文档内容
第 1 节 交变电流
【目录】
【学习目标】...............................................................................................................................................................1
【思维导图】...............................................................................................................................................................1
【知识梳理】...............................................................................................................................................................2
知识点1：交变电流............................................................................................................................................2
知识点2：交变电流的产生................................................................................................................................2
知识点3：交变电流的变化规律........................................................................................................................5
知识点4：交流发电机........................................................................................................................................9
【巩固训练】.............................................................................................................................................................11
【学习目标】
1．通过实验认识交变电流，知道生产生活中使用的大多是正弦式交变电流，会用图像和公式描述正弦式
交变电流。
2．经历建立正弦式交变电流模型、用右手定则和法拉第电磁感应定律推理得出正弦式交变电流方向和大
小的规律的过程，体会建立模型与推理分析的思维方法。
3．了解发电机是将机械能转化为电能的装置，各种发电机的区别在于机械能产生的形式不同。
重点：
1．运用电磁感应的相关知识分析交流发电机产生交变电流的过程。
难点：
1．运用电磁感应的相关知识推导交变电流的瞬时值、峰值表达式。
【思维导图】【知识梳理】
知识点 1：交变电流
1．交变电流（交流电，符号：AC）：电流方向随时间作__________变化的电流。
2．直流电流（直流电，符号：DC）：电流方向__________随时间改变的电流。
【思考】判断下列波形图中的电流是直流电还是交流电？如果是直流电，是否是恒定电流？
__________ __________ __________ __________
__________ __________ __________ __________
知识点 2：交变电流的产生
1．思考与讨论：
① 在如图所示的交流发电机模型中，哪些边会产生感应电动势？
② 如图，当线圈垂直和平行磁场时，产生的感应电动势有何特点？③ 如图，在线圈由图a转到图e的过程中，电流向哪个方向流动？
图a 图b 图c 图d
图e 图f 图g 图h
④ 如图，在线圈由图e转到图a的过程中，电流向哪个方向流动？
⑤ 电流方向在什么位置发生改变？
2．中性面：与磁场方向__________的平面。
①在中性面，穿过线圈的磁通量最__________（Φ＝__________），磁通量变化率最__________（即
__________），感应电动势__________（__________）。
②垂直于中性面时，穿过线圈的磁通量最__________（Φ＝__________），磁通量变化率最__________，
感应电动势__________（__________）。
③线圈__________中性面时，感应电流改变方向。线圈转动一周，感应电流的方向改变__________次。【例1】如图，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变化率最大
D．线圈中电流方向为𝑎→𝑏→𝑐→𝑑
【变式1】如图是交流发电机转动一个周期的示意图，下列说法正确的是（ ）
A．甲图中线圈磁通量最大，产生的电流最大
B．乙图中AB边电流方向从A指向B
C．丙图中AB边电流方向从A指向B
D．丁图中线圈磁通量为0，磁通量的变化率最大
【变式2】如图所示，边长为l的正方形金属框abcd置于匀强磁场中，磁场方向水平向右。金属框以角速
度ω绕金属框的bc边逆时针（从上往下看）匀速转动。𝑡=0时金属框平面与磁场平行（图示状态），下
列说法正确的是（ ）π
A．𝑡= 时，ad边的电流方向从d指向a
2𝜔
π
B．在0~ 的时间内，ab边的电流方向为先a→b，后b→a
𝜔
π
C．在0~ 的时间内，cd边一直切割磁感线
𝜔
π
D．若绕ab边转动，在0~ 的时间内，通过金属框的磁通量先增大后减小
𝜔
【变式3】如图是一款高空风车及其发电模块原理简图，该装置利用充气球将发电机带上高空，通过电电
能传输到地面，可为救灾场所临时供电。在发电明间。发电机线圈ab在某一时刻转至图示位置。则下列
说法正确的是（ ）
A．高空风车发电的工作原理是电流的磁效应
B．无论风力多大，线圈ab的发电频率不变
C．该时刻线圈磁通量为零，感应电动势也为零
D．该时刻线圈b端电势高于a端电势
知识点 3：交变电流的变化规律
1．思考与讨论：如图所示，假设某时刻线框平面与中性面的夹角为θ，已知矩形框边长分别为L 、L ，线
1 2
框绕中心轴匀速转动的角速度为ω，匀强磁场磁感应强度为B，试求此时线框中产生的总的感应电动势的
大小。2．瞬时值：
转轴__________匀强磁场，从__________开始计时，交流发电机产生的电动势的瞬时值为：
__________________________________________________
电流的瞬时值为：__________________________________________________
路端电压的瞬时值为：__________________________________________________
3．峰值：最大的瞬时值。
①电动势的峰值：__________
电流的峰值：__________
路端电压的峰值：__________
②线圈在__________磁场中绕__________于磁感线方向的轴__________转动时，所产生感应电动势的峰值
仅由__________、__________、__________和__________四个量决定，与____________________、
____________________及____________________都无关。
②峰值与瞬时值的大小关系：____________________
③电容器的击穿电压（也称耐压值）要高于交变电流的__________，否则电容器会被击穿。
4．正弦交变电流：按__________规律变化的交流电，是最简单、最基本的交变电流。
如果从线圈垂直中性面的位置开始计时，则____________________，____________________，
____________________。【例2】如图所示，交流发电机中的线圈𝐴𝐵𝐶𝐷沿逆时针方向匀速转动，产生的电动势随时间变化的规律为
𝑒=10sin(100πt)V。下列说法正确的是（ ）
A．该交流电的频率为50Hz，每秒钟电流方向变化50次
B．线圈转到图示位置时，产生的电动势为10V
C．线圈转到图示位置时，𝐴𝐵边受到的安培力方向向下
D．仅线圈转速加倍，电动势为𝑒=20sin(100π𝑡)V
【变式1】如图甲所示，在水平向右的匀强磁场中，匝数为100匝的矩形线圈绕与线圈平面共面的竖直轴
匀速转动，从线圈转到某一位置开始计时，线圈中的瞬时感应电动势e随时间t变化的关系如图乙所示。
则下列说法中正确的是（ ）A．e＝0时，穿过线圈的磁通量为零
B．线圈转动一圈的过程中，穿过线圈磁通量的最大值为22 2 ×10－4 Wb
𝜋
𝜋
C．瞬时感应电动势e随时间t的变化关系为e＝22 2sin 100𝑡+ (V)
3
D．t＝0时，线圈平面与磁场方向夹角为30°
【变式2】某交流发电机给灯泡供电，产生正弦式交变电流的图像如图所示，下列说法中正确的是
（ ）
A．交变电流的频率为0.02Hz
B．交变电流的瞬时值表达式为𝑖=5cos50𝜋𝑡(A)
C．在𝑡=0.01s时，穿过交流发电机线圈的磁通量为零
D．1s末线圈平面与磁感线垂直，感应电流最大
【变式3】手摇式发电机是登山爱好者必备的物品，其原理示意图如图所示。一半径为r的单匝半圆形金
属线圈处在磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场中，转动手柄，发电机通过理想变压器给
灯泡供电。不计金属线圈的内阻，现以转速 n从图示位置开始匀速顺时针转动手柄，则金属线圈产生的感
应电动势的瞬时值表达式为（ ）A．𝑒= 1 𝜋2𝑛𝐵𝑟2sin(2𝜋𝑛𝑡) B．𝑒= 1 𝜋2𝑛𝐵𝑟2cos(2𝜋𝑛𝑡)
2 2
C．𝑒=𝜋2𝑛𝐵𝑟2sin(2𝜋𝑛𝑡) D．𝑒=𝜋2𝑛𝐵𝑟2cos(2𝜋𝑛𝑡)
知识点 4：交流发电机
1．基本结构：
① 电枢：用来产生感应电动势的__________，转轴__________于磁场方向。
② 磁极：用来产生磁场，两磁极间形成__________磁场。
③ 定子
④ 转子
2．基本种类：
① 旋转电枢式发电机：电枢__________，磁极__________。
② 旋转磁极式发电机：磁极__________，电枢__________。
【例3】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．图示位置为中性面，线圈中无感应电流
B．图示位置ab边的感应电流方向为b→a
C．线圈平面与磁场方向平行时，磁通量变化率为零
D．线圈每转动一周，电流方向改变两次
【变式1】数据显示，中国风电累计吊装容量占全球装机近一半、世界第一。某时刻在一风力发电机内部
的线圈abcd位置如图所示。已知风机叶片转动的圆面半径约为50m，平均风速约为8m/s，空气密度约为
1.2kg/m3，风能转化为电能的效率为40%。稳定发电期间，线圈转速为1500r/min。下列说法正确的是
（ ）
A．该时刻线圈中电流方向是𝑎𝑏𝑐𝑑
B．该时刻线圈磁通量的变化率为零
C．稳定发电期间，发电机平均发电功率约为960kW
D．稳定发电期间，1s内线圈中电流方向改变100次
【变式2】全球首座商用海浪发电厂LIMPET500外观和原理示意图如下。如乙图所示，该发电厂面向大海
的一侧有一部分水下建筑，海浪涌入或后退时，结构内的水位上升或下降，压缩空气推动涡轮旋转带动转
子转动，产生电力。其发电机的简化结构如丙图所示。下面说法正确的是（ ）
A．图中线圈所处位置是中性面
B．在图所示位置时，穿过线圈的磁通量变化率为零C．在图所示位置时，线圈BB′边的导线受到的安培力方向向上
D．在图所示位置时，线圈a端电势高于b端电势
【变式3】图甲所示为我国“南锟”号，是世界上首台达到兆瓦级的漂浮式波浪能发电装置。其使用的旋转
．．
磁极式发电机的简化装置如图乙所示，矩形线圈abcd固定不动，磁铁绕OO'轴转动，初始时，abcd与
．．． ．．． ．．．．
OO'在同一平面内。下列判断正确的是（ ）
A．若磁铁匀速转动，线圈中电流保持不变 B．初始时线圈中电流为零
C．若磁铁转过90°时，线圈中电流为零 D．初始时刻线圈中电流方向为abcd
【巩固训练】
1．以下各个选项所示的电流，属于交变电流的是（ ）
A． B． C． D．
2．如图所示，交流发电机中的线圈ABCD沿逆时针方向匀速转动，此时线圈平面与中性面垂直，下列说
法正确的是（ ）
A．在图示位置时，穿过线圈的磁通量最大B．在图示位置时，电流方向发生改变
C．在图示位置时，AB边受安培力方向向上
D．从图示位置转过90°时，线圈中电动势最大
3．电动汽车制动时可利用车轮转动将其动能转换成电能储存起来达到减速目的，车轮转动时带动磁极绕
固定的线圈旋转，在线圈中产生电流。某时刻磁极转到图示位置。下列说法正确的是（ ）
A．该时刻线圈中电流最大
B．线圈中产生的电流是正弦交流电
C．磁极再转过90°时，电流方向改变
D．磁极再转过90°时，电流方向由Q指向P
4．（多选题）如图甲所示，矩形线圈ABCD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ABCD方向为电流正方向，则下列说法正确的是（ ）
A．图乙中cd时间段对应图甲中A至B的过程
B．图乙中c时刻对应图甲中的B
C．图乙中d时刻为0.02s时，则1s内电流的方向改变100次
D．图乙中d时刻为0.02s时，则交变电流的频率为100Hz
5．（多选题）矩形线圈的面积为S，匝数为N，在磁感应强度为B的匀强磁场中，绕垂直于磁场的轴OO′
以角速度ω匀速转动。如图所示，当转到线圈平面与磁场垂直位置时（ ）A．线圈中的电动势为0
B．线圈中的电动势为NBSω
C．穿过线圈的磁通量为0
D．线圈不受安培力作用
6．如图所示，在xOy平面内，矩形线框的底边长为L且与x轴重合，中轴线与y轴重合。线框绕垂直于
x轴的转轴（例如图中的MN轴）匀速转动。匀强磁场区域足够大。在保持转速不变的情况下，线框内产
生的感应电流的最大值𝐼 与转轴所处位置x的关系图像为（ ）
m
A． B． C． D．
7．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𝑖=𝐼 sin𝜔𝑡
m
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
8．一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象如图
甲所示，则下列说法正确的是（ ）
A．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，交流电动势达到最大
D．该线圈产生的交流电动势的图象如图乙所示
9．如图所示，发电机的矩形线框绕对称轴𝑂𝑂′以一定的转速匀速转动，通过电刷𝑒𝑓给外电阻𝑅供电。如图
所示，在轴线𝑂𝑂′两侧的虚线区间中有匀强磁场。取线框处于水平位置时开始计时，关于电流变化的规
律，以下图像中正确的是（ ）A． B． C． D．
