第3章第2节交变电流是怎样产生的.docx

1、第3章第2节交变电流是怎样产生的第2节：交变电流是怎样产生的1原理由法拉第电磁感应定律可知，只要通过闭合导体的 发生变化，就可以产生感应电动势和 。2构造发电机主要由 (电枢)和 两部分组成。3种类(1)旋转 式发电机：磁极固定不动，让电枢在磁极中旋转。(2)旋转 式发电机：电枢固定不动，让磁极在电枢中旋转。对旋转电枢式发电机和旋转磁极式发电机的辨析(1)相同点：二者的发电原理是相同的，都利用了电磁感应原理，不管是线圈还是磁极转动，穿过线圈的磁通量都发生变化，产生感应电动势。(2)不同点：旋转电枢式发电机的转子是线圈，而旋转磁极式发电机的转子是磁极，旋转电枢式发电机由于自身条件和空间的限制，所

2、能产生的感应电动势不能很高，一般在500 V以下；而旋转磁极式发电机能够提供几千到几万伏的电压，输出功率可达几十万千瓦。1下列说法不正确的是()A交流发电机是把其他形式的能转变为电能的装置B交流发电机是把电能转变成其他形式能的装置C交流发电机中电枢和磁极不管谁转动，只要转动，就称为转子，只要不动，就称为定子D交流发电机利用的是电磁感应原理(1)产生方法：闭合线圈在匀强磁场中绕 于磁场的轴匀速 。(2)过程分析：图321(3)中性面：线圈平面与磁场 的位置，如图321中的 、 位置。两个特殊位置(时刻)物理量的特点： 两个位置比较内容中性面中性面的垂面图示时刻KT/2(K0,1,2)KT/4(K

3、1,3,5)位置线圈平面与磁场垂直线圈平面与磁场平行磁通量最大零磁通量变化率零最大感应电动势零最大电流方向改变不变2关于线圈在匀强磁场中转动产生的交变电流，以下说法中正确的是()A线圈平面每经过中性面，感应电动势方向不变B线圈每转动一周，感应电流方向就改变一次C线圈平面经过中性面一次，感应电动势和感应电流的方向都要改变一次D线圈转动一周，感应电动势和感应电流方向都要改变一次(1)正弦交流电：按 规律变化的交变电流。(2)函数和图象：函数图象瞬时电动势：eEmsint瞬时电压：uUmsint瞬时电流：iImsint注：表达式中Em、Um、Im分别是电动势、电压和电流的 ，而e、u、i则是这几个量

4、的 。1最大值和瞬时值的确定(1)当线圈平面和磁场平行时，电动势具有最大值，电动势最大值Em2nBlvnBS，由此可见，交变电动势最大值由线圈匝数n、磁感应强度B、转动角速度和线圈面积S决定，与线圈的形状无关，与转轴的位置无关。例：如图322所示几种情况，若n、B、S均相同，则电动势最大值均为EmnBS。图 322(2)要确定正弦交变电流的瞬时值表达式，需要先确定以下几个方面：最大值：Em、Im、Um。线圈转动的角速度：。开始计时时线圈所处的位置。2交变电流图象的认识图323(1)图象意义：反映了交变电流的电流(电压)随时间变化的规律。(2)通过图象可了解到的信息：最大值、周期、频率。3处在匀

5、强磁场中的矩形线圈abcd，以恒定的角速度绕ab边转动，磁场方向平行于纸面并与ab垂直。在t0时刻，线圈平面与纸面重合(如图324)，线圈的cd边离开纸面向外运动。若规定由abcda方向的感应电流为正，图325中能反映线圈中感应电流I随时间t变化的图象是() 图324图325例1一台交流发电机，其线圈从中性面开始转动，产生的交流感应电动势的最大值为311 V，线圈在磁场中转动的角速度是100 rad/s。(1)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，电路中的总电阻为100 ，试写出通过负载的电流的瞬时值表达式。并求在t s时电流的瞬时值为多少？思路点拨解此题

6、关键有两点：(1)线圈从中性面开始转动，计时起点应选中性面。(2)瞬时值表达式eEmsin t中各符号的意义。借题发挥求解交流电动势瞬时值的基本方法为：(1)确定线圈转动是从哪个位置开始计时的。(2)确定表达式是正弦形式还是余弦形式。(3)确定转动的角速度及N、B、S等。(4)求出峰值Em，写出表达式，代入数据即可求瞬时值。上题中若从垂直中性面位置开始计时，试写出感应电动势瞬时值表达式，并画出et图象。例2一台小型发电机产生的电动势随时间变化的正弦规律图象如图326甲所示。已知发电机线圈内阻为5.0 ，外接一只电阻为95.0 的灯泡。如图326乙所示，则()图326A电压表的示数为220 VB

7、电路中的电流方向每秒钟改变50次C灯泡实际消耗的功率为484 WD发电机线圈内阻每秒钟产生的焦耳热为24.2 J思路点拨解此题应从以下三点突破：(1)由图象可以直接读出交流电动势最大值，从而计算出有效值。但电压表读数为路端电压的有效值。(2)一个周期内电流方向改变两次。(3)计算电功率和焦耳热要用交流电的有效值。借题发挥通过图象的时间轴，可求交变电流的周期和频率，通过纵轴可直接得出交变电流的峰值，进而可以列出其瞬时值表达式，也可求出有效值，从而进行相关的运算。将阻值为5 的电阻接到内阻不计的交流电源上，电源电动势随时间变化的规律如图327所示。下列说法正确的是()A电路中交变电流的频率为0.2

8、5 HzB通过电阻的电流为 AC电阻消耗的电功率为2.5 W 图327D用交流电压表测得电阻两端的电压是5 V随堂基础巩固1如图328所示，关于闭合导线框中产生感应电流的下列说法中正确的是()A只要闭合导线框在磁场中做切割磁感线运动，线框中就会产生感应电流B只要闭合导线框处于变化的磁场中，线框中就会产生交变 图328电流C如图中矩形导线框以其任何一条边为轴在磁场中旋转，线框中就会产生交变电流D如图中若导线框以其对称轴OO为轴在磁场中转动，当穿过线圈的磁通量最大时，线框内不产生感应电流2一个矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时产生的交变电动势e220 sin100t V，则下列判断正确的是()At0时

9、，线圈位于中性面位置Bt0时，穿过线圈平面的磁通量为零Ct0时，线圈的有效切割速度方向垂直磁感线Dt0时，线圈中感应电动势达到峰值3.一矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时，产生的交变电动势的图象如图329所示，则()A交流电的频率是4 HzB当t0时，线圈平面与磁感线垂直，磁通量最大 图329C当t s时，e有最大值Dt s时，e10 V最小，磁通量变化率最小4.一个10匝正方形线框，边长为20 cm，线框总电阻为1 ，线框绕OO轴以10(rad/s)的角速度匀速转动，如图3210所示，垂直于线框平面向里的匀强磁场的磁感应强度为0.5 T。请回答：(1)该线框产生的交变电流的电动势最大值、电流最大

10、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？ 图3210(3)写出感应电动势随时间变化的表达式。课时跟踪训练1下列图1中，哪些情况线圈中不能产生交流电()图12关于中性面，下列说法正确的是()A中性面就是穿过线圈的磁通量为零的面B中性面就是线圈中磁通量变化率为零的面C线圈过中性面时，电流方向必改变D中性面就是线圈内感应电动势为零的面3如图2所示，一矩形线圈ab边长为l1，ad边长为l2，在磁感应强度为B的匀强磁场中绕OO轴以角速度从图示位置开始匀速转动，则t时刻线圈中的感应电动势为() 图2A0.5Bl1l2sintB0.5Bl1l2costCBl1l2sintDB

11、l1l2cost4如图3所示，单匝矩形线圈的一半放在具有理想边界的匀强磁场中，线圈轴线OO与磁场边界重合，线圈按图示方向匀速转动，t0时刻线圈平面与磁场方向垂直，规定电流方向沿abcda为正方向，则线圈内感应电流随时间变化的图象是() 图3图45交流发电机在工作时的电动势为eEmsint，若将其线框的转速提高到原来的两倍，其他条件不变，则其电动势变为()AEmsin B2EmsinCEmsin(2t) D2Emsin(2t)6如图5所示是一个经双向可控硅调节后加在电灯上的交变电压，它是在正弦交变电压的每一个二分之一周期中，前面四分之一周期被截去而形成的，则这个电压的有效值是()图5A220 V

12、 B110 VC220 V D110 V7.矩形线圈的匝数为50匝，在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动时，穿过线圈的磁通量随时间的变化规律如图6所示。下列结论正确的是()A在t0.1 s和t0.3 s时，电动势最小B在t0.2 s和t0.4 s时，电动势改变方向 图6C电动势的最大值是157 VD在t0.3 s时，磁通量变化率最大，其值为3.14 Wb/s8.如图7所示，在磁感应强度为B的匀强磁场中，有一匝数为N的矩形线圈，其面积为S，电阻为r，线圈两端外接一电阻为R的用电器和一个交流电压表。若线圈绕对称轴OO以角速度做匀速转动，则线圈从图示位置转过90的过程中，下列说法正确的是() A通过

13、电阻的电荷量为B交流电压表的示数为NBS 图7C交流电压表的示数为D电阻产生的热量为9如图8所示为实验室演示用手摇发电机模示意图，匀强磁场的磁感应强度为B0.5 T，线圈匝数N50，每匝线圈面积S0.048 m2，转速n75.0 r/min，在匀速转动中从图示位置线圈转过90开始计时。(1)写出交变电流电动势瞬时值表达式。(2)画出et图线。 图810（2012安徽高考）图9甲是交流发电机模型示意图。在磁感应强度为B的匀强磁场中，有一矩形线圈abcd可绕线圈平面内垂直于磁感线的轴OO转动，由线圈引出的导线ae和df分别与两个跟线圈一起绕OO转动的金属圆环相连接，金属圆环又分别与两个固定的电刷保

14、持滑动接触，这样矩形线圈在转动中就可以保持和外电路电阻R形成闭合电路。图乙是线圈的主视图，导线ab和cd分别用它们的横截面来表示。已知ab长度为L1，bc长度为L2，线圈以恒定角速度逆时针转动。(只考虑单匝线圈)图9(1)线圈平面处于中性面位置时开始计时，试推导t时刻整个线圈中的感应电动势e1的表达式；(2)线圈平面处于与中性面成0夹角位置时开始计时，如图丙所示，试写出t时刻整个线圈中的感应电动势e2的表达式；(3)若线圈电阻为r，求线圈每转动一周电阻R上产生的焦耳热。(其他电阻均不计)参考答案1磁通量 感应电流2构造：线圈(电枢 磁极3(1)电枢 (2)磁极1解析：交流发电机是利用线圈在磁场

15、中转动，引起电磁感应现象形成电流，将其他形式的能转化为电能。交流发电机的内部是由转子和定子组成的，转动的为转子，不动的为定子。故选项A、C、D正确，B错误。答案：B(1垂直， 转动。(3)垂直， 甲、丙2解析：线圈平面经过中性面一次，感应电动势和感应电流的方向都要改变一次，故一周内，电动势和电流方向改变两次，故C正确，A、B、D错误。答案：C(1)正弦 (2)最大值 瞬时值。解析：图示时刻，cd边垂直切割磁感线，产生的感应电动势最大，由右手定则可判断电流的方向为abcda，与规定的正方向相同，选项C正确。答案：C例1解析(1)因交流发电机的线圈从中性面开始转动，所以该交变电流为正弦交流电。感应

16、电动势的最大值Em311 V，角速度100 rad/s，所以感应电动势的瞬时值表达式是e311sin(100t) V。(2)根据欧姆定律，电路中电流的最大值为Im A3.11 A，所以通过负载的电流的瞬时值表达式是i3.11sin(100t) A。当t s时，电流的瞬时值为i3.11sin(100) A1.56 A。答案(1)e311sin(100t) V(2)i3.11sin(100t) A1.56 A解析：从垂直中性面计时应是余弦变化关系，由上题分析知e311cos(100t) V。故其et图象如图示：例2解析由图象可知电动势的有效值为220 V，而电压表测量的是路端电压，其大小为UR95

17、 V209 V，选项A错误；由图象读出交变电流的周期为T0.02 s，则频率f50 Hz，一个周期内电流的方向要改变2次，故每秒钟电流方向要改变100次，选项B错误；灯泡的实际功率为P()2R()295 W459.8 W，选项C错误；由焦耳定律得发电机线圈内阻每秒钟产生的焦耳热为Q()2rt()251 J24.2 J，选项D正确。答案D解析：观察电源电动势随时间变化的图象。可知交变电流的周期是T4101 s，又有交变电流频率：f Hz2.5 Hz，故选项A错误；交流电电压的有效值：U有效 V V，通过电阻的电流为I A A，故选项B错误；由电功率公式可得电阻消耗的电功率为P W2.5 W，故选

18、项C正确；用交流电压表测出的电阻上的电压是电压的有效值：U有效 V，选项D错误。答案：C1解析：当闭合线框在磁场中向外或向里平动切割磁感线时，穿过线框平面的磁通量不发生变化，故线框中不产生感应电流，A错误。当闭合导线框处于均匀变化的磁场中时，线框中产生恒定的电流，B错误。当线框以ad或bc边为轴转动时，线框中无电流，C错误。当以OO为轴转动时，且线框转动到其平面与磁场垂直时，磁通量最大，且ab(cd)边的速度方向与磁场平行，不切割磁感线，故无电流，故D正确。答案：D2解析：因线圈转动产生的感应电动势按正弦规律变化，故t0时线圈位于中性面，A正确；此时穿过线圈的磁通量最大，B错误；t0时，线圈的

19、有效切割速度方向与磁感线平行，不产生感应电动势，故C、D错误。答案：A3.解析：从图象可知交流电的周期为2 s，频率为 Hz，t s时，e0最小，A、C错；t0时，e最小，最大，B对；t s时，e10 V，e最大，最大，“”号表示方向，D错。答案：B4. 解析：(1)交变电流电动势最大值为Em2NBLv2NBLL/2NBS100.50.2210(V)6.28 V电流的最大值为Im A6.28 A。(2)线框转过60时，感应电动势eEmsin605.44 V。(3)由于线框转动是从中性面开始计时的，所以瞬时值表达式为eEmsint6.28sin10t(V)。答案：(1)6.28 V6.28 A(

20、2)5.44 V(3)e6.28sin10t(V)课时跟踪训练1.解析：线圈转动过程中磁通量发生改变时，才能产生交流电，A项中磁通量不变，故A项符合题意。答案：A2解析：线圈转至中性面时，线圈平面与磁感线垂直，所以此时穿过线圈的磁通量最大，磁通量变化率为零，感应电动势为零，电流方向改变。只有A项错误。答案：BCD3解析：感应电动势的最大值为EmBl1l2。线圈从垂直中性面的位置开始转动，则t时刻的感应电动势为eEmsin(90t)Bl1l2cost，故正确答案为D。答案：D4.解析：由楞次定律可知前半个周期感应电流沿adcba方向，后半个周期沿abcda的方向，因线圈绕垂直磁场的轴匀速转动，所

21、以产生正弦式交变电流，A正确。答案：A5解析：感应电动势eEmsint，其中Em表示线圈在转动过程中感应电动势的最大值。当线圈平面和磁场方向平行时，感应电动势最大。Em2NBLvNBS，其中S为线圈面积，为线圈转动的角速度，2n，n为转速，N为线圈匝数，当转速为2n，则角速度变为2，感应电动势eNBS2sin (2t)2Emsin(2t)。选项D正确。答案：D6解析：设交变电压的有效值为U，最大值为Um，电灯的电阻为R，如果是一个完整的正弦波，在一个周期内产生的热量为QT，因为每个周期内，有一半时间电压为零，故产生的热量将减半，有TQ解得：UUm110 V。答案：D7解析：在t0.1 s和t0

22、.3 s时，矩形线圈的磁通量最大，但磁通量的变化率为0，电动势为0，此时电动势改变方向。故B、D错误，A正确。由图象可知，周期为0.4 s，故角速度5 (rad/s)，而最大电动势为emnBS157 V，C正确。答案：AC8.解析：在转过90的过程中，平均感应电动势N，即N，则qtN，所以A错；线圈产生的电动势的峰值EmNBS，电动势的有效值E，则R两端电压的有效值UE，即为交流电压表的示数，所以B错，C正确；由电动势的有效值可知电流的有效值I，所以QRI2Rt，则D错。答案为C。答案：C9 解析：(1)T0.8 s，2.5 rad/s，EmNBS500.50.0482.53。瞬时值表达式为e

23、Emsint3sin2.5t。(2)et图线如图所示答案：(1)e3sin 2.5t(2)见解析图10解析：(1)矩形线圈abcd在磁场中转动时，只有ab和cd切割磁感线，且转动的半径为r，设ab和cd的转动速度为v，则v 在t时刻，导线ab和cd因切割磁感线而产生的感应电动势均为 E1BL1v 由图可知vvsin t 则整个线圈的感应电动势为e12E1BL1L2sin t (2)当线圈由图丙位置开始运动时，在t时刻整个线圈的感应电动势为e2BL1L2sin(t0) (3)由闭合电路欧姆定律可知I 这里E为线圈产生的电动势的有效值E 则线圈转动一周在R上产生的焦耳热为QRI2RT 其中T 于是QRR2 答案：(1)e1BL1L2sin t(2)e2BL1L2sin(t0)(3)R2