3.1 交变电流 教学设计-2026-2027学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

该高中物理教学设计聚焦交变电流的产生原理、中性面特点及正弦式变化规律，通过手摇发电机驱动两色发光二极管交替发光的实验导入，直观呈现电流方向变化，基于电磁感应定律构建线圈转动模型的学习支架。 以科学思维（建模分析线圈转动过程）和科学探究（示波器观察电流波形）为核心，通过逐位置对比磁通量与变化率突破“磁通量最大电动势为零”难点，结合公式、图像、函数多语言描述规律，培养学生动态分析能力，为教师提供清晰教学路径，提升课堂效率。

教学设计 课程名称 交变电流 教师姓名 授课时长 40分钟 知识点来源 学科：物理　　年级：高二　　教材版本：人教版（2019）选择性必修第二册 课题：第三章　交变电流　第1节　交变电流 知识点描述 交变电流：大小和方向都随时间做周期性变化的电流叫作交变电流，简称交流；方向不随时间变化的电流叫作直流。 交变电流的产生：矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动时，线圈中就会产生按正弦规律变化的交变电流，这种发电机叫作正弦式交流发电机。 中性面：线圈平面与磁场垂直的位置叫作中性面。线圈经过中性面时磁通量最大、磁通量的变化率为零、感应电动势为零，且电流方向在此发生改变。 变化规律：从线圈经过中性面时开始计时，电动势、电流、电压都按正弦规律变化，即、、。 峰值公式：，其中为线圈的匝数、为磁感应强度、为线圈的面积、为线圈转动的角速度。 教学目标（指向核心素养） 一、物理观念 1.知道交变电流的概念，能从“大小和方向都随时间做周期性变化”的角度区分交流与直流。 2.理解正弦式交变电流的产生过程和的物理意义，形成“机械能转化为电能”的能量观念。 二、科学思维 1.经历由“线圈在磁场中转动”到“正弦式变化规律”的分析过程，体会用数学函数描述物理规律的建模方法。 2.能通过中性面位置的受力与磁通量分析，说明感应电动势为零的原因，发展动态分析能力。 三、科学探究 1.观察教学用发电机使发光二极管交替发光、用示波器显示电流波形的演示实验，能提出“交变电流怎样变化”的问题。 2.能依据实验现象判断电流方向的变化，并用示波器记录的波形检验正弦式规律的推测。 四、科学态度与责任 1.通过发电机、手机充电器等生活中的交流电应用，体会交流电对社会生产生活的深刻影响。 2.在观察波形、记录数据的活动中养成细致、求实的科学态度。 教学重点 交变电流的产生过程与中性面的特点；正弦式交变电流的变化规律与峰值公式。 教学难点 中性面位置“磁通量最大而感应电动势为零”的理解；从线圈位置变化推出的分析过程。 适用对象 高二年级学生（人教版2019·选择性必修第二册） 课型 （注：可选择如下选项，也可以补充填写） √新授课　□复习课　□习题课　□实验课　□其他 教学用途 （注：可选择如下选项，也可以补充填写） √课堂教学　□课前预习　□课后复习　□其他 设计思路 教材与学情：学生已掌握电磁感应定律和楞次定律，本节把它们用于线圈匀速转动的具体模型，难点在于“磁通量最大时电动势为零”这一反直觉结论。 设计主线：观察实验→认识交变电流→分析转动过程→确定中性面→得出正弦规律与峰值公式，全程40分钟。 难点突破：把线圈转过的角度与磁通量的变化率结合起来，逐位置讨论“磁通量大小”和“变化快慢”，让学生看到二者恰好此消彼长。 反馈矫正：设计“线圈转到什么位置磁通量最大、什么位置电动势最大”的对比提问，纠正“磁通量最大时电动势一定最大”的错误认识。 教 学 过 程 环节 内 容 设计意图 一、导入新课 （约4分钟） 【情境引入】用手摇发电机给并联的两个发光颜色不同、正负极接法相反的发光二极管供电，转动手柄时两个二极管交替发光（图3.1-1）。 【设问】两个二极管交替发光说明电流的方向在周期性地改变，这种电流是怎样产生的？它的大小和方向遵循什么规律？ 图3.1-1 教学用发电机能够产生交变电流 用“两个二极管交替发光”把抽象的“电流方向变化”变成肉眼可见的现象，为学生建立交变电流的概念提供直接的感性支撑。 二、新课教学（一） （约13分钟） 1. 建立模型：矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动，线圈的边和边切割磁感线产生感应电动势（图3.1-2）。 图3.1-2 交流发电机示意图 2.位置分析：线圈平面与磁场垂直时，、边的速度方向与磁感线平行，不切割磁感线，感应电动势为零——这个位置叫中性面。 3.变化过程：线圈经过中性面后继续转动，、边的速度逐渐出现垂直于磁感线的分量，感应电动势由零逐渐增大，到线圈平面与磁场平行时达到最大。 4.方向变化：线圈每经过中性面一次，、边中电流的方向就改变一次，因此线圈转一周电流方向改变两次。 5.实验验证：用示波器观察发电机输出的电压波形，可以看到波形是周期性的正弦曲线（图3.1-3）。 图3.1-3 线圈转动时产生的感应电流 把“转动一周”分解为若干位置逐个分析，让学生自己发现“磁通量最大处电动势为零”，而不是把结论直接抛出。 三、新课教学（二） （约13分钟） 1.瞬时表达式：从线圈经过中性面开始计时，电动势，电流，电压。 2.峰值公式：当线圈平面转到与磁场平行时电动势最大，此时；可见峰值由匝数、磁感应强度、线圈面积和角速度共同决定。 3.图像描述：以时间为横轴、电流（或电压）为纵轴，正弦式交变电流的图像是一条正弦曲线，可以直观地读出峰值、周期和某一时刻的瞬时值（图3.1-4）。 4.几类波形：除正弦式外，实际中还有矩形波、锯齿波等多种交变电流的波形（图3.1-4）。 5.规律小结：中性面处且电流方向改变；线圈平面与磁场平行处且电流方向不变。 图3.1-4 几种交变电流的波形 把函数表达式、峰值公式和图像三种描述方式放在一起对比，让学生体会同一个规律可以用“式、数、图”三种语言表达。 四、巩固练习 （约6分钟） 1.位置判断：线圈在匀强磁场中匀速转动，转到什么位置时磁通量最大？什么位置时感应电动势最大？此时电流方向是否改变？ 【答】线圈平面与磁场垂直（即经过中性面）时磁通量最大；线圈平面与磁场平行时感应电动势最大。电流方向在中性面处发生改变，而该位置感应电动势恰好为零。 2.公式计算：一个面积为 m² 的线圈共 100 匝，在磁感应强度为 0.5 T 的匀强磁场中以 100 rad/s 的角速度匀速转动，求感应电动势的峰值。 【答】感应电动势的峰值 V = V。 3.图像读取：某正弦式交变电流的图像中峰值电流为 2 A、周期为 0.02 s，写出该电流的瞬时值表达式。 【答】由周期求得角速度 rad/s，故该电流的瞬时值表达式为 A。 4.过程分析：线圈转动一周的过程中，电流方向改变几次？分别发生在什么位置？ 【答】线圈转动一周的过程中电流方向改变 2 次，都发生在线圈经过中性面时。 四道题依次检验位置分析、峰值计算、图像与表达式互译以及方向变化的规律，覆盖本节的核心结论。 五、课堂小结与作业 （约4分钟） 1.知识主线：交变电流→线圈在磁场中转动→中性面→正弦式变化规律→峰值→波形图。 2.方法提炼：研究交变电流要抓住“两个特殊位置”——中性面（磁通量最大、电动势为零、电流换向）和线圈平面与磁场平行的位置（磁通量为零、电动势最大）。 3.作业布置：完成教材“练习与应用”1～4题。 以“两个位置、一个公式、一条曲线”概括本节，要求学生用一句话说清“为什么磁通量最大时感应电动势反而为零”。 课堂作业（典型题3道） 题1．如图所示为演示交变电流产生的装置图，关于这个实验，正确的说法是（   ） A．图示位置为中性面，线圆中无感应电流 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，指针左右摆动一次 题2．（多选）如图1所示，一个面积为S的矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，穿过线圈的磁通量随时间变化如图2所示，下列说法正确的是（　　）    A．t1时刻线圈平面垂直于中性面 B．时刻ad边的速度方向跟磁感线垂直 C．时刻线圈平面与中性面重合 D．线圈在如图1所示位置时，电流方向改变一次 题3．一种自行车，它有能向自行车车头灯泡供电的小型发电机，其原理示意图如图甲所示；图中N、S是一对固定的磁极，磁极间有一固定在绝缘转轴上的矩形线圈，转轴的一端有一个与自行车后轮边缘接触的摩擦轮。如图乙所示，当车轮转动时，因摩擦而带动摩擦轮转动，从而使线圈在磁场中转动而产生电流给车头灯泡供电，下列说法正确的是（　　）    A．自行车匀速行驶时线圈中产生的电流强度恒定 B．自行车的速度加倍，线圈中产生的电流周期加倍 C．线圈匝数越多，穿过线圈的磁通量的变化率越大 D．知道摩擦轮和后轮的半径，就可以知道后轮转一周的时间里电流方向变化的次数 参考答案 题1．D AC．线圈平面与磁场方向平行时，ab、cd边垂直切割磁感线，线圈产生的电动势最大，也可以这样认为，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，AC错误；B．线圈处于图示位置时，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；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改变方向，线圈每转动一周，有两次通过中性面，电流方向改变两次，指针左右摆动一次，D正确。故选D。 题2．BC A．由题图可知，时刻穿过线圈的磁通量最大，线圈平面垂直于磁感线，与中性面平行，故A项错误；B．由题图可知，时刻穿过线圈的磁通量为零，线圈平面垂直于中性面，感应电动势最大，所以ad边的速度方向与磁感线垂直，故B项正确；C．由题图可知，时刻穿过线圈的磁通量最大，线圈平面垂直于磁感线，与中性面平行，即线圈平面与中性面重合，故C项正确；D．每次经过中性面位置时，电流方向发生改变，图1所示位置垂直中性面，电流方向不改变，故D项错误。故选BC。 题3．D A．自行车匀速行驶时，线圈绕垂直于磁场的轴匀速转动，产生的是交变电流，A错误；B．设自行车的速度为v，摩擦轮的半径为r，则后轮、摩擦轮的速度都等于v，线圈转动产生正弦电流，周期 ,v加倍，T减小为原来的，B错误；C．穿过线圈的磁通量的变化快慢与线圈匝数无关，当自行车的速度越大时，线圈转动越快，磁通量的变化越快，C错误；D．如果摩擦轮的半径为r，后轮的半径为R，设后轮转一周的时间为T，则角速度根据线速度相等，则则解得则摩擦轮在一周时间内转动的圈数n可求，则可知道交流电的频率，电流方向变化的次数可求，D正确。故选D。 教学反思 1.“磁通量最大时电动势为零”是本节最反直觉的结论，必须通过逐步的位置分析让学生自己想通。 2.中性面是理解交变电流的关键概念，应把“电流方向在此改变”与“电动势为零”一并强调。 3.示波器波形图可以帮助学生把函数表达式与图像对应起来，本节的演示环节应当保留。 8 学科网（北京）股份有限公司 $