3.1 交变电流 导学案 -2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

该高中物理导学案聚焦交变电流的概念、产生原理、变化规律及交流发电机构造，通过发光二极管并联实验观察电流方向变化导入，以预备知识填空、特殊位置分析、思维探究为支架，衔接恒定电流与交变电流的知识脉络。 资料以实验驱动科学探究，通过线圈转动过程分析与问题链设计深化科学思维，结合例题变式训练帮助学生构建物理观念，课堂小结图片与分层检测便于自主学习与教学评估，有效提升学生分析解决问题的能力。

第三章 交变电流 1 交变电流 【课标要求】通过实验，认识交变电流。能用公式和图像描述正弦交变电流 【学习目标】 1．会观察电流（或电压）的波形图，理解交变电流和直流的概念． 2．理解交变电流的产生过程，会分析电动势和电流方向的变化规律． 3．知道交变电流的变化规律及表示方法，知道交变电流的瞬时值、峰值的物理含义． 4．理解交流发电机的基本构造和原理 【学习重难点】 重点：交变电流产生原理和变化规律，中性面，瞬时值，峰值。 难点：对交变电流产生原理的理解。 课本导练 预备知识 一、交变电流 1．交变电流：_____________________________________________。 2．直流：_______________________________________________。 3．正弦式交变电流：_________________________________________。 二、交变电流的产生 _________________________________________________。 三、交变电流的变化规律 1．中性面 中性面：___________________________________________。 2．从中性面开始计时，线圈中产生的电动势的瞬时值表达式：___________，Em叫做电动势的峰值。 1．有人说，在图中，线圈平面转到中性面的瞬间，穿过线圈的磁通量最大，因而线圈中的感应电动势最大；线圈平面跟中性面垂直的瞬间，穿过线圈的磁通量为0，因而感应电动势为0。这种说法对不对？为什么？ 2．上图中，设磁感应强度为0.01T，单匝线圈边长 为20 ，宽 为10 ，转速 ，求线圈转动时感应电动势的最大值。 展示讨论 1．如图所示， 是一个竖直的矩形导线框，全部处于磁感应强度为B的水平方向的匀强磁场中，线框面积为S， 边水平，线框绕某一竖直固定轴以角速度 匀速转动。在 边与磁场方向的夹角到达30°的时刻（图示位置），导线框中产生的瞬时电动势e的大小是多少？标出线框此时的电流方向。已知线框按俯视的逆时针方向转动。 2．面积均为S的两个电阻相同的线圈，分别放在如图甲、乙所示的磁场中。甲图中是磁感应强度为 的匀强磁场，线圈在磁场中以周期T绕 轴匀速转动；乙图中磁场变化规律为 ，从图示位置开始计时。请比较两个线圈： （1）磁通量的变化规律； （2）感应电动势的变化规律。 点评点拨 一、交变电流 思维探究 下列属于交变电流的是_______；属于直流的是_______。交变电流与直流的本质区别是___________________________。 交变电流 在恒定电流的电路中，电源的电动势不随时间变化，电路中的电流、电压也不随时间变化，但是在供给工农业生产和日常生活用电的电力系统中，发电机产生的电动势是随时间做周期性变化的． 交变电流的波形图 例1． (单选)下列的关于电流 随时间 变化的图像中，不是表示交变电流的是（ ） A． B． C． D． 变式训练1． (多选)如图所示，线圈中产生了正弦式交变电流的是（均匀速转动）（ ） A． B． C． D． 变式训练2． (单选)对于如图所示的电流i随时间t做周期性变化的图像，下列说法中正确的是（ ） A．电流大小变化，方向不变，是直流电 B．电流大小、方向都变化，是交流电 C．电流的周期是0.2 s，最大值是0.2 A D．电流做周期性变化，是交流电 二、交变电流的产生 思维拓展 把两个发光颜色不同的发光二极管并联，注意使两者正、负极的方向不同，然后连接到教学用发电机的两端．转动手柄，两个磁极之间的线圈随着转动．观察发光二极管的发光情况．实验现象说明了什么？ 产生过程 如图所示，矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动，感应电动势（感应电流）的大小和方向随时间做周期性变化，产生交变电流 过程分析 1．特殊位置分析 ①图甲（戊）和丙中，线圈平面垂直于磁感线，AB、CD 边速度方向与磁感线平行，不产生感应电动势． ②图乙和丁中，线圈平面与磁感线平行，AB、CD 边切割磁感线，感应电动势最大，感应电流最大，图乙和图丁中 AB、CD 边切割速度方向相反，感应电流方向也相反． 2．转动过程分析 甲 乙：磁通量变小，电流方向为 乙 丙：磁通量变大，电流方向为 丙 丁：磁通量变小，电流方向为 丁 戊（甲）：磁通量变大，电流方向为 两个特殊位置 1．中性面位置（S⊥B，如表中的乙、丁） ①线圈平面与磁场垂直的位置，此时 最大， 为0，e 为0，i 为0． ②线圈经过中性面时，电流方向发生改变，线圈转一圈电流方向改变两次． 2．垂直中性面位置（S∥B，如表中的甲、丙） ①此时 为 最大，e 最大，i 最大． 例2． (单选)交流发电机模型如图所示，矩形线圈ABCD在匀强磁场中绕其中心轴 匀速转动，从线圈平面与磁场垂直时开始计时，已知线圈转动的角速度 ，下列说法正确的是（ ） A． 时，线圈位于中性面 B． 时，穿过线圈的磁通量变化率最大 C． 时，线圈的感应电动势最小 D．线圈中产生余弦变化规律的交变电流 变式训练1． (单选)交流发电机的示意图如图所示，当线圈ABCD绕垂直于磁场方向的转轴 匀速转动时，电路中产生的最大电流为 ，已知线圈转动的周期为T，下列说法正确的是（ ） A．图示位置磁通量最大，磁通量的变化率最大 B．图示位置电流最大，方向为A→B C．从图示位置开始经过 ，电流方向将发生改变 D．从图示位置开始经过 时，电动势达到最大值 三、交变电流的变化规律 思维探究 假定线圈沿逆时针方向匀速转动，如图所示．我们考虑下面几个问题 1．在线圈由甲图转到乙图所示位置的过程中，AB 边中电流向哪个方向流动? 2．在线圈由丙图转到丁图所示位置的过程中，AB 边中电流向哪个方向流动? 3．转到什么位置时线圈中没有电流，转到什么位置时线圈中的电流最大? 峰值表达式 说明 电动势峰值Em＝nBSω由线圈匝数n、磁感应强度B、转动角速度ω和线圈面积S决定，与线圈的形状无关，与转轴的位置无关． 如图所示的几种情况中，如果n、B、ω、S均相同，则感应电动势的峰值均相同． 正弦交变电流的瞬时值表达式 1．从中性面位置开始计时 e＝Emsin ωt，i＝Imsin ωt，u＝Umsin ωt 2．从与中性面垂直的位置开始计时 e＝Emcos ωt，i＝Imcos ωt，u＝Umcos ωt． 例3． (单选)在匀强磁场中，一矩形金属线框绕与磁感线垂直的转轴匀速转动，如图乙所示，产生的交变电动势随时间变化的规律如图甲所示，已知线框电阻为1.0 Ω，外接一只电阻恒为9.0 Ω的灯泡，电压表为理想电压表，则下列说法错误的是（ ） A．电压表V的示数为36 V B．电路中的电流方向每秒改变10次 C．0.1 s时，线圈的磁通量最大 D．电动势的瞬时值表达式为 变式训练1． (单选)如图所示，面积为S的N匝矩形线圈，在磁感应强度为B的匀强磁场中，绕垂直磁场的轴以角速度ω匀速转动，就可在线圈中产生正弦交流电，图示位置线圈平面与磁场平行，下列说法正确的是（ ） A．线圈从图示位置转90°的过程磁通量的变化为NBS B．线圈转到中性面位置时产生的感应电动势为NBSω C．线圈转到图示位置时磁通量的变化率为BSω D．线圈从图示位置开始计时，感应电动势e随时间t变化的函数为e=NBSωsinωt 变式训练2． (多选)如图所示，单匝矩形线圈abcd放在匀强磁场中，磁感应强度大小为B，ad＝bc＝l1，ab＝cd＝l2．从图示位置起该线圈以角速度ω绕不同转轴匀速转动，则（ ） A．以OO′为转轴时，感应电动势e＝Bl1l2ωsin ωt B．以O1O1′为转轴时，感应电动势e＝Bl1l2ωsin ωt C．以OO′为转轴时，感应电动势e＝Bl1l2ωcos ωt D．以OO′为转轴跟以ab为转轴产生的感应电动势一样，感应电动势e＝Bl1l2ωcos ωt 四、交流发电机 定义 交流发电机是利用电磁感应现象将机械能转变成电能的装置， 基本组成 主要由产生感应电动势的线圈（通常叫做电枢）和产生磁场的体两部分组成． 分类 1．旋转电枢式发电机：磁极不动，电枢转动． 2．旋转磁极式发电机：电枢不动，磁极转动． 发电机的能量转换 发电机的转子由蒸汽轮机、水轮机等带动．蒸汽轮机、水轮机等将机械能传递给发电机，发电机将机械能转化为电能，输送给外电路． 例4． 一台发电机产生正弦式电流。如果发电机电动势的峰值，线圈匀速转动的角速度，试写出电动势瞬时值的表达式（设0时刻电动势瞬时值为0）。如果这个发电机的外电路只有电阻元件，总电阻为2，电路中电流的峰值为多少？写出电流瞬时值的表达式。 变式训练1． (单选)如图所示为一台教学手摇式交流发电机，当缓慢摇动大皮带轮手柄时，连接在发电机上的小灯泡就会一闪一闪的发光．若已知大皮带轮半径为R，小皮带轮半径为r，摇动手柄的角速度为 ，且摇动过程中皮带不打滑，则下列说法中正确的是（ ） A．发电机产生的交变电流频率为 B．小灯泡闪烁的频率为 C．小灯泡的瞬时功率等于通过小灯泡的电流、电压二者有效值的乘积 D．发电机启动阶段，当手摇转速加倍后，小灯泡的功率变为原来的4倍 变式训练2． (多选)如图所示，若在磁体的两磁极上装有极靴，可使线圈转动时，无论转到什么位置，线圈平面始终与磁场平行．现用导线将A、B两线框连接成闭合回路，一同学轻轻拨动线框A，使线框A沿顺时针方向转动，转动过程中某一时刻A、B两线框恰处于图中所示的位置，则（ ） A．此时线框B在顺时针转动 B．此时线框B在逆时针转动 C．线框A可视为发电机，线框B可视为电动机 D．线框B可视为发电机，线框A可视为电动机 小结小测 一、课堂小结 二、课堂小测 （1）若交变电流是由线圈在匀强磁场中匀速转动形成的，则交变电流的周期也是线圈做圆周运动的周期。（ ） （2）交变电流在1s内电流方向变化的次数就是它的频率。（ ） （3）教室中电路的电压220V指的是有效值。（ ） （4）交变电流的有效值一定是峰值的0.707倍。（ ） （5）正弦式交变电流的正负两部分是对称的，所以有效值为零。（ ） 【参考答案】 课本导练 预备知识 【答案】 一、1.大小和方向随时间做周期性变化的电流叫交变电流，简称交流． 2．方向不随时间变化的电流称为直流． 3．按正弦规律变化的交变电流叫正弦式交变电流，简称正弦式电流． 二、闭合线圈置于匀强磁场中，并绕垂直于磁场方向的轴匀速转动． 三、1.与磁感线垂直的平面． 2．e＝Emsin ωt 1．【答案】 这种说法不对，理由见解析。 2．【答案】 展示讨论 1．【答案】 ； 2．【答案】 （1）相同；（2）相同 点评点拨 一、交变电流 【答案】 (1)(2)(6) (3)(4)(5) 电流方向是否改变 例1．【答案】A 变式训练1．【答案】BCD 变式训练2．【答案】A 二、交变电流的产生 【答案】 两个发光二极管交替发光，表明发电机发出电流的方向是变化的，即是交流电。 例2．【答案】A 变式训练1．【答案】D 三、交变电流的变化规律 【答案】 1．AB边中电流由B指向A 2．AB边中电流由A指向B 3．线圈转到中性面(垂直磁感线)位置线圈中没有电流，转到平行磁感线位置线圈中感应电流最大 例3．【答案】C 变式训练1．【答案】C 变式训练2．【答案】CD 例4．【答案】；； 变式训练1．【答案】D 变式训练2．【答案】BC 小结小测 二、课堂小测 【答案】 √ × √ × × 学科网（北京）股份有限公司 $