1、第三章 eq blc|rc (avs4alco1(,) 交變電流第1節(jié) 交變電流1知道波形圖、交變電流的定義，知道交變電流與直流的區(qū)別。2了解交變電流的產(chǎn)生過(guò)程及中性面的概念。3.掌握交變電流的變化規(guī)律，會(huì)運(yùn)用其瞬時(shí)值表達(dá)式解決相關(guān)問(wèn)題。4了解交流發(fā)電機(jī)的分類及構(gòu)造特點(diǎn)。eq avs4al(一、交變電流)1填一填(1)波形圖：在顯示屏上顯示的電壓(或電流)隨時(shí)間變化的圖像。(2)交變電流：大小和方向隨時(shí)間做周期性變化的電流，簡(jiǎn)稱交流。(3)直流：方向不隨時(shí)間變化的電流，如電池供給的電流、日常使用的各種充電器輸出的電流等。2判一判(1)大小不變，方向隨時(shí)間做周期性變化的電流為直流。()(2)只要

2、方向隨時(shí)間做周期性變化的電流即為交變電流。()(3)手機(jī)充電器輸出的是直流。()3選一選如圖所示的圖像中表示交變電流的是()解析：選DB、C兩圖像中，雖然電流大小隨時(shí)間做周期性變化，但電流方向不變，故不是交變電流。 A圖中電流的方向沒(méi)發(fā)生變化，不是交變電流。D圖中，電流的大小、方向均做周期性變化，是交變電流，故D正確。eq avs4al(二、交變電流的產(chǎn)生和變化規(guī)律)1填一填(1)交變電流的產(chǎn)生產(chǎn)生條件：在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，矩形線圈繞垂直于磁場(chǎng)方向的軸轉(zhuǎn)動(dòng)。過(guò)程分析(如圖所示)感應(yīng)電流隨時(shí)間變化的曲線(2)交變電流的變化規(guī)律中性面：線圈轉(zhuǎn)到與磁場(chǎng)垂直的平面。電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)變化規(guī)律推導(dǎo)設(shè)線圈t0時(shí)剛好轉(zhuǎn)到

3、中性面位置，設(shè)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為，AB和CD的長(zhǎng)度為l，AD和BC的長(zhǎng)度為d，經(jīng)過(guò)時(shí)間t，線圈轉(zhuǎn)過(guò)角度t，線圈AB和CD邊的速度在垂直于磁感線方向的分速度為eq f(d,2)sin 。線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：e2Blvsin Bldsin tBSsin t。若線圈有N匝，則eNBSsin tEmsin t。其中EmNBS為電動(dòng)勢(shì)的最大值，也叫峰值。正弦式交變電流a表達(dá)式：eEmsin_tuUmsin_tiImsin_t其中Em、Um、Im分別為電動(dòng)勢(shì)、電壓、電流的峰值。b圖像(如圖所示)2判一判(1)在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中線圈繞垂直磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)中性面時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零。()(2)線圈繞垂直于磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)

4、軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生交變電流的峰值越大，瞬時(shí)值也越大。()(3)交變電流的圖像一定是正弦函數(shù)圖像。()3想一想如何理解線圈平面轉(zhuǎn)到中性面時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零，而線圈平面與中性面垂直時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大呢？提示：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律Eneq f(,t)可知，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小不是與磁通量直接對(duì)應(yīng)，而是與磁通量的變化率成正比。雖然線圈經(jīng)過(guò)中性面時(shí)磁通量最大，但磁通量的變化率為零，所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零；雖然線圈平面與中性面垂直時(shí)磁通量為零，但磁通量的變化率最大，所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大。eq avs4al(三、交流發(fā)電機(jī))1填一填(1)交流發(fā)電機(jī)的構(gòu)造：由產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的線圈(通常叫作電樞)和產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁體兩部分

5、組成。(2)發(fā)電機(jī)類別旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)：電樞轉(zhuǎn)動(dòng)，磁極不動(dòng)的發(fā)電機(jī)。輸出電壓一般不超過(guò)500 V。旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)：磁極轉(zhuǎn)動(dòng)，電樞不動(dòng)的發(fā)電機(jī)。輸出電壓可達(dá)幾萬(wàn)伏。(3)轉(zhuǎn)子和定子轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)動(dòng)的部分。定子：不動(dòng)的部分。(4)發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)化發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子由蒸汽輪機(jī)、水輪機(jī)等帶動(dòng)，將機(jī)械能傳遞給發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，輸送給外電路。2判一判(1)交流發(fā)電機(jī)有兩類：旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)。()(2)旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)可以輸出幾千到幾萬(wàn)伏的高壓。()(3)發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備。()3想一想如何提高交流發(fā)電機(jī)輸出電壓的峰值？提示：由EmNBS可知，要提高峰值Em，可以考慮提

6、高電樞的匝數(shù)N，面積S，磁感應(yīng)強(qiáng)度B及旋轉(zhuǎn)的角速度。正弦式交變電流的產(chǎn)生學(xué)透用活1產(chǎn)生條件(1)勻強(qiáng)磁場(chǎng)。(2)線圈勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。(3)線圈的轉(zhuǎn)軸垂直于磁場(chǎng)方向。2中性面(1)中性面線圈平面與磁感線垂直的位置。(2)線圈處于中性面位置時(shí)，穿過(guò)線圈磁通量最大，但eq f(,t)0，e0，i0。(3)線圈越過(guò)中性面，線圈中I感方向要改變。線圈轉(zhuǎn)一周，感應(yīng)電流方向改變兩次。3兩個(gè)特殊位置中性面中性面的垂直位置圖示位置線圈平面與磁場(chǎng)垂直線圈平面與磁場(chǎng)平行磁通量最大零磁通量的變化率零最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)零最大感應(yīng)電流零最大電流方向改變情況改變不變典例1一閉合矩形線圈abcd繞垂直于磁感線的固定軸OO勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈

7、平面位于如圖甲所示的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中。通過(guò)線圈內(nèi)的磁通量隨時(shí)間t的變化規(guī)律如圖乙所示，下列說(shuō)法正確的是()At1、t3時(shí)刻線圈中感應(yīng)電流方向改變Bt1、t3時(shí)刻通過(guò)線圈的磁通量變化率最大Ct2、t4時(shí)刻線圈中磁通量最大Dt2、t4時(shí)刻線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最小解析t1、t3時(shí)刻通過(guò)線圈的磁通量最大，而磁通量的變化率等于零，線圈中感應(yīng)電流方向改變，A正確B錯(cuò)誤；t2、t4時(shí)刻磁通量為零，線圈與磁場(chǎng)平行，磁通量變化率最大，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，線圈中感應(yīng)電流方向沒(méi)有改變，C、D錯(cuò)誤。答案A規(guī)律方法分析圖像問(wèn)題的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)(1)線圈繞垂直于磁場(chǎng)的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，開(kāi)始計(jì)時(shí)時(shí)線圈所處的位置不同，得到的it或et圖像也

8、就不同。(2)分析有關(guān)交變電流的圖像問(wèn)題時(shí)，要注意從圖像中找出兩個(gè)特殊位置(中性面和垂直中性面位置)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。對(duì)點(diǎn)練清1多選下圖中哪些情況，線圈中產(chǎn)生了正弦式電流(均勻速轉(zhuǎn)動(dòng))()解析：選BCD根據(jù)正弦式交變電流產(chǎn)生的條件可知，B、C、D正確。2如圖所示，矩形線圈繞垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)的對(duì)稱軸做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)中性面時(shí)，以下說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A線圈平面與磁感線方向垂直B線圈中感應(yīng)電流的方向?qū)⒁l(fā)生改變C通過(guò)線圈平面的磁通量最大D通過(guò)線圈的感應(yīng)電流最大解析：選D中性面，就是磁場(chǎng)方向與線圈平面垂直的位置，故A正確。經(jīng)過(guò)中性面時(shí)，電流減為零，經(jīng)過(guò)中性面電流方向?qū)l(fā)生改變，故B正確。經(jīng)過(guò)中性面時(shí)，磁場(chǎng)垂直于

9、線圈平面，此時(shí)磁通量最大，故C正確。經(jīng)過(guò)中性面時(shí)，線圈平面與磁場(chǎng)方向垂直，不切割磁感線，不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電流為零，D錯(cuò)誤。3(2022浙江1月選考)如圖所示，甲圖是一種手搖發(fā)電機(jī)及用細(xì)短鐵絲顯示的磁場(chǎng)分布情況，搖動(dòng)手柄可使對(duì)稱固定在轉(zhuǎn)軸上的矩形線圈轉(zhuǎn)動(dòng)；乙圖是另一種手搖發(fā)電機(jī)及磁場(chǎng)分布情況，皮帶輪帶動(dòng)固定在轉(zhuǎn)軸兩側(cè)的兩個(gè)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)。下列說(shuō)法正確的是( )A甲圖中線圈轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域磁場(chǎng)可視為勻強(qiáng)磁場(chǎng)B乙圖中線圈轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域磁場(chǎng)可視為勻強(qiáng)磁場(chǎng)C甲圖中線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電流是正弦交流電D乙圖線圈勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電流是正弦交流電解析：選A甲圖中細(xì)短鐵絲顯示的磁場(chǎng)分布均勻，則線圈轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域磁場(chǎng)可視為勻強(qiáng)磁場(chǎng)，A正

10、確；乙圖中細(xì)短鐵絲顯示的磁場(chǎng)分布不均勻，則線圈轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域磁場(chǎng)不能看成勻強(qiáng)磁場(chǎng)，B錯(cuò)誤；根據(jù)發(fā)電機(jī)原理可知甲圖中線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)才能產(chǎn)生正弦交流電，因不一定勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，故C錯(cuò)誤；乙圖中是非勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則線圈勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不能產(chǎn)生正弦交流電，D錯(cuò)誤。交變電流的變化規(guī)律及書(shū)寫(xiě)技巧學(xué)透用活1交變電流的峰值(1)由交變電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式eNBSsin t可知，電動(dòng)勢(shì)的峰值EmNBS。(2)交變電動(dòng)勢(shì)的最大值，由線圈匝數(shù)N、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度及線圈面積S決定，與線圈的形狀無(wú)關(guān)，與轉(zhuǎn)軸的位置無(wú)關(guān)，但轉(zhuǎn)軸必須垂直于磁場(chǎng)，因此如圖所示幾種情況，若N、B、S、相同，則電動(dòng)勢(shì)的最大值相同。(3)電

11、流的峰值可表示為Imeq f(NBS,Rr)。2正弦式交變電流的瞬時(shí)值表達(dá)式(1)從中性面開(kāi)始計(jì)時(shí)：eNBSsin tEmsin t。ieq f(e,Rr)eq f(Em,Rr)sin tImsin t。uiRImRsin tUmsin t。(2)從垂直于中性面(即從線圈平面與磁場(chǎng)平行時(shí))開(kāi)始計(jì)時(shí)：eEmcos t；iImcos t；uUmcos t。典例2如圖所示，N50匝的矩形線圈abcd，邊長(zhǎng)ab20 cm，ad25 cm，放在磁感應(yīng)強(qiáng)度B0.4 T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，外力使線圈繞垂直于磁感線且通過(guò)線圈中線的OO軸以n3 000 r/min的轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈電阻r1 ，外電路電阻R9 ，t0

12、時(shí)，線圈平面與磁感線平行，ab邊正轉(zhuǎn)出紙外、cd邊轉(zhuǎn)入紙里。(1)判斷t0時(shí)感應(yīng)電流的方向。(2)寫(xiě)出線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式。(3)從圖示位置轉(zhuǎn)過(guò)90過(guò)程中流過(guò)電阻R的電荷量是多大？解析(1)根據(jù)ab、cd切割磁感線，由右手定則可得線圈中感應(yīng)電流方向adcba。(2)線圈的角速度：2n2eq f(3 000,60) rad/s100 rad/s。設(shè)ab邊在t0時(shí)刻速度為vab，圖示位置的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，其大小為Em2NBabvabNBabad500.40.200.25100 V314 V，電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式為e314cos(100t)V。(3)由qIt可知，從t0起轉(zhuǎn)過(guò)90的過(guò)程中，

13、t時(shí)間內(nèi)流過(guò)R的電荷量qeq f(N,tRr)teq f(NBS,Rr)eq f(500.40.200.25,91) C0.1 C。答案(1)adcba(2)e314cos(100t) V(3)0.1 C規(guī)律方法交變電流瞬時(shí)值表達(dá)式的書(shū)寫(xiě)技巧(1)確定正弦式交變電流的峰值，根據(jù)已知圖像讀出或由公式EmNBS求出相應(yīng)峰值。(2)確定線圈的角速度：可根據(jù)線圈的轉(zhuǎn)速或周期由eq f(2,T)2f求出，f表示線圈的頻率也可表示每秒的轉(zhuǎn)數(shù)。(3)明確線圈的初始位置，找出對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式。線圈從中性面位置開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，則et、it、ut圖像為正弦函數(shù)圖像，函數(shù)式為正弦函數(shù)。線圈從垂直中性面位置開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，則et

14、、it、ut圖像為余弦函數(shù)圖像，函數(shù)式為余弦函數(shù)。對(duì)點(diǎn)練清1多選一矩形線圈繞與勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直的中心軸旋轉(zhuǎn)，切割磁感線的兩邊通過(guò)導(dǎo)體圓環(huán)外接電阻R，自圖示位置開(kāi)始以角速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，則通過(guò)R的電流()A大小和方向都不斷變化B方向不變，大小不斷變化C變化的規(guī)律iImsin tD變化的規(guī)律iImcos t解析：選AD線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生正弦式交變電流，和電阻R構(gòu)成閉合回路，電流的大小、方向均發(fā)生變化，故選項(xiàng)A正確，B錯(cuò)誤。由于線圈開(kāi)始時(shí)位于垂直于中性面的平面，所以iImcos t，故選項(xiàng)D正確，C錯(cuò)誤。2如圖所示，正方形線圈 abcd的邊長(zhǎng)是0.5 m，共150匝，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為Beq

15、 f(2,) T，當(dāng)線圈以150 r/min 的轉(zhuǎn)速繞中心軸線OO勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，求：(1)若從線圈處于中性面開(kāi)始計(jì)時(shí)，寫(xiě)出線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式；(2)線圈轉(zhuǎn)過(guò)eq f(1,10) s時(shí)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值。解析：(1)eEmsin tNBS2nsin 2nt，代入數(shù)據(jù)可得e375sin (5t) V。(2)當(dāng)teq f(1,10) s時(shí)，電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值e375sineq blc(rc)(avs4alco1(5f(1,10)V375 V。答案：(1)e375sin(5t)V(2)375 V一、通交變電流的燈絲在磁場(chǎng)中的抖動(dòng)(科學(xué)探究)選自魯科版新教材“迷你實(shí)驗(yàn)室”將燈泡和開(kāi)關(guān)用導(dǎo)線連接到交流電源的兩接線柱上，閉合開(kāi)關(guān)，燈泡發(fā)光后，把U形磁鐵置于燈泡的上端(如圖)，仔細(xì)觀察燈絲出現(xiàn)什么現(xiàn)象。為什么？提示可以觀察到燈絲會(huì)抖動(dòng)，原因是當(dāng)燈絲通