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配套课件（人教版）

1.交变电流 　　　　 第三章 交变电流 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。 素养目标 知识点一　交变电流　交变电流的产生 1 知识点二　交变电流的变化规律　交流发电机 2 课时测评 3 内容索引 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 知识点一　交变电流　交变电流的产生 返回 自主学习 情境导入　观察下列i -t图像： (1)哪些属于交变电流？ 提示：甲、乙、己　 (2)哪些属于直流？ 提示：丙、丁、戊 (3)交变电流与直流的本质区别是什么？ 提示：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：______、______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________变化的电流，简称______。 3.直流(DC)：______不随时间变化的电流。 大小 方向 周期性 交流 方向 4.交变电流的产生 (1)产生条件：线圈在匀强磁场中绕________磁场方向的轴______转动。 (2)过程分析(如图所示) (3)中性面位置：线圈平面与磁场______的位置。 垂直于 匀速 垂直 课堂探究 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： 任务1.哪些位置属于中性面位置？有什么特点？ 提示：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.垂直于中性面的位置有哪些？有什么特点？ 提示：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 探究归纳 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 例1 √ 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 √ √ 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 √ 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。 返回 知识点二　交变电流的变化规律　交流发电机 返回 自主学习 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？ 提示：正弦函数 (2)利用什么装置能获得这种交变电流？ 提示：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＝____________；u＝____________；i＝____________。 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) Emsin ωt Umsin ωt Imsin ωt 2.交流发电机 (1)基本组成：产生感应电动势的______(电枢)和产生磁场的______。不论哪种发电机，转动的部分都叫______，不动的部分都叫______。 (2)分类 ①旋转电枢式发电机：______转动，______不动，输出电压一般不超过_____ V。 ②旋转磁极式发电机：______转动，______不动，能够产生几千伏到________的电压，输出功率可达__________。 (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________传递给发电机，发电机将机械能转化为______，输送给外电路。 线圈 磁体 转子 定子 电枢 磁极 500 磁极 电枢 几万伏 几百兆瓦 机械能 电能 课堂探究 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？ 提示：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.写出ab边产生的感应电动势(设线圈面积为S)的表达式。 提示：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.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：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。 1.正弦式交变电流的峰值表达式 Em＝NωBS，Im＝＝，Um＝ImR＝。　 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。 探究归纳 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。 探究归纳 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。 探究归纳 角度1 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； 答案：2 V　 例2 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； 答案： (2)e＝2cos (2πt) V 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)由图示位置转过30°角时电路中电流的瞬时值； 答案： A 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。 t＝ s时，e″＝2cos V＝ V 对应的感应电流的瞬时值i″＝＝ A。 (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； 答案： A (5)电阻R两端电压的瞬时值表达式。 答案：uR＝cos (2πt) V 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 √ √ 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。 角度2 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 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 √ 例3 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。 规律总结 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 √ 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。 返回 课堂回眸 课时测评 返回 √ 1.(2025·黑龙江哈尔滨高二月考)下列图像中不属于交变电流的是 大小和方向都做周期性变化的电流叫作交变电流，D选项中的电动势大小周期性变化，方向没有变化，不属于交变电流。故选D。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 选项图B、D中的线圈转动时穿过线圈的磁通量均没有变化，不产生感应电动势，选项图A、C中的线圈绕垂直于磁场的轴匀速转动，且磁通量变化，能产生正弦式交变电动势。故选AC。 √ 2.(多选)(2025·安徽黄山高二期末)如图所示，面积均为S的单匝线圈(选项图A、C、D中的线圈均绕其虚线所示对称轴，选项图B中的线圈绕其中心轴)在匀强磁场中以角速度ω匀速转动，能产生正弦式交变电动势的是 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 3.(2025·北京西城区高二期中)如图(a)→(b)→(c)→(d)→(e)过程是交流发电机发电的示意图。线圈的ab边连在金属滑环K上，cd边连在金属滑环L上，用导体制成的两个电刷分别压在两个滑环上，线圈在转动时可以通过滑环和电刷保持与外电路连接。下列说法正确的是 A.图(a)中，线圈平面与磁感线垂直，磁通量变化率最大 B.从图(b)位置开始计时，线圈中电流i随时间t变化的关系是i＝Imsin ωt C.当线圈转到图(c)位置时，感应电流最小，且感应电流方向将改变 D.当线圈转到图(d)位置时，感应电动势最大，cd边感应电流方向为c→d √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 题图(a)中，线圈在中性面位置，故穿过线圈的磁通量最大，磁通量变化率为0，故A错误；从线圈在中性面位置开始计时的表达式才是i＝Imsin ωt，故B错误；当线圈转到题图(c)位置时，线圈在中性面位置，故穿过线圈的磁通量最大，产生的感应电流最小为零，电流方向将改变，故C正确；当线圈转到题图(d)位置时，磁通量最小，磁通量的变化率最大，故感应电动势最大，cd边感应电流方向为d→c，故D错误。故选C。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 4.一个矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，产生的交变电动势瞬时值表达式为e＝10sin (4πt)V，则 A.该线圈转动的角速度为4 rad/s B.t＝0时，线圈平面与磁场垂直 C.t＝0.25 s时，e达到最大值 D.在1 s时间内，线圈中电流方向改变10次 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 交变电动势的瞬时值表达式e＝10sin (4πt)V，可知该线圈转动的角速度ω＝4π rad/s，选项A错误；将t＝0代入可得感应电动势为0，则此时线圈处于中性面，线圈平面与磁场垂直，选项B正确；将t＝0.25 s代入可得e＝0，选项C错误；线圈转动的周期T＝＝0.5 s，则在1 s时间内线圈转过2周，转1周电流方向改变2次，则在1 s时间内线圈中电流方向改变4次，选项D错误。故选B。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 5.(多选)一矩形线圈绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定轴匀速转动。线圈中的感应电动势e随时间t变化的规律如图所示，则下列说法正确的是 A.图中是从线圈平面与磁场方向平行时开始计时的 B.t1和t3时刻穿过线圈的磁通量为零 C.t1和t3时刻穿过线圈的磁通量的变化率为零 D.感应电动势e的方向变化时，穿过线圈的磁通量最大 √ √ √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 由题图可知，当t＝0时，感应电动势最大，说明穿过线圈的磁通量的变化率最大，磁通量为零，故是从线圈平面与磁场方向平行时开始计时的，A正确；t1、t3时刻感应电动势为零，穿过线圈的磁通量的变化率为零，磁通量最大，B错误，C正确；感应电动势e的方向变化时，线圈通过中性面，穿过线圈的磁通量最大，D正确。故选ACD。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 6.某交流发电机工作时产生的感应电动势为e＝Emsin ωt，若将该发电机的转速提高一倍，同时将电枢所围面积减小一半，其他条件不变，则其电动势e'变为 A.Emsin B.2Emsin C.Emsin 2ωt D.sin 2ωt √ 感应电动势的瞬时值表达式e＝Emsin ωt，而Em＝NωBS，ω＝2πn，当n提高一倍时，ω提高一倍；当ω提高一倍而S减半时，Em不变，则e'＝Emsin 2ωt。故选C。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 7.如图甲为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”。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，在图乙所示位置时，下列说法正确的是 A.线圈所处位置是中性面 B.穿过线圈的磁通量变化率最大 C.线圈b端电势高于a端电势 D.线圈靠近S极的导线受到的安培力方向向上 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 在题图乙所示位置时，线圈平面与磁场方向平 行，线圈所处位置与中性面垂直，穿过线圈的 磁通量为零，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；在题图乙所示位置时，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；在题图乙所示位置时，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。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 √ 8.(多选)如图所示，单匝直角三角形导线框OMN在匀强磁场中以ON所在的直线为轴匀速转动，角速度为ω，已知OM边长为l，∠MON＝θ，匀强磁场垂直于ON向右，磁感应强度大小为B，则下列说法正确的是 A.导线框OMN内产生大小恒定的电流 B.截掉导线MN，则电动势最大值不变 C.导线框OMN内的电流方向为OMNO D.导线框OMN内产生的电动势最大值为ωBl2·sin θcos θ √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 当导线框OMN以ON所在的直线为轴匀速转动时，线圈内产生正弦式交变电流，选项A、C错误；导线MN不切割磁感线，则截掉导线MN，电动势最大值不变，选项B正确；导线框OMN内产生的电动势最大值为Em＝ωBS＝ωBl2sin θcos θ，选项D正确。故选BD。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 9.如图所示，图线a是线圈在匀强磁场中匀速转动时产 生的正弦式交变电流的图像，当调整线圈转速后，所产 生的正弦式交变电流的图像如图线b所示，以下关于这 两个正弦式交变电流的说法中正确的是 A.线圈先后两次转速之比为1∶2 B.交变电流a的电压瞬时值的表达式为u＝10sin (0.4πt)V　 C.交变电流b的电压最大值为 V D.在图中t＝0时刻穿过线圈的磁通量为0 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 由题图可知，周期Ta＝0.4 s，Tb＝0.6 s，则线圈 先后两次转速之比na∶nb＝Tb∶Ta＝3∶2，故A错 误；交变电流a的电压最大值为10 V，角速度为ωa＝＝5π rad/s，则电压瞬时值的表达式为u＝10sin (5πt) V，故B错误；电动势的最大值为Em＝NωBS，交变电流a和b的电压的最大值之比Uma∶Umb＝Ema∶Emb＝ωa∶ωb＝∶＝3∶2，则交变电流b的电压最大值为 V，故C正确；t＝0时刻u＝0，根据法拉第电磁感应定律可知，此时穿过线圈的磁通量的变化率为零，磁通量最大，故D错误。故选C。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 10.(多选)如图所示，矩形线圈abcd在匀强磁场中可以分 别绕垂直于磁场方向的轴P1和P2以相同的角速度匀速转 动。当线圈平面转到图示位置与磁场方向平行时 A.线圈绕P1转动时的电流等于绕P2转动时的电流 B.线圈绕P1转动时的电动势小于绕P2转动时的电动势 C.线圈分别绕P1和P2转动时的电流的方向相同，都是a→d→c→b D.线圈绕P1转动时dc边受到的安培力大于绕P2转动时dc边受到的安培力 √ √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 产生交变电流的条件是轴和磁感线垂直，与轴的位置和线圈形状无关，线圈abcd分别绕轴P1、P2转动，转到题图所示位置时产生的电动势均为E＝NωBS，由I＝可知，线圈中的电流I相等，故选项A正确，B错误；由右手定则可知，感应电流的方向都是a→d→c→b，故选项C正确；dc边受到的安培力F＝IldcB，则F一样大，故选项D错误。故选AC。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 11.(多选)如图所示，abcd为一边长为L、匝数为N的正 方形闭合线圈，绕对称轴OO'匀速转动，角速度为ω。 空间中只有OO'左侧存在垂直纸面向里的匀强磁场， 磁感应强度大小为B。若闭合线圈的总电阻为R，则 A.线圈中电动势的最大值为NωBL2 B.线圈中电动势的最大值为NωBL2 C.在线圈转动一圈的过程中，线圈中有一半时间没有电流 D.当线圈转到图中所示的位置时，穿过线圈的磁通量为BL2 √ √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 电动势的最大值Em＝NωBL2，A错误，B正确；在线圈转动的过程中，线圈始终有一半在磁场中运动，不会有一半时间没有电流，C错误；题图所示位置，穿过线圈的磁通量为BL2，D正确。故选BD。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 12.(16分)如图所示，一个小型旋转电枢式交流发电机，其矩形线圈的长度为a，宽度为b，共有N匝，总电阻为r，与线圈两端相接触的集流环上接有一个阻值为R的定值电阻，线圈以角速度ω在磁感应强度为B的匀强磁场中绕与磁场方向垂直的对称轴OO'匀速转动，沿转轴OO'方向看去，线圈沿逆时针方向转动，t＝0时刻线圈平面如图所示。 (1)写出线圈转动过程中感应电动势的瞬时值表达式； 答案：e＝NωBabcos ωt 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 感应电动势的最大值为Em＝NωBab 由题图可知，从中性面的垂直平面位置开始计时，所以感应电动势的瞬时值表达式为e＝NωBabcos ωt。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 线圈从t＝0位置开始到转过60°时的瞬时电动势为e'＝NωBabcos 60°＝ 由闭合电路的欧姆定律可得 i＝＝。 (2)求线圈从t＝0位置开始到转过60°时的瞬时电流。 答案： 返回 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 谢 谢 观 看 第三章 交变电流 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 $