第2节 交变电流的产生（教学设计） 物理鲁科版选择性必修第二册

该高中物理教学设计聚焦“交变电流的产生”，以雅鲁藏布江水电工程实例导入，联系法拉第电磁感应定律，搭建“机械运动→电磁感应→交变电流”的转化认知支架，梳理线圈匀速转动产生正弦式交变电流的条件与规律。 亮点在于情境化导入激发科学热情（科学态度与责任），双路径推导（磁通量求导与导体棒切割）培养科学思维，结合模拟实验与高考真题强化探究（科学探究）。助力学生深化物理观念，教师可直接应用完整教学链条提升课堂效率。

第2节 交变电流的产生（教学设计） 年级 高二 学科 物理 教师 课题 第2节 交变电流的产生 教学 目标 物理观念 能理解交变电流的产生机制，明确线圈在匀强磁场中匀速转动是产生正弦式交变电流的条件，建立“机械运动→电磁感应→交变电流”的转化认知。 科学思维 能通过分析线圈转动过程中磁通量、感应电动势的变化，推导正弦式交变电流的瞬时值表达式，提升动态分析与逻辑推理能力。 科学探究 能参与“模拟交变电流的产生”实验，设计实验方案、观察线圈转动时的电流变化现象，归纳交变电流的产生规律，培养实验探究能力。 科学态度 与责任 体会法拉第电磁感应定律在交变电流产生中的应用价值，认识交变电流对电力工业发展的奠基作用，增强探索电磁规律的科学热情。 教学 重难点 重点：理解线圈在匀强磁场中匀速转动产生正弦式交变电流的过程。 难点：推导正弦式交变电流瞬时值表达式，分析中性面的物理意义。 教学过程 教师活动 学生活动 教学引入 青藏高原的脉搏正在被改写，一条蜿蜒在世界屋脊的能源巨龙开始苏醒。2025年7月19日上午，西藏林芝的雅鲁藏布江畔，酝酿了16年的超级工程终于破土动工。中共中央政治局常委、国务院总理李强亲临现场，宣布这项总投资约1.2万亿元的雅鲁藏布江下游水电工程正式启动。你知道水是如何发出电来的吗？ 根据自己的了解回答问题 新课讲授 一、交变电流的产生 环节1：发电机的结构 【思考1】找出线圈转动的转轴。 【思考2】在线圈转动的过程中，哪些边切割磁感线，产生感应电动势？ 【思考3】如何研究周期性运动？ 环节2：交流电的产生原理 首先我们来观察一下交流发电机的示意图 结构：形成磁场的磁极、矩形线圈、金属滑环、电刷 【思考1】线圈在什么位置时，通过线圈的磁通量最大？ 在什么位置时，通过线圈的磁通量最小？ 【思考2】在线圈转动过程中，线圈中的磁通量是否会发生变化？如何变化？ 【思考3】线圈在什么位置时，磁通量变化最快？在什么位置时，磁通量变化最慢？ （磁通量值最大时变化最慢、磁通量最小时变化最快可通过作等时间间隔的磁通量变化与所用时间的比值来比较；也可以用导体棒在各个位置切割磁感线的有效速度（垂直于磁感应强度方向的速度分量）来比较磁通量的变化的快慢） 【思考4】该图中在线圈由甲到乙的过程中，ＡＢ边中的电流向什么方向？ＣＤ边中的电流向什么方向？ 【思考5】该图中在线圈由丙到丁的过程中，ＡＢ边中的电流向什么方向？ＣＤ边中的电流向什么方向？ 【思考6】线圈在什么位置时没有电流？在什么位置时电流最大？ 【思考7】线圈在什么位置感应电动势最大？在什么位置时感应电动势最小？ 【思考8】大致画出通过电流表的电流随时间变化的曲线（规定电流方向的正、负）．在横坐标上标出线圈到达甲、乙、丙、丁几个位置时对应的时刻． 将同学们画出的典型图象通过实物投影展示出来（包括画得理想的与有偏差的图象），由同学来发表自己的看法，最后形成一个共识，在此过程中，要给予恰当的引导。 认识交流发电机，并尝试简单的解释发电机的原理。 尝试判断出四个时刻的电流方向。 新课讲授 二、交变电流的变化规律 环节1：变化规律 问题1：线圈在磁场中绕轴转动，产生的是哪一种感应电动势？ 问题2：如何求电动势大小？有哪些方法？ 思路1:写出磁通量表达式，对磁通量求导数。 思路2：利用导体棒切割求动生电动势。 思路1：对磁通量求导求电动势。 问题1：线圈从中性面开始转动，匀速转动时间为t。磁感线和线圈平面不垂直，和线圈平面垂直的磁场分量是多少？ 问题2：如何计算t时刻磁通量？ 问题3：若线圈共N匝，请同学们求导数求出感应电动势表达式。 思路2：导体棒切割计算电动势大小 AB边长为L，BC边为d，角速度为ω，线圈共N匝。 问题1：矩形线框哪些边切割磁感线？ 问题2：从A看向B，画出平面示意图。 问题3：AB边和CD边产生的电动势各是多少？ 问题4：AB和CD产生的电动势方向有何关系？ 问题5：线圈产生的总电动势是多大？ 教师活动：指导学生如何从立体图转化为平面图，详细分析，注意磁感线、线框、速度方向等。 交变电流规律： 环节2：交流发电机 播放视频：旋转电枢式发电机和旋转磁极式发电机的视频 提出问题： （1）这两种发电机有何不同？ （2）转子和定子是什么含义？ （3）旋转磁极式发电机有何优势？ （4）交流发电机中的能量是如何转化的？ 【例题1】（2024·山东·高考真题）如图甲所示，在-d≤x≤d，-d≤y≤d的区域中存在垂直Oxy平面向里、磁感应强度大小为B的匀强磁场（用阴影表示磁场的区域），边长为2d的正方形线圈与磁场边界重合。线圈以y轴为转轴匀速转动时，线圈中产生的交变电动势如图乙所示。若仅磁场的区域发生了变化，线圈中产生的电动势变为图丙所示实线部分，则变化后磁场的区域可能为（　　） A．B．C．D． 【答案】C 【详解】根据题意可知，磁场区域变化前线圈产生的感应电动势为 由题图丙可知，磁场区域变化后，当时，线圈的侧边开始切割磁感线，即当线圈旋转时开始切割磁感线，由几何关系可知磁场区域平行于x轴的边长变为 C正确。故选C。 针对训练1如图甲所示，两足够长的光滑平行金属导轨固定在水平面内，处于磁感应强度为，方向竖直向上的匀强磁场中，导轨间距为，左端连接一定值电阻和理想交流电流表，一质量为、电阻为的金属棒垂直导轨放置，与导轨始终接触良好。现对金属棒施加一个平行于导轨的拉力，使得金属棒运动的速度随时间按如图乙所示的正弦规律变化。其中已知，不计导轨的电阻。下列说法正确的是（　　） A．电流表的示数 B．在的过程中，拉力所做的功 C．的过程中流过线圈的电量为 D．的过程中流过线圈的电量为 【答案】ABD 【详解】A．图乙可知 故棒产生的电动势 则电流表示数 联立解得 故A正确； B．在的过程中，由能量守恒有 联立解得 故B正确； CD．的过程中流过线圈的电量为 因为， 联立解得 故C错误，D正确。 故选ABD。 按照提示分步推导出交变电流的电动势大小表达式。 推导出电流的表达式，然后得出电流大小的变化规律 学生阅读教材及观看视频并回答相关问题。 课 堂 练 习 1.某发电机的结构简化如图，N、S是永磁铁的磁极，M是圆柱形铁芯，磁极与铁芯之间的缝隙形成沿半径方向的磁场。铁芯外套有一矩形线圈，线圈绕M中心的固定转轴匀速转动。若从图示位置开始计时，取此时线圈中的电动势为正值，在一个周期内感应电动势e随时间t变化的图像是（　　） A． B． C． D． 【答案】A 【详解】CD．线圈匀速转动，两杆切割磁感线的线速度大小保持不变，根据磁感线的分布，线圈转动过程中两杆所处位置的磁感应强度大小也保持不变，根据可知，产生的感应电动势大小保持不变，故CD错误； B．从图示位置转动90°后，两杆所处位置磁感应强度方向变化，因此产生的电动势方向也会变化，故B错误； A．接下来每转动180°后，两杆所处位置磁感应强度方向都会发生变化，则产生的电动势方向随之变化，故A正确。 故选A。 2.交流发电机发电示意图如图所示，线圈转动过程中，下列说法正确的是(　　) A．转到图甲位置时，通过线圈的磁通量变化率最大 B．转到图乙位置时，线圈中产生的感应电动势为零 C．转到图丙位置时，线圈中产生的感应电流最大 D．转到图丁位置时，AB边中感应电流方向为A→B 【答案】　D 【详解】　转到题图甲位置时，线圈平面与磁感线垂直，穿过线圈的磁通量最大，但磁通量变化率最小，为零，选项A错误；转到题图乙位置时，线圈平面与磁感线平行，线圈中产生的感应电动势最大，选项B错误；转到题图丙位置时，线圈位于中性面位置，此时线圈中产生的感应电流最小，选项C错误；转到题图丁位置时，线圈平面与磁感线平行，切割速度与磁感线垂直，根据右手定则可知，AB边中感应电流方向为A→B，选项D正确。 3.如图甲所示，2023年6月14日，我国自主研发的首台兆瓦级漂浮式波浪能发电装置“南鲲号”在广东珠海投入试运行，南鲲号发电原理可作如下简化：海浪带动浪板上下摆动，驱动发电机转子转动，其中浪板和转子的链接装置使转子只能单方向转动，如图乙所示，若转子带动线圈沿逆时针方向转动，并向外输出电流，下列说法正确的是（　　） A．图乙中线圈所处位置是中性面 B．在图乙所示位置时，穿过线圈的磁通量变化率最大 C．在图乙所示位置时，线圈b端电势高于a端电势 D．在图乙所示位置时，线圈靠近S极的导线受到的安培力方向向上 【答案】B 【详解】AB．在图乙所示位置时，线圈平面与磁场方向平行，穿过线圈的磁通量为0，但穿过线圈的磁通量变化率最大，产生的感应电动势最大，故A错误，B正确； C．在图乙所示位置时，线圈靠近S极的导线向上切割磁感线，线圈靠近N极的导线向下切割磁感线，根据右手定则可知，线圈中的电流方向由b流向a，由于线圈相当于电源内部，则线圈b端电势低于a端电势，故C错误； D．在图乙所示位置时，线圈靠近S极的导线电流方向向里，磁场方向向右，根据左手定则可知，安培力方向向下，故D错误。 故选B。 4.在匀强磁场中，一个100匝的闭合矩形金属线圈，绕与磁感线垂直的固定轴匀速转动，穿过该线圈的磁通量随时间按图示正弦规律变化。设线圈总电阻为2Ω，则（　　） A．时，线圈平面平行于磁感线 B．时，线圈中的电流改变方向 C．时，线圈中的感应电动势最大 D．线圈中产生的感应电动势瞬时值表达式为 【答案】AD 【详解】A．时，磁通量为零，线圈平面平行于磁感线，故A正确； B．每经过一次中性面（线圈平面垂直于磁感线，磁通量有最大值），电流的方向改变一次，时，磁通量为零，线圈平面平行于磁感线，此时不是中性面，线圈中的电流没有改变方向，故B错误； C．时，磁通量有最大值，但磁通量的变化率为零，根据法拉第电磁感应定律可知线圈中的感应电动势为零，故C错误； D．由题图可知线圈从垂直中性面开始计时，感应电动势瞬时值表达式为 其中 感应电动势最大值为 则感应电动势瞬时值表达式为 故D正确。 故选AD。 5.某种风力发电机的原理如图所示。发电机的线圈固定，磁体在叶片驱动下绕线圈对称轴匀速转动的角速度为ω。已知磁体间的磁场近似为匀强磁场，磁感应强度的大小为B，线圈的匝数为N、面积为S。下列说法正确的是（　　） A．线圈中感应电动势的有效值 B．1s内线圈中感应电流的方向改变次 C．当线圈处在图中所示的位置时，线圈中的感应电动势达到最大值 D．以图中线圈所处位置开始计时，线圈中感应电动势的瞬时值表达式为 【答案】A 【详解】A．线圈中感应电动势的最大值为 则线圈中感应电动势的有效值为 故A正确； B．转动周期为 可知1s内线圈转动的圈数为 每经过1个周期，电流方向改变2次，则1s内线圈中感应电流的方向改变次，故B错误； CD．当线圈处在图中所示的位置时，穿过线圈的磁通量最大，磁通量变化率为0，线圈中的感应电动势为0；以图中线圈所处位置开始计时，线圈中感应电动势的瞬时值表达式为 故CD错误。 故选A。 6.如图甲所示，半径为r1的圆形单匝线圈中央有半径为的有界匀强磁场，磁感应强度大小B随时间变化规律如图乙所示，磁场正方向为垂直于纸面向里。线圈电阻为R。 (1)写出穿过线圈磁通量随时间变化的表达式，并求出线圈中感应电动势的最大值Em； (2)求时间内通过线圈截面的电荷量q，及线圈中产生的焦耳热Q。 【答案】(1)， (2)， 【详解】（1）由图乙得磁感应强度B随时间变化的表达式 穿过线圈磁通量为 解得 线圈中感应电动势的最大值 即 （2）由法拉第电磁感应定律得 由闭合电路欧姆定律得 时间内通过线圈截面的电荷量 解得 感应电动势的有效值 时间内线圈中产生的焦耳热 即 课 堂 小 结 线圈转圈切磁场，磁通量变生电流，中性面处电流零，垂直面时电流强，正弦式交变电流，就是这么“转”出来的！ 板 书 设 计 第2节 交变电流的产生‌ 1.线圈转呀转‌ →←→← 像跳街舞！ 2.方向变变变‌ 图：磁场中线圈箭头来回跳（←→←→） 3.公式小剧场‌ e=NBAωsinωt（电流在玩“过山车”！） 重点‌：频率=转速！ （电风扇转再快，电流也“跟风”） 物理界的旋转小达人！🎢 作业 布置 1.绘制线圈在磁场中转动产生交变电流的示意图，标注电流方向变化的关键位置，并说明其周期性变化规律。 2.计算某发电机线圈转速为3000转/分钟时，产生的交变电流频率，并解释频率与转速的关系。 3.设计一个实验方案，验证线圈匝数对交变电流峰值的影响，简要说明步骤和预期结果。 教学反思 1.在探究交变电流产生机制时，学生虽能理解线圈切割磁感线的基本原理，但对电流方向周期性变化的动态过程感知较弱。建议引入磁感线动画或模拟软件，增强抽象过程的直观性。 2.部分学生难以将正弦函数表达式与电流瞬时值变化关联，导致有效值概念理解模糊。后续可结合图像分析，强化数学工具在物理问题中的应用。 3.现有实验（如二极管演示）虽能验证电流方向变化，但对电动势峰值与线圈位置关系的探究不够深入。建议增加多角度数据测量，深化规律总结。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $