3.1交變電流（解析版）-2025年高二物理同步培優講練（人教版選擇性必修第二冊）

3.1交變電流學習目標學習目標課程標準物理素養1.通過實驗觀察交變電流的方向.2.會分析交變電流的產生過程，會推導交變電流電動勢的表達式.3.知道什么是正弦式交變電流，知道正弦式交變電流的瞬時值表達式.4.了解交流發電機的構造及工作原理．物理觀念：認識中性面、區分交流電荷直流電、區分峰值、瞬時值?？茖W思維：經歷建立正弦式交變電流模型、用右手定則和法拉第電磁感應定律推理得出正弦式交變電流方向和大小的規律的過程，體會建立模型與推理分析的思維方法?？茖W探究：運用電磁感應的相關知識理論探究交流發電機產生交變電流的過程?？茖W態度與責任：通過正弦交流電的產生過程和我們大型發電廠的建設過程，體會物理知識與科學技術的關系。002思維導圖003知識梳理課前研讀課本，梳理基礎知識：一、交變電流1．交變電流：大小和方向隨時間做周期性變化的電流叫作交變電流，簡稱交流．2．直流：方向不隨時間變化的電流稱為直流．二、交變電流的產生交流發電機的線圈在磁場中轉動時，轉軸與磁場方向垂直．三、交變電流的變化規律1．中性面(1)中性面：與磁感線垂直的平面．(2)當線圈平面位于中性面時，線圈中的磁通量最大，線圈中的電流為零．2．從中性面開始計時，線圈中產生的電動勢的瞬時值表達式：e＝Emsinωt，Em叫作電動勢的峰值，Em＝NωBS.3．正弦式交變電流：按正弦規律變化的交變電流叫作正弦式交變電流，簡稱正弦式電流．4．正弦式交變電流和電壓電流表達式i＝Imsinωt，電壓表達式u＝Umsinωt.其中Im、Um分別是電流和電壓的最大值，也叫峰值．四、交流發電機1．主要構造：電樞和磁體．2．分類(1)旋轉電樞式發電機：電樞轉動，磁極不動．(2)旋轉磁極式發電機：磁極轉動，電樞不動．004題型精講【題型一】交變電流與直流1．交變電流大小和方向隨時間做周期性變化的電流叫作交變電流，簡稱交流．2．常見的交變電流的波形圖實際應用中，交變電流有著不同的變化規律，常見的有以下幾種，如圖所示．3．直流方向不隨時間變化的電流叫作直流，大小和方向都不隨時間變化的電流叫作恒定電流．【典型例題1】下列e-t圖象中不屬于交流電的有()A． B． C． D．【答案】D【解析】交流電是指電流的方向發生變化的電流，電流的大小是否變化對其沒有影響，電流的方向變化的是ABC，故ABC是交流電，D是直流電．本題選擇不是的，故選D．【典型例題2】（多選）下列所示圖像中屬于交流電的有（）A． B．C． D．【答案】AD【解析】交流電是指電流大小和方向隨時間周期變化，由圖可知，AD正確。故選AD。【對點訓練1】（多選）下列各圖象中屬于交流電的有:A． B．C． D．【答案】BCD【解析】A圖電流的方向不變，是直流電，BCD選項中電流的大小、方向都做周期性變化，是交流電，所以B、C、D正確；A錯誤．【對點訓練2】（多選）下列圖像中屬于交流電的有（）A． B．C． D．【答案】ACD【解析】交流電是指電流的方向發生變化的電流，電流的大小是否變化對其沒有影響，故ACD正確，B錯誤。故選ACD?！绢}型二】交變電流的產生兩個特殊位置1．中性面位置(S⊥B，如圖中的甲、丙)線圈平面與磁場垂直的位置，此時Φ最大，eq\f(ΔΦ,Δt)為0，e為0，i為0.線圈經過中性面時，電流方向發生改變，線圈轉一圈電流方向改變兩次．2．垂直中性面位置(S∥B，如圖中的乙、丁)此時Φ為0，eq\f(ΔΦ,Δt)最大，e最大，i最大．【典型例題3】如圖所示，線圈abcd在水平勻強磁場中勻速轉動而產生交變電流。當線圈逆時針轉動到圖示水平位置時（）A．線圈處于中性面位置B．線圈中瞬時感應電動勢為零C．穿過線圈平面的磁通量最大D．線圈中電流方向為【答案】D【解析】A．中性面是垂直于磁感應強度，題中該位置與中性面垂直，故A項錯誤；B．在題中該位置，線框切割磁感線的速度最快，其瞬時感應電動勢最大，故B項錯誤；C．在中性面位置穿過線圈平面的磁通量最大，題中該位置與中性面垂直，其磁通量最小，故C項錯誤；D．根據楞次定律，線圈中電流方向為，故D項正確。故選D?！镜湫屠}4】如圖所示，兩圓弧形磁極之間放置一矩形線圈，其中A、B為線圈引出的兩個接線端，線圈可繞軸轉動。下列說法正確的是（）A．線圈處于非勻強磁場中B．圖示位置穿過線圈的磁通量不為零C．通電后線圈左右兩邊受安培力相同D．若線圈在外力作用下轉動，則A端電勢始終低于B端【答案】A【解析】A．兩圓弧形磁極之間的磁場是非勻強磁場中，故A正確；B．根據對稱性結合磁通量的公式可知，圖示位置穿過線圈的磁通量為零，故B錯誤；C．通電后線圈兩邊安培力方向不同，故C錯誤；D．若線圈在外力作用下轉動，產生交變電流，A端電勢可能高于B端，故D錯誤；故選A?！緦c訓練3】2023年6月14日，我國自主研發的首臺兆瓦級漂浮式波浪能發電裝置“南鯤號”在廣東珠海投入試運行，如圖甲。南鯤號發電原理可作如下簡化：海浪帶動浪板上下擺動，驅動發電機轉子轉動，其中浪板和轉子的鏈接裝置使轉子只能單方向轉動。如圖乙，若轉子帶動線圈沿逆時針方向轉動，并向外輸出電流，下列說法正確的是（）A．在圖乙所示位置時，線圈a端電勢高于b端電勢B．在圖乙所示位置時穿過線圈的磁通量變化率最小C．在圖乙所示位置時，線圈中電流方向將發生改變D．在圖乙所示位置時，線圈靠近S極的導線受到的安培力方向向上【答案】A【解析】A．在圖乙所示位置時，根據右手定則可知，電流從a端流出，從b端流入，所以線圈a端電勢高于b端電勢，故A正確；B．在圖乙所示位置時穿過線圈的磁通量最小，磁通量的變化率最大，故B錯誤；C．在圖乙所示位置時，線圈與中性面垂直，線圈中電流方向不發生改變，故C錯誤；D．在圖乙所示位置時，根據左手定值可知線圈靠近S極的導線受到的安培力方向向下，故D錯誤。故選A?！緦c訓練4】5．利用示波器可以顯示輸入信號的波形，單匝正方形金屬線框abcd處在勻強磁場中，當以線圈平面內某虛線為軸勻速轉動時，線圈內產生的電流隨時間的變化關系如圖甲所示。則在四個選項所示的情景中，無論從線圈平面處于哪個位置開始計時，都不可能產生該電流的是（）A． B． C． D．【答案】B【解析】A．圖中線圈繞勻速轉動時，線圈磁通量發生變化，會產生感應電流，故A錯誤；B．圖中線圈繞勻速轉動時，線圈磁通量一直為0，磁通量保持不變，不會產生感應電流，故B正確；C．圖中線圈繞勻速轉動時，線圈磁通量發生變化，會產生感應電流，故C錯誤；D．圖中線圈繞勻速轉動時，線圈磁通量發生變化，會產生感應電流，故D錯誤。故選B?！绢}型三】正弦式交變電流的變化規律 1．正弦式交變電流的瞬時值表達式(1)從中性面位置開始計時e＝Emsinωt，i＝Imsinωt，u＝Umsinωt(2)從與中性面垂直的位置開始計時e＝Emcosωt，i＝Imcosωt，u＝Umcosωt.2.交變電流的峰值Em＝NωBS，Im＝eq\f(NωBS,R＋r)，Um＝eq\f(NωBSR,R＋r).說明電動勢峰值Em＝NωBS由線圈匝數N、磁感應強度B、轉動角速度ω和線圈面積S決定，與線圈的形狀無關，與轉軸的位置無關．如圖所示的幾種情況中，如果N、B、ω、S均相同，則感應電動勢的峰值均相同．【典型例題5】一矩形線圈的匝數為50，在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的軸勻速轉動時，穿過線圈的磁通量隨時間的變化規律如圖所示。下列結論正確的是（）A．在t=0.1s和t=0.3s時，電動勢最大B．在t=0.2s和t=0.4s時，電動勢方向發生改變C．電動勢的最大值是50VD．在t=0.4s時，磁通量的變化率最大，為3.14Wb/s【答案】D【解析】A．在t=0.1s和t=0.3s時磁通量最大，感應電動勢為零，故A錯誤；B．在t=0.2s和t=0.4s時，磁通量為零，感應電動勢、感應電流最大，電動勢方向不發生改變，故B錯誤；C．電動勢的最大值為故C錯誤；D．在t=0.4s時，磁通量為零，磁通量的變化率最大，即故D正確。故選D?！镜湫屠}6】在勻強磁場中，一只矩形金屬線框繞與磁感線垂直的轉軸勻速轉動，產生的交變電動勢的圖像如圖所示。則在時，線圈平面和磁場方向的夾角為（

）

A． B． C． D．【答案】C【解析】線圈角速度為在時，線圈轉過的角度為由圖可知，t=0時，線圈平面與磁場方向垂直，而時，線圈轉過的角度為，所以時線圈平面和磁場方向的夾角為。故選C。【對點訓練5】在勻強磁場中，一矩形金屬線框繞與磁場垂直的軸勻速轉動，如圖甲所示，產生的交變電動勢隨時間變化的規律如圖乙所示，則下列說法正確的是（）

A．t=0.01s時穿過線框的磁通量最小B．t=0.01s時穿過線框的磁通量變化率最大C．該線框勻速轉動的角速度大小為50πrad/sD．感應電動勢瞬時值為22V時，線框平面與中性面的夾角為45°【答案】D【解析】AB．由題圖乙知，時感應電動勢為零，則穿過線框的磁通量最大，磁通量變化率最小，故AB錯誤；C．由題圖乙得出周期，所以故C錯誤；D．當時，電動勢為零，線框平面與磁場方向垂直，故該交變電動勢的瞬時值表達式為電動勢瞬時值為時，代入瞬時表達式，則線框平面與中性面的夾角正弦值，所以線框平面與中性面的夾角為45°，故D正確；故選D?！緦c訓練6】某些共享單車的內部有一個小型發電機，通過騎行者的騎行踩踏，可以不斷地給單車里的蓄電池充電，蓄電池再給智能鎖供電。小型發電機的發電原理可簡化為圖甲所示，矩形線圈abcd處于勻強磁場中，通過交流電流表與阻值為R的電阻相連。某段時間在騎行者的踩踏下，線圈繞垂直磁場方向的軸勻速轉動，圖乙是線圈轉動過程中穿過線圈的磁通量隨時間t變化的圖像，則（）A．t=0時刻，線圈處于中性面位置B．t1時刻，電流表示數最大C．t2時刻，線圈中電流方向發生改變D．t3時刻，穿過線圈的磁通量變化率為零【答案】D【解析】A．由圖乙可知，t=0時刻穿過線圈的磁通量為0，則線圈與中性面垂直。故A錯誤；BD．t1和t3時刻，穿過線圈的磁通量最大，磁通量的變化率為零，感應電動勢為零，電流表示數為電流有效值為一定值保持不變。故B錯誤；D正確；C．t2時刻磁通量為零，磁通量的變化率最大，即感應電動勢最大，感應電流最大，此時電流方向不發生改變。故C錯誤。故選D。00501強化訓練【基礎強化】1．手搖手機充電器體型小，攜帶方便，可以在緊急狀態下給手機臨時充電，內部結構簡化如圖。裝置中兩磁極之間產生的磁場可近似視為勻強磁場，線圈的邊（端被磁極擋住未標出）連在金屬滑環上，邊連在滑環上；電刷、分別壓在兩個滑環上，線圈在轉動時可以通過滑環和電刷保持與外電路的連接。下列說法正確的是（）A．圖示時刻，線圈中的電流為0B．圖示時刻，磁通量的變化率最大C．圖示時刻，穿過線圈的磁通量最大D．圖示時刻，電流從右向左流過靈敏電流計【答案】B【解析】ABC．圖示時刻，線圈平面與磁場平行，穿過線圈的磁通量為零，但磁通量變化率最大，根據法拉第電磁感應定律可知，線圈中產生的感應電動勢最大，感應電流也最大，故AC錯誤，B正確；D．由右手定則可知，線圈中電流方向為，則電流從左向右流過靈敏電流計，故D錯誤。故選B。2．如圖甲所示是電機的示意圖。如圖乙所示，將兩個完全相同的電機正對放置，用直桿連接兩個電機的轉軸，電機與電源相連，電機與毫安表相連。先閉合開關，再閉合開關，發現毫安表指針發生偏轉。下列說法正確的是（）A．電機相當于發電機B．毫安表指針會在中央零刻度的左右晃動C．閉合開關瞬間，電機轉動變快，其線圈發熱明顯D．將電機和的磁極N、S都交換，毫安表的指針偏轉方向不變【答案】D【解析】A．由于所在電路中有電源，且當開關閉合后會轉動，說明是電動機，電動機是利用通電導線在磁場中受到力的作用而制成的，故A錯誤；B．由于與用轉軸相連，當轉動時會帶動轉動，而當轉動時，閉合開關，與串聯而構成閉合的毫安表指針發生偏轉，說明是發電機，發電機內部有磁場和線圈，在的帶動下，內部線圈將會做切割磁感線的運動，從而產生感應電動勢，在其所在回路中產生感應電流，因此毫安表發生偏轉，但在穩定轉動的情況下，毫安表指針不會在中央零刻度的左右晃動，毫安表顯示的是感應電流的有效值，若是穩定轉動，則其指針將穩定的指在某一刻度，故B錯誤；C．閉合開關瞬間，電機轉速將降低，電流增大，其線圈發熱明顯，故C錯誤；D．將中的磁極N、S交換，根據左手定則可知，的轉動方向將與原來反向，若同時將中的磁極N、S交換，則在帶動下轉動產生感應電流的方向不發生變化，毫安表的指針偏轉方向不變，故D正確。故選D。3．下圖為交流發電機示意圖，線圈沿逆時針方向勻速轉動，下列說法正確的是（

）A．甲→乙過程中，AB邊中的電流由A→BB．丙→丁過程中，AB邊中的電流由A→BC．圖甲位置線圈中磁通量最大、感應電動勢最大D．圖乙位置線圈中的電流方向發生改變【答案】B【解析】A．甲→乙過程中，根據右手定則，AB邊中的電流由B→A。故A錯誤；B．丙→丁過程中，根據右手定則，AB邊中的電流由A→B。故B正確；C．圖甲位置，線圈中磁通量最大，磁通量變化率為零，線圈中感應電動勢最小，為零。故C錯誤；D．圖乙位置為與中性面垂直的位置，線圈中的電流方向不會發生改變。故D錯誤。故選B。4．汽車上的發電機多采用旋轉式發電機。如圖甲，轉子在外力帶動下旋轉產生磁場，定子線圈產生感應電動勢?，F簡化為如圖乙模型，一連有電阻的線圈軸線與條形磁鐵中心線在同一平面，條形磁鐵（轉子）繞其中心在該平面內勻速轉動的過程中，下列說法正確的是（）A．條形磁鐵在圖示位置，線圈中磁通量最大B．條形磁鐵在圖示位置，電阻中電流為零C．條形磁鐵從圖示位置轉動過程中，電阻中電流方向由指向D．增大條形磁鐵的轉速，可以增大中的電流【答案】D【解析】A．條形磁鐵在圖示位置，線圈中磁通量最小，為零，故A錯誤；B．條形磁鐵在圖示位置，磁通量的變化率最大，感應電流最大，電阻中電流不為零，故B錯誤；C．條形磁鐵從圖示位置轉動過程中，線圈中向上的磁通量增大，根據楞次定律可得電阻中電流方向由指向，故C錯誤；D．增大條形磁鐵的轉速，線圈中磁通量變化率增大，感應電動勢增大，中電流增大，故D正確。故選D。5．通過閉合線圈平面的圖象如圖所示,下列說法正確的是（

）A．時刻線圈中感應電動勢最大B．時刻線圈中磁通量為零C．時刻線圈平面與中性面重合D．、時刻線圈中感應電流方向相同【答案】A【解析】A．圖像的斜率表示磁通量變化率，由圖像可知，時刻斜率最大，由法拉第電磁感應定律可知，此時感應電動勢最大，故A正確；B．由圖像可知，時刻斜率為零，即此時電動勢為零，則此時線圈的磁通量最大，故B錯誤；C．由圖像可知，時刻磁通量為零，則此時線圈平面與中性面垂直，故C錯誤；D．圖像斜率的正負可示電動勢的正負(即方向)，由圖像可知，、時刻線圈中感應電流方向相反，故D錯誤。故選A。6．（多選）如圖所示，下列圖象屬于交流電的有（

）A．B．C．D．【答案】AC【解析】交流電是指電流的方向發生變化的電流，電流的大小是否變化對其沒有影響，電流的方向變化的是AC，AC是交流電，BD是直流電；故選AC．【素養提升】7．（多選）如圖所示，下列線圈勻速轉動或勻速直線運動，能產生交變電流的是（）A． B． C． D．【答案】AD【解析】A．線圈沿垂直磁場的轉軸轉動，故可以產生交變電流，故A正確；B．根據，可知產生的是恒定電流，不會產生交變電流，故B錯誤；C．回路磁通量不變，沒有感應電流，故C錯誤；D．線圈沿垂直磁場的轉軸轉動，可以產生正弦式交流電，故D正確。故選AD。8．（多選）為了研究交流電的產生過程，小張同學設計了如下實驗構思方案：將單匝矩形線圈放在勻強磁場中，線圈繞轉軸按圖示方向勻速轉動（向紙外，向紙內），并從圖甲所示位置開始計時，此時產生的正弦式交流電如圖乙所示。已知其周期為，電流峰值為，下面說法正確的是（）

A．根據圖乙可知時，線圈的磁通量最大B．根據圖乙可知時，線圈的磁通量變化率最大C．若僅把甲圖中的單匝矩形線圈改為兩匝矩形線圈，并從圖甲所示位置開始計時，則產生的交流電與圖乙所示相同D．若僅把甲圖中的轉軸改為轉軸，并從圖甲所示位置開始計時，則產生的交流電與圖乙所示不同【答案】BC【解析】AB．根據圖乙可知時，線圈的感應電流最大，根據法拉第電磁感應定律可知，線圈的磁通量變化率最大，此時磁通量最小為0，故A錯誤，B正確。C．若僅把甲圖中的單匝矩形線圈改為兩匝矩形線圈，根據可知，并從圖甲所示位置開始計時，則產生的交流電壓最大值變為原來的兩倍，但是線圈電阻也變為原來的兩倍，則交流電的圖像與圖乙所示相同，故C正確；D．若僅把甲圖中的轉軸改為轉軸，并從圖甲所示位置開始計時，磁通量的變化情況一樣，產生的交流電與圖乙所示相同，故D錯誤。故選BC。9．（多選）圖甲是交流發電機的示意圖，兩磁極之間的磁場可視為勻強磁場，金屬線圈繞轉軸勻速轉動。A為電流傳感器（與計算機相連），R為定值電阻，線圈電阻為r，其余電阻不計。圖乙為計算機上顯示的電流數據隨時間變化的圖像，下列說法中正確的是（）A．金屬線圈恰好處于圖甲所示的位置時感應電動勢為0，對應圖乙中或時刻B．金屬線圈恰好處于圖甲所示的位置時感應電動勢最大，對應圖乙中或時刻C．、時刻穿過線圈的磁通量的絕對值最大，磁通量變化率最小D．、時刻穿過線圈的磁通量的絕對值最大，磁通量變化率最小【答案】AC【解析】AB．金屬線圈恰好處于圖甲所示的位置時，為中性面，磁通量最大，感應電動勢為0，此時瞬時電流0，對應圖乙中或時刻，故A正確，B錯誤；C．、時刻電流為0，感應電動勢為0，此時線圈平面處于中性面，穿過線圈的磁通量的絕對值最大，磁通量變化率最小，故C正確；D．、時刻電流最大，感應電動勢最大，此時線圈平面與磁感線平行，穿過線圈的磁通量為0，磁通量變化率最大，故D錯誤。故選AC。10．（多選）矩形線圈在勻強磁場中勻速轉動，所產生的交變電流的波形如圖所示，下列說法中正確的是（）A．在t1時刻穿過線圈的磁通量達到峰值B．在t2時刻穿過線圈的磁通量達到峰值C．在t3時刻穿過線圈的磁通量的變化率達到峰值D．在t4時刻穿過線圈的磁通量的變化率達到峰值【答案】BC【解析】AC．由題圖可知，t1和t3時刻，i最大，所以這兩個時刻磁通量的變化率最大，線圈處于垂直中性面的位置，穿過線圈的磁通量為0，故A錯誤，C正確；BD．t2和t4兩時刻i=0，即=0線圈處于中性面位置，此時穿過線圈的磁通量最大，故B正確，D錯誤。故選BC。11．（多選）一矩形線圈繞垂直于勻強磁場并位于線圈平面內的固定軸轉動，線圈中的感應電動勢e隨時間t的變化圖象如圖所示，下列說法中正確的是（）A．t1時刻通過線圈的磁通量為零B．t2時刻通過線圈的磁通量的絕對值最大C．t4時刻通過線圈的磁通量變化率的絕對值最大D．每當e改變方向時，通過線圈的磁通量的絕對值都為最大【答案】CD【解析】A．由圖可知，時刻線圈的感應電動勢為零，則磁通量的變化率也為零，所以通過線圈的磁通量為最大，A錯誤；B．由圖可知，時刻線圈的感應電動勢最大，則磁通量為零，B錯誤；C．由圖可知，時刻線圈的感應電動勢最大，則磁通量的變化率也最大，C正確；D．每當電流轉換方向時，線圈與磁場垂直，線圈通過中性面時，磁通量最大，D正確。故選CD。12．（多選）在勻強磁場中，一矩形金屬線框繞與磁感線垂直的轉動軸勻速轉動，如圖甲所示：產生的交變電動勢隨時間變化的規律如圖乙所示。則下列說法正確的是（）A．t=0.01s時穿過線框的磁通量最小B．該線圈轉動的角速度大小為πrad/sC．該交變電動勢的瞬時值表達式為D．線框平面與中性面的夾角為時，電動勢瞬時值為22V【答案】CD【解析