交变电流（5大题型）原卷版-2024-2025学年高二物理（人教版选择性必修第二册）

交变电流（5大题型）

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知识点1交变电流

题型交变电流的产生及判断

知识点2交变电流的产生1

题型2中性面的特点

交变电流>题型3交变电流图像的分析

题型4交变电流的瞬时值和平均值的求解

知识点3交变电流的变化规律题型5交流发电机原理和示意图

知侬4交般电机

---方法技巧：求交变电流瞬时值和峰值的方法

知识点1交变电流

1、交变电流的定义

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。

甲乙

【注意】仅大小周期性变化的电流不是交变电流。

2、交变电流的波形图

家庭电路中的示波器中的锯电子电路中激光通信

正弦式交变电流齿形扫描电压的矩形脉冲中的尖脉冲

3、直流

方向不随时间变化的电流称为直流；大小和方向都不随时间变化的电流叫作恒定直流。

4、演示：观察交变电流的方向

把两个发光颜色不同的发光二极管并联，连接到教学用发电机的两端。转动手柄，两个磁极之间的线

圈随着转动。

摇动发电机的速度较慢时，我们观察到两个发光二极管交替闪亮,这说明教学用发电机产生的电流，大

小和方向都在不断地变化，这种电流叫作交变电流。

知识点2交变电流的产生

1、产生过程

如图所示，矩形线圈在勾强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动，感应电动势（感应电流）的大小

和方向随时间做周期性变化，产生交变电流。

2、过程分析

（1）特殊位置分析

立体图

平面图

线圈平面垂直于磁感线与磁感线平行垂直于磁感线与磁感线平行

M、〃边速度方向与磁感线平行垂直切割磁感线速度方向与磁感线平行垂直切割磁感线

感应电动势

无最大无最大

（感应电流）

说明图乙和图丁中切割速度方向相反，感应电流方向也相反

感应电流变

化情况

(2)转动过程分析

转动过程磁通量变化电流方向

甲一乙减小D-CfB-A

乙一丙增大D-C-B-A

丙一丁减小A-B-C-D

丁一甲增大A-B-C-D

3、两个特殊位置

(1)中性面：线圈平面与磁感线垂直时的位置。

①线圈处于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，感应电流为零。

②线圈每经过中性面一次，感应电流的方向改变一次，线圈转动一周，两次经过中性面，电流方向改变

两次。

(2)垂直中性面的位置：线圈平面与磁感线平行时的位置。

线圈位于此位置时磁通量为零，磁通量的变化率最大，感应电动势最大，感应电流最大，线圈经过此

位置时电流方向不发生改变。

知识点3交变电流的变化规律

1、推导正弦式交变电流瞬时值的表达式

(1)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。

(2)若线圈平面从中性面开始转动，则经时间心

①线圈转过的角度为o②ab边的线速度方向跟磁感线方向的夹角e=a)t。

③ab边转动的线速度大小v=a>R=<y—。

2

@ab边产生的感应电动势为,=BLabvsin0=sina)t。

⑤同理cd边产生的感应电动势ecd=BLcdvsin0=sina)t。

⑥整个N匝线圈产生的感应电动势e=NBSatsincot。

</（c）:中性面

2、正弦式交变电流

（1）瞬时值表达式

①从中性面开始计时，电动势e=E,"sin。/,电压〃=sin0/,电流，=/仇sin07。

②从垂直中性面的位置开始计时，电动势e=E,"cos。/,电压M=U,“cos。/,电流i=/,“cos0/。

（2）峰值：表达式中的Em、Um、/m分别为电动势、电压和电流的最大值，也叫峰值，Em=NBSco,其

中N为线圈的匝数。

知识点4交流发电机

1、工作原理：交流发电机的工作原理基于法拉第电磁感应定律。

2,发电机的构造

（1）电枢：产生感应电动势的线圈。

（2）磁体：用来产生磁场。

3、发电机的分类

（1）旋转电枢式发电机：电枢转动，磁极不动。

（2）旋转磁极式发电机：电枢不动，磁极转动。

4、发电机的能量转换

发电机转子一般由蒸汽轮机、水轮机等带动，将机械能转化为电能，输送给外电路。

求交变电流瞬时值和峰值的方法

1、定位置：确定线圈的转动是从哪个位置开始计时的。从中性面开始计时、从垂直中性面开始计时。

2、定函数：确定表达式是正弦函数还是余弦函数。

（1）从中性面开始计时f正弦函数e=Emsincot。

（2）从垂直中性面开始计时一余弦函数e=E,"cos。/o

3、定数值：确定转动的角速度。=2兀〃（"的单位为r/s）、峰值纥,="350。

4、求结果：写出表达式，代入时间求瞬时值。

题型1交变电流的产生及判断

【例1】（23-24高二下•广东江门•期中）关于交变电流和直流电的说法中，正确的是（）

A.如果电流大小随时间做周期性变化，则一定是交变电流

B.直流电的大小和方向一定不变

C.交变电流一定是按正弦规律变化的

D.交变电流的最大特征就是电流的方向随时间做周期性的变化

【变式1-1］（23-24高二下•北京怀柔•期中）如图所示，属于交流电的是（）

【变式1-2］（23-24高二下•河南平顶山•月考）下列表示电动势随时间变化的四个e—f图像中，不属于交

流电的是（）

【变式1-3］（多选）（23-24高二下•广东深圳•期中）如图所示，下列线圈匀速转动或匀速直线运动，能产

生交变电流的是（）

【变式1-4］（多选）（23-24局二下•上海浦东新•月考）线圈在竖直向上的磁场中匀速转动时，能产生交变

电流的是（）

题型2中性面的特点

【例2】（23-24高二下•江苏常州•期末）如图所示，线圈a6cd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最大

D.线圈中电流方向为dfc->6->a

【变式2-1］（23-24高二下•陕西西安・期中）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①

随时间，的变化关系图像，下列说法正确的是（）

A.»2、〃时刻线圈中感应电动势最小

B.%、时刻电阻尺两端的电压为零

C.线圈转动到图示位置时，线圈中磁通量变化率为零

D,线圈转动到图示位置时，感应电流方向为2

【变式2-2］（23-24高二下•全国•课后作业）关于线圈在匀强磁场中转动产生的交变电流，下列说法中正确

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，感应电动势方向不变

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

【变式2-3］（23-24高二下•四川成都•月考）如图所示，一个竖直方置，匝数为"的矩形线圈a6cd在水平

向右的匀强磁场中以角速度0匀速转动，转轴。与磁场方向垂直，线圈面积为S,磁感应强度大小为2,

下列说法正确的是（）

3d

—>

C

线圈平面与磁场垂直时，磁通量为零

线圈平面与磁场垂直时，磁通量变化最快

线圈平面与磁场平行时，磁通量变化率最大

线圈平面与磁场平行时，感应电流方向将发生改变

【变式2-4]（22-23高二下•四川绵阳・月考）如图甲所示，一个矩形线框仍）在匀强磁场中绕垂直于磁场

方向的轴匀速转动，线框内磁通量①随时间，变化的情况如图乙所示，则下列说法中正确的是（）

C.t2,t4时刻交流电方向各改变1次D.乙、b时刻线框中感应电流的方向相同

题型3交变电流图像的分析

【例3】（24-25高三上•重庆•月考）某矩形闭合金属线圈在匀强磁场中匀速转动，穿过该线圈的磁通量①

随时间，按如图所示正弦规律变化。贝卜=0.5s时亥U（）

A.穿过该线圈的磁通量最小B.穿过该线圈的磁通量最大

C.该线圈中的电流最大D.该线圈中的电流不为零

【变式3-1]（23-24高二下•内蒙古赤峰•期末）图甲是交流发电机的示意图，两磁极之间的磁场可视为匀强

磁场，金属线圈ABCD绕转轴OO'匀速转动，A为电流传感器（与计算机相连），区为定值电阻，线圈电

阻为「，其余电阻不计。图乙为计算机上显示的电流数据随时间变化的图像。下列说法中正确的是（）

B

A.金属线圈恰好处于图甲所示的位置时感应电动势为0,对应图乙中/2或、时刻

B.金属线圈恰好处于图甲所示的位置时感应电动势最大，对应图乙中12或乙时刻

C.乙、片时刻穿过线圈的磁通量的绝对值最小，磁通量的变化率最大

D.马、乙时刻穿过线圈的磁通量的绝对值最小，磁通量的变化率最大

【变式3-2］（22-23高二下•河南平顶山•期末）在匀强磁场中，一只矩形金属线框绕与磁感线垂直的转轴匀

速转动，产生的交变电动势的图像如图所示。则在f=0.0125s时，线圈平面和磁场方向的夹角为（）

【变式3-3］（23-24高二下•四川成都・月考）如图所示，单匝矩形线圈的一半放在有界匀强磁场中，中心轴

线OO'与磁场边界重合，线圈绕中心轴线按图示方向（从上向下看逆时针方向）匀速转动，，=0时线圈平

面与磁场方向垂直，规定电流方向沿为正方向，则图中能表示线圈内感应电流随时间变化规律的是

【变式3-4］（多选）（22-23高二上•黑龙江哈尔滨•期末）在匀强磁场中，一闭合矩形金属线圈，绕与磁感

线垂直的固定轴匀速转动，穿过该线圈的磁通量随时间按图示正弦规律变化，则（）

A./=（）时，线圈平面与磁场方向平行，线圈中的感应电动势为零

B.f=ls时，线圈平面与磁场方向平行，线圈中的电流改变方向

C.，=L5s时，线圈平面与磁场方向垂直，线圈中的感应电动势为零

D./=2s时，线圈平面与磁场方向平行，线圈中的磁通量的变化率最大

题型4交变电流的瞬时值和平均值的求解

【例4】（23-24高二下•黑龙江哈尔滨•月考）下图为交流发电机示意图，线圈沿逆时针方向以角速度。匀

速转动，下列说法正确的是（

乙丙丁

A.图甲中，线圈平面与磁场垂直，磁通量最大，磁通量的变化率也最大

B.从图乙开始计时，线圈中感应电动势e随时间变化的关系是e=£mcos0f

C.当线圈转到图丙位置时，感应电流最小，但感应电流方向不发生改变

D.当线圈转到图丁位置时，感应电动势最大，CD边感应电流方向为。-C

【变式4-1］（多选）（22-23高二上•河北邯郸・期末）一只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象如图所示.则下列说法中正确的是（）

A.f=0时刻，线圈处在中性面

B.，=0.01s时刻，①的变化率为0

C.，=0.02s时刻，感应电动势为0

3

D.从0.01s〜0.04s时间内，线圈转过的角度是］几

【变式4-2］（23-24高二下•山东滨州・月考）一个正方形线圈的匝数为10,边长为20cm,线圈总电阻为

1Q,线圈绕00轴以l（hrrad/s的角速度匀速转动，如图所示，匀强磁场的磁感应强度为0.5T,贝上（乃取

3.14)

（1）写出感应电动势随时间变化的表达式。

（2）线圈从图示位置转过60。时，感应电动势的瞬时值是多大?

题型5交流发电机原理和示意图

【例5】（2024•浙江金华・一模）如图是一款高空风车及其发电模块原理图。在发电期间，发电机线圈仍在

某一时刻转至图示位置。则（）

A.发电的工作原理是电流的磁效应

B.该时刻线圈6端电势高于a端电势

C.该时刻线圈磁通量为零，感应电动势也为零

D.风力增大，线圈ab的感应电动势不变

【变式5-1］（24-25高二上•全国•课后作业）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（）