第3章 2 交变电流的描述（Word教参）-【精讲精练】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册（人教版）

本讲义聚焦交变电流的描述，系统梳理周期、频率与角速度关系，通过“思考与讨论”计算热量引入有效值概念，明确其与峰值关系，结合公式和图像解析正弦式电流特征，同步阐述电感、电容对交变电流的作用，构建从具体计算到抽象规律的学习支架。 该资料以科学探究为导向，通过热量计算实例引导学生自主建构有效值概念，借助“四值”对比表格培养科学思维中的模型建构与推理能力，结合图像分析和高考真题强化物理观念。课中助力教师突破重难点，课后练习题帮助学生巩固知识，有效查漏补缺。

2　交变电流的描述 [学业要求] 1．掌握交变电流的周期、频率、线圈转动角速度三者之间的关系。 2．能理解电流的有效值，知道有效值是与热效应有关的量。 3．掌握正弦式交变电流有效值与峰值的关系，会进行有效值的计算。 4．理解交变电流的图像意义，能从图像中获取相关信息。 5．了解电感、电容对交变电流的作用。 [对应学生用书P84] 一、周期和频率 1．周期(T)：交变电流完成一次__周期性__变化所需的时间。 2．频率(f)：交变电流在单位时间内完成__周期性__变化的次数。 3．T＝或f＝，T＝。 二、峰值和有效值 阅读教材，并回答。 1．根据教材图3.2­2，回答“思考与讨论”中的问题。 (1)怎样计算通电1 s内电阻R中产生的热量？ (2)如果有一个大小、方向都不变的恒定电流I通过电阻R，也能在1 s内产生同样的热，这个电流I是多大？ 答：(1) 通电1 s内电阻R中产生的热量：Q＝I12Rt1＋I22Rt2＝12×1×0.4＋22×1×0.6 J＝2.8 J。 (2) 由Q＝I2Rt，得I＝＝A＝1.67 A。 2．通过上面的计算，我们可以发现，交变电流i在一个周期内，通过某一电阻产生的电热，与恒定电流I在同样时间、通过同一电阻产生的电热相同。我们把恒定电流I作为交变电流的有效值。体会一下什么是交变电流的有效值？这里的“有效”有怎样的物理意义？ 答：见教材 [概念·规律] 1．峰值：交变电流的电压、电流能达到的__最大值__叫作峰值。 2．有效值：让交变电流与恒定电流分别通过大小__相同__的电阻，如果在交变电流的一个周期内它们产生的__热量__相同，则此恒定电流的数值叫作交变电流的有效值。 (1)正弦式交变电流有效值和峰值的关系： U＝__Um__＝0.707Um，I＝__Im__＝0.707Im。 (2)应用：电气设备铭牌上标注的额定电压、额定电流都是有效值，交流电压表和交流电流表测量的也是__有效值__。 三、正弦式交流电的公式和图像 1．正弦式交流电的公式 e＝__Emsin_ωt__，Em＝__NBSω__。 u＝__Umsin_ωt__，Um＝____。 i＝__Imsin_ωt__，Im＝____。 2．交变电流的图像 (1)正弦式交变电流随时间变化的图像是一条__正弦__曲线，如图所示。从图中可以知道正弦式交变电流的__最大值__Im和__周期T__。 (2)交变电流的共同特点是__方向__做周期性变化，大小可以变，也可以不变。 四、电感器和电容器对交变电流的作用 1．电感器对交变电流的阻碍作用 (1)电感器的感抗是由线圈与__变化的电流__的电磁感应作用所引起的阻碍作用，是表征电感器对交变电流的__阻碍作用大小__的物理量。 (2)线圈的自感系数越__大__，交流电的频率越__高__，电感线圈对交变电流的阻碍作用越大。 (3)电感线圈在电路中的作用：通__直__流，阻__交__流；通__低__频，阻__高__频。 2．电容器对交变电流的阻碍作用 (1)电容器接到交流电源两端时，由于电容器两端电压不断变化而不断地__充电__和__放电__，电路中就有了充、放电的电流，表现为交流“__通过__”了电容器。 (2)电容器的电容越__大__，交流电的频率越__高__，电容器对交变电流的阻碍作用越__小__。 (3)电容器在电路中的作用：通__交__流，隔__直__流；通__高__频，阻__低__频。 (1)正弦式交变电流的正负两部分是对称的，所以有效值为零。(　　) (2)交变电流的有效值就是一个周期内的平均值。(　　) (3)一个正弦式交变电流的峰值同周期、频率一样是不变的，但有效值是随时间不断变化的。(　　) (4)交流电路中，电压表、电流表的测量值都是有效值。(　　) (5)线圈对交变电流的阻碍作用随着交变电流的频率的变大而减小。(　　) (6)电流通过电容器，并不是电荷穿过电容器两极板间的绝缘层到达另一极板，而是电容器不断地充放电的表现。(　　) 答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)×　(6)√ [对应学生用书P86] 探究点一　交变电流的有效值的理解与计算 [交流讨论] 1．我国照明电压220 V是什么值？ 答：有效值。 2．照明电压220 V一定是表征交变电流变化中的恒定值，这种化“变”为“恒”的转化一定是等效的，可能在什么方面等效呢？ 答：电流的热效应。 3．阅读教材说明正弦式交流电的有效值I、U与峰值Im、Um之间的关系。 答：见教材 [归纳总结] 1．对有效值的理解 (1)交变电流的有效值是根据电流的热效应定义的，理解有效值重点在“等效”，“效果相同”在定义中体现为相同电阻、相同时间、产生相同热量，交变电流与多大的直流“效果”相同，有效值就是多大。 (2)如果没有特别说明，交变电流的电压、电流以及用电器上标出的额定电压、额定电流，都是指其有效值。凡涉及能量、电功以及电功率等物理量时均用有效值，在确定保险丝的熔断电流时也用有效值。 2．有效值的两种计算方法 (1)特殊值法：若按正(余)弦规律变化的电流，可利用交变电流的有效值与峰值间的关系求解，即E＝，U＝，I＝。 (2)定义法：当电流是非正弦式交变电流时，必须根据有效值的定义求解。 3．几种常见交变电流的有效值 电流名称 电流图线 有效值 正弦式交变电流 I＝ 正弦半波电流 I＝ 正弦单向 脉动电流 I＝ 矩形脉动 电流 I＝ 　如图所示的交变电流由正弦式交变电流的一半和反向脉冲电流组合而成，则这种交变电流的有效值为(　　) A．I0　　　　　　 B．I0 C．I0 D．I0 [解析]　由i ­t图像知交变电流的周期T＝2 s。一个周期内，前半个周期电流的有效值I1＝，后半个周期电流的有效值I2＝I0。设交变电流的有效值为I，据交变电流有效值的定义有I2RT＝I12R·＋I22R·＝R·＋I02R·，解得I＝I0。故选项C正确。 [答案]　C 　如图是某一线圈通过的交流电的i­t关系图像，则一个周期内该电流的有效值为(　　) A．I0 B．I0 C．I0 D．I0 解析　设该电流的有效值为I，由I2RT＝R×＋(2I0)2R×，解得I＝I0，故B正确。 答案　B 　如图甲、乙所示分别是两种交流电的i2­t、i­t关系图像，则两种交流电的有效值之比为(　　) A．1 B． C． D． 解析　题图甲、乙的交流电有效值分别为I甲、I乙，根据交流电有效值的定义与题图甲、乙可得I甲2RT＝I2R×＋I2R×，解得I甲＝I，I乙2RT＝I2R×＋R×，解得I乙＝I，则有＝1，A正确，B、C、D错误。 答案　A ●核心素养·思维升华 (1)U＝、I＝只适用于正弦式交变电流，对于按其他规律变化的交变电流，上述关系式一般不再适用。 (2)对于非正弦式交变电流有效值的计算，时间一般选取一个周期。 1．(2024·河北卷)R1、R2为两个完全相同的定值电阻，R1两端的电压随时间周期性变化的规律如图1所示(三角形脉冲交流电压的峰值是有效值的倍)，R2两端的电压随时间按正弦规律变化如图2所示，则两电阻在一个周期T内产生的热量之比Q1∶Q2为(　　) A．2∶3 B．4∶3 C．2∶ D．5∶4 解析　结合Q＝t可知Q1＝·＋(U0)2·＝，Q2＝T＝，又R1＝R2，所以＝，B正确。 答案　B 探究点二　交变电流的“四值” 正弦交流电“四值”比较及应用 物理含义 重要关系 适用情况 瞬时值 交变电流某一时刻的值 e＝Emsin ωt i＝Imsin ωt 计算线圈某一时刻的受力情况 最大值 最大的瞬时值 Em＝nBSω Im＝ 确定用电器的耐压值 有效值 跟交变电流的热效应等效的恒定电流值 E＝ U＝ I＝ (正弦式交变电流) (1)计算与电流热效应相关的量(如功率、热量)； (2)交流电表的测量值； (3)电气设备标注的额定电压、额定电流； (4)保险丝的熔断电流 平均值 － ＝n ＝ 计算通过电路横截面的电荷量 　如图所示，矩形线圈abcd的面积是0.01 m2，共100匝，线圈的总电阻r＝1 Ω，外接电阻R＝9 Ω，线圈以角速度ω＝100π rad/s绕ab边匀速转动，ab边右侧有匀强磁场(左侧没有磁场)，匀强磁场的磁感应强度B＝ T，电压表为理想电表。求： (1)当线圈由图示位置转过60°时，通过电阻R的电流大小和方向； (2)在线圈由图示位置转过60°的过程中，通过电阻R的电荷量； (3)电压表的示数。 [解析]　(1)线圈中感应电动势的最大值为Em＝NBSω＝100××0.01×100π V＝100 V 交变电流的最大值Im＝＝10 A 电流的瞬时值表达式为i＝Imsin ωt 从题图所示位置转过60°时，ωt＝ 此时的电流为i＝Im sin 60°＝5 A 根据楞次定律，通过电阻R的电流方向向下。 (2)感应电动势平均值＝N 电荷量q＝Δt＝ 解得q＝ C。 (3)线圈中感应电动势的最大值为Em＝100 V 一个周期内只有一半时间有电动势，根据有效值的定义，有·T＝·T 解得E＝50 V 电压表的示数为路端电压的有效值，解得 U＝E＝45 V。 [答案]　(1)5 A，方向向下　(2) C (3)45 V 　(多选)如图所示，若线圈abcd为边长L的正方形单匝线圈，电阻为r，外电路的电阻为R，ab的中点和cd的中点的连线恰好位于匀强磁场的边界线OO′上，磁场的磁感应强度为B，若线圈从图示位置开始以角速度ω绕OO′轴匀速转动，则以下判断正确的是(　　) A．图示位置线圈中的感应电动势最大，为Em＝BL2ω B．从图示位置开始计时，闭合电路中感应电动势的瞬时值表达式为e＝BL2ωsin ωt C．线圈从图示位置起转过180°的过程中，流过电阻R的电荷量为q＝ D．线圈转动一周的过程中，电阻R上产生的热量为Q＝ 解析　题图位置线圈没有任何一边切割磁感线，感应电动势为零，故A错误；若线圈从题图位置开始转动，闭合电路中感应电动势的瞬时值表达式为e＝Em sin ωt＝BL2ωsin ωt，故B正确；线圈从题图位置转过180°的过程中，流过电阻R的电荷量为q＝t＝＝，故C错误；线圈转动一周的过程中，电阻R上产生的热量为Q＝I2Rt＝ R×＝R×＝，故D正确。 答案　BD ●核心素养·思维升华 　　求解热量与电荷量的思路 (1)求解热量用有效值，按以下思路 (2)求解电荷量用平均值，按以下思路 2．(2024·浙江6月卷)如图所示，边长为1 m、电阻为0.04 Ω的刚性正方形线框abcd放在匀强磁场中，线框平面与磁场垂直。若线框固定不动，磁感应强度以＝0.1 T/s均匀增大时，线框的发热功率为P；若磁感应强度恒为0.2 T，线框以某一角速度绕其中心轴OO′匀速转动时，线框的发热功率为2P，则ab边所受最大的安培力为(　　) A． N B． N C．1 N D． N 解析　磁场均匀增大时，产生的感应电动势为E＝S＝0.1 V，可得P＝＝0.25 W。线框以某一角速度ω绕其中心轴OO′匀速转动时，电动势的最大值为Em＝BSω，2P＝＝0.5 W，解得ω＝1 rad/s。分析可知当线框平面与磁场方向平行时感应电流最大，为Im＝＝5 A，故ab边所受最大的安培力为F安m＝BImL＝1 N，故选C。 答案　C 探究点三　正弦式交变电流的图像 1．用图像描述交变电流的变化规律(在中性面时t＝0)如下： 函数 图像 说明 磁通量 Φ＝Φmcos ωt ＝BS cos ωt S为线圈的面积，N为线圈的匝数，r为线圈的电阻(内阻)，R为外电阻 电动势 e＝Emsin ωt ＝NBSωsin ωt 电压 u＝Umsin ωt ＝sin ωt 电流 i＝Imsin ωt ＝sin ωt 2．从图像中可以解读到以下信息 (1)交变电流的峰值Em、Im和周期T。 (2)两个特殊值对应的位置： ①e＝0(或i＝0)时：线圈位于中性面上； e最大(或i最大)时：线圈平行于磁感线。 ②e＝0(或i＝0)时：＝0，Φ最大； e最大(或i最大)时：最大，Φ＝0。 (3)分析判断e、i大小和方向随时间变化的规律。 　线圈在匀强磁场中匀速转动，产生交变电流的图像如图所示，由图可知(　　) A．在A、C时刻线圈处于中性面位置 B．在B、D时刻穿过线圈的磁通量为零 C．从A时刻到D时刻线圈转过的角度为π D．若从0时刻到D时刻经过0.02 s，则在1 s内交变电流的方向改变100次 [解析]　A、C时刻感应电流最大，线圈位置与中性面垂直，B、D时刻感应电流为零，线圈在中性面，此时磁通量最大，A、B错误；从A时刻到D时刻线圈转过角度为，C错误；若从0时刻到D时刻经过0.02 s，则T＝0.02 s，则在1 s内交变电流的方向改变×2＝100次，故D正确。 [答案]　D 　如图(a)所示，线圈abcd在匀强磁场中绕垂直磁场的轴OO′转动。改变线圈的转速，穿过该线圈的磁通量随时间分别按图(b)中图线甲、乙的规律变化。已知线圈的电阻为1.0 Ω，则(　　) A．图线甲对应线圈在t＝0时产生的感应电动势最大 B．图线甲、乙对应的线圈在t＝0.2 s时，线圈平面均垂直于磁感线 C．图线甲、乙对应的线圈转速之比为5∶4 D．图线甲对应的线圈中交变电流的峰值为 2.5π A 解析　在t＝0时，Φ甲最大，则产生的感应电动势最小，故A错误；因为在t＝0.2 s，Φ甲＝Φ乙＝0，所以线圈平面均平行于磁感线，故B错误；由题图(b)可知图线甲、乙对应的周期之比为T甲∶T乙＝4∶5，而线圈的转速为n＝，所以图线甲、乙对应的线圈转速之比为n甲∶n乙＝5∶4，故C正确；图线甲对应的线圈中交流电压的峰值Em＝BSω＝Φmω＝0.4× V＝5π V，电流的峰值Im＝＝5π A，故D错误。 答案　C ●核心素养·思维升华 解决图像问题的基本方法 一看：看“轴”，看“线”，看“斜率”，看“点”。 二变：掌握“图与图”“图与式”和“图与物”之间的变通方法。 三判断：结合图像和公式进行正确分析和判断。 3．(2024·广东卷)将阻值为50 Ω的电阻接在正弦式交流电源上。电阻两端电压随时间的变化规律如图所示。下列说法正确的是(　　) A．该交流电的频率为100 Hz B．通过电阻电流的峰值为0.2 A C．电阻在1秒内消耗的电能为1 J D．电阻两端电压表达式为u＝10sin (100πt) V 解析　由题图可知交流电的周期为0.02 s，则频率为f＝＝50 Hz，故A错误；根据题图可知电压峰值为10 V，根据闭合电路欧姆定律可知电流的峰值Im＝＝＝0.2 A，故B错误；电流的有效值为I＝＝0.2 A，所以电阻在1 s内消耗的电能为W＝I2Rt＝0.22×50×1 J＝2 J，故C错误；根据题图可知其电压表达式为u＝Umsin ωt＝10sin t＝10sin (100πt)V，故D正确。 答案　D 探究点四　电感和电容对交变电流的作用 1．电阻、感抗、容抗的区别 电阻 感抗 容抗 产生的原因　 定向移动的自由电荷与不动的离子间的碰撞 由于电感线圈的自感现象阻碍电流的变化 电容器两极板上积累的电荷对向这个方向定向移动的电荷的反抗作用 在电路中的特点　 对直流、交流均有阻碍作用 对交流有阻碍作用 对直流的阻碍作用无限大，对交流的阻碍作用随频率的降低而增大 决定因素 由导体本身(长短、粗细、材料)决定，与温度有关 由线圈本身的自感系数和交流的频率f决定 由电容的大小和交流的频率f决定 电能的转化与做功 电流通过电阻做功，电能转化为内能 电能和磁场能往复转化 电能与电场能往复转化 2．交变电流能够“通过”电容器的理解 当电容器接到交流电源上时，由于两极板间的电压变化，电压升高时，形成充电电流，电压降低时，形成放电电流，充、放电交替进行，电路中就好像交变电流“通过”了电容器，实际上，自由电荷并没有通过两极板间的绝缘介质。 　如图所示，电路中完全相同的三只灯泡L1、L2、L3分别与电阻R、线圈L、电容器C串联，然后再并联到220 V、50 Hz的交流电源上，三只灯泡亮度恰好相同。若保持交变电压不变，将交变电流的频率增大到60 Hz，则发生的现象是(　　) A．三灯亮度不变 B．三灯均变亮 C．L1不变、L2变亮、L3变暗 D．L1不变、L2变暗、L3变亮 [解析]　当交变电流的频率变大时，线圈的感抗变大，电容器的容抗变小，因此L3变亮，L2变暗。又因为电阻在直流和交流电路中起相同的作用，故L1亮度不变，所以选D。 [答案]　D ●核心素养·思维升华 (1)电阻对交流、直流有相同的阻碍作用，交流频率变化时，阻碍作用不变。 (2)电感器通直流、阻交流，通低频、阻高频。 (3)电容器通交流、隔直流，通高频、阻低频。 (4)在分析电流变化时，把感抗、容抗类比于导体的电阻再用欧姆定律分析。 4．(多选)某同学在研究电容器、电感器对恒定电流与交变电流的影响时，采用了如图所示的电路，其中L1、L2是两个完全相同的灯泡。当双刀双掷开关置于3、4时，电路与交流电源接通，稳定后的两个灯泡发光亮度相同。则该同学在如下操作中能观察到的实验现象是(　　) A．当开关置于1、2时，稳定后L1亮、L2不亮 B．当开关置于3、4时，交变电流频率增加且稳定后，L1变亮、L2变暗 C．当开关从置于1、2的稳定状态下突然断开，L1将会立即熄灭 D．当开关从置于1、2的稳定状态下突然断开，L1不会立即熄灭 解析　当开关置于1、2时，接直流，电流稳定后能通过电感器，而不能通过电容器，所以L1亮，L2不亮；稳定后突然断开开关，L、L1、L2、C能构成回路，由于自感现象，L1、L2将慢慢熄灭，故选项A、D正确，C错误；当开关置于3、4时，且交流频率增大，则感抗增大，容抗减小，所以L1变暗，L2变亮，故选项B错误。 答案　AD [对应学生用书P91] 　 1．(2025·山东卷)一种交流发电装置的示意图如图所示，长度为2L、间距为L的两平行金属电极固定在同一水平面内，两电极之间的区域Ⅰ和区域Ⅱ有竖直方向的磁场，磁感应强度大小均为B、方向相反，区域Ⅰ边界是边长为L的正方形，区域Ⅱ边界是长为L、宽为0.5L的矩形。传送带从两电极之间以速度v匀速通过，传送带上每隔2L固定一根垂直运动方向、长度为L的导体棒，导体棒通过磁场区域过程中与电极接触良好。该装置产生电动势的有效值为(　　) A．BLv B． C． D． 解析　由题意可知导体棒通过磁场区域过程需要的时间，即周期为T＝ 导体棒通过区域Ⅰ时，产生的电动势大小为E1＝BLv，经过的时间为t1＝ 导体棒通过区域Ⅱ时，产生的电动势大小为E2＝B×0.5Lv，经过的时间为t2＝ 根据有效值的定义有t1＋t2＝T 代入数据可得E有＝ 故D正确。 答案　D 2．如图(a)所示，虚线(磁场边界)左侧有一竖直向下、磁感应强度B＝0.5 T的匀强磁场，一边长L＝0.5 m的正方形线框从图示位置绕水平上边O为轴顺时针匀速转动，进入磁场区域。线框中产生的感应电流i随时间t变化的图线如图(b)所示，π取3.14。下列说法正确的是(　　) A．t＝0时刻线框中磁通量最大 B．感应电流i随时间t变化的周期为0.16 s C．线框在图示位置产生的感应电动势约为4.9 V D．该回路中交流电的有效值为0.04 A 解析　根据题图(b)可知，t＝0时刻，电流最大，则感应电动势最大，磁通量的变化率最大，磁通量为零，故A错误；从题图(b)中可得，感应电流i随时间t变化的周期为0.32 s，故B错误；从题图可知，此时电动势有最大值，根据闭合电路欧姆定律E＝BSω＝0.5×0.5×0.5×V＝2.45 V，故C错误；回路中交流电的有效值为I2RT＝I12R×＋0，则I2RT＝R×＋0，I＝0.04 A，故D正确。 答案　D 3．一个矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，穿过线圈的磁通量随时间变化的图像如图甲所示，则下列说法正确的是(　　) A．t＝0时刻，线圈平面与中性面垂直 B．t＝0.01 s时刻，Φ的变化率最大 C．t＝0.02 s时刻，感应电动势达到最大 D．该线圈产生的相应感应电动势的图像如图乙所示 解析　由题图甲可知t＝0时刻，穿过线圈的磁通量最大，线圈处于中性面，t＝0.01 s时刻，磁通量为零，但变化率最大，故A项错误，B项正确；t＝0.02 s时刻，感应电动势应为零，故C、D项均错误。 答案　B 4．(多选)如图所示的电路中，a、b两端连接的交流电源中既含高频交流，又含低频交流，L是一个25 mH的高频扼流圈，C是一个100 pF的电容器，R是负载电阻，下列说法正确的是(　　) A．L的作用是“通低频，阻高频” B．C的作用是“通低频，隔高频” C．C的作用是“通高频，阻低频” D．通过R的电流中，低频交流所占的百分比远远大于高频交流所占的百分比 解析　因为电感器L是一个高频扼流圈，“通低频，阻高频”，选项A正确；C是一个电容较小的电容器，所以对低频的交流容抗就较大，故选项C正确，B错误；根据分析可知通过电阻R的电流中，低频交流所占百分比远远大于高频交流所占的百分比，选项D正确。 答案　ACD 学科网（北京）股份有限公司 $