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2023版高考物理一轮总复习第十二章第1节交变电流的产生和描述课件
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这是一份2023版高考物理一轮总复习第十二章第1节交变电流的产生和描述课件，共49页。PPT课件主要包含了第1节，交变电流的产生和描述，正弦式交变电流，正弦规律，变电流，图12-1-1，NBSω，Emsinωt，对中性面的理解，变两次等内容，欢迎下载使用。
一、正弦式交变电流的产生和变化规律
(1)定义：按______________变化的交变电流，简称正弦式电流.(2)产生：当闭合线圈由中性面位置(图 12-1-1 中 O1O2位置)开始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动势随时间而变化的函数是正弦
函数：e＝________，其中 Em＝________.这就是正弦式交
(1)中性面是与磁场方向________的平面，是假想的参考面.(2)线圈平面位于中性面时，穿过线圈平面的磁通量______，而磁通量的变化率为 0，产生的感应电动势为 0.(3)线圈平面与中性面垂直时，穿过线圈平面的磁通量为________，但磁通量的变化率最大，产生的感应电动势最大.(4)线圈每经过中性面一次，____________就改变一次，线圈转动一周，两次经过中性面，所以电流的方向改
(3)周期和频率的关系：f＝______＝
二、描述交变电流的物理量
1.周期和频率：描述交变电流____________的物理量.(1)周期 T：交变电流完成一次周期性变化(线圈转一周)所需的时间，单位是秒(s). 周期越大，交变电流变化越______，在一个周期内，交变电流的方向变化两次.(2)频率 f：交变电流在 1 s 内完成周期性变化的次数，单位是赫兹，符号为 Hz.频率越大，交变电流变化越快.
(4)我国生活用电的电压是______，周期是 0.02 s，频率是______，每秒钟电流方向变化 100 次.
2.交变电流的瞬时值、峰值、有效值和平均值.
(1)瞬时值：交变电流某一______的值，是时间的函数.(2)峰值：交变电流的电流或电压所能达到的________.(3)有效值：让交变电流与恒定电流分别通过________的电阻，如果它们在一个周期产生的热量相等，则这个恒定电流 I、恒定电压 U 就是这个交变电流的__________.即Q 有＝Q1＋Q2＋……
(4) 正弦式交变电流的有效值与峰值之间的关系 I ＝
__________，U＝__________，E＝__________.
【基础自测】1.判断下列题目的正误.(1)线圈在磁场中转动的过程中穿过线圈的磁通量最
大时，产生的感应电动势也最大.(
(2)矩形线圈在匀强磁场中匀速转动经过中性面时，线
圈中的感应电动势为零，电流方向发生改变.(
(3)交流电器设备上所标的电压值和电流值是交变电
(4)交流电压表和电流表测量的是交流电的峰值.
)(5) 交流电路中电压表、电流表的示数都是有效值.)答案：(1)× (2)√ (3)√ (4)× (5)√
2.如图 12-1-2 所示，矩形线框置于磁场中，该磁场可视为匀强磁场.线框通过导线与电阻构成闭合电路，线框在磁场中绕垂直于磁场方向的转轴逆时针匀速转动，下列说
A.线框通过图中位置瞬间，线框中的电流方向由 A到BB.线框通过图中位置瞬间，穿过线框的磁通量最大C.线框通过图中位置瞬间，通过电阻的电流瞬时值最大D.若使线框转动的角速度增大一倍，那么通过电阻电
流的有效值变为原来的答案：C
3.小型交流发电机中，矩形金属线圈在匀强磁场中匀速转动，产生的感应电动势与时间呈正弦函数关系，如图12-1-3 所示.此线圈与一个 R＝10 Ω的电阻构成闭合电路，
电路中的其他电阻不计.下列说法正确的是(图 12-1-3
A.交变电流的周期为 0.125 sB.交变电流的频率为 8 Hz
C.交变电流的有效值为 AD.交变电流的最大值为 4 A答案：C
4.(2021 年北京西城模拟)如图 12-1-4 为交流发电机的示意图，矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴 OO′匀速转动，发电机的电动势随时间的变化规律为 e＝
20sin 100πt(V).下列说法正确的是(图 12-1-4
A.此交流电的频率为 100 Hz
B.此交流电动势的有效值为 20 V
C.当线圈平面转到图示位置时产生的电动势最大D.当线圈平面转到平行于磁场的位置时磁通量的变化
热点 1 交变电流的产生及变化规律[热点归纳]
1.交流电产生过程中的两个特殊位置.
2.正弦式交变电流的变化规律(线圈在中性面位置开
考向 1 两个特殊位置的特点【典题 1】(2020 年天津红桥模拟)矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动，下列说法正确的是
A.在中性面时，通过线圈的磁通量变化最快B.在垂直中性面时，通过线圈的磁通量最小，感应电动势最大C.穿过线圈的磁通量最大时，感应电动势也最大D.线圈每通过中性面两次，电流方向改变一次
解析：在中性面时，磁感线垂直于线圈平面，线圈的磁通量最大，线圈的磁通量变化率为零，故 A、C 错误；在垂直中性面时，磁感线平行于线圈平面，线圈的磁通量最小，磁通量变化率最大，感应电动势最大，故 B 正确；线圈每通过中性面一次，电流方向就要改变一次，故 D 错误.
(1)线圈每转动一周(交流电的一个周期)，
经过两次中性面，电流的方向改变两次.(2)线圈经过中性面的垂面时，通过线圈的磁通量最小，感应电动势、感应电流最大.线圈每转动一周，经过两次中性面的垂面.
考向 2 正弦式交变电流的产生及其图像【典题 2】(2019 年湖南五校联考)如图 12-1-5 所示，图线 a 是线圈在匀强磁场中匀速转动时所产生的正弦交流电的图像，当调整线圈转速后，所产生正弦交流电的图像
A.在图中 t＝0 时刻穿过线圈的磁通量均为最大B.线圈先后两次转速之比为 3∶2
D.图线 a 所对应的交流电的瞬时值表达式解析：由题图可知，t＝0 时刻线圈均在中性面，穿过线圈的磁通量最大，故A 正确；由题图可知Ta∶Tb＝2∶3，故ωa∶ωb＝3∶2，na∶nb＝3∶2，故 B 正确；交流电最大
为 20 V，角速度为
故 C 正确；由题图可知，图线a 所对应的交流电的最大值
＝5π rad/s，所以瞬时值表达式为
u＝20sin 5πt(V)，故 D 错误.答案：D
考向 3 交变电流的规律【典题 3】如图 12-1-6 所示，单匝矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，其转动轴线 OO′与磁感线垂直.已知匀强磁场的磁感应强度 B＝1 T，线圈所围面积 S＝0.1 m2，转速为12 r/min.若从中性面开始计时，则线圈中产生的感应电动
势的瞬时值表达式应为(A.e＝12πsin 120t(V)B.e＝24πsin 120πt(V)C.e＝0.04πsin 0.4πt(V)D.e＝0.4πcs 2πt(V)
解析：矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时，角速度
rad/s＝0.4π rad/s，产生感应电动势的最
大值为 Em＝BSω＝1×0.1×0.4π V＝0.04π V，故其瞬时值表达式为 e＝0.04πsin 0.4πt(V)，故 C 正确.答案：C
方法技巧 求解交变电流瞬时值表达式的解题流程：
热点 2 交变电流有效值的计算[热点归纳]1.公式法.
2.有效值的定义计算法(非正弦式电流).
计算时要抓住“三同”：“相同时间”内“相同电阻”上产生“相同热量”，列式求解，注意时间至少取一个周期或为周期的整数倍.
当有电能和其他形式的能转化时，可利用能的转化和
4.几种典型的交变电流及其有效值.
【典题 4】一电阻接到方波交流电源上，在一个周期内产生的热量为 Q方；若该电阻接到正弦交变电源上，在一个周期内产生的热量为 Q正.该电阻上电压的峰值为 u0，
周期为 T，如图 12-1-7 所示.则 Q方∶Q正等于(
解析：根据题述，正弦交变电流的电压有效值为
而方波交流电的有效值为 u0，根据焦耳定律和欧姆定律，
解答此题的常见错误：一是把方波交变电
流视为正弦交变电流；二是认为在一个周期 T 内产生的热量与电压有效值成正比，导致错选 B；三是比值颠倒，导致错选 C.
【迁移拓展 1】(2021 年广东珠海模拟)如图 12-1-8 所示，正方形线框 abcd 绕对称轴 OO′在匀强磁场中匀速转动，转速ω＝100 rad/s，线框边长 L＝0.1 m，匝数 N＝100，感应强度 B＝0.1 T，图示位置线框平面与磁感线平行，闭合
回路中线框的电阻 r＝2 Ω，外接电阻 R＝8 Ω.则(A.图中所示的瞬间，线框处于中性面B.转动过程中，穿过线框的磁通量最大值为 0.1 Wb
D.通过电阻 R 电流的有效值为 1 A
解析：中性面与磁场方向垂直，则图中所示的瞬间，线框垂直于中性面，A 错误；转动过程中，穿过线框的磁通量最大值为 Φm＝BL2＝0.001 Wb，B 错误；线圈最大电
热点 3 交变电流“四值”的比较
【典题 5】(多选，2021 年广东深圳质检)如图 12-1-9所示，在匀强磁场中匀速转动的矩形单匝线圈的转速为600 r/min，转轴 OO′垂直于磁场方向，线圈电阻为 2 Ω.从线圈平面与磁场方向平行时开始计时，线圈转过 60°时
的感应电流为 2 A，则下列说法正确的是(
图 12-1-9A.任意时刻线圈中的感应电动势为 e＝8sin 20πt(V)
B.任意时刻穿过线圈的磁通量为 Φ＝
sin 20πt(Wb)
C.线圈转动一周产生的焦耳热为 1.6 JD.线圈从开始计时到转过 60°的过程，通过导线横截
解析：从线圈平面与磁场方向平行时开始计时，故电流瞬时值为 i＝Imcs θ，线圈转过60°时的感应电流为2 A，解得 Im＝4 A，角速度ω＝2πn＝20 π，电动势最大值 Em＝ImR＝8 V，线圈中的感应电动势为 e＝8cs 20πt(V)，故 A
错误；任意时刻穿过线圈的磁通量为Φ＝BSsin ωt，Em＝
【迁移拓展 2 】( 多选，2020 年山东烟台模拟) 如图12-1-10 所示，一面积 S＝0.08 m2 的单匝矩形线圈以 bc 边
为轴匀速转动，转速ω＝50
rad/s，线圈处于垂直于纸
面向里、磁感应强度 B＝1 T 的匀强磁场中，E、F 是两个集流环，线圈在转动时可以通过集流环保持与外电路的连接，外电路电阻 R＝2 Ω，线圈、电流表和连接导线的电
阻不计，则下列说法中正确的是(
A.线圈在图示位置时感应电动势瞬时值最大B.电流表的示数为 2 AC.线圈从图示位置转过 90°过程中，流过 R 的电荷量为 0.04 C解析：线圈在图示位置时，磁通量最大，感应电动势为零，故 A 错误； 由题可知，线圈产生正弦式交流电，根据 Em ＝NBS ω可得感应电动势的最大值为 Em ＝1 ×
一、正弦式交变电流的产生和变化规律
(1)定义：按______________变化的交变电流，简称正弦式电流.(2)产生：当闭合线圈由中性面位置(图 12-1-1 中 O1O2位置)开始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动势随时间而变化的函数是正弦
函数：e＝________，其中 Em＝________.这就是正弦式交
(1)中性面是与磁场方向________的平面，是假想的参考面.(2)线圈平面位于中性面时，穿过线圈平面的磁通量______，而磁通量的变化率为 0，产生的感应电动势为 0.(3)线圈平面与中性面垂直时，穿过线圈平面的磁通量为________，但磁通量的变化率最大，产生的感应电动势最大.(4)线圈每经过中性面一次，____________就改变一次，线圈转动一周，两次经过中性面，所以电流的方向改
(3)周期和频率的关系：f＝______＝
二、描述交变电流的物理量
1.周期和频率：描述交变电流____________的物理量.(1)周期 T：交变电流完成一次周期性变化(线圈转一周)所需的时间，单位是秒(s). 周期越大，交变电流变化越______，在一个周期内，交变电流的方向变化两次.(2)频率 f：交变电流在 1 s 内完成周期性变化的次数，单位是赫兹，符号为 Hz.频率越大，交变电流变化越快.
(4)我国生活用电的电压是______，周期是 0.02 s，频率是______，每秒钟电流方向变化 100 次.
2.交变电流的瞬时值、峰值、有效值和平均值.
(1)瞬时值：交变电流某一______的值，是时间的函数.(2)峰值：交变电流的电流或电压所能达到的________.(3)有效值：让交变电流与恒定电流分别通过________的电阻，如果它们在一个周期产生的热量相等，则这个恒定电流 I、恒定电压 U 就是这个交变电流的__________.即Q 有＝Q1＋Q2＋……
(4) 正弦式交变电流的有效值与峰值之间的关系 I ＝
__________，U＝__________，E＝__________.
【基础自测】1.判断下列题目的正误.(1)线圈在磁场中转动的过程中穿过线圈的磁通量最
大时，产生的感应电动势也最大.(
(2)矩形线圈在匀强磁场中匀速转动经过中性面时，线
圈中的感应电动势为零，电流方向发生改变.(
(3)交流电器设备上所标的电压值和电流值是交变电
(4)交流电压表和电流表测量的是交流电的峰值.
)(5) 交流电路中电压表、电流表的示数都是有效值.)答案：(1)× (2)√ (3)√ (4)× (5)√
2.如图 12-1-2 所示，矩形线框置于磁场中，该磁场可视为匀强磁场.线框通过导线与电阻构成闭合电路，线框在磁场中绕垂直于磁场方向的转轴逆时针匀速转动，下列说
A.线框通过图中位置瞬间，线框中的电流方向由 A到BB.线框通过图中位置瞬间，穿过线框的磁通量最大C.线框通过图中位置瞬间，通过电阻的电流瞬时值最大D.若使线框转动的角速度增大一倍，那么通过电阻电
流的有效值变为原来的答案：C
3.小型交流发电机中，矩形金属线圈在匀强磁场中匀速转动，产生的感应电动势与时间呈正弦函数关系，如图12-1-3 所示.此线圈与一个 R＝10 Ω的电阻构成闭合电路，
电路中的其他电阻不计.下列说法正确的是(图 12-1-3
A.交变电流的周期为 0.125 sB.交变电流的频率为 8 Hz
C.交变电流的有效值为 AD.交变电流的最大值为 4 A答案：C
4.(2021 年北京西城模拟)如图 12-1-4 为交流发电机的示意图，矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴 OO′匀速转动，发电机的电动势随时间的变化规律为 e＝
20sin 100πt(V).下列说法正确的是(图 12-1-4
A.此交流电的频率为 100 Hz
B.此交流电动势的有效值为 20 V
C.当线圈平面转到图示位置时产生的电动势最大D.当线圈平面转到平行于磁场的位置时磁通量的变化
热点 1 交变电流的产生及变化规律[热点归纳]
1.交流电产生过程中的两个特殊位置.
2.正弦式交变电流的变化规律(线圈在中性面位置开
考向 1 两个特殊位置的特点【典题 1】(2020 年天津红桥模拟)矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动，下列说法正确的是
A.在中性面时，通过线圈的磁通量变化最快B.在垂直中性面时，通过线圈的磁通量最小，感应电动势最大C.穿过线圈的磁通量最大时，感应电动势也最大D.线圈每通过中性面两次，电流方向改变一次
解析：在中性面时，磁感线垂直于线圈平面，线圈的磁通量最大，线圈的磁通量变化率为零，故 A、C 错误；在垂直中性面时，磁感线平行于线圈平面，线圈的磁通量最小，磁通量变化率最大，感应电动势最大，故 B 正确；线圈每通过中性面一次，电流方向就要改变一次，故 D 错误.
(1)线圈每转动一周(交流电的一个周期)，
经过两次中性面，电流的方向改变两次.(2)线圈经过中性面的垂面时，通过线圈的磁通量最小，感应电动势、感应电流最大.线圈每转动一周，经过两次中性面的垂面.
考向 2 正弦式交变电流的产生及其图像【典题 2】(2019 年湖南五校联考)如图 12-1-5 所示，图线 a 是线圈在匀强磁场中匀速转动时所产生的正弦交流电的图像，当调整线圈转速后，所产生正弦交流电的图像
A.在图中 t＝0 时刻穿过线圈的磁通量均为最大B.线圈先后两次转速之比为 3∶2
D.图线 a 所对应的交流电的瞬时值表达式解析：由题图可知，t＝0 时刻线圈均在中性面，穿过线圈的磁通量最大，故A 正确；由题图可知Ta∶Tb＝2∶3，故ωa∶ωb＝3∶2，na∶nb＝3∶2，故 B 正确；交流电最大
为 20 V，角速度为
故 C 正确；由题图可知，图线a 所对应的交流电的最大值
＝5π rad/s，所以瞬时值表达式为
u＝20sin 5πt(V)，故 D 错误.答案：D
考向 3 交变电流的规律【典题 3】如图 12-1-6 所示，单匝矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，其转动轴线 OO′与磁感线垂直.已知匀强磁场的磁感应强度 B＝1 T，线圈所围面积 S＝0.1 m2，转速为12 r/min.若从中性面开始计时，则线圈中产生的感应电动
势的瞬时值表达式应为(A.e＝12πsin 120t(V)B.e＝24πsin 120πt(V)C.e＝0.04πsin 0.4πt(V)D.e＝0.4πcs 2πt(V)
解析：矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时，角速度
rad/s＝0.4π rad/s，产生感应电动势的最
大值为 Em＝BSω＝1×0.1×0.4π V＝0.04π V，故其瞬时值表达式为 e＝0.04πsin 0.4πt(V)，故 C 正确.答案：C
方法技巧 求解交变电流瞬时值表达式的解题流程：
热点 2 交变电流有效值的计算[热点归纳]1.公式法.
2.有效值的定义计算法(非正弦式电流).
计算时要抓住“三同”：“相同时间”内“相同电阻”上产生“相同热量”，列式求解，注意时间至少取一个周期或为周期的整数倍.
当有电能和其他形式的能转化时，可利用能的转化和
4.几种典型的交变电流及其有效值.
【典题 4】一电阻接到方波交流电源上，在一个周期内产生的热量为 Q方；若该电阻接到正弦交变电源上，在一个周期内产生的热量为 Q正.该电阻上电压的峰值为 u0，
周期为 T，如图 12-1-7 所示.则 Q方∶Q正等于(
解析：根据题述，正弦交变电流的电压有效值为
而方波交流电的有效值为 u0，根据焦耳定律和欧姆定律，
解答此题的常见错误：一是把方波交变电
流视为正弦交变电流；二是认为在一个周期 T 内产生的热量与电压有效值成正比，导致错选 B；三是比值颠倒，导致错选 C.
【迁移拓展 1】(2021 年广东珠海模拟)如图 12-1-8 所示，正方形线框 abcd 绕对称轴 OO′在匀强磁场中匀速转动，转速ω＝100 rad/s，线框边长 L＝0.1 m，匝数 N＝100，感应强度 B＝0.1 T，图示位置线框平面与磁感线平行，闭合
回路中线框的电阻 r＝2 Ω，外接电阻 R＝8 Ω.则(A.图中所示的瞬间，线框处于中性面B.转动过程中，穿过线框的磁通量最大值为 0.1 Wb
D.通过电阻 R 电流的有效值为 1 A
解析：中性面与磁场方向垂直，则图中所示的瞬间，线框垂直于中性面，A 错误；转动过程中，穿过线框的磁通量最大值为 Φm＝BL2＝0.001 Wb，B 错误；线圈最大电
热点 3 交变电流“四值”的比较
【典题 5】(多选，2021 年广东深圳质检)如图 12-1-9所示，在匀强磁场中匀速转动的矩形单匝线圈的转速为600 r/min，转轴 OO′垂直于磁场方向，线圈电阻为 2 Ω.从线圈平面与磁场方向平行时开始计时，线圈转过 60°时
的感应电流为 2 A，则下列说法正确的是(
图 12-1-9A.任意时刻线圈中的感应电动势为 e＝8sin 20πt(V)
B.任意时刻穿过线圈的磁通量为 Φ＝
sin 20πt(Wb)
C.线圈转动一周产生的焦耳热为 1.6 JD.线圈从开始计时到转过 60°的过程，通过导线横截
解析：从线圈平面与磁场方向平行时开始计时，故电流瞬时值为 i＝Imcs θ，线圈转过60°时的感应电流为2 A，解得 Im＝4 A，角速度ω＝2πn＝20 π，电动势最大值 Em＝ImR＝8 V，线圈中的感应电动势为 e＝8cs 20πt(V)，故 A
错误；任意时刻穿过线圈的磁通量为Φ＝BSsin ωt，Em＝
【迁移拓展 2 】( 多选，2020 年山东烟台模拟) 如图12-1-10 所示，一面积 S＝0.08 m2 的单匝矩形线圈以 bc 边
为轴匀速转动，转速ω＝50
rad/s，线圈处于垂直于纸
面向里、磁感应强度 B＝1 T 的匀强磁场中，E、F 是两个集流环，线圈在转动时可以通过集流环保持与外电路的连接，外电路电阻 R＝2 Ω，线圈、电流表和连接导线的电
阻不计，则下列说法中正确的是(
A.线圈在图示位置时感应电动势瞬时值最大B.电流表的示数为 2 AC.线圈从图示位置转过 90°过程中，流过 R 的电荷量为 0.04 C解析：线圈在图示位置时，磁通量最大，感应电动势为零，故 A 错误； 由题可知，线圈产生正弦式交流电，根据 Em ＝NBS ω可得感应电动势的最大值为 Em ＝1 ×
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