电磁感应、发电机
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一. 重点、难点：
1. 电磁感应现象。
2. 产生感应电流的条件，对导体中有无感应电流作出判断。
3. 在电磁感应现象中，机械能转化为电能。
4. 发电机是利用电磁感应现象的原理制成的，它是把机械能转化为电能的装置。
5. 交流发电机主要由转子和定子两部分组成，另外还有滑环、电刷等。
6. 周期性地改变方向的电流叫做交流电。我国供生产和生活用的交流电，周期是0.02s，频率是50Hz。
电流方向不变的电流叫直流电。
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二. 知识点分析：　　
1. 电磁感应的概念：闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就产生电流，这种现象叫做电磁感应，产生的电流叫做感应电流。
2. 在电磁感应现象中，切割磁感线的导体中产生了电流，此时导体成了电源。
3. 在电磁感应现象中能量的转化是由机械能转化为电能。
4. 英国物理学家法拉弟发现了电磁感应现象，并进一步揭示了电和磁的联系，导致了发电机的发明。
5. 导体中感应电流的方向，跟导体的运动方向和磁感线方向有关。
理解电磁感应现象时应注意以下几点：
（1）电磁感应现象指出的是产生感应电流的条件。　　
（2）感应电流产生的条件有三点：① 电路是闭合的；② 导体要在磁场中要做切割磁感线的运动；③ 切割磁感线运动的导体只能是一部分。
（3）如果电路不闭合，即使导体切割磁感线，也不会产生感应电流，只在导体两端产生感应电压。
依据上述产生感应电流必须满足的条件可知：图A中线框不切割磁感线，无感应电流。图B中线框的ad和bc边两部分都切割磁感线，并非一部分导体，无感应电流；图C中虽只有ab这一部分导体切割磁感线，但电路不闭合，只产生感应电压，而无感应电流；图D中bc边不在磁场中，ad边切割磁感线，且电路是闭合的，故有感应电流产生。
　

图1
（4）从能量角度分析电磁感应现象：当使闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时，用力移动导体做了功，消耗了机械能，同时在导体中产生了感应电流，实现了机械能向电能的转化。所以，在电磁感应现象中，机械能转化成电能。　　
6. 交流发电机的特点：把机械能转化为电能的一种机器。因为它提供的是方向做周期性变化的交流电，故称为交流发电机。
7. 为什么交流发电机中产生的电流方向是周期性变化的？
感应电流的方向是由导体切割磁感线运动的方向和磁感线的方向决定的，感应电流方向的变化也是由其中一个因素的变化所引起的。在旋转线圈式发电机中，磁极是固定的，所以这种发电机中电流方向的变化肯定是由于线圈切割磁感线运动方向的变化所引起的。
　　如图2所示，当线圈平面开始转动后，线圈导线ab边和cd边作切割磁感线运动，由于ab边和cd边的运动方向相反，所以两条边中产生方向相反的感应电流。但是，从线圈整体来看，线圈中的电流的绕向是一致的，如从M端流向N端。当线圈转过180°后，线圈ab边和cd边的位置正好交换，继续转动切割感线时，两条边的运动方向都与前半周相反，产生的感应电流方向也与前半周相反，此时从线圈整体来看电流的流向就成了从N端流向M端。因此，线圈中产生的感应电流方向前半周朝一个方向，后半周则与其反向。当线圈连续转动时，电流方向将周期性地重复上述的变化，这种周期性变化的电流就是交流电。
　

8. 发电机的主要构造是转子（转动部分）和定子（固定部分），滑环两个，电刷两个。小型发电机的转子是线圈，定子产生磁场，就像教学演示用的模型一样。大型发电机恰好相反。它的线圈是定子，产生磁场是转子。
9. 为什么大型发电机要采用旋转磁极式的结构？
为了使发电机发出很高的电压和很强的电流，大型发电机的线圈的匝数很多，导线也很粗。要使巨大的线圈高速旋转、需要解决的技术问题比较复杂，因此大型发电机采用线圈不动而磁场旋转的方式，即采用旋转磁极式发电机。
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【典型例题】
[例1] 如图1所示，可以使电流表指针发生偏转的情况是（    ）
A. 开关S断开，导线ab竖直向下运动
　　B. 开关S闭合，导线ab竖直向上运动
　　C. 开关S断开，导线ab从纸里向纸外运动
　　D. 开关S闭合，导线ab从纸外向纸里运动

　
分析：为使电流表指针发生偏转，电路中应有感应电流产生，这就需同时满足两个条件：一是电路要闭合；二是一部分导体做切割磁感线运动。对照图1装置可知，A、B、C都错。
答：D
　
[例2] 图2是研究感应电流的方向与哪些因素有关的实验示意图，比较甲、乙两图可以得出感应电流方向与______有关的结论；比较甲、丙两图可以得出感生电流方向与______有关的结论。

　
分析：甲、乙、丙三幅图中有不同之处：甲、乙两图中导线切割磁感线的方向相反，电表指针摆动方向也不同，说明感应电流的方向与导线切割磁感线的运动方向有关；甲、丙两图中磁极放置的方位不同，导线切割磁感线的方向相同，指针摆动方向相反说明感应电流的方向还与磁场方向有关。
答：应填“导线切割磁感线的运动方向”和“磁感线方向”。
说明：对图2甲所示装置，若对调两磁极的位置的同时改变导体的运动方向（与原来相反），请同学们思考一下电流表的指针将怎样偏转？
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[例3] 如图3所示，条形磁铁和闭合矩形线框abcd处于同一平面内，线框abcd固定不动，当条形磁铁绕图中所示OO’轴旋转时，线框中有感应电流吗？
　

图3
分析：根据感应电流的产生条件和运动的相对性去考虑。
答：图中的线框构成一个闭合电路，虽然线框自身固定不动，但当磁铁绕OO’转动时，线框与磁场之间同样发生相对运动。这种情况相当于磁铁不动，而线框在磁场里发生了转动，同样切割磁感线而产生感应电流，因此当磁铁转动时线框中有电流。
说明：本题所述实际上是旋转磁极式发电机的原理：线圈不动，而让磁场在线圈中旋转，达到线圈切割磁线的目的。
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[例4] 图4是研究感生电流的方向与哪些因素有关的实验示意图。比较甲、乙两图可以得出____结论；比较甲、丙两图可以得出______结论。
　

图4
分析：分析此题时，要注意甲、乙、丙三个图中的不同之处，甲、乙两图导体切割磁感线运动的方向相反，电流表指针摆动的方向也不同，说明感应电流方向与导体运动方向有关；甲、丙两图不同之处是磁极放的方法不同，导体切割磁感线运动方向不变，而电表指针摆动方向相反，说明感应电流方向还与磁感线方向有关。
解：前一空填“感应电流方向与导体运动方向有关”；后一空填“感应电流方向与磁感线方向有关”。
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[例5] 在图5所示的发电机工作原理图中，放在水平方向磁场中的矩形线圈逆时针方向转动，当转动到甲图位置时，由于线框______磁感线，因而电路中______，当转到乙、丁两图的位置时，由于ab边切割磁感线的方向______，因而外电路中的电流方向______。

　
图5
分析：当线框转到图甲位置时，线框ab的运动方向水平向左，线框cd的运动方向水平向右，都和磁感线的方向平行，因而此瞬间，两线框都不切割磁感线，不产生感生电流。
当转到图乙位置时，ab边的运动方向竖直向下，转到图丁的位置时，ab边的运动方向竖直向上，切割磁感线的方向正好相反，因而在图乙位置时，电流经A流出，而在图丁位置时，电经A流入，即在外电路中是交流电。
解：依次填写：不切割；无电流；相反；相反。
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【模拟试题】（答题时间：45分钟）
一. 填空题：　　
1. 要获得电能，可采用各种途径，如利用干电池、蓄电池能把_____能转变成电能；硅光电池能把_____能转变成电能；热电偶能把_____能转变成电能，线圈在磁铁的磁极附近运动，能把_____能转变成电能。
2. 磁体上磁性最强的部分叫_____，在磁体周围的空间存在着_____，其方向是从磁体的极出来，经过周围空间，回到磁体的       极。
3. _____是人类第一次获得的有实用价值的能提供持续电流的电源。
4. 丹麦物理学家_____首先发现了电流能产生磁场，而英国物理学家_____则发现了磁场能产生电流。
5. 闭合电路中的一部分导体在_____中做_____的运动时，导体中产生_____电流，这种现象叫做_____现象，在这一过程中，_____能转化为_____能。
6. 感生电流的方向与_______方向有关，还与______的方向有关。
7. 发电机是根据______原理制成的，利用线圈在磁场里转动，线圈中就有______产生，所以，发电机是将_____能转变为_____能的机器。
8. 周期性改变______的电流叫交流电，符号是_____，_____不变的电流叫直流电，符号是______。发电机提供的是_____电，电池提供的是_____电。
9. 如图1所示，矩形线圈abcd在磁场中转动一周的过程中，作切割磁感应线的是____边和____边，所以线圈中有_____产生，由于ab边和cd边______切割磁感应线运动的方向不同，所以感生电流的方向要改变_______。当线圈平面跟磁感应线垂直的瞬时，ab边和cd边恰好不切割磁感线，所以在这一瞬时感生电流为______。只要线圈不停地转动，感生电流的方向就会______地变化着。

　　
10. 发电机的主要构造分成____和____两部分，大型发电机的线圈作_____，电磁铁作_____。实用发电机的转子由水轮机、_____或_____等带动旋转。
11. 我国的交流发电机的转子每秒转_____周，即交流电的变化频率是_____赫，因此交流电的方向每秒要改变_____次。
12. 为了减少输电过程中电能的损耗，一般采用_____输电，即在电站先用_____变压器_____，再在用户附近用_____变压器      后供用户使用。
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二. 选择题：
1. 下列说法中正确的是（    ）
A. 导线在磁场中运动就能产生感生电流
B. 闭合电路的一部分导线在磁场中运动就一定能产生感生电流
C. 闭合电路的一部分导线在磁场中作切割磁感应线的运动，一定能产生感生电流
D. 闭合线圈在磁场中作切割磁感应线的运动，一定能产生感生电流
2. 图2中，闭合线圈的一部分导线在磁场中运动，能产生感生电流的是（    ）
　

图2
A.（a）图和（b）图             B.（a）图和（c）图
C.（a）图和（d）图             D.（c）图和（d）图
3. 下列现象中属于电磁感应现象的是（    ）
A. 电流周围产生磁场的现象
B. 导体在磁场中运动的现象
C. 磁场对电流产生力的作用
D. 闭合导体中产生感生电流的现象
4. 如图3所示，闭合线框abcd放在均匀磁场中，它的平面和磁感应线平行，当线圈按下列方式运动时，有感生电流产生的是（    ）


图3　　　
A. 垂直磁感应线方向向外平动
B. 沿磁感应线方向向右运动
C. 以ab边为轴转动
D. 以ad边为轴转动
5. 我国交流电的频率为50赫，下列说法中不正确的是（    ）
A. 交流电的周期是0.02秒
B. 转子的转速是3000周／分
C. 每秒钟电流方向改变50次
D. 每分钟电流方向改变6000次
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三. 问答题：
如图4所示，此装置是什么机器？工作原理是什么？工作时能量的转化情况怎样？
　

图4
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【试题答案】
一.
1. 化学，太阳，内，机械
2. 磁极，磁场，北，南
3. 伏打电池
4. 奥斯特，法拉第
5. 磁场，切割磁感应线，感生，电磁感应，机械，电
6. 导体切割磁感应线的运动，磁感应线
7. 电磁感应，感生电流，机械电
8. 方向，AC，方向，DC，交流，直流
9. ab，cd，感生电流，前后两次，两次，零，周期性
10. 定子，转子，定子，转子，汽轮机，内燃机
11. 50、50，100
12. 高压，升压，升压，降压，降压
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二.
1. C    2. B    3. D   4. D    5. C
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三.
略
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