第1节 交变电流-【创新教程】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册五维课堂（人教版2019）

第三章交变电流 ★答茉解析 第三章 ★女通粉讲 交变电流 女知识总结 ★学习方法 第1节 交变电流 知识导图 核心素养 1.物理观念：借助交变电流、直流电等概念，体 交变电流 会物理观念的生成过程 2.科学思维：通过交变电流瞬时值的推导，体会 概念 产生过程 变化规律 图像 物理模型建立在物理规律形成中的作用 正弦式交变电流 3.科学态度与责任：通过交流发电机结构及应 用，体会科技对社会发展的推动作用 自主预习。探新知 [知识梳理] (2)过程分析（如图所示） 知识点一交变电流 1.交变电流：大小和方向都随时间做 变化的电流，简称交流。 2.直流： 不随时间变化的电流.大小 和方向都不随时间变化的电流称为恒定 电流。 知识点二交变电流的产生交变电流的变 化规律 丙 1.交变电流的产生 2.交变电流的变化规律 (1)产生条件：在匀强磁场中， 绕垂直 (1)正弦式交变电流：按 规律变化的 于磁场方向的轴匀速转动. 交变电流，简称 ·59· 物理·选择性必修第二册 (2)函数和图像 [基础自测] 函数 图像 1.思考判断（正确的打“√”，错误的打“×”） 瞬时电动势：e=E sin wt (1)只要闭合线圈在匀强磁场里匀速转动就一 E 最大值表达式：E=NBSw 定产生正弦交变电流。 () (2)正弦交变电流的函数形式与计时起点 瞬时电压：u= 0 有关。 () -V (3)当线圈中的磁通量为零时，产生的电流也 瞬时电流：i= 为零 () 2.在日常生活中，手电筒和日光灯是家庭中必 注 表达式中EmUm、Im分别为电动势、 备的照明工具，但给两用电器提供电能的电 电压、电流的峰值，而e、u、i则是这几个量 源是不同的，它们产生的电流相同吗？ 的瞬时值. 知识点三交流发电机 1.交流发电机的构造 发电机主要由 (电枢)和 两部分组成。 2.交流发电机的种类 3.发电机工作过程中能量是如何转化的？ 两种类型 转子 定子 特点 电压低， 旋转电枢式 电枢 功率小 电压高， 旋转磁极式 磁极 功率大 合作探究。攻重难 究1 交变电流与直流电的比较 是怎样的？电流表指针的摆动情况说明什 ◆[探究导引] 么问题？ 为探究交 变电流的 特点，如 图所示， 把电流表接入到模型发电机的输出端，摇动 发电机的手柄，观察电流表的指针摆动情况 ·60 第三章交变电流 ◆[探究归纳] 2.下列选项所示的几种电流随时间变化的图 1.交变电流与直流电的区别 线中，不属于交变电流的是 直流电 交变电流 脉动直流 恒定电流 方向 随时间周期性变化 不随时间变化 不随时间变化 可以随时间变化，也 大小 可以不随时问变化， 可以随时间变化 不随时间变化 如矩形脉冲 2.常见的几种交变电流的图像 (1)图像：不同的交变电流的变化规律不同，常 究2 交变电流的产生过程 见的有以下几种情况，如图所示。 ◆[探究导引] 在发电机模型中，线圈所处的位置和感应电 动势的大小有直接关系.请思考并回答下列 家庭儿路的小被器中的批电了算礼中激光通位中 正泛交变儿流齿波打洲电下的师形脉沛 的尖脉冲 问题： 甲 丙 人 (2)特点无论大小是否变化，但都有一个共同 的特点，就是电流的方向一定随时间做周 期性变化， [例1]对于如图所示的电 A 流i随时间t做周期性变 (1)当线圈处于如图所示的位置时，线圈的 化的图像，下列描述哪些 1.01002/9 AB边或CD边切割磁感线的速度有何特 是正确的 ( ) 点？线圈中的感应电流有何特点？穿过线 A.电流的大小变化，方向也变化，是交流电 圈的磁通量的变化率有何特点？ B.电流的大小变化，方向不变，不是交流电 (2)当线圈转到什么位置时线圈中没有 C.电流的大小不变，方向不变，是直流电 电流？ D.以上说法都不正确 [规律总结]识别交变电流的两点技巧 1)只要电流的方向发生周期性变化即为交 变电流 (2)在t或-l图中，正负表示方向，在读图 时不仅要注意图像中的坐标原点是否为 0,还要观察i(u)的值有无正负变化. ◆[跟进训练] 1.如图所示的各图像中表示交变电流的是 61 物理·选择性必修第二册 ◆[探究归纳] A.七1、t时刻通过线圈的磁通量变化率最大 1.产生原理：由电磁感应定律可知，当闭合回 B.t1、t3时刻线圈中感应电流方向改变 路的部分导体做切割磁感线的运动时，闭合 C.t2、t时刻线圈中磁通量最大 回路中就有感应电流产生.当线圈在磁场中 D.t2、t,时刻线圈中感应电动势最小 转动时，线圈所在的闭合回路中有感应电流 匚思路点拨](1)明确中性面的概念以及 产生，可用如图所示的装置做实验，当线圈 中性面的位置. 转动时，可以观察到电流表的指针来回摆 (2)明确线圈在中性面位置时，各物理量有 动，说明流过电流表的电流大小和方向都在 什么特点 不停地变化 (3)明确线圈在与中性面垂直位置时，各物 理量有什么特点， [规律总结] (1)中性面是一个假想的参考平面，实际不 2.交变电流产生过程中的两个特殊位置 存在. (2)确定正弦式交变电流的瞬时值表达式需 要解决两个问题，一是交变电流的最大 图示 值，二是线圈的计时位置， (3)线圈转动一周两次经过中性面，因此一个 周期内交变电流方向改变两次。 概念 中性面位置 与中性面垂直的位置 ◆[跟进训练] B⊥S B∥S 1.如图所示为演示交变 中-BS,最大 中一0，最小 特点 -空0，最小 电流产生的实验装置 =nBSw,最大 感应电流为零，方向改变 感应电流最大，方向不变 图，关于这个实验，正 确的说法是 [特别提醒] (1)线圈中的磁通量最大时，交 A.线圈每转动一周，指针左右摆动两次 流电电流并不是最大，这时磁通量的变化率为 B.图中线圈所在平面位置为中性面，线圈 零，电流为零。 中无感应电流 (2)线圈转动一周，交变电流的方向并不是改 C.线圈在图中平面位置时，ab边中感应电 变一次，而是改变两次 流方向为a→b [例2]一闭合矩形线圈abcd绕垂直于磁感 D.线圈平面与磁场方向平行时，磁通量变 线的固定轴OO'匀速转动，线圈平面位于如 化率为零 图甲所示的匀强磁场中.通过线圈的磁通量 2.（多选)如图所示，一矩形 Quha Φ随时间（的变化规律如图乙所示，下列说 闭合线圈在匀强磁场中绕 法正确的是 垂直于磁场方向的转轴 O0以恒定的角速度ω转 动，从线圈平面与磁场方向平行时开始计 时，则在0~无这段时间内 第三章交变电流 A.线圈中的感应电流一直在减小 (4)ab边产生的感应电动势e.=BLusin 0-= B.线圈中的感应电流先增大后减小 C.穿过线圈的磁通量一直在减小 空na D.穿过线圈的磁通量的变化率一直在减小 (5)整个线圈产生的感应电动势e=2e.= 究3交变电流的变化规律 BSosin wt, 注：若线圈为N匝，e=NBSosin @t. ◆[探究导引门 (6)若线圈给外电阻R供电，设线圈本身电阻 如图所示，矩形线圈在匀强磁场中绕垂直磁 场的轴匀速转动。 为，由闭合电路欧姆定律得i一R千， :中性面 R干，sinl,即i=Isin t,R两端的电压 E 可记为u=sin ot.. 2.峰值 (1)由e=NBSosin wt可知，电动势的峰值 (1)导体切割磁感线产生的感应电动势与什 E=NBSw. 么因素有关？ (2)交变电动势的最大值，由线圈匝数V、磁感 (2)多匝线圈不垂直切割磁感线产生的感应 应强度B、转动角速度ω及线圈面积S决 电动势如何表达？ 定，与线圈的形状无关，与转轴的位置无 关，但转轴必须垂直于磁场，因此如图所 示几种情况，若N、B、S、仙相同，则电动势 的最大值相同， ×心段B ×××××× (3)电流的峰值可表示为I。= NBSw R+r ◆[探究归纳] [例3]如图新示，N=50匝的 0 1.推导正弦式交变电流瞬时值的表达式 矩形线圈abcd,边长ab=20 若线圈平面从中性面开始转动，如图所示， cm,ad=25cm,放在磁感应 则经时间： 强度B=0.4T的匀强磁场 dic) :巾性面 中，外力使线圈绕垂直于磁 B 感线且通过线圈中线的OO 轴以n=3000r/min的转速匀速转动，线圈 aib) 电阻r=12,外电路电阻R=92,t=0时， (1)线圈转过的角度为at. 线圈平面与磁感线平行，ab边正转出纸外、 (2)ab边的线速度跟磁感线方向的夹角 cd边转入纸里. 0=aωt. (1)判断t=0时感应电流的方向. (3)ab边转动的线速度大小u=w气： (2)写出线圈感应电动势的瞬时表达式 ·63· 物理·选择性必修第二册 [思路点拨](1)明确切割磁感线的方向， (1)该线框产生的交变电流的电动势最大 由右手定则确定感应电流的方向， 值、电流最大值分别是多少？ (2)感应电动势的瞬时表达式与N、B、S、仙 (2)线框从图示位置转过60°时，感应电动势 及计时起点有关， 的瞬时值是多大？ (3)写出感应电动势随时间变化的表达式， 2.一个电阻为r、边长为L的正 方形线圈abcd共N匝，线圈 在磁感应强度为B的匀强磁 场中绕垂直于磁感线的轴O) 以角速度ω匀速转动，如图所示，外电路电 阻为R [规律总结]确定正弦式交变电流瞬时值表 (1)在图中标出此刻线圈中感应电流的 达式的基本方法 方向. (1)明确线圈从什么位置开始计时以确定瞬 时值表达式正弦函数零时刻的角度， (2)转动过程中感应电动势的峰值有多大？ (3)线圈平面与磁感线夹角为60°时的感应 (2)确定线圈转动的角速度、线圈的面积、匝 电动势多大？ 数、磁场的磁感应强度，从而确定感应电 动势的最大值。 (3)根据e=E sin wt写出正弦式交变电流的 表达式 ◆[跟进训练] 1.有一10匝正方形线框，边长为20 cm,线框总电阻为1，线框绕 OO轴以l0πrad/s的角速度匀速 转动，如图所示，垂直于线框平面 10 向里的匀强磁场的磁感应强度为0.5 T.问： ·64· 第三章交变电流 养析易错。提素养 [易错点] 对交变电流的产生及变化规律理 [解析]t=0.005s时感应电动势最大，线圈 解不透彻 的磁通量变化率也最大，A错误；t=0.01s时 [例]（多选）在匀强磁场中，一矩形金属线圈 感应电动势为零，穿过线圈的磁通量最大， 绕与磁感线垂直的转轴匀速转动，如图甲所 线圈平面与中性面重合，B正确；感应电动 示，产生的交变电动势的图像如图乙所示 势的最大值为314V,由E=VΦw可得 已知矩形线圈的匝数N=100,以角速度 中m=0.01Wb,C错误：在每个周期内，交变 w=100πrad/s绕OO轴匀速转动，则( 电流方向改变两次，则在1s内交变电流方 te/v 314 向可改变100次，故D正确. 0.00.2 -314- [误区警示]1.中性面位置是分析交变电流产 生过程中各物理量变化情况的关键位置，线圈 A.t=0.005s时线圈中磁通量的变化率 △ 为零 平面与中性面位置重合时，中最大， △t =0,e= B.t=0.01s时线圈平面与中性面重合 0,i=0,电流方向将改变. C.穿过线圈的最大磁通量为1Wb 2.线圈平面与中性面位置垂直时，0=0，公9最 D.1s内交变电流方向改变100次 [错解]AC 大，e最大，i最大，电流方向不变. [错因分析]对交流电产生过程中感应电 3.抓住两个特殊位置的磁通量Φ和磁通量的 动势e、磁通量Φ、磁通量的变化量△中和磁 变化率△炉。 △d 的不同，更容易掌握交变电流的 道量的支化率会把间的关系不清楚，误认为 产生原理及变化规律. 磁通量为零，感应电动势就为零，磁通量最 ◆[课堂小结] 大，则感应电动势最大，不能准确理解中性 巾性面 面的意义.同时不能把图像和物理过程联系 交变电流的产生 柔直巾性面 交变电流 起来也是出错的主要原因之一，另外一个出 瞬时值表达式 交变巾流的变化规律 错的原因是误认为最大磁通量④n=NBS. 峰俏 [正解]BD 交变电流的料像 ·65· 物理·选择性必修第二册 课堂自测。夯基础 1.(交变电流的产生)线圈按下列各选项所示 A.大小和方向都不断变化 方式在匀强磁场中匀速转动，能产生正弦式 B.方向不变，大小不断变化 交变电流的是 C.变化的规律i=I sin wt D.变化的规律i=I cos wt 4.(交变电流的瞬时值)一矩形 线圈在匀强磁场中转动产生的交变电动势 为e=10√2sin20πtV,则下列说法正确 的是 A.t=0时，线圈位于中性面 B.t=0时，穿过线圈的磁通量为零 C.t=0时，线圈切割磁感线的有效速度 最大 2.(交变电流的产生)如图所示，在水平向右的 D.t=0.4s时，电动势第一次出现最大值 匀强磁场中，一线框绕垂直于磁感线的轴匀 5.(交变电流的产生)在如 60 速转动，线框通过电刷、圆环、导线等与定值 图所示的交流发电机线 L山2 电阻组成闭合回路.t,、t2时刻线框分别转 圈中，如果ab边长为 到图甲、乙所示的位置，下列说法正确的是 l1,bc边长为l2,线圈转 动的角速度为w,线圈匝数为，磁感应强度 为B,从图示位置开始转动，线圈电阻不计 (1)求交变电动势的峰值E, (2)求通过电阻R的电流的瞬时值表达式： A.t1时刻穿过线框的磁通量最大 B.七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.2时刻电阻中的电流最大，方向从右 向左 3.(交变电流的产生)（多选）一矩形线圈绕与 匀强磁场垂直的中心轴旋转，切割磁感线的 两边通过导体圆环外接电阻R,自图示位置 C温馨提西 开始以角速度w匀速转动，则通过R的 学习至此，请完成配套训练 电流 ·66·物理·选择性必修第二册 F=mgsin 0+Fmx (2)在棒从静止到速度稳定的过程中，对棒应用能量守恒定 综合以上各式，代入数据解得v=5ms. 体有F1=mgh十之md十Q回 (3)设cd棒的运动过程中电路中产生的总热量为Q,由能 其中h=3.8m,Q=2J,m=0.1kg,①②③式联立解得完成 量守恒得 此过程所需时间1=18 nagrsin -Q 答案：(1)2m/s(2)15 R 又Q=R,十RQa 第三章 交变电流 综合上式，代入数据解得Q=1.3J. 第1节 交变电流 [答案](1)由a流向b(2)5ms(3)1.3J 自主预习·探新知 强化训练 知识梳理 1.B[根据右手定则可知，开始时导线框中的感应电流方向 一、1.周期性2.方向 为逆时针，由题意知为正方向，故选项C、D错误：在正方形 二，1.(1)线圈2.(1)正弦正弦式电流(2)U.sin 导线框匀速进入磁场的过程中，切割磁感线的有效长度逐渐 I sinot 增大，所以感应电流也逐渐增大：当导线框的左边过)，点 三、1.线圈磁体2.磁极电枢 后，切割磁感线的有数长度（即左边的边长）不变，故感应电 基础自测 流不变；当导线挺的右边到达点时，左边正好到达O点， 1.(1)×(2)/(3)X 之后一段时间导线框切割磁感线的有效长度（即右边的边 2.提示不相同，电源有交流和直流之分，电池是直流电源，它 长)也不变，故感应电流不变，方向与刚进入磁场时相反，故 提供的是直流电：家度照明电路给日光灯提供的是交流电， 其典型特征是电流方向发生变化. 选项A错误，B正确.] 2.解析：(1)由图乙分析可知，0至t时间内磁感应强度的变化 3.提示发电机工作时产生的感应电流在磁场中会受到安培 为岂=县 力，安培力的作用感是阻碍转子的运动，在这一过程中发电 机把机械能转化成了电能。 由法拉第电磁感应定律有E=n吧-mAS,而S= 合作探究·攻重难 △ 探究1 E 由闭合电路欧姆定律有道过电阻R,的电流L一R,R 提示随着线圈的转动，电流表的指针不停地在“0”刻度线 两侧左右摆动，说明手摇发电机产生的电流大小、方向都处 解得1=B 3Rto 于变化中， 由楞次定律和安培定则可知通过电阻R,的电流方向为从b [例1门B[由F1图像可知，电流的大小变化，但电流方向一 到a. 直为正，故电流方向不变，根据变变电流、直流电的定义可 (2)通过电阻R的电荷量q=1,4-B 知，图中所示电流是直流电，B正确.] 3R1 跟进训练 电阻R,上产生的热量Q=1片R,4=2Wx出 1.D[B、C两图像中，虽然电流大小随时间做周期性变化，但 9R1 方向从图上看在1轴一侧方向不变，故不是交变电流.A图 答案：从6到。（ 中电流的方向没发生变化，不是交变电流.D图中，从图上看 3Rt 9R7 电流分布在1轴两侧，电流的大小、方向均微周期性变化，是 3,解析：电动机工作时，电能转化为机械能和电动机内阻的内 交变电流.故选D.] 能：导体棒MN在电动机牵引下上升，切割磁感线产生感应 2C[判断电流是交流还是直流，要看其方向是否随时间周 电动势E=,回路中出现感应电流了=長棒交到安培力下 期性变化.选项C中，尽管电流大小随时间变化，但其方向 不变，仍是直流.] =B1=”,机械能有一部分转化为导体棒的内能：达到稳 R 探究2 提示(1)线圈处于图中所示的位置时，线圈的AB边成CD 定速度时，棒受力平衡，牵引力F-F十mg= g. 边的速度方向与磁感线方向垂直，所以切割磁感线的速度 (1)对电动机有U-1r=F②. 最大，线圈中的感应电流最大，磁通量的变化率最大， 其中1=1A,U=7V,r=12,B=1T,l=1m,m=0.1kg (2)当线圈转到与图中位置垂直的位置时，AB,CD的速度 R=1,①②式联立，且代入数据即可求得棒所达到的稳定 方向都与磁感线方向平行，不切割磁感线，故线圈中没有感 速度6=2ms. 应电动势，没有感应电流. ·136. 参考答案 [例2]B[从题图乙可以看出，山1,42时刻通过线图的磁通 (3)线图平而与磁感线夹角为60°时的瞬时感应电动势： 量最大，线园经过中性面位置时钱圈中感应电流方向改变， E.n30=专NBaL. A错误，B正确：，时刻道过线圈的磁通量为零，线圈处 答案：(1)dcbad(图路)(2)NBwL2 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，] (3)NBoL. 跟进训练 课堂自测·夯基础 1.C[线周在磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时，在 L.C[A、D项中转轴与磁场方向平行，所以线周中磁通量不 电路中产生周期性变化的交变电流，线图经过中性面时电流 会发生变化，故没有感应电流产生：B项中线图转动，磁通量 改变方向，线图每转动一周，有两次通过中性而，电流方向改 不变，无感应电流产生：C项中线图沿垂直磁场的转轴转动， 变两次，指针左右摆动一次，A项错误：线圆平面垂直于磁感 可以产生正弦式交变电流.门 线的位置称为中性面，显然图中线图所在位置不是中性面， 2.B[时刻，穿过线框的磁通量为零，线框产生的感应电动 B项错误：线图处于题中图示位置时，ab边向右运动，由右 势最大，电阻中的电流最大，根据楞次定律，通过电阻的电流 手定则知，ab边中感应电流方向为a→b,C项正确：线圈平 方向从右向左，A错误，B正确：2时刻，穿过线框的磁通量 面与磁场方向平行时，穿过线圈的磁通量为零，但磁通量的 最大，线柜产生的感应电动势为零，电阻中的电流为零，C,D 变化率最大，D项错误，] 错误.] 2.AD[计时开始时线阁平面与磁场平行，感应电流最大，在 3.AD[线图在匀强磁场中匀速转动时产生正弦交变电流，和 电阻R构成闭合回路，电流的大小、方向均发生变化，故选 0~乙时间内线国转过四分之一个国周，感应电流从最大减 项A正确，B错误，由于线图开始时位于垂直于中性面的平面， 小为零，磁通量逐渐增大，其变化率一直减小，故A、D 所以i=Icos,故选项D正确，C错误.门 正确.] 4.A[由电动势e=10W2sin20πtV知，计时从线图位于中性 探究3 面时开始，所以1=0时，线圈位于中性面，磁通量最大，但此 提示(1)感应电动势与线园的匝数、磁感应强度B、线圈 时线圈切割磁感线的线速度方向与磁感线平行，切割磁感线 的面积S和线图平面与中性面的夹角有关： 的有效速度为零，A正确，B、C错误：当t=0.4s时，e (2)E=nBSosin ot. 10√2sin(20x×0.4)V=0,D错误.] [例3][解析](1)根据ab、cd切割磁感线，由右手定则可 5.解析：线图平面与磁场方向平行时，线图转动产生的感应电 得线圈中感应电流方向a→d→c→h→a. 动势的峰值为En=nBSw=nBl l: (2)线周的角速度 线图从垂直于中性面位置开给转动，感应电动势表达式可写 0 mnd/s100 rd/s. 为e=Ecos 通过电阻R的电流的辩时值表达式为 设b边在1=0时刻速度为vs,图示位置的感应电动势最 大，其大小为 R E.=2VBab·a=NBab·ad·u=50×0.4×0.20×0.25 答案：)nB,law(2)B,"cosd R ×100xV314V, 第2节 交变电流的描述 电动势的瞬时表达式为e=314c0s100xtV. [答案](1)a→d→c→b-a(2)e=314cos100rtV 自主预习·探新知 跟进训练 知识梳理 1.解析：(1)交变电流的电动势最大值为E。=2nBL,v= 一、1.变化快慢2.周期性变化3.周期性变化赫兹 n2B1.l.2=nBSw=10×0.5×0.22×10xV=6.28V.电流 4.2xf 二，1.(1)强弱高低(2)高于2.(1)电阻相等(2)①额 的最大值为1m=EmR=6.28A. (2)线拒转过60°时.感应电动势e=Esin60°=5.44V. 定额定四数值③交变电流，后分 (3)由于线框转动是从中性面开始计时的，所以辩时表达式 e=E.sin wt=6.28 sin 10xt V. 三，l.2Usim9 答案：(1)6.28V6.28A(2)5.44V 基础自测 (3)e=6.28 sin 10xt V 1.(1)/(2)×(3)× 2.解析：(1)由右手定则可以判断电流方向沿debad, 2.提示我国工农业生产和生活所用的交变电流颊率是0z, 电流方向每秒改变100次. (2)报据E。=2NBL.m及v=w之，得E。=NBl 3.提示不一定，根据计时起点不同，也可能是余弦函数曲线 ·137.