第五章交变电流第一节

第五章交变电流学习目标:1.会观察电流或电压的波形图,理解交变电流、直流的概念.2.分析线圈转动一周中电动势和电流方向的变化,能对交变电流的产生有比较清的了解,具有运用原理解决新情境下问题的能力.3.知道交变电流的变化规律及表示方法,知道交变电流的峰值、瞬时值的物理意义.一、知识链接:1.产生感应电流的条件是什么?感应电流的方向如何判断?2.在电磁感应现象中,能量形式是如何转化的?发电机是利用什么原理来发电的?二、问题导学:交变电流1.①在恒定电流的电路中,为什么电路中的电流、电压都不随时间变化?②在生产和日常生活用电的电力系统中,为什么用电器中的电流、电压都随时间做周期性变化?③什么是交变电流?什么是直流?交变电流能变成直流吗?交变电流的产生2.如图5.1-3是交流发电机的示意图.线圈的AB边和CD边分别是与哪两个金属滑环连接的?线圈在转动时是怎样保持与外电路连接的?问题:①转动过程中,线圈ABCD的哪些边产生感应电动势?在四个图中,产生电动势最大的是图；产生电动势电动势最小的是图.②当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的电流最大?3.什么是中性面?①线圈经过中性面时，感应电动势为，感应电流为.磁通量最,磁通量的变化率最.②当线圈平面与中性面垂直时，感应电动势最，感应电流最.磁通量最,磁通量的变化率最.③线圈每经过中性面一次，交流电方向改变次，线圈每转动一周（交流电的一个周期），次经过中性面，交流电的方向改变次.交变电流的变化规律4.线圈从中性面(图5.1-3中的甲图)开始计时,转动的角速度是ω,线圈中的感应电动势的峰值是Em，经过时间t,①感应电动势e随时间变化的规律(也叫瞬时值表达式)为e=.式中电动势的峰值Em表示什么意思?.e叫什么?.②当负载为纯电阻时,电压u、流过的电流i随时间的变化规律(瞬时值表达式).u=,i=.Um和Im表示什么值?.u、i叫什么?.③什么叫正弦式交变电流?产生正弦式交变电流的条件是什么?三、小结1、交变电流：大小和方向都随时间做周期性变化的电流.正弦式交变电流:按正弦规律变化的交变电流叫做正弦交变电流.产生:矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动.2、中性面特点:线圈平面垂直于磁感线；φ增大；Δφ/Δt最小为零；感应电动势为零；感应电流为零；电流方向发生改变.3、交变电流的变化规律：（1）方向变化规律:线圈平面每经过中性面一次，感应电流的方向就改变一次；线圈转动一周，感应电流的方向改变两次。（2）大小变化规律-------按正弦规律变化(以线圈经过中性面开始计时，在时刻t).表达式:e=EmsinωtEm=NBSω叫电动势的最大值i=ImsinωtIm=Em/R叫电流的最大值u=UmsinωtUm=ImR叫电压的最大值(电动势的最大值，与线圈的形状、转轴的位置无关)图象:三、例题解析例题1、如图所示中，不能产生交变电流的是()解析：矩形线圈绕着垂直于磁场方向的转轴做匀速圆周运动就产生交流电，而A图中的转轴与磁场方向平行，线圈中无电流产生.例题2、交流发电机在工作时的电动势e＝Emsinωt.若将线圈匝数、线圈面积都提高到原来的两倍，其他条件不变，则电动势变为()A.e＝2EmsinωtB.e＝4EmsinωtC.e＝12EmsinωtD.e＝14Emsinωt解析：由电动势最大值表达式Em＝NBSω，N、S变为原来的两倍，则最大值变为4Em.例题3、线圈在匀强磁场中转动产生电动势e＝10sin20πtV，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，导线切割磁感线的有效速率最大D.t＝0.4s时，e有最大值102V解析：由电动势的瞬时值表达式，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，磁通量为最大，但此时导线速度方向与磁感线平行，切割磁感线的有效速率为零,C错误．当t＝0.4s时，e＝10sin20πt＝10×sin(20π×0.4)V＝0，D错误．例题4、一只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＝0.01s时刻，Φ的变化率最大C．t＝0.02s时刻，感应电动势达到最大D．该线圈转动的角速度为50πrad/s解析：由图象可知t＝0、0.02s、0.04s时刻线圈平面是中性面位置，Φ最大.ΔΦΔt＝0，故E＝0.t＝0.01s、0.03s、0.05s时刻线圈平面与磁感线平行，Φ最小，ΔΦΔt最大，故E最大，从图象可知，交变电流变化的周期T＝0.04s，则ω＝2πT＝50πrad/s.例题5、如图所示，线圈的面积是0.05m2，共100匝，线圈电阻为1Ω，外接电阻R＝9Ω，匀强磁场的磁感应强度为B＝1πT，当线圈以300r/min的转速匀速旋转时，求：(1)若从线圈处于中性面开始计时，写出线圈中感应电动势的瞬时值表达式．(2)线圈转了130s时电动势的瞬时值多大？(3)电路中流过电阻R的电流的峰值是多少？解析：(1)角速度ω＝10πrad/sEm＝NBSω＝100×1π×0.05×10πV＝50V感应电动势的瞬时值e＝Emsinωt＝50sin10πtV.(2)当t＝1/30s时，e＝50sin(10π×130)V＝253V.(3)电流峰值Im＝Em/(R＋r)＝50＋A＝5A.四、练习与提高1.矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动，下列说法中正确的是()A.在中性面时，通过线圈的磁通量最大B.在中性面时，感应电动势最大C.穿过线圈的磁通量为零时，感应电动势也为零D.穿过线圈的磁通量为零时，磁通量的变化率也为零2.交流发电机在工作时电动势为e＝Emsinωt，若将发电机的转速提高一倍，同时将电枢所围面积减小一半，其他条件不变，则其电动势变为()A.e′＝Emsinωt2B.e′＝2Emsinωt2C.e′＝Emsin2ωtD.e′＝Em2sin2ωt3.大小和方向都随时间做周期性变化的电流叫做交变电流．如图所示都属于交变电流．下列几个图中哪个是正弦式交流电，哪个是方波，说法正确的是()A.a是正弦式交流电，c是方波B.b是正弦式交流电，d是方波C.a是正弦式交流电，b是方波D.d是正弦式交流电，b是方波4.某线圈在匀强磁场中匀速转动，穿过它的磁通量Φ随时间的变化规律可用图表示，则()A.t1和t2时刻，穿过线圈磁通量的变化率最大B.t2时刻，穿过线圈的磁通量变化率为零C.t3时刻，线圈中的感应电动势为零D.t4时刻，线圈中的感应电动势达最大值5.如下图所示，能够产生交变电流的情况是()6.有一10匝正方形线框，边长为20cm，线框总电阻为1Ω，线框绕OO′轴以10πrad/s的角速度匀速转动，如图所示,已知匀强磁场的磁感应强度为0.5T．问：(1)该线框产生的交变电流电动势最大值、电流最大值分别是多少？(2)线框从图示位置转过60°时，感应电动势的瞬时值是多大？(3)写出感应电动势随时间变化的表达式．