还剩52页未读，
继续阅读
所属成套资源：新教材物理鲁科版选择性必修第二册课件
成套系列资料，整套一键下载
高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第二册第2节 交变电流的产生教学ppt课件
展开
这是一份高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第二册第2节 交变电流的产生教学ppt课件，共60页。PPT课件主要包含了课前自主学习，电磁感应，线圈电枢，旋转电枢式，旋转磁极式，垂直于，正弦式，Emsinωt，Umsinωt，Imsinωt等内容，欢迎下载使用。
一、交流发电机 任务驱动 发电机的原理是什么？它的主要构造是什么？提示：发电机是利用电磁感应把机械能转变成电能的装置，主要由线圈(电枢)和磁极两部分组成。
1.原理：发电机是利用_________把机械能转变成电能的装置。2.构造：发电机主要由___________和_____两部分组成。3.种类：___________发电机和___________发电机。不论哪一种发电机，转动的部分都称为_____，固定不动的部分都称为_____。
二、正弦式交变电流的产生原理 任务驱动 交流发电机是如何产生大小和方向都随时间做周期性变化的电流的？提示：线圈在磁场中沿垂直于磁场方向的轴匀速转动就会产生交变电流。
1.交变电流的产生过程：如图所示，将一个平面线圈置于匀强磁场中，线圈与外电路相连，组成闭合回路，使线圈绕_______磁感线的轴OO′做_____转动，则线圈中就会产生交变电动势、交变电流。
2.交变电流的大小：如图甲、乙、丙、丁、戊所示，闭合线圈在图___、图___、图___位置时线圈中没有电流，在图___、图___位置时线圈中电流最大。
3.中性面：线圈平面与磁场方向_____的位置。三、正弦式交变电流的变化规律 任务驱动 感应电动势和感应电流随时间的变化究竟遵循怎样的规律？提示：按正弦规律变化。
1.正弦式交变电流：(1)定义：按_____规律变化的交变电流，简称_______电流。(2)函数和图像：
上述中的Em、Um、Im分别是电动势、电压、电流的_____，而e、u、i则是这几个量的_______。2.其他形式的交变电流：如图甲所示的为_______交变电流，如图乙所示的为_____交变电流。
主题一 正弦式交变电流的产生原理【实验情境】如图甲所示，线圈平面恰好处于中性面位置；乙图所示线圈平面恰好经过垂直于中性面位置。
【问题探究】 (1)图甲、乙中穿过线圈的磁通量有何特点？ 提示：甲图中磁通量最大，乙图中磁通量是零。(2)当线圈恰好经过图甲、图乙所示位置时，线圈中有感应电流吗？穿过线圈的磁通量的变化率有何特点？提示：图甲中线圈AB边或CD边的速度方向与磁感线方向平行，不切割磁感线，线圈中感应电流是零，磁通量变化率是零。图乙中线圈AB边或CD边的速度方向与磁感线方向垂直，切割磁感线的速度最大，线圈中感应电流最大，磁通量的变化率最大。
(3)线圈经过哪一位置时，线圈中电流的方向发生改变？在一个周期内， 电流方向改变几次？提示：线圈经过中性面时，线圈中电流的方向发生改变。在一个周期内， 电流方向改变2次。
【结论生成】中性面及其垂直位置的特性比较(科学思维)
【典例示范】 一闭合矩形线圈abcd绕垂直于磁感线的固定轴OO′匀速转动，线圈平面位于如图甲所示的匀强磁场中。通过线圈的磁通量Φ随时间t的变化规律如图乙所示，下列说法正确的是( )A.t1、t3时刻通过线圈的磁通量变化率最大B.t1、t3时刻线圈中感应电流方向改变C.t2、t4时刻线圈中磁通量最大D.t2、t4时刻线圈中感应电动势最小
【解题指南】(1)Φ-t图线斜率表示电动势。(2)Φ=0的位置，线圈处于垂直中性面；Φ最大，线圈处于中性面。【解析】选B。从题图乙可以看出，t1、t3时刻通过线圈的磁通量最大，线圈经过中性面位置时线圈中感应电流方向改变，A错误，B正确；t2、t4时刻通过线圈的磁通量为零，线圈处于与中性面垂直的位置，此时感应电动势和感应电流均为最大，故C、D均错误。
【规律方法】交变电流瞬时值表达式问题的破解程序(1)观察线圈的转动轴是否与磁感线垂直。(2)从中性面开始计时，电动势是按正弦规律变化；从线圈转到与磁感线平行时开始计时，电动势是按余弦规律变化。(3)计算电动势最大值和角速度ω，写出电动势的瞬时值表达式。
【探究训练】1.(多选)如图所示，矩形线框置于竖直向下的磁场中，通过导线与灵敏电流表相连，线框在磁场中绕垂直于磁场方向的转轴匀速转动，图中线框处于竖直面内，下述说法正确的是( )
A.因为线框中产生的是交变电流，所以电流表示数始终为零B.线框通过图中位置瞬间，穿过线框的磁通量最大C.线框通过图中位置瞬间，通过电流表的电流瞬时值最大D.当线框由此转过90°时，穿过线框的磁通量最大，电流表示数最小【解析】选C、D。线框在匀强磁场中匀速转动时，在中性面，即线框与磁感线垂直时，磁通量最大，感应电动势最小，而在题中图示位置，线框与磁感线平行时，磁通量最小，感应电动势最大，A、B错，C、D对。
2.线框在匀强磁场中绕OO′轴匀速转动(由上向下看是逆时针方向)，当转到如图所示位置时，磁通量和感应电动势大小的变化情况是( )A.磁通量和感应电动势都在变大B.磁通量和感应电动势都在变小C.磁通量在变小，感应电动势在变大D.磁通量在变大，感应电动势在变小【解析】选D。磁通量在变大，但磁通量的变化率在变小，故电动势在减小。
【补偿训练】一个矩形线圈，在匀强磁场中绕一个固定轴匀速转动，当线圈处于如图所示位置时，它的( )A.磁通量最大，磁通量变化率最大，感应电动势最大B.磁通量最小，磁通量变化率最大，感应电动势最大C.磁通量最大，磁通量变化率最小，感应电动势最小D.磁通量最小，磁通量变化率最小，感应电动势最小
【解析】选B。线圈处于题图所示位置时，它与磁感线平行，磁通量为零，磁通量变化率最大，感应电动势最大，选项A、C、D错误，B正确。
主题二 正弦式交变电流的变化规律【实验情境】如图所示，单匝线圈abcd在匀强磁场B中以恒定的角速度ω绕垂直于磁场的中心轴OO′转动。
【问题探究】 (1)当线圈平面从中性面开始计时时，试分析并计算单匝线圈中感应电动势瞬时值的表达式，若线圈为N 匝呢？提示：如图，
当线圈经过中性面时开始计时，经过时间t，线圈转过的角度为ωt，ab、cd两边到转轴的距离分别为r1、r2且r1+r2=ad，设ab=l1、ad=l2，则ab、cd边切割磁感线的有效速度分别为v1=ωr1sinωt、v2=ωr2sinωt，ab、cd边切割磁感线产生的电动势分别为e1=Bl1ωr1sinωt，e2=Bl1ωr2sinωt，两个电动势串联，总电动势为e=e1+e2=Bl1(r1+r2)ωsinωt=Bl1l2ωsinωt=BSωsinωt。若线圈有N匝，相当于有N个线圈串联，总电动势为e=NBSωsinωt
(2)若从垂直中性面的位置开始计时，写出电动势的表达式。提示：e=Emcsωt(3)电动势的最大值与开始计时的位置是否有关？提示：电动势的最大值对应线圈经过与中性面垂直位置时的瞬时电动势，其大小Em=NBSω与开始计时的位置无关，与线圈运动的时间也无关。
(4)两种情况下感应电动势图像有什么区别？提示：线圈从中性面开始计时，感应电动势图像为正弦图像(如图甲)；线圈从垂直于中性面开始计时，感应电动势图像为余弦图像(如图乙)。
【结论生成】1.正弦式交变电流的产生：(物理观念)如图所示是线圈ABCD在匀强磁场中绕轴OO′转动时的截面图。线圈从中性面开始转动，角速度为ω，经过时间t转过的角度是ωt。设AB边长为l1，BC边长为l2，磁感应强度为B，AB边和CD边转动时切割磁感线产生感应电动势。
(1)在图甲中，v∥B，eAB=eCD=0，e=0。(2)在图丙中，eAB=Bl1v=Bl1 = Bl1l2ω= BSω同理eCD= BSω所以e=eAB+eCD=BSω(3)在图乙中，eAB=Bl1vsinωt= Bl1l2ωsinωt= BSωsinωt同理eCD= BSωsinωt所以e=eAB+eCD=BSωsinωt。(4)若线圈有n匝，则e=nBSωsinωt。
2.交变电流电动势的峰值：(物理观念)(1)公式：Em=NBSω。(2)大小特点：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ω及线圈面积S共同决定，与线圈的形状及转轴的位置无关。如图所示的几种情况，若N、B、S、ω相同，则电动势的最大值相同。
3.确定交变电流瞬时值表达式的基本思路：(科学思维)(1)确定正弦交变电流的峰值，根据已知图像读出或由公式Em=nBSω求出相应峰值。(2)明确线圈的初始位置，找出对应的函数关系式。如：①线圈从中性面位置开始转动，则i-t图像为正弦函数图像，函数式为i=Imsinωt。②线圈从垂直于中性面位置开始转动，则i-t图像为余弦函数图像，函数式为i=Imcsωt。
【典例示范】一矩形线圈，面积是0.05 m2，共100匝，线圈电阻为2 Ω，外接电阻为R=8 Ω，线圈在磁感应强度为B= T的匀强磁场中以300 r/min的转速绕垂直于磁感线的轴匀速转动，如图所示，若从中性面开始计时，求：(1)线圈中感应电动势的瞬时值表达式；(2)线圈从开始计时经 s时，线圈中电流的瞬时值；(3)外电路电阻R两端电压的瞬时值表达式。
【解析】(1)转速n=300 r/min=5 r/s角速度ω=2πn=10π rad/s电动势的峰值Em=NBSω=100× ×0.05×10π V=50 V电动势的瞬时值e=50sin10πt(V)(2)当t= s时，线圈中电流的瞬时值i= =5sin10πt A，i=5sin(10π× ) A=5× A≈4.3 A(3)电阻R两端电压的瞬时值u=iR=40sin10πt(V)答案：(1)e=50sin10πt(V) (2)4.3 A(3)u=40sin10πt(V)
【规律方法】 (1)确定线圈从哪个位置时开始计时，进而确定表达式是正弦还是余弦形式。(2)识记Em=NBSω，解题中可直接代入，不必推导。(3)按通式e=Emsinωt或e=Emcsωt代入Em及ω的具体数值。
【探究训练】1.如图所示，一半径为r=10 cm的圆形线圈共100匝，在磁感应强度B= T的匀强磁场中，绕垂直于磁场方向的中心轴线OO′以n=600 r/min的转速匀速转动，当线圈转至中性面位置(图中位置)时开始计时。(1)写出线圈内所产生的交变电动势的瞬时值表达式。(2)求线圈从图示位置开始在 s时的电动势的瞬时值。
【解析】(1)线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴线匀速转动时，线圈内产生正弦式交变电动势，当线圈平面在中性面时开始计时，其表达式为e=Emsinωt。e=Emsinωt，Em=NBSω(与线圈形状无关)，ω=2πn=20π rad/s，故e=100sin 20πt V。(2)当t= s时，e=100sin(20π× ) V=50 V≈86.6 V。答案：(1)e=100sin 20πt V (2)86.6 V
2.矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的对称轴转动，线圈共100 匝，转速为 r/min，在转动过程中穿过线圈的磁通量的最大值为0.03 Wb，则线圈平面转到与磁感线平行时，感应电动势为多少？当线圈平面与中性面夹角为 时，感应电动势为多少？
【解析】由题意知：Φm=0.03 Wb，ω=2πn=2π× rad/s= rad/s。线圈转至与磁感线平行时，感应电动势最大，故Em=NBSω=NΦmω=100×0.03× V=1 V，瞬时值表达式e=Emsinωt=sin t V，当θ=ωt= 时，e=sin V= V。答案：1 V V
【补偿训练】如图，设磁感应强度为0.01 T，单匝线圈边长AB为20 cm，宽AD为10 cm，转速n为50 r/s，则线圈转动时感应电动势的最大值为( )A.1×10-2 ×10-2 VC.2×10-2 ×10-2 V
【解析】选D。感应电动势最大值Em=NBSω=NBS2πn=1×0.01×0.2×0.1× 2π×50 V=6.28×10-2 V。
1.(多选)如图所示，下列方法中能够产生交变电流的是( )
【解析】选A、C、D。B中的导体棒不切割磁感线，不产生感应电动势，C中的折线与矩形线圈的效果是相同的，D中能产生按余弦规律变化的交变电流。
2.如图所示，在水平向右的匀强磁场中，一线框绕垂直于磁感线的轴匀速转动，线框通过电刷、圆环、导线等与定值电阻组成闭合回路。t1、t2时刻线框分别转到图甲、乙所示的位置，下列说法正确的是( )A.t1时刻穿过线框的磁通量最大B.t1时刻电阻中的电流最大，方向从右向左C.t2时刻穿过线框的磁通量变化最快D.t2时刻电阻中的电流最大，方向从右向左
【解析】选B。t1时刻，穿过线框的磁通量为零，线框产生的感应电动势最大，电阻中的电流最大，根据楞次定律，通过电阻的电流方向从右向左，A错误，B正确；t2时刻，穿过线框的磁通量最大，线框产生的感应电动势为零，电阻中的电流为零，C、D错误。
【补偿训练】 如图是交流发电机的示意图，图甲到图丁分别表示线圈转动过程中的四个位置，其中甲、丙中的线圈与磁场方向垂直，乙、丁中线圈与磁场方向平行，则在线圈转动的过程中直流电流表有示数的位置是( )A.甲、丙 B.乙、丁C.甲、乙D.丙、丁
【解析】选B。线圈转动中感应电流时刻在变化，位于中性面位置时磁通量最大，但感应电流最小，等于零，位于与中性面垂直位置时，磁通量最小，但感应电流最大，故选B。
3.一个矩形线圈在匀强磁场中转动产生的电动势e=200 ·sin 100πt(V)，那么( )A.该交变电流的频率是100 HzB.当t=0时，线圈平面恰好与中性面垂直C.当t= s时，e达到峰值D.该交变电流的电动势的有效值为200 V
【解析】选C。由交变电流的电动势瞬时值表达式e=nBSω·sin ωt可知，交变电流的频率f= Hz=50 Hz，A错误；在t=0时，电动势瞬时值为0，线圈平面恰好在中性面处，B错误；当t= s时，e达到峰值Em=200 V，C正确；该交变电流的电动势的有效值E= =200 V，D错误。
【补偿训练】 已知交变电流的瞬时值表达式是i=10sin100πt A，从t=0到第一次出现最大值的时间是( )【解析】选C。从交变电流的瞬时值表达式i=10sin100πt A可以看出，该交流电是从中性面开始计时，经过 出现最大值，依据T=
4.(多选)(2019·天津高考)单匝闭合矩形线框电阻为R，在匀强磁场中绕与磁感线垂直的轴匀速转动，穿过线框的磁通量Φ与时间t的关系图像如图所示。下列说法正确的是( )A. 时刻线框平面与中性面垂直B.线框的感应电动势有效值为 C.线框转一周外力所做的功为 D.从t=0到t= 过程中线框的平均感应电动势为
【解析】选B、C。由图像可知 时刻线圈的磁通量最大，因此此时线圈处于中性面位置，因此A错误；由图可知交流电的周期为T，则ω= ，交流电的电动势的最大值为Em=nBSω=Φm ，则有效值为E有= ，故B正确；线圈转一周所做的功为转动一周的发热量，W= ，故C正确；从t=0时刻到t= 时刻的平均感应电动势为E= ，D错误。
【补偿训练】 1.处在匀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t=0时刻，线圈平面与纸面重合(如图所示)，线圈的cd边离开纸面向外运动。若规定由a→b→c→d→a方向的感应电流为正，则能反映线圈中感应电流i随时间t变化的图像是( )
【解析】选C。cd在t=0时由题干中图示位置开始做切割磁感线运动，线圈感应电动势的瞬时值为e=Blvcs ωt，又i= ，可知A、B错，又由右手定则，可判断t=0时电流方向为a→b→c→d→a，则C正确、D错误。
2.如图所示，直线OO′的左侧有垂直纸面向里的匀强磁场B1，右侧有垂直纸面向里的匀强磁场B2，且B1>B2，一总阻值为R的导线框ABCD以OO′为轴做角速度为ω的匀速转动，导线框的AB边长为l1，BC边长为l2。以图示位置作为计时起点，规定导线框内电流沿A→B→C→D→A流动时为电流的正方向。则下列图像中能表示线框中感应电流随时间变化的是( )
【解析】选A。回路中的感应电动势为E=e1+e2=B1l2ω sinωt+B2l2ω sinωt= (B1+B2)·l1l2ωsinωt，则电流为I= ，故A正确，B、C、D错误。
3.如图所示，矩形线圈abcd在匀强磁场中分别绕垂直于磁场方向的轴P1和P2以相同的角速度匀速转动，当线圈平面转到与磁场方向平行时( )A.线圈绕P1转动时产生的感应电流等于绕P2转动时产生的感应电流B.线圈绕P1转动时产生的感应电动势小于绕P2转动时产生的感应电动势C.线圈绕P1和P2转动时产生的感应电流的方向相同，都是a→b→c→dD.线圈绕P1转动时dc边受到的安培力大于绕P2转动时dc边受到的安培力
一、交流发电机 任务驱动 发电机的原理是什么？它的主要构造是什么？提示：发电机是利用电磁感应把机械能转变成电能的装置，主要由线圈(电枢)和磁极两部分组成。
1.原理：发电机是利用_________把机械能转变成电能的装置。2.构造：发电机主要由___________和_____两部分组成。3.种类：___________发电机和___________发电机。不论哪一种发电机，转动的部分都称为_____，固定不动的部分都称为_____。
二、正弦式交变电流的产生原理 任务驱动 交流发电机是如何产生大小和方向都随时间做周期性变化的电流的？提示：线圈在磁场中沿垂直于磁场方向的轴匀速转动就会产生交变电流。
1.交变电流的产生过程：如图所示，将一个平面线圈置于匀强磁场中，线圈与外电路相连，组成闭合回路，使线圈绕_______磁感线的轴OO′做_____转动，则线圈中就会产生交变电动势、交变电流。
2.交变电流的大小：如图甲、乙、丙、丁、戊所示，闭合线圈在图___、图___、图___位置时线圈中没有电流，在图___、图___位置时线圈中电流最大。
3.中性面：线圈平面与磁场方向_____的位置。三、正弦式交变电流的变化规律 任务驱动 感应电动势和感应电流随时间的变化究竟遵循怎样的规律？提示：按正弦规律变化。
1.正弦式交变电流：(1)定义：按_____规律变化的交变电流，简称_______电流。(2)函数和图像：
上述中的Em、Um、Im分别是电动势、电压、电流的_____，而e、u、i则是这几个量的_______。2.其他形式的交变电流：如图甲所示的为_______交变电流，如图乙所示的为_____交变电流。
主题一 正弦式交变电流的产生原理【实验情境】如图甲所示，线圈平面恰好处于中性面位置；乙图所示线圈平面恰好经过垂直于中性面位置。
【问题探究】 (1)图甲、乙中穿过线圈的磁通量有何特点？ 提示：甲图中磁通量最大，乙图中磁通量是零。(2)当线圈恰好经过图甲、图乙所示位置时，线圈中有感应电流吗？穿过线圈的磁通量的变化率有何特点？提示：图甲中线圈AB边或CD边的速度方向与磁感线方向平行，不切割磁感线，线圈中感应电流是零，磁通量变化率是零。图乙中线圈AB边或CD边的速度方向与磁感线方向垂直，切割磁感线的速度最大，线圈中感应电流最大，磁通量的变化率最大。
(3)线圈经过哪一位置时，线圈中电流的方向发生改变？在一个周期内， 电流方向改变几次？提示：线圈经过中性面时，线圈中电流的方向发生改变。在一个周期内， 电流方向改变2次。
【结论生成】中性面及其垂直位置的特性比较(科学思维)
【典例示范】 一闭合矩形线圈abcd绕垂直于磁感线的固定轴OO′匀速转动，线圈平面位于如图甲所示的匀强磁场中。通过线圈的磁通量Φ随时间t的变化规律如图乙所示，下列说法正确的是( )A.t1、t3时刻通过线圈的磁通量变化率最大B.t1、t3时刻线圈中感应电流方向改变C.t2、t4时刻线圈中磁通量最大D.t2、t4时刻线圈中感应电动势最小
【解题指南】(1)Φ-t图线斜率表示电动势。(2)Φ=0的位置，线圈处于垂直中性面；Φ最大，线圈处于中性面。【解析】选B。从题图乙可以看出，t1、t3时刻通过线圈的磁通量最大，线圈经过中性面位置时线圈中感应电流方向改变，A错误，B正确；t2、t4时刻通过线圈的磁通量为零，线圈处于与中性面垂直的位置，此时感应电动势和感应电流均为最大，故C、D均错误。
【规律方法】交变电流瞬时值表达式问题的破解程序(1)观察线圈的转动轴是否与磁感线垂直。(2)从中性面开始计时，电动势是按正弦规律变化；从线圈转到与磁感线平行时开始计时，电动势是按余弦规律变化。(3)计算电动势最大值和角速度ω，写出电动势的瞬时值表达式。
【探究训练】1.(多选)如图所示，矩形线框置于竖直向下的磁场中，通过导线与灵敏电流表相连，线框在磁场中绕垂直于磁场方向的转轴匀速转动，图中线框处于竖直面内，下述说法正确的是( )
A.因为线框中产生的是交变电流，所以电流表示数始终为零B.线框通过图中位置瞬间，穿过线框的磁通量最大C.线框通过图中位置瞬间，通过电流表的电流瞬时值最大D.当线框由此转过90°时，穿过线框的磁通量最大，电流表示数最小【解析】选C、D。线框在匀强磁场中匀速转动时，在中性面，即线框与磁感线垂直时，磁通量最大，感应电动势最小，而在题中图示位置，线框与磁感线平行时，磁通量最小，感应电动势最大，A、B错，C、D对。
2.线框在匀强磁场中绕OO′轴匀速转动(由上向下看是逆时针方向)，当转到如图所示位置时，磁通量和感应电动势大小的变化情况是( )A.磁通量和感应电动势都在变大B.磁通量和感应电动势都在变小C.磁通量在变小，感应电动势在变大D.磁通量在变大，感应电动势在变小【解析】选D。磁通量在变大，但磁通量的变化率在变小，故电动势在减小。
【补偿训练】一个矩形线圈，在匀强磁场中绕一个固定轴匀速转动，当线圈处于如图所示位置时，它的( )A.磁通量最大，磁通量变化率最大，感应电动势最大B.磁通量最小，磁通量变化率最大，感应电动势最大C.磁通量最大，磁通量变化率最小，感应电动势最小D.磁通量最小，磁通量变化率最小，感应电动势最小
【解析】选B。线圈处于题图所示位置时，它与磁感线平行，磁通量为零，磁通量变化率最大，感应电动势最大，选项A、C、D错误，B正确。
主题二 正弦式交变电流的变化规律【实验情境】如图所示，单匝线圈abcd在匀强磁场B中以恒定的角速度ω绕垂直于磁场的中心轴OO′转动。
【问题探究】 (1)当线圈平面从中性面开始计时时，试分析并计算单匝线圈中感应电动势瞬时值的表达式，若线圈为N 匝呢？提示：如图，
当线圈经过中性面时开始计时，经过时间t，线圈转过的角度为ωt，ab、cd两边到转轴的距离分别为r1、r2且r1+r2=ad，设ab=l1、ad=l2，则ab、cd边切割磁感线的有效速度分别为v1=ωr1sinωt、v2=ωr2sinωt，ab、cd边切割磁感线产生的电动势分别为e1=Bl1ωr1sinωt，e2=Bl1ωr2sinωt，两个电动势串联，总电动势为e=e1+e2=Bl1(r1+r2)ωsinωt=Bl1l2ωsinωt=BSωsinωt。若线圈有N匝，相当于有N个线圈串联，总电动势为e=NBSωsinωt
(2)若从垂直中性面的位置开始计时，写出电动势的表达式。提示：e=Emcsωt(3)电动势的最大值与开始计时的位置是否有关？提示：电动势的最大值对应线圈经过与中性面垂直位置时的瞬时电动势，其大小Em=NBSω与开始计时的位置无关，与线圈运动的时间也无关。
(4)两种情况下感应电动势图像有什么区别？提示：线圈从中性面开始计时，感应电动势图像为正弦图像(如图甲)；线圈从垂直于中性面开始计时，感应电动势图像为余弦图像(如图乙)。
【结论生成】1.正弦式交变电流的产生：(物理观念)如图所示是线圈ABCD在匀强磁场中绕轴OO′转动时的截面图。线圈从中性面开始转动，角速度为ω，经过时间t转过的角度是ωt。设AB边长为l1，BC边长为l2，磁感应强度为B，AB边和CD边转动时切割磁感线产生感应电动势。
(1)在图甲中，v∥B，eAB=eCD=0，e=0。(2)在图丙中，eAB=Bl1v=Bl1 = Bl1l2ω= BSω同理eCD= BSω所以e=eAB+eCD=BSω(3)在图乙中，eAB=Bl1vsinωt= Bl1l2ωsinωt= BSωsinωt同理eCD= BSωsinωt所以e=eAB+eCD=BSωsinωt。(4)若线圈有n匝，则e=nBSωsinωt。
2.交变电流电动势的峰值：(物理观念)(1)公式：Em=NBSω。(2)大小特点：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ω及线圈面积S共同决定，与线圈的形状及转轴的位置无关。如图所示的几种情况，若N、B、S、ω相同，则电动势的最大值相同。
3.确定交变电流瞬时值表达式的基本思路：(科学思维)(1)确定正弦交变电流的峰值，根据已知图像读出或由公式Em=nBSω求出相应峰值。(2)明确线圈的初始位置，找出对应的函数关系式。如：①线圈从中性面位置开始转动，则i-t图像为正弦函数图像，函数式为i=Imsinωt。②线圈从垂直于中性面位置开始转动，则i-t图像为余弦函数图像，函数式为i=Imcsωt。
【典例示范】一矩形线圈，面积是0.05 m2，共100匝，线圈电阻为2 Ω，外接电阻为R=8 Ω，线圈在磁感应强度为B= T的匀强磁场中以300 r/min的转速绕垂直于磁感线的轴匀速转动，如图所示，若从中性面开始计时，求：(1)线圈中感应电动势的瞬时值表达式；(2)线圈从开始计时经 s时，线圈中电流的瞬时值；(3)外电路电阻R两端电压的瞬时值表达式。
【解析】(1)转速n=300 r/min=5 r/s角速度ω=2πn=10π rad/s电动势的峰值Em=NBSω=100× ×0.05×10π V=50 V电动势的瞬时值e=50sin10πt(V)(2)当t= s时，线圈中电流的瞬时值i= =5sin10πt A，i=5sin(10π× ) A=5× A≈4.3 A(3)电阻R两端电压的瞬时值u=iR=40sin10πt(V)答案：(1)e=50sin10πt(V) (2)4.3 A(3)u=40sin10πt(V)
【规律方法】 (1)确定线圈从哪个位置时开始计时，进而确定表达式是正弦还是余弦形式。(2)识记Em=NBSω，解题中可直接代入，不必推导。(3)按通式e=Emsinωt或e=Emcsωt代入Em及ω的具体数值。
【探究训练】1.如图所示，一半径为r=10 cm的圆形线圈共100匝，在磁感应强度B= T的匀强磁场中，绕垂直于磁场方向的中心轴线OO′以n=600 r/min的转速匀速转动，当线圈转至中性面位置(图中位置)时开始计时。(1)写出线圈内所产生的交变电动势的瞬时值表达式。(2)求线圈从图示位置开始在 s时的电动势的瞬时值。
【解析】(1)线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴线匀速转动时，线圈内产生正弦式交变电动势，当线圈平面在中性面时开始计时，其表达式为e=Emsinωt。e=Emsinωt，Em=NBSω(与线圈形状无关)，ω=2πn=20π rad/s，故e=100sin 20πt V。(2)当t= s时，e=100sin(20π× ) V=50 V≈86.6 V。答案：(1)e=100sin 20πt V (2)86.6 V
2.矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的对称轴转动，线圈共100 匝，转速为 r/min，在转动过程中穿过线圈的磁通量的最大值为0.03 Wb，则线圈平面转到与磁感线平行时，感应电动势为多少？当线圈平面与中性面夹角为 时，感应电动势为多少？
【解析】由题意知：Φm=0.03 Wb，ω=2πn=2π× rad/s= rad/s。线圈转至与磁感线平行时，感应电动势最大，故Em=NBSω=NΦmω=100×0.03× V=1 V，瞬时值表达式e=Emsinωt=sin t V，当θ=ωt= 时，e=sin V= V。答案：1 V V
【补偿训练】如图，设磁感应强度为0.01 T，单匝线圈边长AB为20 cm，宽AD为10 cm，转速n为50 r/s，则线圈转动时感应电动势的最大值为( )A.1×10-2 ×10-2 VC.2×10-2 ×10-2 V
【解析】选D。感应电动势最大值Em=NBSω=NBS2πn=1×0.01×0.2×0.1× 2π×50 V=6.28×10-2 V。
1.(多选)如图所示，下列方法中能够产生交变电流的是( )
【解析】选A、C、D。B中的导体棒不切割磁感线，不产生感应电动势，C中的折线与矩形线圈的效果是相同的，D中能产生按余弦规律变化的交变电流。
2.如图所示，在水平向右的匀强磁场中，一线框绕垂直于磁感线的轴匀速转动，线框通过电刷、圆环、导线等与定值电阻组成闭合回路。t1、t2时刻线框分别转到图甲、乙所示的位置，下列说法正确的是( )A.t1时刻穿过线框的磁通量最大B.t1时刻电阻中的电流最大，方向从右向左C.t2时刻穿过线框的磁通量变化最快D.t2时刻电阻中的电流最大，方向从右向左
【解析】选B。t1时刻，穿过线框的磁通量为零，线框产生的感应电动势最大，电阻中的电流最大，根据楞次定律，通过电阻的电流方向从右向左，A错误，B正确；t2时刻，穿过线框的磁通量最大，线框产生的感应电动势为零，电阻中的电流为零，C、D错误。
【补偿训练】 如图是交流发电机的示意图，图甲到图丁分别表示线圈转动过程中的四个位置，其中甲、丙中的线圈与磁场方向垂直，乙、丁中线圈与磁场方向平行，则在线圈转动的过程中直流电流表有示数的位置是( )A.甲、丙 B.乙、丁C.甲、乙D.丙、丁
【解析】选B。线圈转动中感应电流时刻在变化，位于中性面位置时磁通量最大，但感应电流最小，等于零，位于与中性面垂直位置时，磁通量最小，但感应电流最大，故选B。
3.一个矩形线圈在匀强磁场中转动产生的电动势e=200 ·sin 100πt(V)，那么( )A.该交变电流的频率是100 HzB.当t=0时，线圈平面恰好与中性面垂直C.当t= s时，e达到峰值D.该交变电流的电动势的有效值为200 V
【解析】选C。由交变电流的电动势瞬时值表达式e=nBSω·sin ωt可知，交变电流的频率f= Hz=50 Hz，A错误；在t=0时，电动势瞬时值为0，线圈平面恰好在中性面处，B错误；当t= s时，e达到峰值Em=200 V，C正确；该交变电流的电动势的有效值E= =200 V，D错误。
【补偿训练】 已知交变电流的瞬时值表达式是i=10sin100πt A，从t=0到第一次出现最大值的时间是( )【解析】选C。从交变电流的瞬时值表达式i=10sin100πt A可以看出，该交流电是从中性面开始计时，经过 出现最大值，依据T=
4.(多选)(2019·天津高考)单匝闭合矩形线框电阻为R，在匀强磁场中绕与磁感线垂直的轴匀速转动，穿过线框的磁通量Φ与时间t的关系图像如图所示。下列说法正确的是( )A. 时刻线框平面与中性面垂直B.线框的感应电动势有效值为 C.线框转一周外力所做的功为 D.从t=0到t= 过程中线框的平均感应电动势为
【解析】选B、C。由图像可知 时刻线圈的磁通量最大，因此此时线圈处于中性面位置，因此A错误；由图可知交流电的周期为T，则ω= ，交流电的电动势的最大值为Em=nBSω=Φm ，则有效值为E有= ，故B正确；线圈转一周所做的功为转动一周的发热量，W= ，故C正确；从t=0时刻到t= 时刻的平均感应电动势为E= ，D错误。
【补偿训练】 1.处在匀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t=0时刻，线圈平面与纸面重合(如图所示)，线圈的cd边离开纸面向外运动。若规定由a→b→c→d→a方向的感应电流为正，则能反映线圈中感应电流i随时间t变化的图像是( )
【解析】选C。cd在t=0时由题干中图示位置开始做切割磁感线运动，线圈感应电动势的瞬时值为e=Blvcs ωt，又i= ，可知A、B错，又由右手定则，可判断t=0时电流方向为a→b→c→d→a，则C正确、D错误。
2.如图所示，直线OO′的左侧有垂直纸面向里的匀强磁场B1，右侧有垂直纸面向里的匀强磁场B2，且B1>B2，一总阻值为R的导线框ABCD以OO′为轴做角速度为ω的匀速转动，导线框的AB边长为l1，BC边长为l2。以图示位置作为计时起点，规定导线框内电流沿A→B→C→D→A流动时为电流的正方向。则下列图像中能表示线框中感应电流随时间变化的是( )
【解析】选A。回路中的感应电动势为E=e1+e2=B1l2ω sinωt+B2l2ω sinωt= (B1+B2)·l1l2ωsinωt，则电流为I= ，故A正确，B、C、D错误。
3.如图所示，矩形线圈abcd在匀强磁场中分别绕垂直于磁场方向的轴P1和P2以相同的角速度匀速转动，当线圈平面转到与磁场方向平行时( )A.线圈绕P1转动时产生的感应电流等于绕P2转动时产生的感应电流B.线圈绕P1转动时产生的感应电动势小于绕P2转动时产生的感应电动势C.线圈绕P1和P2转动时产生的感应电流的方向相同，都是a→b→c→dD.线圈绕P1转动时dc边受到的安培力大于绕P2转动时dc边受到的安培力
相关课件
鲁科版 (2019)选择性必修 第二册第2节 交变电流的产生备课课件ppt： 这是一份鲁科版 (2019)选择性必修 第二册第2节 交变电流的产生备课课件ppt，共1页。
人教版 (2019)选择性必修 第二册1 交变电流作业课件ppt： 这是一份人教版 (2019)选择性必修 第二册1 交变电流作业课件ppt，共18页。
鲁科版 (2019)选择性必修 第二册第2节 交变电流的产生优质课件ppt： 这是一份鲁科版 (2019)选择性必修 第二册第2节 交变电流的产生优质课件ppt，共23页。PPT课件主要包含了中性面等内容，欢迎下载使用。
