31 交变电流导学案.docx
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31交变电流导学案
3.1交变电流
1.能理解交流电的定义,掌握交流电与直流电的区别。
2.掌握交流电的产生原理,知道什么是中性面。
3.会推导交流电的表达式,并理解瞬时值和峰值的准确含义。
4.掌握交流电表达式中各物理量的含义并计算。
5.了解交流电动机的工作原理。
【重点】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。
【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。
【课前自主学习】
1、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”。
几种不同的交流电示意图
2、直流电的定义:
方向不随时间变化的电流称为“直流”。
3、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
,
4、中性面的概念:
线框与垂直的平面,称为“中性面”。
5、正弦式交流电的定义:
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函数的规律变化称为“正弦式交流电”。
6、正弦式交流电的瞬时值可表达为:
,峰值可表达为。
7.的发电机叫旋转电枢式发电机;
,的发电机叫旋转磁极式发电机。
【课内探究】
一、探究交流电的特征
1、实验研究背景:
出示单相交流发电机,按右图连接电路图。
2、实验现象与反思
(1)观察:
当线框快速转动时,观察到
什么现象?
思考:
为什么发光二极管会交替闪烁?
二、探究交流电的发生过程
1.实验背景:
将手摇式发电机与定值电阻、电流表串联。
2、实验猜想
快速转动发电机,电流表的示数会发生怎样的变化?
3、实验方案与反思:
让线框从如图所示的中性面开始沿逆时针方向转动;
思考:
(1)线圈在甲图位置是否有感应电流?
(2)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)思考:
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?
4、实验结论:
(1)线圈转动一周,感应电流的方向改变两次。
(2)两个特殊位置的各物理量的特征。
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
三、探究交流电的产生规律
1、实验方案与反思
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.
(1)思考:
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)思考:
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?
2、
实验结论
(1)当线圈的匝数为n,线圈转动到中性面时线圈中产生的感应流大小为0,转过90°时的感应电动势大小为nBSW。
(2)当线圈从中性面开始转动一周期的时间内,感应电流的方向先改变2次。
(3)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
,峰值为
,磁通量的瞬时值为
,峰值为BS。
反思以下问题:
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:
负载两端电压:
正弦式交变电流的图像(中性面计时)
认识不同形式的交流电:
四、认识交流发电机
交流发电机的分类?
旋转电枢式
(ABCD——线圈(电枢)K、L——圆环E、F——电刷)
旋转磁极式
旋转电枢式:
旋转磁极式:
说明:
旋转电枢式发电机与旋转磁极式发电机的区别
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,大多数发电机是式的。
概念:
转子定子的概念
不论哪种发电机,转动的部分都叫,不动的部分都叫;所以,旋转电枢式发电机的转子是,定子是;旋转磁极式发电机的转子是,定子是。
1.(2019·内蒙古四校发展联盟高二下期中)交流发电机发电示意图如图所示,线圈转动过程中,下列说法正确的是( )
A.转到图甲位置时,通过线圈的磁通量变化率最大
B.转到图乙位置时,线圈中产生的感应电动势为零
C.转到图丙位置时,线圈中产生的感应电流最大
D.转到图丁位置时,AB边感应电流方向为A→B
2.某发电机的原理简图如图所示,线圈按图示方向匀速转动。
以下说法正确的是( )
A.线圈经过图示位置时穿过线圈的磁通量为零,磁通量的变化率为零
B.线圈从图示位置转过90°后,小灯泡中的电流方向发生变化电流逐渐变大
C.线圈转动两周,电流的方向改变2次
D.从线圈经过图示位置开始计时,则电动势e随时间变化的规律为e=Esinωt(V)
3.(2020·河北省张家口第四中学高二下学期月考)某交变电流发电机正常工作时产生的电动势e=Emsinωt。
若线圈匝数减为原来的一半,而转速增为原来的2倍,其他条件不变,则产生的电动势的表达式为( )
A.e=Emsinωt B.e=2Emsinωt
C.e=2Emsin2ωtD.e=Emsin2ωt
4.如图所示,匀强磁场B=0.1T,所用矩形线圈的匝数N=100,边长lab=0.2m,lbc=0.5m,以角速度ω=100πrad/s绕OO′轴匀速转动。
当线圈平面通过中性面时开始计时,试求:
(1)线圈中感应电动势随时间变化的表达式。
(2)由t=0至t=
过程中的平均电动势值。
参考答案与解析
1.【答案】D
【解析】:
转到图甲位置时,线圈平面与磁感线垂直,磁通量最大,但磁通量变化率最小,故A错误;转到图乙位置时,线圈中产生的感应电动势最大,故B错误;转到图丙位置时,线圈位于中性面位置,此时感应电流为零,故C错误;转到图丁位置时,根据楞次定律可知AB边感应电流方向为A→B,故D正确。
2.【答案】B
【解析】经过图示位置磁通量为零,变化率最大,故A选项错误,线圈的起始位置在垂直于中性面的位置,故感应电动势的大小随时间的变化规律为
,故D选项错误,在转动90-180°的过程中感应电流逐渐增大,故B选项正确。
线圈每转动一圈,感应电流的方向改变两次。
转动两圈改变4次,故C选项错误。
故本题选B。
3.【答案】D
【解析】:
由Em=NBSω知若线圈匝数减为原来的一半,而转速增为原来的2倍时Em不变;转速变为2ω,故电动势的表达式为e=Emsin2ωt,D正确;故选D。
4.【答案】:
(1)e=314sin100πt(V)
(2)200V
【解析】:
(1)感应电动势的瞬时值e=NBSωsinωt,由题可知:
S=lab·lbc=0.2×0.5m2=0.1m2
Em=NBSω=100×0.1×0.1×100πV=314V
所以e=314sin100πt(V)
(2)用E=N
计算t=0至t=
过程中的平均电动势
E=N
=N
=
即E=
NBSω
代入数值得E=200V
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- 31 交变电流导学案 电流 导学案