新教材2025版高中物理第三章交流电1.交变电流学生用书教科版选择性必修第二册

1.交变电流课标要求1．知道交变电流、直流的概念．2．了解中性面的概念，驾驭正弦沟通电的产生和变更规律．3．了解发电机与电动机中的能量转化．思维导图必备学问·自主学习——突出基础性素养夯基一、交变电流及其产生1．交变电流(1)交变电流：大小和方向都随时间做________变更的电流，简称沟通电．(2)直流：________不随时间变更的电流．大小和方向都不随时间变更的电流，称为恒定电流．(3)正弦沟通电：电流的大小和方向都随时间按________规律变更的交变电流．(4)几种不同类型的沟通电2．交变电流的产生(1)产生条件：在匀强磁场中，矩形线圈绕____________方向的轴匀速转动．(2)中性面：线圈在磁场中转动的过程中，线圈平面与磁场________时所在的平面．二、交变电流的变更规律1．从两个特别位置起先计时瞬时值的表达式从中性面位置起先计时从与中性面垂直的位置起先计时磁通量Φ＝Φmcosωt＝BScosωtΦ＝Φmsinωt＝BSsinωt感应电动势e＝Emsinωt＝NBSωsinωte＝Emcosωt＝NBSωcosωt电压u＝Umsinωt＝RNBSωR+ru＝Umcosωt＝RNBSωR+r电流i＝Imsinωt＝NBSωR+ri＝Imcosωt＝NBSωR+r2.正弦沟通电的图像三、发电机与电动机中的能量转化1．发电机(1)定义：把机械能转化为电能的装置．(2)发电方式：火力发电、水力发电、________发电、太阳能发电、________发电等．2．电动机(1)定义：将电能转化成机械能的装置．(2)优点：高效易控、________________等．[导学1]交变电流最突出的特征是电流的方向发生变更，如图甲为交变电流，图乙则为直流电．[导学2](1)线圈在转动一圈的过程中，两次经过中性面位置，电流方向变更两次．(2)线圈经过中性面位置时，穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变更率为零，感应电动势为零；线圈经过垂直中性面位置时，穿过线圈的磁通量为零，磁通量的变更率最大，感应电动势最大．[导学3]发电机克服安培力做功，把机械能转化为电能；电动机安培力做正功，把电能转化为机械能．关键实力·合作探究——突出综合性素养形成探究点一正弦沟通电的产生导学探究(1)如图，此位置是什么位置，磁通量最大还是最小？是否有感应电动势？(2)如图，此位置是什么位置，磁通量最大还是最小？是否有感应电动势？归纳总结1.两个特别位置的特点中性面中性面的垂面位置线圈平面与磁场垂直线圈平面与磁场平行磁通量最大零磁通量变更率零最大感应电动势零最大感应电流零最大电流方向变更不变2.正弦沟通电的产生条件(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．典例示范例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起先计时，则在0～π2A．线圈中的感应电流始终在减小B．线圈中的感应电流先增大后减小C．穿过线圈的磁通量始终在减小D．穿过线圈的磁通量的变更率始终在减小素养训练1(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．当线框经过中性面时，感应电动势或感应电流的方向就变更一次D．线框经过中性面时，各边切割磁感线的速度为零思维方法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，与线圈的形态和转轴的位置无关．探究点二交变电流的变更规律导学探究如图所示，矩形线圈在匀强磁场中绕垂直磁场的轴匀速转动．(1)导体切割磁感线产生的感应电动势与什么因素有关？(2)多匝线圈不垂直切割磁感线产生的感应电动势如何表达？归纳总结1.推导正弦沟通电瞬时值的表达式若线圈平面从中性面起先转动，如图所示，则经时间t：(1)线圈转过的角度为ωt.(2)ab边的线速度跟磁感线方向的夹角θ＝ωt.(3)ab边转动的线速度大小v＝ωLad(4)ab边产生的感应电动势eab＝BLabvsinθ＝BSω2sin(5)整个线圈产生的感应电动势e＝2eab＝BSωsinωt，若线圈为N匝，e＝NBSωsinωt.(6)若线圈给外电阻R供电，设线圈本身电阻为r，由闭合电路欧姆定律得i＝eR+r＝EmR+rsinωt，即i＝Imsinωt，R两端的电压可记为u＝Um2．最大值(1)由e＝NBSωsinωt可知，电动势的最大值Em＝NBSω.(2)交变电动势的最大值，由线圈匝数N、磁感应强度B、转动角速度ω及线圈面积S确定，与线圈的形态无关，与转轴的位置无关，但转轴必需垂直于磁场，因此如图所示几种状况，若N、B、S、ω相同，则电动势的最大值相同．(3)电流的最大值可表示为Im＝NBSω典例示范例2如图所示，正方形线圈abcd的边长是0.5m，共150匝，匀强磁场的磁感应强度为B＝2πT，当线圈以150r/min的转速绕中心轴线OO(1)若从线圈处于中性面起先计时，写出线圈中感应电动势的瞬时值表达式；(2)线圈转过110素养训练2(多选)如图所示，abcd为一边长为L、匝数为N的正方形闭合线圈，绕对称轴OO′匀速转动，角速度为ω.空间中只有OO′左侧存在垂直纸面对里的匀强磁场，磁感应强度大小为B.若闭合线圈的总电阻为R，则()A．线圈中电动势的最大值为22NBL2B．线圈中电动势的最大值为12NBL2C．在线圈转动一圈的过程中，线圈中有一半时间没有电流D．当线圈转到图中所处的位置时，穿过线圈的磁通量为12BL素养训练3某旋转电枢式沟通发电机，当转子的旋转角速度为ω时，其产生的电动势随时间变更的关系式为e＝Emsinωt.那么当转子的旋转角速度减为12ω的关系式为()A．e′＝12Emsinω2tB．e′＝EmsinC．e′＝2Emsinω2tD．e′＝12Em思维方法(1)求解交变电流的瞬时值问题的答题模型(2)若线圈给外电阻R供电，设线圈本身电阻为r，由闭合电路欧姆定律得i＝eR+r＝EmR+rsinωt＝Imsinωt，R两端的电压可记为u＝Um探究点三交变电流的图像归纳总结1.对交变电流图像的相识如图所示，正弦交变电流随时间的变更状况可以从图像上表示出来，图像描述的是交变电流的电动势、电流、电压随时间变更的规律，它们是正弦曲线．2．交变电流图像的应用从图像中可以解读到以下信息：(1)交变电流的最大值Im、Em、Um、周期T.(2)因线圈在中性面时感应电动势、感应电流均为零，磁通量最大，所以可确定线圈位于中性面的时刻．(3)找出线圈平行于磁感线的时刻．(4)推断线圈中磁通量的变更状况．(5)分析推断e、i、u随时间的变更规律．典例示范例3一矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时，产生的交变电动势的图像如图所示，则()A．沟通电的频率是4πHzB．当t＝0时，线圈平面与磁感线垂直，磁通量最大C．当t＝πs时，e有最大值D．t＝32πs时，e素养训练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匀速转动，线圈中的感应电动势e随时间t变更的规律如图所示，则下列说法正确的是()A．图像是从线圈平面位于中性面起先计时的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更率为零D．感应电动势e的方向变更时，穿过线圈的磁通量的方向也变更素养训练5一矩形线圈绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定转轴匀速转动，线圈中产生的感应电动势e随时间t的变更规律如图所示．下列说法中正确的是()A．t1时刻穿过线圈的磁通量最大B．t2时刻穿过线圈的磁通量为0C．t3时刻穿过线圈的磁通量的变更率最大D．每当电流方向变更时，线圈平面就会与中性面垂直思维方法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：驾驭“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推断．随堂演练·自主检测——突出创新性素养达标1．(多选)下列各图中，表示交变电流的是()2．(多选)下列各图中(A、B、C选项中的虚线为转轴；D选项中O点为固定点，线圈在纸面内绕O点转动，且匀强磁场区域足够大)，线圈中能产生沟通电的是()3.(多选)一矩形线圈绕与匀强磁场垂直的中心轴旋转，切割磁感线的两边通过导体圆环外接电阻R，自图示位置起先以角速度ω匀速转动，则通过R的电流()A．大小和方向都不断变更B．方向不变，大小不断变更C．变更的规律i＝ImsinωtD．变更的规律i＝Imcosωt4．一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更的图像如图所示，则下列说法中正确的是()A.t＝0时刻线圈平面与中性面垂直B．t＝0.01s时刻Φ的变更率最大C．t＝0.02s时刻感应电动势最大D．t＝0.03s时刻感应电动势为零5．(多选)线圈在匀强磁场中转动产生电动势e＝10sin20πtV，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率最大D．t＝0.4s时，e有最大值为102V6.如图所示，一正方形闭合线圈在水平匀强磁场中绕OO′轴匀速转动．若要使线圈中的电流最大值减半，不行行的方法是()A．只将线圈的转速减半B．只将线圈的匝数减半C．只将匀强磁场的磁感应强度减半D．只将线圈的边长都减半1．交变电流必备学问·自主学习一、1．(1)周期性(2)方向(3)正弦函数2．(1)垂直于磁场(2)垂直三、1．(2)风力核能2．(2)清洁无污染关键实力·合作探究探究点一【导学探究】提示：(1)中性面磁通量最大无感应电动势(2)与中性面垂直的位置磁通量为零感应电动势最大【典例示范】例1解析：计时起先时线圈平面与磁场平行，感应电流最大，在0～π2答案：AD素养训练1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方向与磁感线平行，即不切割磁感线，所以感应电动势等于零，也即此时穿过线框的磁通量的变更率等于零，感应电动势或感应电流的方向在此时刻变更．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是垂直切割，有效切割速度最大，所以感应电动势最大，即此时穿过线框的磁通量的变更率最大，C、D正确．答案：CD探究点二【导学探究】提示：(1)感应电动势与线圈的匝数N、磁感应强度B、线圈的面积S和线圈平面与中性面的夹角有关．(2)E＝NBSωsinωt.【典例示范】例2解析：分别把Em、ω的数值求出，代入一般式e＝Emsinωt就得出了瞬时值表达式．求瞬时值时，只需把t的时刻代入表达式就可以了．(1)e＝Emsinωt＝NBS·2πnsin2πnt，代入数据可得e＝375sin5πt(V)．(2)当t＝110s时，电动势的瞬时值e＝375sin(5π×1答案：(1)e＝375sin5πt(V)(2)375V素养训练2解析：最大值Em＝12NBL2ω，A错误，B正确；在线圈转动的过程中，线圈始终有一半在磁场中运动，不会有一半时间没有电流，C错误；题图中所示位置中，穿过线圈的磁通量为12BL答案：BD素养训练3解析：线圈中产生的感应电动势的最大值为Em＝NBSω.当转子的旋转角速度减为ω′＝12ω时，感应电动势的最大值变为E′m＝NBSω2＝12Em.电动势随时间变更的关系式变为e′＝E′msinω′t＝12Em答案：A探究点三【典例示范】例3解析：从题图像可知沟通电的周期为2πs，频率为12πHz，t＝πs时，e＝0最小，A、C错误；t＝0时，e最小，Φ最大，B正确；t＝32πs时，e＝－10V，e答案：B素养训练4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更率最大，磁通量为零，即是从线圈平面与磁场方向平行时起先计时的，A错误；t2时刻感应电动势最大，穿过线圈的磁通量的变更率最大，磁通量为零，B正确，C错误；感应电动势e的方向变更时，线圈通过中性面，穿过线圈的磁通量最大，但方向并不变更，D错误．答案：B素养训练5解析：t1时刻感应电动势最大，线圈通过与中性面垂直的位置，穿过线圈的磁通量最小，A错误；t2时刻感应电动势为零，线圈位于中性面位置，穿过线圈的磁通量最大，B错误；t3时刻感应电动势最大，穿过线圈的磁通量的变更率最大，C正确；每当电流方向变更时，线圈平面与磁场垂直，即线圈转到中性面位置，D错误．答案：C随堂演练·自主检测1．解析：方向随时间做周期性变更是交变电流的重要特征，选项A、B中，电流的大小变更，但方向不变，不是交变电流，故A、B错误，C、D正确．答案：CD2．解析：A、C选项中线圈绕转轴转动时，磁通量发生变更，能产生交变电流，故A、C正确．答案：AC3．解析：线圈在匀强磁场中匀速转动时产生正弦式交变电流，和电阻R构成闭合回路，电流的大小、方向均发生变更，A正确，B错误．由于线圈起先时位于垂直于中性面的平面，所以i＝Imcosωt，D正确，C错误．答案：AD4．解析：t＝0时刻磁通量最大，此时线圈平面在中性面，选项A错误；t＝0.01s时刻，磁通量为零，此时磁通量的变更率最大，选项B正确；t＝0.02s时刻，磁通量最大，但是磁通量的变更率为零，感应电动势为