3.1 交变电流 讲义-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

交变电流 知识点一：交变电流 1．交变电流 （1）交变电流：大小和方向随时间做周期性变化的电流叫交变电流，简称交流。 （2）直流：电流或电压的大小随时间发生变化，但方向不发生变化，如图甲、乙所示。 　　（3）恒定电流（或恒定电压）：电流或电压的大小和方向都不随时间发生变化，如图丙、丁。 　 知识点二：交变电流的产生 闭合线圈置于匀强磁场中，并绕垂直于磁场方向的轴匀速转动。 知识点三：交变电流的变化规律 1.中性面：线圈平面垂直于磁感线时，各边都不切割磁感线，线圈中的感应电流为零，这一位置叫中性面。 2.线圈位于中性面时，穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率为零，感应电动势为零，感应电流为零。线圈经过中性面时，线圈中的电流方向要发生改变。线圈转一周有两次经过中性面，所以每转一周电流方向改变两次。 3.从中性面开始计时，线圈中产生的电动势的瞬时值表达式：e＝Emsinωt，Em叫做电动势的峰值。 4.图像：如图所示，在第一个周期时间内，线圈转到中性面的时刻为0.04 s末，此时穿过线圈的磁通量最大，流过线圈的电流为0。在0.02 s末时刻，线圈在磁场中的位置是与中性面垂直。 5. 理解中性面和中性面的垂直面两特殊位置的不同特点及应用 （1）线圈平面与中性面重合时，，最大，但，，，电流方向将发生改变。 （2）线圈平面与中性面垂直时，，，最大，最大，最大，电流方向不变。 6. 如图所示，该线圈从中性面起经时间转过角度，则，此时两边速度方向与磁感线方向的夹角分别为和，它们产生的感应电动势同向相加，整个线圈中的感应电动势为： ， 因为，代入上式得。 令（若线圈有N匝，所围面积为，则，跟线圈形状无关），则有，为电动势在时刻的瞬时值，为电动势的最大值（也叫峰值）。 （1）电动势按正弦规律变化，仅限于线框自中性面开始计时的情形；若线圈从磁感线与线圈平面平行的位置开始计时，表达式变为： 。 （2）在轴和磁场垂直的前提下，交变电流的表达式与轴的位置无关。 （3）若线圈给外电阻供电，设线圈本身电阻为，由闭合电路欧姆定律得： ， 这种按正弦规律变化的电流叫做正弦式交变电流，它是最简单又最基本的交变电流。 两端的电压可记为：。 知识点四：交流发电机 一、单选题 1．下图为某风力发电机内部简化图，两磁极间存在匀强磁场。发电期间，风力驱动线圈绕着虚线轴匀速转动，某时刻线圈位于图中所示位置，下列说法正确的是（　　） A．该时刻线圈处于中性面 B．该时刻线圈磁通量变化率为零 C．若该时刻电流方向从a到b，可知线圈顺时针转动 D．当线圈再转过时，流经线圈的电流为零 2．如图所示，线圈abcd在水平匀强磁场中匀速转动会产生正弦式交变电流。当线圈逆时针转动到图示水平位置时，下列说法正确的是（　　） A．线圈处于中性面位置 B．线圈中瞬时感应电动势为零 C．穿过线圈平面的磁通量变化率最大 D．线圈中电流方向为abcda 3．以下各个选项所示的电流，属于交变电流的是（　　） A． B． C． D． 4．如图所示，交流发电机中的线圈ABCD沿逆时针方向匀速转动，此时线圈平面与中性面垂直，下列说法正确的是（　　） A．在图示位置时，穿过线圈的磁通量最大 B．在图示位置时，电流方向发生改变 C．在图示位置时，AB边受安培力方向向上 D．从图示位置转过90°时，线圈中电动势最大 5．如图所示，边长为的正方形线框在磁感应强度大小为的匀强磁场中，以周期绕轴匀速转动，从图示位置开始计时，下列说法正确的是（　　） A．图示位置为中性面 B．回路中产生稳恒直流电 C．时，电流方向将发生改变 D．时刻穿过线框的磁通量为0 6．如图甲所示，一矩形线圈处于匀强磁场中，线圈绕过、中点的轴以角速度顺时针匀速转动。0时刻线圈平面与磁场的夹角为，截面图如图乙所示，则下列说法正确的是（    ） A．该时刻线圈中的电流方向为 B．时，线圈处于中性面 C．时，线圈中的电流最大 D．时，通过线圈的磁通量最大 7．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达到减速目的，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。某时刻磁极转到图示位置。下列说法正确的是（　　） A．该时刻线圈中电流最大 B．线圈中产生的电流是正弦交流电 C．磁极再转过90°时，电流方向改变 D．磁极再转过90°时，电流方向由Q指向P 8．如图所示，线圈abcd在水平匀强磁场中匀速转动而产生交变电流。当线圈逆时针转动到图示水平位置时（　　） A．线圈处于中性面位置 B．线圈中瞬时感应电动势为零 C．穿过线圈平面的磁通量变化率最小 D．线圈中电流方向为d→c→b→a 9．如图所示是物理实验室常见的手摇交流发电机，快速摇动发电机手柄，能看到灯泡可以发光，下列说法正确的是（　　） A．线圈每转动一周，感应电流方向都会改变一次 B．当通过线圈平面的磁通量最大时，线圈中的感应电流最大 C．线圈转动的越快，灯泡就越亮 D．把磁铁N、S极位置互换，发电机将不能发电 10．如图所示，边长为l的正方形金属框abcd置于匀强磁场中，磁场方向水平向右。金属框以角速度ω绕金属框的bc边逆时针（从上往下看）匀速转动。时金属框平面与磁场平行（图示状态），下列说法正确的是（　　） A．时，ad边的电流方向从d指向a B．在的时间内，ab边的电流方向为先a→b，后b→a C．在的时间内，cd边一直切割磁感线 D．若绕ab边转动，在的时间内，通过金属框的磁通量先增大后减小 11．如图所示为演示交变电流产生的装置图，关于这个实验，下列说法正确的是（　　） A．图示位置为中性面，线圈中无感应电流 B．图示位置ab边的感应电流方向为b→a C．线圈平面与磁场方向平行时，磁通量变化率为零 D．线圈每转动一周，电流方向改变两次 12．如图甲所示，由交流发电机、定值电阻、交流电流表A组成的闭合回路，线圈沿逆时针方向转动，图甲所示位置磁感线与线圈平面平行，从此刻开始计时，穿过线圈的磁通量随时间变化的图像如图乙所示，则（　　） A．时刻线圈中感应电动势最小 B．时刻线圈中感应电流的方向改变 C．线圈转到图甲所示位置时，线圈中磁通量变化率为零 D．线圈转动到图甲所示位置时，线圈中感应电流方向为 13．如图所示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．线圈转动到甲图和丙图所示的位置时，穿过线圈的磁通量最大，电路中的电流也最大 B．线圈转动到乙图和丁图所示的位置时，穿过线圈的磁通量为零，电路中的电流为零 C．线圈从甲图所示位置逆时针转动到丁图所示位置的过程中，电路中电流的方向改变4次 D．线圈从丙图位置转到丁图位置的过程中，穿过线圈的磁通量减小，产生的感应电动势增大 二、多选题 14．如图甲所示为交流发电机、定值电阻R、交流电流表A组成的闭合回路，线圈ABCD逆时针方向转动，图示位置磁感线与线圈平面平行，图乙所示为通过线圈的磁通量随时间t的变化关系图像，下列说法正确的是（　　） A．t1、t3时刻线圈处于中性面 B．t2、t4时刻线圈中感应电动势为零 C．线圈转动到图示位置时，线圈中磁通量变化率最大 D．线圈转动到图示位置时，感应电流方向为 A→B→C→D→A 15．某自行车安装有发电照明系统。发电装置示意图如图所示，车轮带动线圈沿逆时针方向匀速转动从而产生电流，t＝0时刻线圈与磁场方向平行。两磁极间的磁场可视为匀强磁场，则下列说法正确的是（　　） A．t＝0时刻线圈中的电流最大 B．转过90°时线圈中的电流最大 C．t＝0时刻线圈中的电流方向由C指向D D．t＝0时刻线圈中的电流方向由D指向C 三、解答题 16．在发电机模型中，线圈所处的位置和感应电动势的大小有直接关系。请思考并回答下列问题： (1)当线圈处于如图所示的位置时，线圈的AB边或CD边切割磁感线的速度有何特点？线圈中的感应电流有何特点？穿过线圈的磁通量的变化率有何特点？ (2)当线圈转到什么位置时线圈中没有电流？ 17．如图所示，矩形线圈abcd的匝数为 n＝50匝，线圈ab的边长为L1＝0.2 m，bc的边长为L2＝0.25 m，在磁感应强度为B＝0.4 T的匀强磁场中，绕垂直于磁感线且通过线圈中线的OO′轴匀速转动，转动的角速度ω＝rad/s，试求： (1)穿过线圈平面的最大磁通量Φm； (2)线圈在题图所示位置(线圈平面与磁感线平行)时，感应电动势e的大小； (3)若线圈在中性面位置开始计时，写出此交变电流电动势瞬时值表达式． 2 学科网（北京）股份有限公司 参考答案 题号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 D C B C A C D D C B 题号 11 12 13 14 15 答案 D B D AC AD 1．D 【详解】AB．该时刻线圈平面与磁场方向平行，穿过线圈的磁通量为0，但线圈磁通量变化率最大，产生的感应电动势最大，感应电流最大，不是处于中性面，故AB错误； C．若该时刻电流方向从a到b，图中磁场方向向左，对ab边根据右手定则可知，ab边向下运动切割磁感线，则线圈逆时针转动，故C错误； D．当线圈再转过时，线圈平面与磁场方向垂直，线圈处于中性面，流经线圈的电流为零，故D正确。 故选D。 2．C 【详解】ABC．当线圈处于图示水平位置时，线圈平面与磁场方向平行，穿过线圈的磁通量为0，但磁通量变化率最大，线圈中瞬时感应电动势最大，故AB错误，C正确； D．当线圈逆时针转动到图示水平位置时，图中ab边向下切割磁感线，cd边向上切割磁感线，根据右手定则可知，线圈中电流方向为adcba，故D错误。 故选C。 3．B 【详解】判断电流是交流还是直流，要看其方向是否随时间周期性变化。选项C中，电流的大小和方向均不变；选项AD中，尽管电流大小随时间周期性变化，但其方向不变，仍是直流，故只有B正确。 故选B。 4．C 【详解】A．在图示位置时，穿过线圈的磁通量为零，故A错误； B．在图示位置时，线圈中的电流方向不发生改变，故B错误； C．根据右手定则可知，线圈中的电流方向为结合左手定则可知，AB边受安培力方向向上，故C正确； D．在图示位置，穿过线圈的磁通量为零，感应电动势和感应电流均达到最大，线圈转过90°时，穿过线圈的磁通量最大，感应电动势和感应电流均为零，故D错误。 故选C。 5．A 【详解】A．图示位置磁场方向与线框平面垂直，磁通量最大，为中性面，故A正确； BCD．回路中产生的是交流电，感应电动势为，线圈通过中性面时，电流方向改变，故时，电流方向发生改变，此时磁通量最大，故BCD错误。 故选A。 6．C 【详解】A．根据右手定则可知，该时刻线圈中的电流方向为，故A错误； BCD．线圈在时间内转过的角度，0时刻线圈平面与磁场的夹角为，则时线圈与磁场方向平行，不在中性面，此时线圈中的电流最大，磁通量最小，故BD错误，C正确； 故选C。 7．D 【详解】A．该时刻线圈平面与磁场垂直，通过线圈的磁通量最大，感应电动势为0，线圈中电流为0，故A错误； B．因车轮减速运动，则线圈减速转动，则线圈中产生的电流不是正弦交流电，故B错误； C．磁极再转过90°时，电流方向不改变，故C错误； D．磁极再转过90°时，电流方向由Q指向P，故D正确。 故选D。 8．D 【详解】A．中性面是垂直于磁感应强度，题中该位置与中性面垂直，故A错误； BC．在题中该位置，线框切割磁感线的速度最快，其瞬时感应电动势最大，磁通量变化率最大，故BC错误； D．根据楞次定律，线圈中电流方向为d→c→b→a，故D正确。 故选D。 9．C 【详解】A．线圈每转动一周，感应电流方向改变2次，故A错误； B．当线圈平面转到中性面的瞬间，磁通量最大，磁通量的变化率为零，所以感应电动势为零，线圈中的感应电流为零，故B错误； C．由，增大转速，电动势有效值增加，灯泡变亮，故C正确； D．线圈产生感应电动势，与磁铁N、S极位置无关，故D错误。 故选C。 10．B 【详解】A．时，ad边切割方向与磁场平行，瞬时电流为0，故A错误； B．在的时间内，通过金属框的磁通量先增大后减小，由楞次定律ab边的电流方向为先a→b，后b→a，故B正确； C．在的时间内，cd边一直没有切割磁感线，故C错误； D．若绕ab边转动，在的时间内，通过金属框的磁通量一直为0，故D错误。 故选B 。 11．D 【详解】A．线圈平面与磁场方向平行不是中性面，ab、cd边垂直切割磁感线，线圈产生的感应电动势最大，感应电流最大，A错误； B．线圈处于题图所示位置时，ab边向右运动，由右手定则，ab边的感应电流方向为a→b，B错误； C．线圈平面与磁场方向平行时，ab、cd边垂直切割磁感线，线圈产生的感应电动势最大，感应电流最大，可知线圈平面与磁场方向平行时，磁通量为零，但磁通量的变化率最大，C错误； D．线圈在磁场中匀速转动时，在电路中产生呈周期性变化的交变电流，线圈经过中性面时电流方向改变，线圈每转动一周，有两次通过中性面，电流方向改变两次，D正确。 故选D。 12．B 【详解】A．根据题图乙，结合交流发电机工作原理可知，在时刻，穿过线圈的磁通量为零，但磁通量变化率最大，则线圈中产生的感应电动势最大，故A错误； B．由题图乙可知，在时刻，穿过线圈的磁通量最大，线圈位于中性面，线圈中感应电流的方向改变，故B正确； C．线圈转到题图甲所示位置时，穿过线圈的磁通量为零，但磁通量变化率最大，故C错误； D．线圈沿逆时针方向转动，根据右手定则判断可知，当线圈转动到题图甲所示位置时，线圈中感应电流方向为，故D错误。 故选B。 13．D 【详解】A．线圈转动到题甲图和题丙图所示的位置时，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； B．线圈转动到题乙图和题丁图所示的位置时，穿过线圈的磁通量为零，但磁通量的变化率最大，电路中的电流最大，B错误； C．线圈经过中性面时，电流方向发生改变，可知线圈从题甲图所示位置逆时针转动到题丁图所示位置的过程中，电路中电流的方向改变1次，C错误； D．线圈从题丙图位置（中性面）转到题丁图位置（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。 14．AC 【详解】A．由图乙知线圈在、时刻，穿过线圈的磁通量最大，故t1、t3时刻线圈处于中性面处，故A正确； B．根据图乙，由交流发电机工作原理可知，在、时刻，穿过线圈的磁通量为零，但磁通量变化率却最大，则线圈中产生的感应电动势最大，故B错误； C．线圈转到图甲所示位置时，穿过线圈中的磁通量为零，但磁通量变化率却最大，故C正确； D．线圈ABCD逆时针方向转动，根据右手定则可判断当线圈转动到图甲所示位置时，感应电流方向为D→C→B→A→D，故D错误。 故选AC。 15．AD 【详解】A．t＝0时刻，线圈位于与中性面垂直的位置，通过线圈的磁通量最小，磁通量变化率最大，感应电动势最大，此时电流最大，故A正确； B．线圈转过90°后位于中性面位置，通过线圈的磁通量最大，磁通量变化率最小，感应电动势最小，为零，此时线圈中没有感应电流，故B错误； CD．t＝0时刻，AB边的速度方向竖直向下，CD边的速度方向竖直向上，由右手定则知此时电流的方向为D→C→B→A→D，故C错误，D正确。 故选AD。 16．(1)线圈的AB边或CD边的速度方向与磁感线方向垂直，所以切割磁感线的速度最大，线圈中的感应电流最大，磁通量的变化率最大 (2)与图中位置垂直的位置时 【详解】（1）线圈处于图中所示的位置时，线圈的AB边或CD边的速度方向与磁感线方向垂直，所以切割磁感线的速度最大，线圈中的感应电流最大，磁通量的变化率最大。 （2）当线圈转到与图中位置垂直的位置时，AB、CD的速度方向都与磁感线方向平行，不切割磁感线，故线圈中没有感应电动势，没有感应电流。 17．(1)0.02Wb   (2) (3) 【详解】(1)穿过线圈平面的最大磁通量 (2)线圈在图示位置时感应电动势最大，此时感应电动势的值 (3)感应电动势的最大值，线圈转动的角速度，若从中性面位置开始计时，此交变电流电动势瞬时值表达式 $