第1节 认识交变电流-【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（粤教版）

第一节　认识交变电流 【素养目标】　1.区别直流和交流，利用正弦式电流的规律和图像分析相关问题。2.探究线圈转动一周电动势和电流的变化规律。3.通过认识交流发电机在社会发展中的作用，体会科学技术是第一生产力。 知识点一　交变电流与直流 【情境导入】　手电筒用可充电电池供电，家用日光灯工作时也有电流通过，想一想除了电流的大小，这两种电流还有什么不同？ 提示：手电筒的电流方向不变，日光灯的电流方向变化。 【教材梳理】 (阅读教材P64—P65完成下列填空) 1．直流：方向不随时间改变的电流。 2．恒定电流：强弱和方向都不随时间变化的电流。 3．交变电流：强弱和方向随时间做周期性变化的电流，简称交流(AC)。 4．交变电流的波形图：电流或电压随时间变化的图像。 【师生互动】　如图所示，将一个蹄形磁铁靠近正在发光的白炽灯，你会惊讶地发现灯丝在晃动。 任务1.思考灯丝晃动与安培力的关系？ 任务2.据此说明电路中电流方向有什么特点？ 提示：任务1.灯丝晃动是由于灯丝所受安培力方向不断发生变化。 任务2.安培力方向发生变化是由于灯丝中电流方向不断发生变化。 (多选)下列所示图像中属于交流电的有(　　) 答案：AD 解析：交流电是指电流的大小和方向都随时间做周期性变化，由图可知，A、D正确。 针对练．下列关于交变电流和恒定电流的说法正确的是(　　) A．若电流大小做周期性变化，则一定是交变电流 B．恒定电流的大小可以变化，但方向不一定变化 C．交变电流一定是按正弦或余弦规律变化的 D．交变电流的最大特征就是电流的方向发生周期性的变化 答案：D 解析：若电流大小做周期性变化，则不一定为交变电流，因为没有提及电流方向随时间做周期性变化，A错误；恒定电流的大小和方向都不变，B错误；交变电流的方向发生周期性的变化，但不一定是按正弦或余弦规律变化的，C错误；交变电流的最大特征就是电流的方向发生周期性的变化，D正确。 学生用书第78页 知识点二　交变电流的产生 【情境导入】　如图所示，线圈绕OO′轴沿逆时针方向匀速转动，思考下列问题： (1)线圈转动一周的过程中，线圈中的电流方向如何变化？ (2)在哪个位置电流方向发生变化？该位置磁场方向和线圈平面有怎样的位置关系？ (3)线圈转动过程中，当产生的感应电流有最大值和最小值时线圈分别在什么位置？ 提示：(1) 转动过程 电流方向 甲→乙 B→A→D→C 乙→丙 A→B→C→D 丙→丁 A→B→C→D 丁→甲 B→A→D→C (2)在乙或丁位置电流方向发生变化，此时磁场与线圈平面垂直。 (3)线圈转到甲或丙位置时线圈中的感应电流最大，线圈转到乙或丁位置时线圈中感应电流最小且为零。 【教材梳理】 (阅读教材P65—P66完成下列填空) 1．交流发电机的线圈在磁场中转动时，转轴与磁场方向垂直。 2．中性面 (1)定义：与磁感线垂直的平面。 (2)当线圈平面位于中性面时，线圈中的磁通量最大，线圈中的电流为零。 (3)线圈每经过中性面一次，感应电流的方向就改变一次。 3．从能量的角度思考，交流发电机的工作过程是将机械能转化为电能和回路中内能的过程，符合能量守恒定律。 (2024·肇庆市高二期末)如图甲是目前市面上流行的手摇手机充电器，它体型小，携带方便，可以在紧急状态下给手机临时充电。若某人摇动手柄给手机充电时，其内部线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，当线圈转到图乙所示位置时，下列说法正确的是(　　) A．线圈中无电流 B．电流方向将发生改变 C．线圈中的电流最大 D．穿过线圈磁通量的变化率为0 答案：C 解析：当线圈转到题图乙所示位置时，线圈中电流最大，A错误，C正确；线圈转到中性面时，电流方向发生改变，B错误；题图乙所示位置为中性面的垂面，磁通量为零，但穿过线圈磁通量的变化率最大，D错误。　 中性面与垂直于中性面的位置特点的比较 项目 中性面 垂直于中性面的位置 图示 位置 线圈平面与磁场垂直 线圈平面与磁场平行 磁通量Φ 最大 0 磁通量变化率 0 最大 感应电动势e 0 最大 感应电流i 0 最大 电流i方向 改变 不变 学生用书第79页 针对练．(2024·惠州市高二统考期中)如图是交流发电机的示意图，图甲到图丁分别表示线圈转动过程中的四个位置，其中甲、丙中的线圈与磁场方向垂直，乙、丁中的线圈与磁场方向平行，则在线圈转动的过程中，下列说法正确的是(　　) A．线圈转动的过程中，产生直流电流 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．转到图乙和图丁位置时，线圈产生的感应电流方向相反 答案：D 解析：题图为交流发电机的示意图，故在线圈转动的过程中，产生交流电流，故A错误；转到题图乙位置时，线圈中磁通量为零，线圈中产生的感应电动势最大，故B错误；转到题图丙位置时，线圈中磁通量最大，线圈中产生的感应电流为零，故C错误；转到题图乙位置时，AB边向下切割磁感线，由右手定则可知线圈中的电流方向为A→D→C→B→A，转到题图丁位置时，AB边向上切割磁感线，由右手定则可知线圈中的电流方向为A→B→C→D→A，所以感应电流方向相反，故D正确。故选D。 知识点三　用公式描述交变电流 【情境导入】　如图所示，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，ab边的长度为lab。 试分析回答下列问题： (1)线圈转过的角度为多少？ (2)ab边的线速度跟磁感线方向的夹角θ为多少？ (3)ab边转动的线速度大小为多少？ (4)写出ab边产生的感应电动势(设线圈面积为S)的表达式？ (5)写出整个线圈产生的感应电动势的表达式？ (6)若线圈为N匝，则感应电动势的表达式怎样？ 提示：(1)线圈转过的角度为ωt。 (2)ab边的线速度跟磁感线方向的夹角θ＝ωt。 (3)ab边转动的线速度大小v＝ω。 (4)ab边产生的感应电动势(设线圈面积为S) eab＝Blabv sin θ＝sin ωt。 (5)整个线圈产生的感应电动势e＝2eab＝BSωsin ωt。 (6)若线圈为N匝，则e＝NBSωsin ωt。 【教材梳理】 (阅读教材P66—P67完成下列填空) 1．从中性面开始计时，交流发电机产生的感应电动势的瞬时值表达式：e＝Emsin ωt，Em叫作感应电动势的峰值，Em＝NBSω。 2．正弦式交变电流：按正弦规律变化的交变电流叫作正弦式交变电流，简称正弦式电流。 3．正弦式交变电流和电压 电流表达式i＝Imsin_ωt，电压表达式u＝Umsin_ωt。其中Im、Um分别表示感应电流和路端电压的峰值。 【师生互动】　任务1.若从垂直中性面的位置开始计时，线圈产生的感应电动势是正弦函数还是余弦函数？ 任务2.如图所示，线圈的N、B、ω、S均不变，只是轴线未在线框的中间，则线圈转动时产生的感应电动势的瞬时值表达式有无变化？交变电流的产生与轴线的位置有关吗？ 学生用书第84页 提示：任务1.余弦函数　任务2.无变化　交变电流与轴线位置无关 学生用书第80页 如图所示，匀强磁场的磁感应强度B＝ T，边长L＝10 cm的正方形线圈abcd共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＝NBL2ω＝100××0.12×2π 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 对应的电流的瞬时值i′＝＝ A。 (5)由欧姆定律得uR＝R＝ cos (2πt) V。 1．峰值表达式 Em＝NBSω，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、面积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．书写交变电流瞬时值表达式的方法 (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＝NBSω。 (4)写出电动势的瞬时值表达式。 针对练．矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动时，产生的感应电动势最大值为50 V，那么该线圈由图示位置(线圈平面与磁场方向平行)转过30°时，线圈中的感应电动势大小为(　　) A．50 V B．25 V C．25 V D．10 V 答案：C 解析：线圈绕垂直于磁场的轴匀速转动，从垂直中性面的位置开始计时，感应电动势的瞬时值表达式为e＝Emcos θ，当θ＝30°时，线圈中感应电动势大小e＝Emcos 30°＝50× V＝25V。故选C。 1．(多选)(2024·茂名市高二期末)下列图像描述的电流属于交变电流的是(　　) 答案：AD 解析：电流的大小和方向周期性变化的电流为交变电流。B、C电流的方向没有发生变化，因此不属于交变电流；A、D电流的方向发生周期性变化，属于交变电流。故选A、D。 2．(教科版选择性必修第二册P60T2改编)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轴OO′ 学生用书第81页 以恒定的角速度ω转动，从线圈平面与磁场方向平行的位置开始计时，则在t＝时(　　) A．线圈中的感应电流最大 B．穿过线圈的磁通量最大 C．线圈中的感应电动势最小 D．穿过线圈磁通量的变化率最小 答案：A 解析：在t＝时刻，即经过周期，线圈平面与磁场方向又平行了，此时又处于垂直中性面的位置，磁通量为零，磁通量的变化率最大，感应电动势和感应电流也最大，故选A。 3．某旋转电枢式交流发电机，当转子的旋转角速度为ω时，其产生的电动势随时间变化的关系式为e＝Emsin ωt。那么当转子的旋转角速度减为ω时，其产生的电动势随时间变化的关系式为(　　) A．e′＝Emsin t B．e′＝Emsin t C．e′＝2Emsin t D．e′＝Emsin ωt 答案：A 解析：线圈中产生的感应电动势的最大值为Em＝NBSω，当转子的旋转角速度减为ω′＝ω时，感应电动势的最大值变为Em′＝NBS＝Em，电动势随时间变化的关系式变为e′＝Em′sin ω′t＝Emsin t，故A正确。 学科网（北京）股份有限公司 $