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

第1节交变电流第三章交变电流1.知道交变电流、直流的概念。2.掌握交变电流的产生和变化规律。会推导交变电流的瞬时值表达式。3.了解发电机的构造及不同类型发电机的优缺点。学习目标目

录CONTENTS知识点01随堂对点自测02课后巩固训练03知识点1知识点二交变电流的变化规律交流发电机知识点一交变电流交变电流的产生知识点一交变电流交变电流的产生1.交变电流 (1)交变电流:电流、电压都随时间做_________变化,这样的电流叫作交变电流(AC),简称交流。 (2)直流:______不随时间变化的电流称为直流(DC)。2.交变电流的产生

交流发电机的线圈在匀强磁场中转动时,转轴与磁场方向______,用______定则判断线圈切割磁感线产生的感应电流方向。周期性方向垂直右手3.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。【思考】1.如何区分直流电和交变电流?

提示

主要是看电流方向是否变化,电流大小随时间变化,方向不变的电流仍然是直流电。2.线圈绕OO'轴沿逆时针方向匀速转动,如图所示。思考下列问题:(1)线圈转动一周的过程中,分析线圈中的电流方向;(2)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D→C→B→A乙→丙D→C→B→A丙→丁A→B→C→D丁→甲A→B→C→D(2)线圈转到乙或丁位置时线圈中的感应电流最大;线圈转到甲或丙位置时线圈中感应电流最小,为零。例1

交流发电机发电示意图如图所示,线圈转动过程中,下列说法正确的是(

)DA.转到图甲位置时,通过线圈的磁通量变化率最大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.转到图丁位置时,AB边感应电流方向为A→B解析

转到图甲位置时,线圈平面与磁感线垂直,磁通量最大,但磁通量变化率为零,A错误;转到图乙位置时,线圈产生的感应电动势最大,B错误;转到图丙位置时,线圈平面与磁感线垂直,此时感应电流最小,C错误;转到图丁位置时,根据楞次定律可知AB边感应电流方向为A→B,D正确。总结提升

中性面、中性面的垂面位置的特点比较项目中性面中性面的垂面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最大零项目中性面中性面的垂面零最大感应电动势e零最大感应电流i零最大电流方向改变不变总结训练1

以下各个选项所示的电流,属于交变电流的是(

)B解析

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A、D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,只有选项B中电流大小和方向都随时间变化,故B正确。训练2

(教材P68A组T1改编)下列各图中,线圈都以角速度ω绕图中转动轴匀速转动,线圈中不能产生交变电流的有(

)B解析

图B中,线圈转动过程,线圈平面始终与磁场平行,磁通量始终为零,不能产生交变电流,B符合题意;图A、C、D中,线圈绕垂直于磁场的轴匀速转动,穿过线圈的磁通量变化,根据交变电流的产生原理可知,能产生交变电流,A、C、D不符合题意。知识点二交变电流的变化规律交流发电机

如图所示,线圈平面绕过ad边的中点、垂直磁场方向的轴从中性面开始转动,角速度为ω,经过时间t,线圈转过的角度是ωt,ab边的线速度v的方向跟磁感线方向间的夹角也等于ωt。设ab边长为L1,bc边长为L2,线圈面积S＝L1L2,磁感应强度为B,则:(1)ab边产生的感应电动势为多大?(2)整个线圈中的感应电动势为多大?(3)若线圈有N匝,则整个线圈的感应电动势为多大?

1.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＝Emsin

ωt,Em叫作电动势的______,Em＝________。2.正弦式交变电流:按______规律变化的交变电流叫作正弦式交变电流,简称_______________。3.正弦式交变电流的电流和电压

电流表达式i＝_________,电压表达式u＝__________。其中Im、Um分别是电流和电压的_________,也叫______。

峰值正弦正弦式电流ImsinωtUmsinωt最大值峰值NωBS4.正弦式交变电流随时间变化的图像

(2)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。6.交流发电机 (1)主要构造:______和______。 (2)分类

①旋转电枢式发电机:______转动,______不动。

②旋转磁极式发电机:______转动,______不动。电枢磁体电枢磁极磁极电枢

(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;

(5)外电路R两端电压的瞬时值表达式。

求解交变电流的瞬时值问题的答题步骤角度2

交变电流的图像问题例3

一个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像如图甲所示,则下列说法中正确的是(

)BA.t＝0时刻,线圈平面与中性面垂直B.t＝0.01

s时刻,Φ的变化率最大C.t＝0.02

s时刻,感应电动势达到最大D.该线圈产生的感应电动势的图像如图乙所示

如图甲、乙所示,从图像中可以得到以下信息:

训练3

(多选)如图甲所示,一矩形线圈abcd在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动,线圈所围面积的磁通量Φ随时间t变化的规律如图乙所示,下列说法正确的是(

)ABA.t1时刻线圈中感应电动势为零B.t2时刻线圈边ad的速度方向跟磁感线垂直C.t3时刻线圈平面与中性面垂直D.t2、t4时刻线圈中感应电流方向相同解析

根据图乙可知,t1时刻穿过线圈的磁通量的变化率为0,即t1时刻线圈中感应电动势为零,故A正确;根据图乙可知,t2时刻穿过线圈的磁通量为0,即线圈平面与磁场平行,此时线圈边ad的速度方向跟磁感线垂直,故B正确;t3时刻穿过线圈的磁通量为最大值,此时线圈平面与磁场垂直,即线圈处于中性面,故C错误;Φ－t图像中,图线切线斜率的绝对值表示感应电动势的大小,斜率的正负表示电动势的方向,根据图乙可知t2、t4时刻图线切线斜率的绝对值相等,一正一负,可知t2、t4时刻线圈中感应电动势方向相反,即t2、t4时刻线圈中感应电流方向相反,故D错误。随堂对点自测2AC1.(交变电流的产生)(多选)下列各图中能够产生交变电流的是(

)解析

A项中轴的右侧存在磁场,线圈最长的一条边从刚进入磁场到离开磁场过程中,穿过线圈的磁通量先增大后减小,根据楞次定律知,产生大小、方向都变化的感应电流,A正确;B项中磁感应强度均匀增大,根据ΔΦ＝BS可知,通过线框的磁通量均匀增大,即产生大小恒定、方向不变的感应电流,故不能产生交变电流,B错误;C项中扇形线框进磁场和出磁场过程中,磁通量大小改变,产生大小恒定、方向变化的感应电流,C正确;D项中线框绕轴匀速转动时通过线框的磁通量没有发生变化,故不能产生感应电流,D错误。B2.(交变电流的图像)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,穿过线圈的磁通量为零解析

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,选项D错误。3.(交变电流的变化规律)如图所示,矩形线圈匝数N＝100匝,ab＝30

cm,ad＝20

cm,匀强磁场的磁感应强度B＝0.8

T,线圈绕轴OO'从图示位置开始匀速转动,角速度ω＝100π

rad/s,试求:(1)穿过线圈的磁通量最大值Φm;(2)线圈产生的感应电动势最大值Em;(3)写出感应电动势e随时间变化的表达式;(4)从图示位置开始匀速转动30°过程中,线圈中产生的平均电动势。答案

(1)0.048

Wb

(2)480π

V(3)e＝480πcos(100πt)V

(4)1

440

V解析

(1)当线圈转至与磁感线垂直时,磁通量有最大值,为Φm＝BS＝0.8×0.3×0.2

Wb＝0.048

Wb。

课后巩固训练3C基础对点练题组一

交变电流的产生1.交流发电机的示意图如图所示,线圈ABCD绕垂直于磁场方向的转轴OO'匀速转动。在图示位置,下列说法正确的是(

)A.穿过线圈的磁通量变化率最小B.线圈中电流方向将发生改变C.线圈中电流最大,方向为B→AD.穿过线圈的磁通量最大解析

在图示位置,线圈平面与磁场平行,穿过线圈的磁通量为零,穿过线圈的磁通量变化率最大,故A、D错误;当线圈在中性面时,线圈平面与磁场垂直,线圈中电流方向将发生改变,故B错误;由右手定则可知线圈中电流最大,此时电流方向为B→A,故C正确。B2.(2026·福建厦门高二期中)如图甲所示,是我国自主研发的首台兆瓦级漂浮式波浪能发电装置“南鲲号”在广东珠海投入运行,“南鲲号”发电原理可作如下简化:海浪带动浪板上下摆动,驱动发电机转子转动,其中浪板和转子的链接装置使转子只能单方向转动,如图乙所示,若转子带动线圈沿逆时针方向转动,并向外输出电流,下列说法正确的是(

)A.图乙中线圈所处位置是中性面B.在图乙所示位置时,穿过线圈的磁通量变化率最大C.在图乙所示位置时,线圈b端电势高于a端电势D.在图乙所示位置时,线圈靠近S极的导线受到的安培力方向向上解析

在图乙所示位置时,线圈平面与磁场方向平行,是中性面垂直的位置,穿过线圈的磁通量为0,但穿过线圈的磁通量变化率最大,产生的感应电动势最大,故A错误,B正确;在图乙所示位置时,线圈靠近S极的导线向上切割磁感线,线圈靠近N极的导线向下切割磁感线,根据右手定则可知,线圈中的电流方向由b流向a,由于线圈相当于电源内部,则线圈b端电势低于a端电势,故C错误;在图乙所示位置时,线圈靠近S极的导线电流方向向里,磁场方向向右,根据左手定则可知,安培力方向向下,故D错误。AB题组二

交变电流的变化规律

交流发电机3.(多选)线圈在磁场中匀速转动产生的交流电动势为e＝10sin(20πt)V,则下列说法正确的是(

) A.t＝0时,线圈平面位于中性面 B.t＝0时,穿过线圈的磁通量最大 C.t＝0时,导线切割磁感线的有效速度最大 D.t＝0.4

s时,e达到峰值10

V解析

t＝0时,感应电动势的瞬时值为e＝0,则线圈平面位于中性面,此时穿过线圈的磁通量最大,导线切割磁感线的有效速度最小,A、B正确,C错误;当t＝0.4

s时,感应电动势的瞬时值为e＝10sin(20π×0.4)V＝0,D错误。D4.(2026·陕西咸阳高二月考)如图甲所示为某款按压式发电的手电筒,当按照一定的频率按压时,内置发电机线圈转动,穿过线圈的磁通量按正弦规律变化如图乙所示。下列说法正确的是(

)A.t＝0.1

s时,通过线圈的磁通量最大 B.t＝0.2

s时,线圈中的电流改变方向C.t＝0.1

s时,产生的感应电动势为零 D.t＝0.2

s时,发电机线圈中的电流为最大解析

由题图乙可知,t＝0.1

s时通过线圈的磁通量为零,A错误;t＝0.1

s和t＝0.2

s时通过线圈的磁通量均为零,感应电动势最大,线圈中的感应电流最大,电流不改变方向,故B、C错误,D正确。D5.在匀强磁场中,一矩形金属线框绕与磁场方向垂直的轴匀速转动,如图甲所示,产生的交变电动势随时间变化的规律如图乙所示,则下列说法正确的是(

)A.t＝0.01

s时穿过线框的磁通量最小B.t＝0.01

s时穿过线框的磁通量变化率最大C.该线框匀速转动的角速度大小为50π

rad/sD.感应电动势瞬时值为22

V时,线框平面与中性面的夹角为45°

C6.如图所示为交流发电机模型的示意图。位于磁场中的矩形导线框abcd可绕过其对称轴的轴线(图中虚线)转动。已知在t＝0时刻,线框的平面与磁场方向垂直(图示位置),并从此位置开始以恒定的角速度绕转轴沿逆时针方向转动。若规定通过电阻的电流方向为由e到f为正,则下列i－t图像正确的是(

)

D7.汽车上的发电机多采用旋转式发电机,如图甲,转子在外力带动下旋转产生磁场,定子线圈产生感应电动势,现简化为如图乙模型。一连有电阻R的线圈轴线与条形磁体中心线在同一平面,条形磁体(转子)绕其中心O在该平面内匀速转动的过程中,下列说法正确的是(

)A.条形磁体在图示位置,线圈中磁通量最大B.条形磁体在图示位置,电阻R中电流为零C.条形磁体从图示位置转动90°过程中,电阻R中电流方向由a指向bD.增大条形磁体的转速,可以增大R中的电流解析

条形磁体在图示位置,线圈中磁通量最小,为零,故A错误;条形磁体在图示位置,磁通量的变化率最大,感应电流最大,电阻R中电流不为零,故B错误;条形磁体从图示位置转动90°过程中,线圈中向上的磁通量增加,根据楞次定律可得电阻R中电流方向由b指向a,故C错误;增大条形磁体的转速,线圈中磁通量变化率最大,感应电动势增大,R中电流增大,故D正确。D综合提升练8.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,t＝0时线圈平面与磁场方向垂直,规定电流方向沿adcba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(

)

C9.如图所示,图线a是线圈在匀强磁场中匀速转动时产生的正弦式交变电流的图像,当调整线圈转速后,所产生的正弦式交变电流的图像如图线b所示,以下关于这两个正弦式交变电流的说法中正确的是(

)

10.如图甲为小型旋转电枢式交流发电机的原理图,其矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的固定轴OO'匀速转动,线圈的匝数N＝100匝、电阻