引导学生认识不同形式的交流电：

【演示两种发电机的简易图】

出示两种交流发电机的简化图像，引导学生认识交流发电机的工作原理及构造；

旋转电枢式

（ABCD——线圈（电枢）K、L——圆环E 、F——电刷）

旋转磁极式

七、【导入两种发电机的区别】

教师总结：

旋转电枢式：旋转电枢转动，磁极不动的发电机；

旋转磁极式：如果磁极转动，电枢不动。

八、【反思与总结】

教师提问：旋转电枢式发电机与旋转磁极式发电机的区别：

师生共同总结（课件展示）：

旋转电枢式：旋转电枢式发电机转子产生的电流，经过裸露的滑环和电刷引到外电路，如果电压很高，可能发生火花放电，滑环和电刷很快会烧坏。同时，转动的电枢无法做得很大，线圈匝数也不可能很多，所以产生的感应电动势也不能很高。这种发电机输出的电压一般不超过500 V。

旋转磁极式发电机：旋转磁极式发电机克服了上述缺点，能够产生几千伏到几万伏的电压，输出功率可达几百兆瓦。所以，大多数发电机是旋转磁极式的。

九、【引入转子、定子的概念】

老师总结：

不论哪种发电机，转动的部分都叫转子，不动的部分都叫定子；所以，旋转电枢式发电机的转子是电枢，定子是磁极；旋转磁极式发电机的转子是磁极，定子是电枢。

课堂巩固提高
例1．(多选)关于交变电流和直流电的说法中，正确的是(　　)
A．如果电流大小做周期性变化，则一定是交变电流
B．直流电的大小可以变化，但方向一定不变
C．交变电流一定是按正弦或余弦规律变化的
D．交变电流的最大特征就是电流的方向发生周期性的变化
【答案】BD
【解析】直流电的特征是电流方向不变，交流电的特征是电流方向周期性改变。另外交变电流不一定都是正弦式电流或余弦式电流。故A、C错误，B、D正确。
例2．(多选)矩形线框绕垂直于匀强磁场且在线框平面内的轴匀速转动时产生了交变电流，下列说法正确的是(　　)
A．当线框位于中性面时，线框中感应电动势最大
B．当穿过线框的磁通量为零时，线框中的感应电动势也为零
C．每当线框经过中性面时，感应电动势或感应电流方向就改变一次
D．线框经过中性面时，各边不切割磁感线
【答案】　CD
【解析】　线框位于中性面时，线框平面与磁感线垂直，穿过线框的磁通量最大，但此时切割磁感线的两边的速度与磁感线平行，即不切割磁感线，所以此时电动势等于零，穿过线框的磁通量的变化率等于零，感应电动势或感应电流的方向在此时刻变化。垂直于中性面时，穿过线框的磁通量为零，切割磁感线的两边的速度与磁感线垂直，有效切割速度最大，所以感应电动势最大，此时穿过线框的磁通量的变化率最大。故C、D正确。
例3．(多选)如图所示，形状或转轴位置不同，但面积均为S的单匝线圈处在同一个磁感应强度为B的匀强磁场中，以相同的角速度ω匀速转动，从图示的位置开始计时，则下列说法正确的是(　　)

A．感应电动势最大值相同
B．感应电动势瞬时值不同
C．感应电动势最大值、瞬时值都不同
D．感应电动势最大值、瞬时值都相同
【答案】AD
【解析】根据感应电动势的产生可知，只要导线框的面积相同、匝数相同、以相同的角速度在同一匀强磁场中绕垂直于磁场的轴转动，感应电动势的最大值Em＝nBSω都相同；由于导线框都是从中性面开始计时，则感应电动势的表达式均为：e＝Emsinωt，故说明四个线圈产生的感应电动势最大值及瞬时值均相同，故A、D正确。
例4．(多选)线圈在匀强磁场中转动，产生的电动势表达式为e＝10sin20πt(V)，则下列说法正确的是(　　)
A．t＝0时，线圈平面位于中性面
B．t＝0时，穿过线圈的磁通量最大
C．t＝0时，线圈切割磁感线的有效速率最大
【答案】　AB
【解析】　由电动势的瞬时值表达式可知计时从线圈位于中性面时开始，所以t＝0时，线圈平面位于中性面，磁通量最大，但此时线圈速度方向与磁感线平行，切割磁感线的有效速率为零，A、B正确，C错误。当t＝0.4 s时，e＝10sin20πt＝10×sin(20π×0.4) V＝0，D错误。
例5、一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象如图所示，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的变化率达最大
C．t＝0.02 s时刻感应电动势达到最大
D．t＝0.03 s时刻感应电动势为零
【答案】　B
【解析】　t＝0时刻，Φ最大，线圈是在中性面位置，A错误；t＝0.01 s时，Φ＝0，线圈是在线圈平面与磁场平行的位置，感应电动势最大，Φ的变化率最大，B正确；t＝0.02 s时刻，线圈在中性面位置，感应电动势为零，C错误；t＝0.03 s时刻，感应电动势最大，D错误。
例6、关于交流发电机以下说法正确的是：（）
A.常见的交流发电机有两种，一种是旋转电枢式一种是旋转磁极式，其中旋转磁极是交流发电机的输出电压一般超过500V。
B.蒸汽轮机、水轮机等将机械能传递给发电机，发电机将机械能转化为电能，输送给外电路的装置。

C.电枢在不同的发电机机中都称为“定子”磁极则被称为“转子”。

D.我国山峡水电站的发电机为“旋转电枢”式发电机。

【答案】AB

【解析】旋转电枢式发电机转子产生的电流，经过裸露的滑环和电刷引到外电路，如果电压很高，可能发生火花放电，滑环和电刷很快会烧坏。同时，转动的电枢无法做得很大，线圈匝数也不可能很多，所以产生的感应电动势也不能很高。这种发电机输出的电压一般不超过500 V。旋转磁极式发电机克服了上述缺点，能够产生几千伏到几万伏的电压，输出功率可达几百兆瓦。所以，大多数发电机是旋转磁极式的，蒸汽轮机、水轮机等将机械能传递给发电机，发电机将机械能转化为电能，输送给外电路，故AB选项正确，D错误，不论哪种发电机，转动的部分都叫转子，不动的部分都叫定子；所以，旋转电枢式发电机的转子是电枢，定子是磁极；旋转磁极式发电机的转子是磁极，定子是电枢。故C选项错误。

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