《学霸笔记 同步精讲》第3章 交流电 1.交变电流（课件）高中物理教科版选择性必修2

(共46张PPT)
1.交变电流
第三章
2026
课 标 定 位
1.知道恒定电流、交变电流的概念。
2.掌握正弦交流电的产生和变化规律。
3.知道交变电流的瞬时值的含义。
4.会根据交变电流的图像分析问题。
素 养 阐 释
1.理解恒定电流、交变电流、正弦交流电的概念,形成物理观念。
2.通过对正弦交流电的产生和变化规律的分析,培养科学思维能力。
内容索引
01
02
03
自主预习·新知导学
合作探究·释疑解惑
课 堂 小 结
04
随 堂 练 习
自主预习·新知导学
一、认识交变电流
1.恒定电流
大小和方向都不随时间变化的电流,称为恒定电流。
2.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,简称交流电。
3.正弦交流电
电流的大小和方向都随时间按正弦函数规律变化的交变电流称为正弦交变电流,简称正弦交流电。
二、正弦交流电的产生和变化规律
1.正弦交流电的产生
闭合矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时,线圈中产生的感应电流是正弦交流电。
2.中性面——线圈所在的平面与磁场垂直时的位置。
(1)线圈处于中性面位置时,穿过线圈的Φ最大,线圈中的电流为零。
(2)线圈每次经过中性面时,线圈中感应电流方向都要改变。线圈转动一周,感应电流方向改变两次。
3.正弦交流电的变化规律
(1)当从中性面开始计时:e=Emsin ωt,i=Imsin ωt,u=Umsin ωt。
(2)正弦交流电的最大值:Em=NBSω。
三、发电机与电动机中的能量转化
1.发电机是把机械能转化为电能的装置。
2.电动机能够有效地将电能转化成机械能。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)交流电是指按正弦规律变化的电流。 (　　)
(2)当线圈中的磁通量最大时,产生的电流也最大。 (　　)
(3)闭合线圈绕垂直于匀强磁场的轴匀速转动时产生的交流电是正弦交流电。 (　　)
(4)交变电流的瞬时值表达式与开始计时的位置无关。 (　　)
×
×
√
×
2.线圈在中性面时,磁通量、感应电动势、感应电流具有怎样的特点
提示:磁通量最大,线圈的感应电动势和感应电流为零。
3.线圈在磁场中转动,转至如图所示的位置时,哪些边产生感应电动势
提示:AD、BC边产生感应电动势。
合作探究·释疑解惑
知识点一
对交变电流的理解
【问题引领】
如图所示,哪个不是交变电流
(a)
(b)
提示:图(b)。
【归纳提升】
1.交变电流的方向随时间变化,而直流电流的方向不随时间变化。另外,交变电流的大小可以不变,如矩形脉冲电流,而直流电流的大小可以变化。
2.判断是不是交变电流,至少需在一个周期内观察。
3.交变电流的波形不一定是曲线。
【典型例题】
【例题1】 下列各选项的图像中表示交变电流的是(　　)
D
解析:B、C两图像中,虽然电流大小随时间做周期性变化,但方向不变,故不是交变电流。A图像中电流的方向没有发生变化,不是交变电流。D图像中,电流的大小、方向随时间均做周期性变化,是交变电流,故选D。
科学思维
交变电流和恒定电流的区分方法
交变电流方向会发生改变,而恒定电流的大小和方向均不变。
【变式训练1】 如图所示的各图线中不表示交变电流的是(　　)
B
解析:A、C、D中电流的方向随时间做周期性变化,故A、C、D中的图像表示交变电流,B中的电流方向始终不变,B正确,A、C、D错误。
【问题引领】
知识点二
正弦交流电的产生
如图所示,将矩形线圈与电流表连接成闭合电路,线圈在匀强磁场中并绕垂直于磁场的轴匀速转动。
(1)当线圈匀速转动时,电流表的指针如何摆
动 为什么
(2)线圈在如图所示的位置时,磁通量和感应
电动势各有什么特点
提示:(1)电流表的指针左右摆动。这是因为线圈中产生了大小和方向周期性变化的感应电流。(2)磁通量为零,感应电动势最大。
【归纳提升】
1.正弦交流电的产生过程
图(a)为线圈ABCD在匀强磁场中绕轴OO'转动时的截面图,AB和CD两个边切割磁感线,产生电动势,线圈中就有了电流(或者说穿过线圈的磁通量发生变化而产生了感应电流)。具体分析如图(b)所示,当线圈转动到图甲位置时,导体不切割磁感线,线圈中无电流;当线圈转动到图乙位置时,导体垂直切割磁感线,线圈中有电流,且电流从A端流入;线圈在图丙位置时,导体不切割磁感线,线圈中无电流;线圈在图丁位置时,电流从A端流出,这说明电流方向发生了改变;线圈在图戊位置时,导体不切割磁感线,线圈中无电流。线圈这样转动下去,就在线圈中产生了正弦交流电。
(a)
(b)
2.两个特殊位置(时刻)的对比
图示
概念 中性面位置 与中性面垂直的位置
特点 B⊥S B∥S
Φ=BS,最大 Φ=0,最小
e=n=0,最小 e=n=nBSω,最大
感应电流为零,方向改变 感应电流最大,方向不变
【典型例题】
【例题2】 (多选)矩形线框绕垂直于匀强磁场且在线框平面内的轴匀速转动时产生了交变电流,下列说法正确的是(　　)
A.当线框位于中性面时,线框中感应电动势最大
B.当穿过线框的磁通量为零时,线框中的感应电动势也为零
C.每当线框经过中性面时,感应电动势或感应电流的方向就改变一次
D.线框经过中性面时,各边切割磁感线的速度为零
CD
解析:线框位于中性面时,线框平面与磁感线垂直,穿过线框的磁通量最大,但此时切割磁感线的两边的速度与磁感线平行,即不切割磁感线,所以感应电动势等于零,此时穿过线框的磁通量的变化率也等于零,感应电动势或感应电流的方向也就在此时刻发生变化。线框垂直于中性面时,穿过线框的磁通量为零,但切割磁感线的两边都垂直切割,有效切割速度最大,所以感应电动势最大,也可以说此时穿过线框的磁通量的变化率最大,故C、D选项正确。
科学思维
线圈在匀强磁场中转动问题的分析方法
(1)知道线圈处于两个特殊位置的特点。即Φ、 、e、i的大小及i的方向特点。
(2)分析线圈在不同时刻的位置及穿过它的磁通量、磁通量的变化率情况,利用楞次定律或右手定则判断感应电流的方向。
【变式训练2】 下图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.线圈从中性面位置转过180°的过程中,穿过线圈的磁通量变化量为零
B.图示位置为中性面,线圈中无感应电流
C.图示位置ab边的感应电流方向为a→b
D.线圈平面与磁场方向平行时,磁通量变化率为零
C
解析:若磁场的磁感应强度为B,线圈面积为S,线圈从中性面位置转过180°的过程中,穿过线圈的磁通量可认为由BS变化为-BS,其变化量大小为2BS,选项A错误;在题图位置线圈平面与磁场平行,不是中性面,选项B错误;根据楞次定律,题图位置ab边的感应电流方向为a→b,选项C正确;线圈平面与磁场方向平行时,磁通量为零,磁通量变化率最大,选项D错误。
【问题引领】
知识点三
正弦交流电的变化规律
如图所示,一矩形导体线圈在匀强磁场中绕中心轴OO'做匀速圆周运动。从不同位置开始计时,交变电流的最大值和瞬时值是否相同
提示:交变电流的最大值相同,瞬时值不同。
【归纳提升】
1.交变电动势和交变电流的最大值
交变电动势最大值,由线圈匝数n、磁感应强度B、转动角速度ω及线圈面积S决定,与线圈的形状无关,与转轴的位置无关。如图所示的几种情况,若n、B、S、ω相同,则电动势的最大值相同。
由欧姆定律得交变电流的最大值可表示为Im= 。
【典型例题】
【例题3】 有一个正方形线圈的匝数为10,边长为20 cm,线圈总电阻为1 Ω,线圈绕OO'轴以10π rad/s的角速度匀速转动,如图所示,匀强磁场的磁感应强度为0.5 T 。
(1)该线圈产生的交变电流电动势的最大值、电流的最大值分别是多少
(2)若从中性面位置开始计时,写出感应电动势随时间变化的表达式。
(3)线圈从中性面位置开始转过30°时,感应电动势的瞬时值是多大
答案:(1)6.28 V　6.28 A　(2)e=6.28sin 10πt V　
(3)3.14 V
解析:(1)交变电流电动势的最大值为
Em=NBSω=10×0.5×0.22×10π V≈6.28 V
电流的最大值为Im= =6.28 A。
(2)从中性面位置开始计时,感应电动势的瞬时值表达式为e=Emsin ωt=6.28sin 10πt V。
(3)线圈从中性面位置开始转过30°,感应电动势的瞬时值e=Emsin 30°=3.14 V。
【变式训练3】 矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动,产生的感应电动势的最大值为Em,转动的角速度为ω。设t=0时线圈平面与磁场平行,当线圈的匝数增加一倍,角速度也增大一倍,其他条件不变时,交变电流的感应电动势瞬时值表达式为(　　)
A.e=2Emsin 2ωt　 B.e=4Emsin 2ωt
C.e=Emcos 2ωt D.e=4Emcos 2ωt
D
解析:产生感应电动势的最大值Em=NBSω,当N'=2N,ω'=2ω时,Em'=4Em,所以交变电流的感应电动势的瞬时值表达式为e=4Emcos 2ωt,选项D正确。
【问题引领】
知识点四
正弦交流电的图像
一个线圈处在磁场中,当线圈在磁场中转动时,产生交变电流。在什么情况下交变电流的图像才是正弦曲线
提示:线圈处在匀强磁场中,绕垂直于磁场的轴匀速转动时,交变电流的图像才是正弦曲线。
【归纳提升】
1.正弦交流电的图像
2.由图像可以确定的信息
(1)可以读出正弦交流电的最大值Em。
(2)可根据线圈转至中性面时电动势为零的特点,确定线圈处于中性面的时刻,确定了该时刻,也就确定了磁通量最大的时刻和磁通量变化率最小的时刻,如图中t=0,t=t2时刻。
(3)可根据线圈转至与磁场平行时感应电动势最大的特点,确定线圈与中性面垂直的位置,此位置也就是磁通量为零的时刻和磁通量变化率最大的时刻,如图中t=t1,t=t3时刻。
(4)可以确定某一时刻电动势大小以及某一时刻电动势的变化趋势,如图中t=t1,t=t2时刻。
3.从线圈经过不同位置开始计时图像比较
比较项 从中性面位置开始计时 从与中性面垂直的位置开始计时
磁通量


感应电动势


电压


电流

【典型例题】
【例题4】 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(如图所示),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变化的图线是(　　)
C
解析:线圈在磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时,可以产生按正弦规律变化的交流电。对于题图所示起始时刻,线圈的cd边离开纸面向外运动,速度方向和磁场方向垂直,产生的感应电流的瞬时值最大;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C正确。
科学思维
(1)从中性面开始计时是正弦曲线,从垂直中性面开始计时是余弦曲线。
(2)由楞次定律或右手定则判断感应电流的方向。
【变式训练4】 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转动,线圈中的感应电动势e随时间t的变化如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.t1时刻通过线圈的磁通量为零
B.t2时刻通过线圈的磁通量最大
C.t3时刻通过线圈的磁通量的变化率的绝对值最大
D.每当e转换方向时,通过线圈的磁通量均最大
D
解析:t1时刻e=0,故线圈位于中性面,磁通量最大,选项A错误。t2时刻e最大,故线圈位于中性面之垂面,磁通量为0,选项B错误。t3时刻e=0,故磁通量变化率为0,选项C错误。e转换方向时,线圈位于中性面,故磁通量均最大,选项D正确。
课 堂 小 结
随 堂 练 习
1.(对交变电流的理解)(多选)下列关于交变电流和直流电的说法正确的是(　　)
A.如果电流大小做周期性变化,则一定是交变电流
B.直流电的大小可以变化,但方向一定不变
C.交变电流一定是按正弦或余弦规律变化的
D.交变电流的最大特征是电流的方向发生周期性的变化
BD
解析:直流电的特征是电流方向不变,交变电流的特征是电流方向发生周期性变化;另外,交变电流不都是按正弦或余弦规律变化的。故选项B、D正确。
2.(交变电流的产生)(多选)下列各图中哪些情况线圈中产生了交变电流(　　 )
BCD
解析:由交变电流的产生条件可知,轴必须垂直于磁感线,但对线圈的形状及转轴的位置没有特别要求,故选项B、C、D正确。
3.(交变电流的规律)(多选)如图所示,矩形线圈abcd放在匀强磁场中,ad=bc=l1,ab=cd=l2。从图示位置起该线圈以角速度ω绕不同转轴匀速转动,则(　　)
A.以OO'为转轴时,感应电动势e=Bl1l2ωsin ωt
B.以O1O1'为转轴时,感应电动势e=Bl1l2ωsin ωt
C.以OO'为转轴时,感应电动势e=Bl1l2ωcos ωt
D.以OO'为转轴跟以ab为转轴一样,感应电动势e=Bl1l2ωsin
CD
解析:以O1O1'为轴转动时,磁通量不变,不产生交变电流。无论以OO'为轴还是以ab为轴转动,感应电动势的最大值都是Bl1l2ω。由于是从与磁场平行的面开始计时,产生的是按余弦规律变化的交变电流,故C、D正确。
4.(交变电流的图像)单匝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所示,则下列说法正确的是
(　　)
A.t=0时,线圈平面与中性面垂直
B.t=0.01 s时,Φ的变化率达到最大
C.t=0.02 s时,感应电动势达到最大
D.t=0.03 s时,感应电动势为零
B
解析:t=0时,Φ最大,应是中性面位置,A错误。t=0.01 s时,Φ=0,应是线圈平面与磁场平行的位置,感应电动势最大,Φ的变化率最大,B正确。t=0.02 s时,感应电动势为零,C错误。t=0.03 s时,感应电动势最大,D错误。