第3章交變電流

第1節(jié)交變電流

本節(jié)內(nèi)容是在承接了上一章電磁感應(yīng)定律的基礎(chǔ)上，研究了當(dāng)導(dǎo)體棒切割磁感線時(shí)，速度v與磁感

應(yīng)強(qiáng)度B不垂直時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算方法，以及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、磁通量隨時(shí)間的變化規(guī)律。

【物理觀念】理解交流電的概念、產(chǎn)生過(guò)程、熟悉交流電的瞬時(shí)值、峰值的物理意義并能夠解決相

關(guān)問(wèn)題。

【科學(xué)思維】能從引導(dǎo)探索的形式理解交流電的產(chǎn)生過(guò)程及變化規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生思考分析能力以及

應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問(wèn)題的能力。

【科學(xué)探究】通過(guò)對(duì)交變電流產(chǎn)生過(guò)程及變化規(guī)律的探究，嘗試用科學(xué)探究及數(shù)學(xué)分析的方法研究

物理問(wèn)題，認(rèn)識(shí)數(shù)學(xué)工具在物理學(xué)中的應(yīng)用。

【科學(xué)態(tài)度與責(zé)任】有將物理知識(shí)應(yīng)用于生活和生產(chǎn)實(shí)踐的意識(shí)，勇于探索日常生活有關(guān)的物理問(wèn)

題。

【教學(xué)重點(diǎn)】理解交變電流產(chǎn)生的物理過(guò)程，熟悉正弦式交電流各參數(shù)的物理意義。

【教學(xué)難點(diǎn)】交變電流的變化規(guī)律及正弦式交變電流瞬時(shí)值、峰值的推導(dǎo)過(guò)程。

一、【導(dǎo)入演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究活動(dòng)】

演示物理現(xiàn)象1：演示手搖式發(fā)電機(jī)，并按如圖所示與二極管連接，注意觀察二極管發(fā)光情況。

引導(dǎo)學(xué)生反思：當(dāng)線框快速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，觀察到什么現(xiàn)象?（學(xué)生：二極管交替閃爍）

做出總結(jié)：電流大小和方向隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的電流叫交變電流簡(jiǎn)稱(chēng)“交流”同時(shí)引出直流電、

恒定電流的概念，并進(jìn)行區(qū)別。

１、交變電流的定義：電流的和，隨做變化，這樣

的電流叫做“交變電流”簡(jiǎn)稱(chēng)“交流”。

2、直流電的定義：不隨時(shí)間變化的電流稱(chēng)為“直流”。

3、恒定電流的定義：和不隨時(shí)間變化的電流稱(chēng)為“恒定電流”。

圖中屬于交流電的是，屬于直流電的是，屬于恒定電流的是

，

演示物理現(xiàn)象2：

將手搖式發(fā)電機(jī)與定值電阻、電流表串聯(lián)。

引導(dǎo)學(xué)生反思：讓線框從如圖所示的中性面開(kāi)始沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)；引導(dǎo)學(xué)生思考以下問(wèn)題

（1）線圈在甲圖位置是否有感應(yīng)電流？

（2）線圈在乙圖位置是否有感應(yīng)電流？

（3）在線圈由甲轉(zhuǎn)到乙的過(guò)程中，AB邊中電流向哪個(gè)方向流動(dòng)？（由B→A）

（4）線圈在丙圖位置是否有感應(yīng)電流？

（5）線圈在丁圖位置是否有感應(yīng)電流？

（6）在線圈由丙轉(zhuǎn)到丁的過(guò)程中，AB邊中電流向哪個(gè)方向流動(dòng)？（由A→B）

（7）線圈轉(zhuǎn)到什么位置時(shí)線圈中沒(méi)有電流？轉(zhuǎn)到什么位置時(shí)線圈中電流最大？

二、【師生總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論】

（1）手搖式發(fā)電機(jī)快速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)二極管交替閃爍。

（2）線圈轉(zhuǎn)動(dòng)一周，感應(yīng)電流的方向改變兩次。

（3）兩個(gè)特殊位置的各物理量有如下特征。

名稱(chēng)中性面中性面的垂面

位置線圈平面與磁場(chǎng)垂直線面平面與磁場(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

線圈邊框切割磁感線的有效速度零最大

感應(yīng)電流零最大

電流方向改變不變

三、【展示圖像進(jìn)行探究】

導(dǎo)入下圖：設(shè)線圈從中性面開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，角速度是ω．經(jīng)過(guò)時(shí)間t，AB、CD寬L1，AD、BC長(zhǎng)L2，磁

感應(yīng)強(qiáng)度是B.

引導(dǎo)學(xué)生反思以下問(wèn)題：

（1）ts末線圈與中性面的夾角是，此時(shí)AB邊的速度為，AB邊切割磁

感線的有效速度為，AB邊中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

為，若為N匝線圈，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為。

（2）結(jié)合上圖任意時(shí)刻t的磁通量為，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律該時(shí)刻感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

的大小為。

（3）如果計(jì)時(shí)零時(shí)刻線圈較中性面已轉(zhuǎn)過(guò)30度角，線圈在任意位置的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)又如何表示？

（4）如果計(jì)時(shí)開(kāi)始時(shí)，線圈從垂直與中性面的位置開(kāi)始，線圈在任意位置的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)又如何表示？

四、【導(dǎo)入交流電的概念】

老師總結(jié)：

矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的交變電流按照正弦函數(shù)的規(guī)

律變化——正弦式交流電

五、【引出交變電流的規(guī)律】

引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)：

當(dāng)線圈的匝數(shù)為n，從中性面開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值為enBSsint，峰值為

nBS，磁通量的瞬時(shí)值為BS.cost，峰值為BS。

引導(dǎo)學(xué)生反思：

若該線圈給外電阻R供電，設(shè)線圈本身電阻為r，則負(fù)載兩端的電壓u、流過(guò)的電流i隨時(shí)間變

化的規(guī)律是怎樣的？

流過(guò)負(fù)載的電流：

eEmEm

isintImsint，其中Im

RrRrRr

負(fù)載兩端電壓：

RRR

ueEmsintUmsint,其中UmEm

RrRrRr

正弦式交變電流的圖像（中性面計(jì)時(shí)）

引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)不同形式的交流電：

六、【演示兩種發(fā)電機(jī)的簡(jiǎn)易圖】

出示兩種交流發(fā)電機(jī)的簡(jiǎn)化圖像，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)交流發(fā)電機(jī)的工作原理及構(gòu)造；

旋轉(zhuǎn)電樞式

（ABCD——線圈（電樞）K、L——圓環(huán)E、F——電刷）

旋轉(zhuǎn)磁極式

七、【導(dǎo)入兩種發(fā)電機(jī)的區(qū)別】

教師總結(jié)：

旋轉(zhuǎn)電樞式：旋轉(zhuǎn)電樞轉(zhuǎn)動(dòng)，磁極不動(dòng)的發(fā)電機(jī)；

旋轉(zhuǎn)磁極式：如果磁極轉(zhuǎn)動(dòng)，電樞不動(dòng)。

八、【反思與總結(jié)】

教師提問(wèn)：旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)與旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)的區(qū)別：

師生共同總結(jié)（課件展示）：

旋轉(zhuǎn)電樞式：旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電流，經(jīng)過(guò)裸露的滑環(huán)和電刷引到外電路，如果電

壓很高，可能發(fā)生火花放電，滑環(huán)和電刷很快會(huì)燒壞。同時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞無(wú)法做得很大，線圈匝數(shù)

也不可能很多，所以產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也不能很高。這種發(fā)電機(jī)輸出的電壓一般不超過(guò)500V。

旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)：旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)克服了上述缺點(diǎn)，能夠產(chǎn)生幾千伏到幾萬(wàn)伏的電壓，輸出功

率可達(dá)幾百兆瓦。所以，大多數(shù)發(fā)電機(jī)是旋轉(zhuǎn)磁極式的。

九、【引入轉(zhuǎn)子、定子的概念】

老師總結(jié)：

不論哪種發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)的部分都叫轉(zhuǎn)子，不動(dòng)的部分都叫定子；所以，旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)

子是電樞，定子是磁極；旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是磁極，定子是電樞。

課堂鞏固提高

例1．(多選)關(guān)于交變電流和直流電的說(shuō)法中，正確的是()

A．如果電流大小做周期性變化，則一定是交變電流

B．直流電的大小可以變化，但方向一定不變

C．交變電流一定是按正弦或余弦規(guī)律變化的

D．交變電流的最大特征就是電流的方向發(fā)生周期性的變化

【答案】BD

【解析】直流電的特征是電流方向不變，交流電的特征是電流方向周期性改變。另外交變電流不一

定都是正弦式電流或余弦式電流。故A、C錯(cuò)誤，B、D正確。

例2．(多選)矩形線框繞垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)且在線框平面內(nèi)的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了交變電流，下列說(shuō)法

正確的是()

A．當(dāng)線框位于中性面時(shí)，線框中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大

B．當(dāng)穿過(guò)線框的磁通量為零時(shí)，線框中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也為零

C．每當(dāng)線框經(jīng)過(guò)中性面時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或感應(yīng)電流方向就改變一次

D．線框經(jīng)過(guò)中性面時(shí)，各邊不切割磁感線

【答案】CD

【解析】線框位于中性面時(shí)，線框平面與磁感線垂直，穿過(guò)線框的磁通量最大，但此時(shí)切割磁感

線的兩邊的速度與磁感線平行，即不切割磁感線，所以此時(shí)電動(dòng)勢(shì)等于零，穿過(guò)線框的磁通量的變

化率等于零，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或感應(yīng)電流的方向在此時(shí)刻變化。垂直于中性面時(shí)，穿過(guò)線框的磁通量為

零，切割磁感線的兩邊的速度與磁感線垂直，有效切割速度最大，所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，此時(shí)穿過(guò)

線框的磁通量的變化率最大。故C、D正確。

例3．(多選)如圖所示，形狀或轉(zhuǎn)軸位置不同，但面積均為S的單匝線圈處在同一個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B

的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，以相同的角速度ω勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，從圖示的位置開(kāi)始計(jì)時(shí)，則下列說(shuō)法正確的是()

A．感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大值相同

B．感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值不同

C．感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大值、瞬時(shí)值都不同

D．感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大值、瞬時(shí)值都相同

【答案】AD

【解析】根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生可知，只要導(dǎo)線框的面積相同、匝數(shù)相同、以相同的角速度在同一

勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值Em＝nBSω都相同；由于導(dǎo)線框都是從中性

面開(kāi)始計(jì)時(shí)，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式均為：e＝Emsinωt，故說(shuō)明四個(gè)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大值

及瞬時(shí)值均相同，故A、D正確。

例4．(多選)線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式為e＝10sin20πt(V)，則下列說(shuō)法正確的是

()

A．t＝0時(shí)，線圈平面位于中性面

B．t＝0時(shí)，穿過(guò)線圈的磁通量最大

C．t＝0時(shí)，線圈切割磁感線的有效速率最大

D．t＝0.4s時(shí)，e有最大值102V

【答案】AB

【解析】由電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式可知計(jì)時(shí)從線圈位于中性面時(shí)開(kāi)始，所以t＝0時(shí)，線圈平面位

于中性面，磁通量最大，但此時(shí)線圈速度方向與磁感線平行，切割磁感線的有效速率為零，A、B正

確，C錯(cuò)誤。當(dāng)t＝0.4s時(shí)，e＝10sin20πt＝10×sin(20π×0.4)V＝0，D錯(cuò)誤。

例5、一矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁感線的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，穿過(guò)線圈的磁通量隨時(shí)間變化的圖

象如圖所示，則下列說(shuō)法中正確的是()

A．t＝0時(shí)刻線圈平面與中性面垂直

B．t＝0.01s時(shí)刻Φ的變化率達(dá)最大

C．t＝0.02s時(shí)刻感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)達(dá)到最大

D．t＝0.03s時(shí)刻感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零

【答案】B

【解析】t＝0時(shí)刻，Φ最大，線圈是在中性面位置，A錯(cuò)誤；t＝0.01s時(shí)，Φ＝0，線圈是在線圈

平面與磁場(chǎng)平行的位置，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，Φ的變化率最大，B正確；t＝0.02s時(shí)刻，線圈在中性面

位置，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零，C錯(cuò)誤；t＝0.03s時(shí)刻，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，D錯(cuò)誤。

例6、關(guān)于交流發(fā)電機(jī)以下說(shuō)法正確的是：（）

A.常見(jiàn)的交流發(fā)電機(jī)有兩種，一種是旋轉(zhuǎn)電樞式一種是旋轉(zhuǎn)磁極