3.1 交变电流 学案-2025-2026学年高二上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，涵盖概念、产生过程、变化规律及交流发电机等核心知识点。通过对比恒定电流引入交变电流，以定义辨析、产生条件分析、规律推导为支架，衔接前后知识，帮助学生构建完整认知体系。 资料亮点在于重难点采用表格对比中性面等位置特点，典例结合推导过程强化科学推理，当堂达标题针对性强。通过模型建构深化物理观念，培养学生分析问题的科学思维，提升学习效率与知识应用能力。

第1节 交变电流 学案 核心素养目标 1.知道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。知道中性面的物理特点。 基础知识： 知识点一　交变电流 1．恒定电流 大小和方向都不随时间变化的电流。 2．直流 方向不随时间变化的电流。 3．交变电流 大小和方向都随时间做周期性变化的电流，简称交流。 4．交变电流的图像 (1)波形图：电压或电流随时间变化的图像。 (2)观察方法：用示波器或电压传感器观察。 5．日常使用的各种充电器能把交变电流变成低压直流。 知识点二　交变电流的产生　交变电流的变化规律 1．交变电流的产生 (1)产生条件：在匀强磁场中，矩形线圈绕垂直于磁场方向的轴转动。 (2)过程分析(如图所示) (3)感应电流随时间变化的曲线 2．交变电流的变化规律 (1)中性面：线圈转到与磁场垂直的平面。 (2)正弦式交变电流的表达式和图像(从中性面开始计时) e＝Emsin ωt，Em＝NBSω i＝Imsin_ωt，Im＝ u＝Umsin_ωt，Um＝ImR 其中Em、Um、Im分别为电动势、电压、电流的峰值。 知识点三　交流发电机 1．基本组成：产生感应电动势的线圈(电枢)和产生磁场的磁体。 2．分类 (1)旋转电枢式发电机：电枢转动，磁极不动，输出电压一般不超过500 V。 (2)旋转磁极式发电机：磁极转动，电枢不动，能够产生几千伏到几万伏的电压，输出功率可达几百兆瓦。 3．工作过程：发电机的转子由蒸汽轮机、水轮机等带动，蒸汽轮机、水轮机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。 重难点理解： 一、正弦式交变电流的产生 1．正弦式交变电流的产生条件 (1)匀强磁场。 (2)线圈匀速转动。 (3)线圈的转轴垂直于磁场方向。 2．不同位置的特点比较 中性面 中性面的 垂面 远离中 性面 靠近中 性面 位置 线圈平面与磁场 垂直 线圈平面与磁场平行 线圈平面与磁场夹角变小 线圈平面与磁场夹角变大 磁通量 最大 零 变小 变大 磁通量变化率 零 最大 变大 变小 感应电动势 零 最大 变大 变小 线圈边缘线速度与磁场方向夹角 零 90° 变大 变小 感应电流 零 最大 变大 变小 电流方向 改变 不变 不变 不变 产生正弦式交变电流的条件是：线圈绕垂直于匀强磁场的轴匀速转动，与线圈的形状和转轴的位置无关。　 典例1：(多选)如图所示，一矩形闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的转轴OO′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～这段时间内(　　) A．线圈中的感应电流一直在减小 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 D．穿过线圈的磁通量的变化率一直在减小 解析　计时开始时线圈平面与磁场平行，感应电流最大，在0～时间内线圈转过四分之一个圆周，感应电流从最大减小为零，磁通量逐渐增大，其变化率一直减小，故A、D正确。答案　AD 二　交变电流规律的理解和应用 1．电动势瞬时变化规律的推导 设线圈t＝0时刚好转到中性面位置，设线圈转动的角速度为ω，AB和CD的长度为l，AD和BC的长度为d，则经过时间t，线圈转过角度θ＝ωt，线圈AB和CD边的速度在垂直于磁感线方向的分速度v⊥＝ω·sin θ。单匝线圈的感应电动势e＝2Blvsin θ＝ωBldsinωt＝BSωsin ωt。若线圈有N匝，则e＝NBSωsin ωt＝Emsin ωt。其中Em＝NBSω为电动势的最大值，也叫峰值。 2．从垂直于中性面开始计时的瞬时值表达式 (1)e＝Emcos ωt。 (2)i＝Imcos ωt。 (3)u＝Umcos ωt。 3．交变电流的感应电动势的最大值由线圈匝数N、磁感应强度B、转动角速度ω及线圈面积S共同决定，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，若几个线圈的N、B、S、ω相同，则感应电动势的最大值相同。 交变电流瞬时值表达式的书写技巧 (1)确定正弦式交变电流的峰值：根据已知图像读出或用公式Em＝NBSω求出相应峰值。 (2)确定线圈的角速度：可根据线圈的转速或周期由ω＝＝2πn求出，n表示线圈的转速。 (3)明确线圈的初始位置，找出对应的函数关系式。 ①线圈从中性面位置开始转动，则e­t、i­t、u­t图像为正弦函数图像，函数式为正弦函数。 ②线圈从垂直中性面位置开始转动，则e­t、i­t、u­t图像为余弦函数图像，函数式为余弦函数。　 典例2：如图所示，正方形线圈abcd的边长是0.5 m，共150匝，匀强磁场的磁感应强度为B＝ T，当线圈以150 r/min的转速绕中心轴线OO′匀速旋转时，求： (1)若从线圈处于中性面开始计时，写出线圈中感应电动势的瞬时值表达式； (2)经过 s时线圈电动势的瞬时值。 解析　(1)若从线圈处于中性面开始计时，则e＝Emsin ωt＝NBS·2πnsin 2πnt， 代入数据可得e＝375sin 5πt(V)。 (2)当t＝ s时，电动势的瞬时值e＝375sinV＝375 V。 答案　(1)e＝375sin 5πt(V)　(2)375 V 当堂达标： 1．(多选)如图所示的图像中属于交变电流的是(　　) 2．(多选)下列方法中能够产生交变电流的是(　　) 3．如图甲所示，一闭合矩形线圈abcd绕垂直于磁感线的固定轴OO′匀速转动，线圈平面位于如图甲所示的匀强磁场中。通过线圈的磁通量Φ随时间t的变化规律如图乙所示，下列说法正确的是(　　) A．t1、t3时刻通过线圈的磁通量变化率最大 B．t1、t3时刻线圈中感应电流方向改变 C．t2、t4时刻线圈中磁通量最大 D．t2、t4时刻线圈中感应电动势最小 4．如图所示为教学演示用交流发电机。以不太快的速度摇动发电机，与发电机相连的小灯泡将一闪一闪发光。现将摇动速度加倍，下列分析正确的是(　　) A．小灯泡闪光周期将加倍，亮度增大 B．小灯泡闪光频率将加倍，亮度增大 C．小灯泡闪光频率将不变，亮度增大 D．小灯泡闪光频率将加倍，亮度不变 参考答案： 1.解析：ABC　选项A、B、C中e的方向均发生了变化，故它们属于交变电流，但不是正弦式交变电流；选项D中e的方向未变化，故是直流电。故A、B、C正确。 2.解析：ACD　A中线圈在匀强磁场中按逆时针方向匀速转动，会产生正弦式交变电流；B中的金属棒不切割磁感线，不产生感应电动势；C中的折线与矩形线圈的效果是相同的；D中能产生按余弦规律变化的交变电流。故A、C、D正确。 3.解析：B　从题图乙可以看出，t1、t3时刻通过线圈的磁通量最大，线圈经过中性面位置时线圈中感应电流方向改变，故A错误，B正确；t2、t4时刻通过线圈的磁通量为零，线圈处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错误。 4.解析：B　摇动速度加倍，即转速变大，则产生交流电的频率增加，可知小灯泡闪光频率将加倍；感应电流的大小与发电机的转速有关，转速越大，输出的电流也越大，则灯泡的亮度增加；故选B。 学科网（北京）股份有限公司 $