1.交变电流-【金版新学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册同步课堂高效讲义教师用书（人教版）

1.交变电流 【素养目标】　1.了解交变电流和直流的概念，会区分交流和直流。2.了解交变电流的产生过程，会根据右手定则判断电流的方向。3.掌握交变电流的变化规律，会推导正弦式交变电流瞬时值的表达式。4.了解交流发电机的基本组成和分类。 知识点一　交变电流　交变电流的产生 【情境导入】　观察下列i -t图像： (1)哪些属于交变电流？ (2)哪些属于直流？ (3)交变电流与直流的本质区别是什么？ 提示：(1)甲、乙、己　(2)丙、丁、戊　(3)电流的方向是否变化 【教材梳理】 (阅读教材P49—P51完成下列填空) 1.恒定电流：大小、方向都不随时间变化的电流。 2.交变电流(AC)：大小和方向都随时间做周期性变化的电流，简称交流。 3.直流(DC)：方向不随时间变化的电流。 4.交变电流的产生 (1)产生条件：线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动。 (2)过程分析(如图所示) (3)中性面位置：线圈平面与磁场垂直的位置。 【师生互动】　如图所示，线圈绕OO'轴沿逆时针方向匀速转动，完成下列任务： 学生用书⬇第76页 任务1.哪些位置属于中性面位置？有什么特点？ 任务2.垂直于中性面的位置有哪些？有什么特点？ 提示：任务1.甲、丙位置为中性面位置；磁通量最大，感应电动势为零，电流为零而且方向改变。 任务2.乙、丁位置为垂直于中性面的位置；磁通量为零，感应电动势最大，电流最大而且方向不变。 【探究归纳】 中性面与中性面的垂面位置特点的比较 项目 中性面 中性面的垂面 图示 位置 线圈平面与磁场垂直 线圈平面与磁场平行 续表 项目 中性面 中性面的垂面 磁通量Φ 最大 零 磁通量的 变化率 零 最大 感应电 动势e 零 最大 感应电流i 零 最大 电流方向 改变 不变 如图是交流发电机的示意图，线圈的两条边分别与两个金属滑环连在一起，线圈逆时针匀速转动时，通过滑环和电刷保持与外电路的连接，图中只画了一匝线圈，磁场可视为匀强磁场，则(　　) A.线圈转动到图甲和图丙所示的位置时，穿过线圈的磁通量最大，电路中的电流也最大 B.线圈转动到图乙和图丁所示的位置时，穿过线圈的磁通量为零，电路中的电流为零 C.线圈从图乙所示位置逆时针转动到图丁所示位置的过程中，电路中电流的方向改变3次 D.线圈从图丙位置转到图丁位置的过程中，穿过线圈的磁通量减小，产生的感应电动势增大 答案：D 解析：线圈转动到题图甲和题图丙所示的位置时，穿过线圈的磁通量最大，但磁通量变化率为零，电路中 的电流为零，A错误；线圈转动到题图乙和题图丁所示的位置时，穿过线圈的磁通量为零，但磁通量变化率最大，电路中的电流最大，B错误；线圈经过中性面时，电流方向发生改变，可知线圈从题图乙所示位置逆时针转动到题图丁所示位置的过程中，电路中电流的方向改变1次，C错误；线圈从题图丙位置(中性面)转到题图丁位置(与中性面垂直)的过程中，穿过线圈的磁通量减小，磁通量变化率增大，产生的感应电动势增大，D正确。故选D。 针对练1.(多选)(2024·新课标卷)电动汽车制动时可利用车轮转动将其动能转换成电能储存起来。车轮转动时带动磁极绕固定的线圈旋转，在线圈中产生电流。磁极匀速转动的某瞬间，磁场方向恰与线圈平面垂直，如图所示。将两磁极间的磁场视为匀强磁场，则磁极再转过90°时，线圈中(　　) A.电流最小 B.电流最大 C.电流方向由P指向Q D.电流方向由Q指向P 答案：BD 解析：由题图可知，开始线圈处于中性面位置，当磁极再转过90°时，此时穿过线圈的磁通量为0，故可知电流最大；在磁极转动的过程中，穿过线圈的磁通量在减小，根据楞次定律可知，此时感应电流方向由Q指向P。故选BD。 针对练2.下图中，不能产生交变电流的是(　　) 答案：A 解析：线圈绕垂直于磁场方向的转轴转动时产生交变电流，选项图A中的转轴与磁场方向平行，线圈中无电流产生；选项图B、C、D三种情形在旋转时线圈的磁通量发生变化，能产生交变电流。故选A。 学生用书⬇第77页 知识点二　交变电流的变化规律　交流发电机 【情境导入】　如图为交流电压随时间变化的图像。 (1)交变电流的电压按什么规律变化？ (2)利用什么装置能获得这种交变电流？ 提示：(1)正弦函数　(2)交流发电机 【教材梳理】 (阅读教材P51—P53完成下列填空) 1.正弦式交变电流的变化规律 (1)正弦式交变电流：按正弦规律变化的交变电流，简称正弦式电流。 (2)表达式：e＝Emsin ωt；u＝Umsin ωt；i＝Imsin ωt。 其中Em、Um、Im分别为电动势、电压、电流的最大值，也叫峰值，而e、u、i则是相应物理量的瞬时值。 (3)图像(如图所示) 2.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。不论哪种发电机，转动的部分都叫转子，不动的部分都叫定子。 (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。 【师生互动】　如图所示，单匝线圈平面从中性面开始转动，经过时间t到达图示位置，线圈匀速转动的角速度为ω，ad边的长度为lad，中点为O点，ab边的长度为lab。 试完成下列任务： 任务1.ab边的线速度方向与磁感线方向的夹角θ为多少？ab边的线速度大小为多少？ 任务2.写出ab边产生的感应电动势(设线圈面积为S)的表达式。 任务3.写出整个线圈产生的感应电动势的表达式。若线圈为N匝，写出感应电动势的表达式。 提示：任务1.ab边的线速度方向与磁感线方向的夹角θ＝ωt。ab边的线速度大小v＝。 任务2.ab边产生的感应电动势(设线圈面积为S) eab＝Blabvsin θ＝sin ωt。 任务3.整个线圈产生的感应电动势e'＝2eab＝ωBSsin ωt。若线圈为N匝，则e＝NωBSsin ωt。 【探究归纳】 1.正弦式交变电流的峰值表达式 Em＝NωBS，Im＝＝，Um＝ImR＝。　 学生用书⬇第78页 注意：感应电动势的峰值与线圈的形状和转轴的位置没有关系。如图所示，三个形状不同、转轴位置不同，但面积、匝数相等的线圈，产生的交变电流的感应电动势的峰值相等。 2.正弦式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。 注意：从不同的位置开始计时，交变电流的表达式不同。 3.书写正弦式交变电流的电动势瞬时值的步骤 (1)确定线圈从哪个位置开始计时，进而确定表达式形式。 (2)确定线圈转动的角速度ω及线圈匝数N、磁感应强度B、线圈面积S等。 (3)计算电动势的最大值(峰值)Em＝NωBS。 (4)写出电动势的瞬时值表达式。 正弦式交变电流的峰值、瞬时值及表达式的理解 · 如图所示，匀强磁场的磁感应强度大小B＝ T，边长L＝10 cm 的正方形线圈abcd共N＝100匝，线圈总电阻r＝1 Ω，线圈绕垂直于磁感线的轴OO'匀速转动，角速度ω＝2π rad/s，外电路电阻R＝4 Ω。求： (1)转动过程中线圈中感应电动势的最大值； (2)从图示位置(线圈平面与磁感线平行)开始计时，感应电动势的瞬时值表达式； (3)由图示位置转过30°角时电路中电流的瞬时值； (4)线圈从图示位置开始计时经 s时线圈中感应电流的瞬时值； (5)电阻R两端电压的瞬时值表达式。 答案：(1)2 V　(2)e＝2cos (2πt) V　(3) A　(4) A　(5)uR＝cos (2πt) V 解析：(1)设转动过程中线圈中感应电动势的最大值为Em，则Em＝NωBL2＝100×2π××0.12 V＝2 V。 (2)从题图所示位置开始计时，感应电动势的瞬时值表达式为e＝Emcos ωt＝2cos (2πt) V。 (3)从题图所示位置转过30°角时感应电动势的瞬时值e'＝2cos 30° V＝ V 则电路中电流的瞬时值为i＝＝ A。 (4)t＝ s时，e″＝2cos V＝ V 对应的感应电流的瞬时值i″＝＝ A。 (5)由闭合电路的欧姆定律可得uR＝R＝cos (2πt) V。 针对练.(多选)(2025·河南洛阳高二月考)线圈在磁场中匀速转动产生的交流电动势为e＝10sin(20πt) V，则下列说法正确的是(　　) A.t＝0时，线圈平面位于中性面 B.t＝0时，穿过线圈的磁通量最大 C.t＝0时，导线切割磁感线的有效速度最大 D.t＝0.4 s时，感应电动势e达到峰值10 V 答案：AB 解析：t＝0时，感应电动势的瞬时值为e＝0，则线圈平面位于中性面，此时穿过线圈的磁通量最大，导线切割磁感线的有效速度最小，A、B正确，C错误；当t＝0.4 s时，感应电动势的瞬时值为e＝10sin(20π×0.4)V＝0，D错误。故选AB。 正弦式交变电流的图像的理解及应用 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，则下列说法中正确的是(　　) 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 学生用书⬇第79页 C.t＝0.02 s时刻，感应电动势达到最大 D.该线圈产生的感应电动势的图像如图乙所示 答案：B 解析：由题图甲可知，当t＝0时，Φ最大，说明线圈平面与中性面重合，选项A错误；t＝0.01 s时，Φ＝0，Φ -t图像的切线斜率最大，即Φ的变化率最大，选项B正确；当t＝0.02 s时，Φ最大，感应电动势最小为零，选项C错误；由以上分析可知，选项D错误。故选B。 正弦式交变电流图像的理解及应用 　　如图为正弦式交变电流的e -t图像及其对应的Φ -t图像和i-t图像，由图像可以： 1.读出Em、Φm、Im。 2.确定某时刻e、Φ、i的瞬时值。 3.确定线圈处于中性面、中性面的垂面的特殊时刻。 4.判断某段时间内e、Φ、i的变化情况。 针对练.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 答案：D 解析：A、C时刻感应电流最大，线圈处于中性面的垂面，B、D时刻感应电流为零，线圈在中性面，此时磁通量最大，故A、B错误；从A时刻到D时刻线圈转过的角度为，故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。故选D。 学科网（北京）股份有限公司 $