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

该高中物理课件围绕交变电流的定义、产生、变化规律及交流发电机展开，课前通过“微思考”（用磁体判断电流类型、对比手电筒与日光灯电源）联系生活，帮助学生建立与恒定电流的区别，搭建学习支架。 其亮点在于融合科学思维与科学探究，通过“情境体验”（不同形状线圈转动电动势分析）、“典例剖析”（线圈转动过程电流变化）等环节，引导学生模型建构与科学推理，深化物理观念，提升解决问题能力，教师可借助系统资源与分层训练提高教学效率。

3.1　交变电流 目 标 素 养 1.知道交变电流的定义,认识其与恒定电流的区别。 2.了解中性面的概念。 3.掌握交变电流的变化规律。 4.能运用正弦式交变电流的瞬时表达式和图像解决相关问题。 知 识 概 览 课前·基础认知 一、交变电流 1.交变电流:电流、电压都随时间做周期性变化的电流,简称交流。 2.直流:方向不随时间变化的电流。大小和方向都不随时间变化的电流称为恒定电流。 微思考1给你一块磁体,你怎样判断白炽灯发光时用的是直流还是交变电流? 提示:把磁体的磁极靠近白炽灯,如果用的是直流,灯丝不会抖动;如果灯丝中通有交变电流,则灯丝受到变化的安培力,灯丝会抖动。 二、交变电流的产生 1.交流发电机中两磁极之间产生的磁场可近似为匀强磁场。 2.当线圈在磁场中转动时,垂直于磁感线方向的导线的速度不断变化,所以感应电动势也在变化,感应电流同时发生变化。 微思考2在日常生活中,手电筒和日光灯是家庭中必备的照明工具,但给两用电器提供电能的电源是不同的,它们产生的电流相同吗? 提示:不相同。电源有交流和直流之分。电池是直流电源,它提供的是直流;家庭照明电路给日光灯提供的是交变电流,其典型特征是电流方向发生变化。 三、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叫正弦式交变电流,简称正弦式电流。 2.当线圈平面位于中性面时,线圈中的磁通量最大,线圈的感应电动势为零,线圈中的电流为零。 3.从中性面开始计时,电动势、电压和电流的瞬时值表达式:e= Emsin ωt ,u=Umsin ωt,i=Imsin ωt。Em、Um、Im为电动势、电压、电流的最大值,也叫峰值;e、u、i为电动势、电压、电流的瞬时值。  微判断(1)线圈转一周有两次经过中性面,每转一周电流方向改变一次。(　　) (2)当线圈中的磁通量最大时,产生的电流也最大。(　　) (3)交变电流的瞬时值表达式与开始计时的位置无关。(　　) (4)表达式为e=Emsin(ωt+ )的交变电流也是正弦式交变电流。 (　　) × × × √ 四、交流发电机 1.电枢转动,磁极不动的发电机,叫作旋转电枢式发电机。 2.磁极转动,电枢不动,线圈中同样会产生感应电动势,这种发电机叫作旋转磁极式发电机。 3.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。 微思考3交流发电机输出的电流都可以表示为i=Imsin ωt吗? 提示:不一定。如果线圈从中性面的垂面开始计时,则输出的电流表示为i=Imcos ωt。 课堂·重难突破 一 交变电流的产生 重难归纳 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。 2.两个特殊位置的特点。 比较项 中性面 与中性面垂直的位置 图示     位置 线圈平面与磁场方向垂直 线圈平面与磁场方向平行 磁通量 最大 零 磁通量的变化率 零 最大 感应电动势 零 最大 感应电流 零 最大 电流方向 改变 不变 3.交变电流的产生过程分析。 如图所示,形状或转轴位置不同,但面积均为S的单匝线圈处在同一个磁感应强度为B的匀强磁场中,以相同的角速度ω匀速转动,从图示的位置开始计时,则感应电动势最大值、瞬时值相同吗? 提示:感应电动势最大值、瞬时值都相同。 典例剖析 【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 答案:AD 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,故选项A、D正确。 特别提醒 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。 学以致用 1.(多选)如图所示,线圈在匀强磁场中绕垂直于匀强磁场且在线圈平面内的轴匀速转动时产生交变电流,则下列说法正确的是(　　) A.当线圈位于中性面时,线圈中感应电流最大 B.当穿过线圈的磁通量为零时,线圈中感应电动势最大 C.线圈在磁场中每转一周,产生的感应电流方向改变一次 D.每当线圈经过中性面时,感应电流的方向就改变一次 答案:BD 解析:线圈位于中性面时,线圈平面与磁场垂直,此时磁通量最大,但是各边都不切割磁感线,或者说磁通量的变化率为零,所以感应电动势为零,感应电流为零,选项A错误。而穿过线圈的磁通量为零时,切割磁感线的有效速度最大,磁通量的变化率最大,所以感应电动势最大,选项B正确。每当线圈经过中性面时,感应电流的方向就改变一次,线圈在磁场中每转一周,两次经过中性面,产生的感应电流方向改变二次,选项C错误,D正确。 二 交变电流的变化规律 重难归纳 1.从两个特殊位置开始计时的瞬时值表达式。 2.正弦式交变电流电动势的峰值Em=NBSω,由线圈的匝数N、磁感应强度B、线圈的面积S及其转动的角速度ω确定。 3.当线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴做匀速转动时均产生正弦式交变电流,与线圈的形状无关。 4.线圈开始的位置不同时,只是正弦式交变电流表达式中正弦函数的初相位不同,峰值和函数形式不变。 如图甲所示,一单匝矩形线圈abcd放置在匀强磁场中,并绕过ab、cd中点的轴OO'以角速度ω逆时针匀速转动。若以线圈平面与磁场夹角θ=45°时(如图乙所示)为计时起点,并规定当电流自a流向b时,方向为正,请作出线圈中电流随时间变化的图像。 甲 乙 典例剖析 【例2】一矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时,产生的电动势的图像如图所示,则(　　) A.交变电流的频率是4π Hz B.当t=0时,线圈平面与磁感线垂直,磁通量最大 C.当t=π s时,e有最大值 D.t= π s时,e=-10 V最小,磁通量变化率最小 答案:B 特别提醒 图像的分析方法 一看:看“轴”、看“线”、看“斜率”、看“点”,并理解其物理意义。 二变:掌握“图与图”“图与式”和“图与物”之间的变通关系。 三判:在此基础上进行正确的分析和判断。 学以致用 2.处在匀强磁场中的矩形线圈abcd,以恒定的角速度绕ab边转动,磁场方向平行于纸面并与ab边垂直,在t=0时刻,线圈平面与纸面重合(如图),线圈的cd边离开纸面向外运动,若规定a→b→c→d→a方向的感应电流为正,则能反映线圈中感应电流i随时间t变化的图像是(　　) 答案:C 解析:线圈在磁场中绕和磁场方向垂直的轴匀速转动时可以产生按正弦规律变化的交变电流,对于图示起始时刻,线圈的cd边离开纸面向纸外运动,速度方向和磁场方向垂直,产生的电动势的瞬时值最大;用右手定则判断出电流方向为逆时针方向,与规定的正方向相同,所以选项C正确。 随 堂 训 练 1.(多选)如图所示的图像中属于交变电流的是(　　) 答案:ABC 2.关于线圈在匀强磁场中转动时产生的交变电流,以下说法正确的是(　　) A.线圈平面每经过中性面一次,感应电流方向就改变一次,感应电动势方向不变 B.线圈每转动一周,感应电流方向就改变一次 C.线圈平面每经过中性面一次,感应电动势和感应电流的方向都要改变一次 D.线圈每转动一周,感应电动势和感应电流方向都要改变一次 答案:C 解析:线圈转至中性面时,线圈平面垂直于磁感线,磁通量最大,但磁通量的变化率、感应电动势、感应电流均为零,电流方向恰好发生变化。因此,线圈在匀强磁场中转动产生交变电流时,每经过中性面一次,感应电动势和感应电流的方向都要改变一次,线圈每转动一周,两次经过中性面,感应电动势和感应电流的方向都改变两次,所以选项C正确。 3.一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.图像是从线圈平面位于中性面开始计时的 B.t2时刻穿过线圈的磁通量为零 C.t2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,穿过线圈的磁通量的方向也变化 答案:B 解析: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,即是从线圈平面与磁场方向平行时开始计时的,选项A错误。t2时刻感应电动势最大,穿过线圈的磁通量的变化率最大,磁通量为零,选项B正确,C错误。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,但方向并不变化,选项D错误。 4.如图所示,单匝矩形线圈的一半放在具有理想边界的匀强磁场中,线圈轴线OO'与磁场边界重合,线圈按图示方向匀速转动(ab边向纸外,cd边向纸内)。若从图示位置开始计时,并规定电流方向沿a→b→c→d→a为正方向,则线圈内感应电流随时间变化的图像是(　　) 答案:A 解析:由题意知线圈总有一半在磁场中做切割磁感线运动,所以产生的仍然是正弦式交变电流,只是感应电动势最大值为全部线圈在磁场中匀速转动时产生的感应电动势最大值的一半,所以选项B、C错误。再由楞次定律及安培定则可以判断出选项A正确,D错误。 5.如图所示,一半径为r=10 cm 的圆形线圈共100匝,在磁感应强度 的匀强磁场中,绕垂直于磁场方向的中心轴线OO'以600 r/min的转速匀速转动,当线圈转至中性面位置(图中位置)时开始计时。 答案:(1)e=100sin 20πt(V)　(2)86.6 V　(3)47.7 V 解析:线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴线匀速转动时,线圈内产生正弦式交变电流,当线圈平面在中性面时开始计时,其表达式为e=Emsin ωt,而在某段时间内的平均电动势可根据 求得。 $