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1、1 1交变电流交变电流制作人：峨眉一中制作人：峨眉一中物理组物理组宋宋 继继 利利教教 学学 目目 标标 v（一）知识与技能（一）知识与技能v1使学生理解交变电流的产生原理，知道什么是中性面。v2掌握交变电流的变化规律及表示方法。v3理解交变电流的瞬时值和最大值及中性面的准确含义。v（二）过程与方法（二）过程与方法v1掌握描述物理量的三种基本方法（文字法、公式法、图象法）。v2培养学生观察能力，空间想象能力以及将立体图转化为平面图形的能力。v3培养学生运用数学知识解决物理问题的能力。v（三）情感、态度与价值观（三）情感、态度与价值观v通过实验观察，激发学习兴趣，培养良好的学习习惯，体会运用数学
2、知识解决物理问题的重要性v教学重点教学重点v交变电流产生的物理过程的分析。v教学难点教学难点v交变电流的变化规律及应用。 v教学方法教学方法 v演示法、分析法、归纳法 v教学手段教学手段 v手摇单相发电机、小灯泡、示波器、多媒体教学课件、示教用大的电流表 1、直直流电流电流流方向不随时间变化的电流方向不随时间变化的电流2、交交变电变电流流一、交变电流一、交变电流正弦交变电流是一种最简单、最基本的正弦交变电流是一种最简单、最基本的交变电流发电厂发出的就是正弦交变电交变电流发电厂发出的就是正弦交变电流。流。 甲 乙 丙 丁 戊示波器上观察到的几种电压波形恒定电流恒定电流其余是交流电流其余是交流电流
3、正弦交变电流正弦交变电流二、交变电流的产生和二、交变电流的产生和正弦交变电流发电机模型正弦交变电流发电机模型 甲甲 乙乙 丙丙 丁丁 戊戊1、线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动、线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动 甲 乙 丙 丁 戊2、过程分析、过程分析 甲 乙 丙 丁 戊将立体图转化为平面图将立体图转化为平面图NSSNNSabcdad判断此位置有没有感应电流，方向怎么样？判断此位置有没有感应电流，方向怎么样？BS最大最大E=0=0I=0=0中性面中性面垂直磁场方向的平面叫做垂直磁场方向的平面叫做中性面。中性面。线圈经过线圈经过中性面中性面时，时，最大最大，/t=0=0但线圈中的但
4、线圈中的电动势为零电动势为零. .2 2、过程分析、过程分析/ 判断此位置有没有感应电流，方向怎么样？判断此位置有没有感应电流，方向怎么样？NSSNE E最大最大BS=0=0I I最大最大感应电流方向感应电流方向a到到b线圈与磁场平行时，线圈与磁场平行时，最小最小，/t最大，最大，但线圈中的但线圈中的电动势最大电动势最大(vB)BS最大最大E=0 I=0中性面中性面BS=0E、I最大最大感应电流方向感应电流方向b到到a/ vB线圈转动一周，线圈转动一周，多少次经过中性面多少次经过中性面?电流方向改变多少次电流方向改变多少次?思考与讨论思考与讨论.a(b)a(b)c(d)c(d)O O 1.中性
5、面中性面：垂直磁场方向的平面垂直磁场方向的平面（1）线圈经过中性面时，穿过线圈的）线圈经过中性面时，穿过线圈的磁通量最磁通量最大大=BS，但，但/t =0最小最小，（，（ ab和和cd边都边都不切割磁感线），线圈中的感应不切割磁感线），线圈中的感应电动势为零电动势为零（2）线圈经过中性面时，电流将改变方向，线）线圈经过中性面时，电流将改变方向，线圈转动圈转动一周一周，两次两次经过中性面，电流方向改变经过中性面，电流方向改变两次两次2.线圈平行与磁感线时，线圈平行与磁感线时，=0,/t最大最大，感应感应电动势最大电动势最大。 以线圈经过中性面开始计时，切割边以线圈经过中性面开始计时，切割边ab=
6、L1，另，另一边一边bc=L2,推导任意时刻推导任意时刻t线圈中的感应电动势线圈中的感应电动势（演示演示 ） 线圈匀速转动过程中，线圈匀速转动过程中，abab、cdcd边要切割磁感线产生感应电边要切割磁感线产生感应电动势，由于两边的运动速度始终是大小相等方向相反，所以动势，由于两边的运动速度始终是大小相等方向相反，所以两边产生的感应电动势总是大小相等方向相同（如图），故两边产生的感应电动势总是大小相等方向相同（如图），故线圈的总的感应电动势为：线圈的总的感应电动势为：e=2eabe为电动势在时刻为电动势在时刻t的瞬时值，的瞬时值，Em为电动势的最大值（峰值）为电动势的最大值（峰值）NBS2Lv
7、 = 2又又研究研究ab边切割磁感线产生的感应电动势，边切割磁感线产生的感应电动势，从中性面开始计时，经过时间从中性面开始计时，经过时间t，ab边边绕绕OO?轴转过的角度轴转过的角度=t，速度，速度v在与在与磁场垂直的分量磁场垂直的分量v1=v sin=v sint如如图，在图，在ab边上产生的电动势为：边上产生的电动势为：eab=BL1vsint由此可得由此可得 e=2eab = 2BL1vsint =BL1L2sint 设设S为矩形线圈的面积，为矩形线圈的面积，S=L1L2。考虑到发电机实际匝数。考虑到发电机实际匝数为为N，并令，并令Em=NBS，则则e=Emsintme = E sint
8、1、电动势按正弦规律变化、电动势按正弦规律变化2 2、电流按正弦规律变化、电流按正弦规律变化 mi = Isint3 3、电压按正弦规律变化、电压按正弦规律变化 mu=U sint 电流电流i通过通过R时：时： ，mmu=iRU= I R. 式中式中e、i、u分别为电动势、电流、电压的瞬时值。分别为电动势、电流、电压的瞬时值。成立条成立条件：件：闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动，经中闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动，经中性面时开始计时。性面时开始计时。max= nBSEeoEmT/4T/42T/42T/43T/43T/4T T/2/23 3/2/22 2tt tabcd
9、KLABabcdK LABabcdkLABabcdkLABabcdkLAB三、交流电的图像三、交流电的图像 、交流电的产生：矩形线圈在匀、交流电的产生：矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速旋强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速旋转时，线圈中就产生转时，线圈中就产生 、交变电流：、交变电流：和和 都随时间做都随时间做 的电流叫的电流叫做交变电流电压和电流随时间按做交变电流电压和电流随时间按变化的交流电叫正弦交流电变化的交流电叫正弦交流电 课堂练习课堂练习 、当线圈平面垂直于磁感线时，、当线圈平面垂直于磁感线时，线圈各边都不切割磁感线，线圈中没线圈各边都不切割磁感线，线圈中没有感应电流，这样的
10、位置叫做有感应电流，这样的位置叫做 线圈平面每经过中性面一次，线圈平面每经过中性面一次，感应电流方向就改变一次，因此线圈感应电流方向就改变一次，因此线圈转动一周，感应电流方向改变转动一周，感应电流方向改变、线圈从中性面开始转动，角速度是、线圈从中性面开始转动，角速度是，线圈，线圈中的感应电动势的峰值是中的感应电动势的峰值是Em，那么在任一时刻，那么在任一时刻t感应电动势的瞬时感应电动势的瞬时值值e为为若电路总若电路总电阻为电阻为，则感应电流的瞬时值，则感应电流的瞬时值为为 0Em -Emt四、交流发电机四、交流发电机1、组成：、组成：用来产生感应电动势的线圈（叫电枢）用来产生感应电动势的线圈（
11、叫电枢） 用来产生磁场的磁极用来产生磁场的磁极 2、种类、种类 旋转电枢式发电机旋转电枢式发电机 旋转磁极式发电机旋转磁极式发电机转转动的部分叫转子，不动的部分叫定子动的部分叫转子，不动的部分叫定子、交流发电机有两种，即、交流发电机有两种，即 、 其中转动的部分叫其中转动的部分叫，不动的部分叫不动的部分叫 发电机转子发电机转子是由是由 、 或其或其它它动力机带动动力机带动旋转磁极式旋转磁极式旋转电枢式旋转电枢式转子转子定子定子水轮机水轮机蒸汽轮机蒸汽轮机6、一矩形线圈、一矩形线圈,绕垂直于匀强磁场并位于线绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面的固定轴转动圈平面的固定轴转动,线圈中的感应电动势线圈中的感
12、应电动势e随时随时间间t的变化如图所示的变化如图所示,下面说法中正确的是下面说法中正确的是A.t1时刻通过线圈的磁通量为零时刻通过线圈的磁通量为零B.t2时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大C.t3时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大D.每当每当e变换方向时，通过线圈的磁通量绝变换方向时，通过线圈的磁通量绝对值最小对值最小et0t1t2t3t4Em-EmC1 1、知道交变电流知道交变电流定义定义（ACAC）：）：大小和方向都随时间作周期性变化大小和方向都随时间作周期性变化的电流。方向不随时间变化的电流为的电流。方向不随时间变化的电流为直流
13、电直流电（DCDC）。）。辨析电流图辨析电流图。3 3、推导和理解交变电流的推导和理解交变电流的变化规律变化规律：（重难点）（重难点）（1）方向变化规律方向变化规律-线圈平面每经过线圈平面每经过中性面中性面一次，感应电流的一次，感应电流的方向就改变方向就改变一次；线圈转动一次；线圈转动一周一周，感应电流的方向改变，感应电流的方向改变两次两次。 最大最大，/t =0最小，感应电动势最小最小，感应电动势最小E=0（2）大小）大小变化规律变化规律-按按正弦规律正弦规律变化：（能画出瞬时线速度分变化：（能画出瞬时线速度分解图）解图） e=Emsint Em=NBS叫电动势的最大值（峰值）叫电动势的最大
14、值（峰值） i=Imsint Im=Em/R+r 叫电流的最大值（峰值）叫电流的最大值（峰值） u=Umsint Um=ImR 叫电压的最大值（峰值）叫电压的最大值（峰值） 交变电流交变电流 小结小结2 2、理解交变电流产生的理解交变电流产生的过程过程：线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动产生正弦式交变电流。能画出四幅过程图。的轴匀速转动产生正弦式交变电流。能画出四幅过程图。 垂直磁场方向的平面叫做垂直磁场方向的平面叫做中性面。中性面。 （重点）（重点）.RIUiRumm，电流通过电流通过R时：时：1在如图所示的几种电流随时间变化的图线中，属于交在如图所示的几种
15、电流随时间变化的图线中，属于交变电流的是变电流的是 ，属于正弦交变电流的是，属于正弦交变电流的是 。tiABCDA B DA课堂练习2 一矩形线圈绕垂直于匀强磁场一矩形线圈绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定轴转动，并位于线圈平面内的固定轴转动，线圈中的感应电动势随时间的变线圈中的感应电动势随时间的变化规律如图所示，下面说法中正化规律如图所示，下面说法中正确的是确的是( )：A. T1时刻通过线圈的磁通量为零；时刻通过线圈的磁通量为零；B. T2时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大；时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大；C. T3时刻通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大；时刻通过线圈的磁通量变化率的绝
16、对值最大；D. 每当每当e变换方向时，通过线圈的磁通量的绝对值都为变换方向时，通过线圈的磁通量的绝对值都为最大。最大。 D1. 1. 矩形线圈在匀强磁场中匀速转动。设线圈矩形线圈在匀强磁场中匀速转动。设线圈abab边长为边长为20cm20cm，adad边长为边长为10cm10cm，磁感应强度，磁感应强度 B=0.01TB=0.01T，线圈的转速，线圈的转速n=50r/sn=50r/s，求：电动势的，求：电动势的最大值及对应的线圈位置。最大值及对应的线圈位置。0.0628V 0.0628V 线圈平面与磁场方向平行。线圈平面与磁场方向平行。 2. 2. 如图所示：匝数为如图所示：匝数为NN、面积为
17、、面积为S S的矩形线圈在匀强磁场的矩形线圈在匀强磁场B B中匀速转中匀速转动，角速度为动，角速度为，求线圈从图示，求线圈从图示位置转过位置转过180180度时间内的平均感应度时间内的平均感应电动势。电动势。. .E平均=S2N B /练习4、 一台发电机产生的按正弦规律变化的感应电动势的最大值为一台发电机产生的按正弦规律变化的感应电动势的最大值为311V，线圈在磁场中转动的角速度，线圈在磁场中转动的角速度100rad/s。（1）写出感应电动势的瞬时值表达式。）写出感应电动势的瞬时值表达式。（2）若该发电机只与含电阻的负载组成闭合电路，电路的）若该发电机只与含电阻的负载组成闭合电路，电路的 总
18、电总电阻为阻为100，试写出通过负载的电流强度的瞬时表达式，在，试写出通过负载的电流强度的瞬时表达式，在t=1/120s时电流强度的瞬时值为多少？时电流强度的瞬时值为多少？（3）线圈从中性面转过）线圈从中性面转过180度的过程中，电动势的最大值、平度的过程中，电动势的最大值、平均值分别是多少？均值分别是多少？（4）转动过程中磁通量的变化率最大值是多少？）转动过程中磁通量的变化率最大值是多少？答案答案（1）e=311Sin100t （2）I=3.11Sin（1001/120）=3.111/2=1.55（A）（3）E m=311V E=N/t=2NBS/198V（4）/t=311/N（Wb/s）作
19、业：作业：P34一、交变电流一、交变电流实验探究实验探究1：将手摇发电机模型与小灯泡连接成闭合电路，匀将手摇发电机模型与小灯泡连接成闭合电路，匀速转动手柄，可看到小灯泡速转动手柄，可看到小灯泡_(见教材见教材P32图图211)实验探究实验探究2：将上述电路中的小灯泡换成零刻度将上述电路中的小灯泡换成零刻度 居中的居中的 电电 流流表表,启用教材启用教材P32图图212所示的电机原理说明器，所示的电机原理说明器， 缓慢、缓慢、 匀匀 速转动手柄，可看到电流表的指针速转动手柄，可看到电流表的指针_摆动摆动实验探究实验探究3：用示波器观察电压的图形用示波器观察电压的图形忽明忽暗忽明忽暗左右左右1把直
20、流和交变电流先后输入示波器，根据示波器屏幕上观把直流和交变电流先后输入示波器，根据示波器屏幕上观察到的图像可以看出，直流电压的大小和方向不随时间察到的图像可以看出，直流电压的大小和方向不随时间 发发 生生变化，而交变电流的电压的大小和方向都随时间变化，而交变电流的电压的大小和方向都随时间_.2在物理学中，把大小和方向都随时间做在物理学中，把大小和方向都随时间做_的的电流，叫做交变电流电流，叫做交变电流,简称交流电简称交流电,常用字母常用字母“AC”或符号或符号“”表示大小和方向都不随时间变化的电流叫表示大小和方向都不随时间变化的电流叫_电流，用字母电流，用字母“DC”或符号或符号“”表示表示发
21、生变化发生变化周期性变化周期性变化恒定恒定想一想想一想1.用一块蹄形磁铁慢慢地接近发光的白炽灯泡，可用一块蹄形磁铁慢慢地接近发光的白炽灯泡，可以看到灯丝在不停的颤抖，而移去磁铁后就不再有这种现象以看到灯丝在不停的颤抖，而移去磁铁后就不再有这种现象.想想看，是什么原因使灯丝颤抖起来的呢？想想看，是什么原因使灯丝颤抖起来的呢？提示：提示：家庭电路中家庭电路中,由于流过灯丝中的电流大小方向随时间作由于流过灯丝中的电流大小方向随时间作周期性变化周期性变化,所以处在磁场中的灯丝受到的安培力的大小、方所以处在磁场中的灯丝受到的安培力的大小、方向随时间作周期性变化，因而灯丝就会不停地颤抖向随时间作周期性变化
22、，因而灯丝就会不停地颤抖二、正弦交变电流的产生和表述二、正弦交变电流的产生和表述1产生产生：闭合矩形线圈在：闭合矩形线圈在_磁场中绕磁场中绕_的轴的轴_转动时，线圈中就会产生正转动时，线圈中就会产生正弦交流电弦交流电2描述如下表描述如下表匀强匀强垂直于磁场方向垂直于磁场方向匀速匀速函数函数图像图像瞬时电动势：瞬时电动势：e_瞬时电压：瞬时电压：u_瞬时电流：瞬时电流：i_Emsin tUmsin tImsin t上面表达式中上面表达式中Em、Um、Im分别是电动势、电压、电流的最大值，分别是电动势、电压、电流的最大值，而而e、u、i分别是这几个量的分别是这几个量的_值，此正弦值，此正弦 交流电
23、交流电峰值峰值(最大值最大值)的表达式为的表达式为Em_，从表，从表 格格 中的图中的图像来看是从线圈处于像来看是从线圈处于_开始计时的开始计时的瞬时瞬时NBS中性面中性面想一想想一想2.某电路中电流随时间的变化图像如图所示，结合某电路中电流随时间的变化图像如图所示，结合交变电流的概念想一下，这是交变电流吗？为什么？交变电流的概念想一下，这是交变电流吗？为什么？提示：提示：不是，因为此电流的方向不随时间变化不是，因为此电流的方向不随时间变化,它是直流电它是直流电.磁场中的两个特殊位置磁场中的两个特殊位置学案导引学案导引1线圈在磁场中分别处于什么位置时穿过线圈的磁通量最大和线圈在磁场中分别处于什
24、么位置时穿过线圈的磁通量最大和最小？最小？2电流方向在什么时刻发生改变？在什么时刻达到最大值电流方向在什么时刻发生改变？在什么时刻达到最大值?图示图示概念概念特点特点中性面位置中性面位置与中性面垂直的位置与中性面垂直的位置BSBSBS，最大，最大0，最小，最小感应电流为零，感应电流为零，方向改变方向改变感应电流最大，方向不变感应电流最大，方向不变一个周期两次经过中性一个周期两次经过中性面，电流方向改变两次面，电流方向改变两次一个周期电动势两次最大，两一个周期电动势两次最大，两次最大值方向相反次最大值方向相反BAt1、t3时刻通过线圈的磁通量变化率最大时刻通过线圈的磁通量变化率最大Bt1、t3时
25、刻线圈中感应电流方向改变时刻线圈中感应电流方向改变Ct2、t4时刻线圈中磁通量最大时刻线圈中磁通量最大Dt2、t4时刻线圈中感应电动势最小时刻线圈中感应电动势最小思路点拨思路点拨磁通量最大时，变化率为磁通量最大时，变化率为0，电，电动势动势 为为0， 电电 流为流为0；磁通量为；磁通量为0时，变化时，变化率最大，电动势最大率最大，电动势最大,电流最大电流最大规律总结规律总结解决图像问题的基本方法是：解决图像问题的基本方法是：“一看一看”、“二变二变”、“三判断三判断”即：一看：看即：一看：看“轴轴”、看看“线线”、看、看“斜率斜率”、看、看“点点”二变：掌握二变：掌握“图与图图与图”、“图与式
26、图与式”和和“图与物图与物”之间的之间的 变通变通能力能力三判断：结合图像和公式进行正确分析和判断三判断：结合图像和公式进行正确分析和判断1一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像如图甲所示，则以下说法穿过线圈的磁通量随时间变化的图像如图甲所示，则以下说法中正确的是中正确的是()At0时刻，线圈平面与中性面垂直时刻，线圈平面与中性面垂直Bt0.01 s时刻，时刻，的变化率最大的变化率最大Ct0.02 s时刻，交变电流的电动势达到最大时刻，交变电流的电动势达到最大D该线圈产生的交变电流的电动势随时间变化
27、的图像如图乙该线圈产生的交变电流的电动势随时间变化的图像如图乙所示所示B学案导引学案导引1若从线圈处于中性面开始计时，交变电流的瞬时值表达式是若从线圈处于中性面开始计时，交变电流的瞬时值表达式是什么？若从垂直于中性面位置开始计时呢？什么？若从垂直于中性面位置开始计时呢？2怎样计算交变电流的最大值？怎样计算交变电流的最大值？正弦交变电流的瞬时值和最大值正弦交变电流的瞬时值和最大值答案答案(1)6.28 V6.28 A(2)e6.28cos 10t V(3)3.14 VC平均感应电动势的求法平均感应电动势的求法思路点拨思路点拨求电动势平均值时，必须由法拉求电动势平均值时，必须由法拉 第电磁感第电磁感 应应 定定律求解律求解答案答案(1)e314sin100 t V(2)200 V名师点评名师点评平均电动势既不是最大感应电动势的一平均电动势既不是最大感应电动势的一 半，半， 也也不等于历时一半时间的瞬时电动势，必须由法拉第电磁感应不等于历时一半时间的瞬时电动势，必须由法拉第电磁感应定律求解定律求解随堂达标随堂达标CABACB30或或150 课时作业课时作业 BBDCABCBABCBDCB