第05讲 交变电流（预习）（原卷版）-2025版高二物理寒假精-品讲义

第05讲交变电流（预习）模块一思维导图串知识模块二基础知识全梳理（吃透教材）模块三教材习题学解题模块四核心考点精准练（4大考点）模块五小试牛刀过关测1．通过实验观察交变电流的方向.会区分交流电和直流电。2.会分析交变电流的产生过程，会推导交变电流电动势的表达式。3.知道什么是正弦式交变电流，知道正弦式交变电流的瞬时值表达式。4.了解交流发电机的构造及工作原理。知识点1：交变电流【情境导入】用示波器观察于电池电流的波形是一条平行于t轴的直线；而交流电的波形是一条正弦(或余弦)曲线,如图所示。想一想,这两种波形代表的电流有何区别?【答案】直流电方向不变，而交流电方向在做周期性变化。1．交变电流大小和方向随时间做周期性变化的电流叫作交变电流，简称交流．2．常见的交变电流的波形图实际应用中，交变电流有着不同的变化规律，常见的有以下几种，如图所示．3．直流电方向不随时间变化的电流叫作直流，大小和方向都不随时间变化的电流叫作恒定电流，下图均表示直流电。知识点2：交变电流的产生【情境导入】假定线圈绕OO′轴沿逆时针方向匀速转动，如图所示，则：(1)线圈转动一周的过程中，线圈中的电流方向如何变化？(2)线圈转动过程中，当产生的感应电流有最小值和最大值时线圈分别在什么位置？答案(1)转动过程磁通量变化电流方向甲→乙变小B→A→D→C乙→丙变大B→A→D→C丙→丁变小A→B→C→D丁→甲变大A→B→C→D(2)线圈转到甲或丙位置时线圈中感应电流最小，为零，此时线圈所处的平面称为中性面．线圈转到乙或丁位置时线圈中的感应电流最大，此时线圈处在垂直中性面的位置．1．中性面位置(S⊥B，如图中的甲、丙)线圈平面与磁场垂直的位置，此时Φ最大，eq\f(ΔΦ,Δt)为0，e为0，i为0。线圈经过中性面时，电流方向发生改变，线圈转一圈电流方向改变两次。2．垂直中性面位置(S∥B，如图中的乙、丁)此时Φ为0，eq\f(ΔΦ,Δt)最大，e最大，i最大．知识点3：正弦式交变电流的变化规律【情境导入】如图所示，线圈平面绕bc边的中点从中性面开始转动，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？答案(1)eab＝BL1vsinωt＝BL1eq\f(L2ω,2)sinωt＝eq\f(1,2)BL1L2ωsinωt＝eq\f(1,2)BSωsinωt.(2)整个线圈中的感应电动势由ab和cd两边产生的感应电动势组成，且eab＝ecd，所以e总＝eab＋ecd＝BSωsinωt.(3)若线圈有N匝，则相当于N个完全相同的电源串联，所以e＝NBSωsinωt.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＝Emsinωt，Em叫作电动势的峰值，Em＝NωBS.2．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．3．正弦式交变电流的瞬时值表达式(1)从中性面位置开始计时e＝Emsinωt，i＝Imsinωt，u＝Umsinωt(2)从与中性面垂直的位置开始计时e＝Emcosωt，i＝Imcosωt，u＝Umcosωt.4.交变电流的峰值Em＝NωBS，Im＝eq\f(NωBS,R＋r)，Um＝eq\f(NωBSR,R＋r).电动势峰值Em＝NωBS由线圈匝数N、磁感应强度B、转动角速度ω和线圈面积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中，如果N、B、ω、S均相同，则感应电动势的峰值均相同．教材习题02下列电流随时间变化的图像中，属于交变电流的是（）解题方法【详解】交变电流是大小和方向随时间周期性变化，ABD不属于交变电流，C属于交流电。【答案】C。教材习题02下列各情况中，线圈都以角速度绕图中的转动轴匀速转动，能产生交变电流的是哪些？请简述理由。解题方法【详解】产生交变电流的条件是线圈绕垂直于匀强磁场的转轴做匀速圆周运动。甲图，转轴与磁场平行，线圈在转动的过程中，线圈里始终没有磁通量，没有感应电流；乙图，线圈中磁通量随线圈的转动呈周期性的变化，能产生交变电流；丙图，线圈中磁通量随线圈的转动呈周期性的变化，能产生交变电流，丁图，线圈中磁通量随线圈的转动呈周期性的变化，能产生交变电流。【答案】丙和丁。教材习题03如图所示，矩形线圈abcd在匀强磁场中绕OO′轴顺时针（沿OO′方向看）匀速转动时，线圈中产生正弦交流电。从线圈转过图示位置开始计时，设沿abcda方向为电流正方向，则线圈中产生的交流电图像是图中的哪一个？说明判断的理由。解题方法【详解】在图示位置，穿过线圈的磁通量达到最大，线圈中产生的感应电流为零，即，当线圈绕OO′轴顺时针（沿OO′方向看）匀速转动时，穿过线圈的磁通量减小，且原磁场方向向上，根据楞次定律可知感应电流的磁场方向和原磁场方向相同，故线圈中的感应电流的方向沿abcda，电流为正方向，故选a。【答案】A。考点1：交流发电机原理和示意图【典例1】（23-24高二下·江苏常州·期末）如图所示，线圈abcd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【变式1-1】（23-24高二下·广东肇庆·阶段练习）如图所示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．图示位置，ab边的感应电流方向为由a→bB．图示位置为中性面，线圈中无感应电流C．线圈每转动一周，电流方向改变一次D．图示位置线圈平面与磁场方向平行，磁通量变化率为零【变式1-2】（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（）A．B．C． D．考点2：判断线圈转到不同位置的电流方向【典例2】（23-24高二下·北京·期中）如图（a）→（b）→（c）→（d）→（e）过程是交流发电机发电的示意图。线圈的ab边连在金属滑环K上，cd边连在金属滑环L上，用导体制成的两个电刷分别压在两个滑环上，线圈在转动时可以通过滑环和电刷保持与外电路连接。下列说法正确的是（）A．图（a）中，线圈平面与磁感线垂直，磁通量变化率最大B．从图（b）开始计时，线圈中电流i随时间t变化的关系是C．当线圈转到图（c）位置时，感应电流最小，且感应电流方向改变D．当线圈转到图（d）位置时，感应电动势最大，cd边感应电流方向为c→d【变式2-1】（23-24高二下·北京房山·期中）某些共享单车的内部有一个小型发电机，通过骑行者的骑行踩踏，可以不断地给单车里的蓄电池充电，蓄电池再给智能锁供电。小型发电机的发电原理可简化为图甲所示，矩形线圈abcd处于匀强磁场中，通过交流电流表与阻值为R的电阻相连。某段时间在骑行者的踩踏下，线圈绕垂直磁场方向的轴匀速转动，图乙是线圈转动过程中穿过线圈的磁通量随时间t变化的图像，则（）A．t=0时刻，线圈处于中性面位置B．t1时刻，电流表示数最大C．t2时刻，线圈中电流方向发生改变D．t3时刻，穿过线圈的磁通量变化率为零【变式2-2】（23-24高二下·四川成都·阶段练习）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，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（）A．B．C．D．考点3：中性面及其性质【典例3】（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绕转轴匀速转动，A为电流传感器（与计算机相连），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（）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，对应图乙中或时刻C．、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．、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3-1】如图甲所示，由交流发电机、定值电阻、交流电流表A组成的闭合回路，线圈沿逆时针方向转动，图甲所示位置磁感线与线圈平面平行，从此刻开始计时，穿过线圈的磁通量随时间变化的图像如图乙所示，则（）A．时刻线圈中感应电动势最小B．时刻线圈中感应电流的方向改变C．线圈转到图甲所示位置时，线圈中磁通量变化率为零D．线圈转动到图甲所示位置时，线圈中感应电流方向为【变式3-2】（多选）如图甲所示，矩形线圈在匀强磁场中逆时针匀速转动时，线圈中产生的交变电流如图乙所示，设方向为电流正方向，则下列说法正确的是（）A．图乙中时间段对应图甲中至的过程B．图乙中时刻对应图甲中的C．图乙中时刻为时，则内电流的方向改变100次D．图乙中时刻为时，则交变电流的频率为考点4：交流电在示波器上的显示【典例4】示波器面板如图所示，图甲图为一信号源。（1）若要观测此信号源发出的正弦交流信号的波形（正弦交流信号的电流i随时间t做周期性变化的图像如图乙所示），应将信号源的a端与示波器面板上的接线柱相连，b端与接线柱相连。（2）若示波器所显示的输入波形如图丙所示，要将波形上移，应调节面板上的旋钮；要使此波形横向展宽，应调节旋钮。【变式4-1】①在使用示波器时，如果屏幕上出现如图1所示的波形时，应调节图2中的旋钮使之显示在屏幕中央区域（如图3所示），如果外接Y输入正弦交流电源，观察到正弦波的竖直方向的正、负半周均超出了屏幕的范围，应调节旋钮或旋钮（填旋钮旁边的数字或名称），或这两个钮配合使用，以使正弦波的整个波形出现在屏幕内.②如果使该信号显示从一个波形变成两个完整的波形，如图4所示，则应调节旋钮或旋钮（填旋钮旁边的数字或名称），这两个旋钮配合使用；波形横向变窄，应调节旋钮．【变式4-2】利用示波器可以显示输入信号的波形，单匝正方形金属线框abed处在匀强磁场中，当以线圈平面内某虚线为轴匀速转动时，线圈内产生的电流随时间的变化关系如图甲所示。则在四个选项所示的情景中，无论从线圈平面处于哪个位置开始计时，都不可能产生该电流的是（）A．B．C．D．一、单选题1．（23-24高二下·广东梅州·期末）如图甲所示，2023年6月14日，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”在广东珠海投入试运行，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2．（23-24高二下·江苏连云港·期末）如图所示，两圆弧形磁极之间放置一矩形线圈，其中A、B为线圈引出的两个接线端，线圈可绕轴转动。下列说法正确的是（）A．线圈处于非匀强磁场中 B．图示位置穿过线圈的磁通量不为零C．通电后线圈左右两边受安培力相同 D．若线圈在外力作用下转动，则A端电势始终低于B端3．（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随时间t的变化关系图像，下列说法正确的是（

）A．、时刻线圈中感应电动势最小B．、时刻电阻R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4．（23-24高二下·江西·阶段练习）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，一连有电阻的线圈轴线与条形磁铁中心线在同一平面，条形磁铁（转子）绕其中心在该平面内匀速转动的过程中，下列说法正确的是（）A．条形磁铁在图示位置，线圈中磁通量最大B．条形磁铁在图示位置，电阻中电流为零C．条形磁铁从图示位置转动过程中，电阻中电流方向由指向D．增大条形磁铁的转速，可以增大中的电流5．（23-24高二下·江苏连云港·期中）一矩形线圈的匝数为50，在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时，穿过线圈的磁通量随时间的变化规律如图所示。下列结论正确的是（）A．在t=0.1s和t=0.3s时，电动势最大 B．在t=0.2s和t=0.4s时，电动势方向发生改变C．电动势的最大值是50V D．在t=0.4s时，磁通量的变化率最大，为3.14Wb/s6．（23-24高二下·湖北孝感·期中）如图所示为发电机简化模型，内部是匝数为N的矩形铜质线圈在水平匀强磁场中，以角速度绕垂直于磁场的水平转轴匀速转动产生交流电。已知N匝线圈产生的感应电动势的最大值为。下列说法正确的是（

）A．当线圈转到图示位置时处于中性面 B．当线圈转到竖直位置时电流表的示数为零C．当线圈转到图示位置时磁通量的变化率最大 D．穿过线圈的最大磁通量为7．（23-24高二下·江苏常州·期中）利用示波器可以显示输入信号的波形，单匝正方形金属线框abcd处在匀强磁场中，当以线圈平面内某虚线为轴匀速转动时，线圈内产生的电流随时间的变化关系如图甲所示。则在四个选项所示的情景中，无论从线圈平面处于哪个位置开始计时，都不可能产生该电流的是（）A．B．C． D．8．（2024·重庆·模拟预测）如图所示，从左往右看，各线圈在匀强磁场中绕轴匀速顺时针转动，从图示位置开始计时，设电流从2流出线圈为正方向，能产生图甲所示交变电流的是（）A．线圈平面与磁场垂直B．线圈平面与磁场平行C．线圈平而与磁场垂直D．线圈平面与磁场平行二、多选题9．（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．时刻，线圈处在中性面 B．时刻，的变化率为0C．时刻，感应电动势为0 D．从时间内，线圈转过的角度是10．（23-24高二下·广东茂名·期末）如图所示是物理实验室常见的手摇交流发电机，快速摇动发电机手柄，能看到灯泡可以发光，下列说法正确的是（）A．手柄摇得越快，发电机产生的交流电峰值越大 B．手柄摇得越快，发电机产生的交流电频率越高C．手柄每转动一周，感应电流方向都会改变一次 D．把磁铁N、S极位置互换，发电机将不能发电三、实验题11．（23-24高二下·黑龙江齐齐哈尔·期中）如图所示，（a）→（b）→（c）→（d）→（e）过程是交流发电机发电的示意图，线圈的ab边连在金属滑环K上，cd边连在金属滑环L上，用导体制成的两个电刷分别压在两个滑环上，线圈在转动时可以通过滑环和电刷保持与外电路连接。(1)图（a）中，线圈平面与磁感线垂直，磁通量，磁通量变化率。